003微弱信号检测第三章
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《微弱信号检测》课件
实验结果的评估与验证
评估指标
根据实验目的确定评估指标，如信噪比 、检测限等。
VS
验证方法
采用对比实验、重复实验等方法对实验结 果进行验证，确保结果的可靠性和准确性 。
CHAPTER 05
微弱信号检测的未来发展
新技术的应用与探索
人工智能与机器学习
01
利用人工智能和机器学习技术，对微弱信号进行自动识别、分
微弱信号的特点包括幅度小、信噪比 低、不易被察觉等。由于其容易被噪 声淹没，因此需要采用特殊的检测技 术才能提取出有用的信息。
微弱信号检测的重要性
总结词
微弱信号检测在科学研究、工程应用和日常生活中具有重要意义。
详细描述
在科学研究领域，微弱信号检测是研究物质性质、揭示自然规律的重要手段。在工程应用中，微弱信号检测可用 于故障诊断、产品质量控制等方面。在日常生活中，微弱信号检测的应用也非常广泛，如医疗诊断、环境保护等 。
智能制造
将微弱信号检测技术应用于智能 制造领域，实现设备故障预警、 产品质量控制等。
THANKS
[ 感谢观看 ]
研究新的信号处理算法，提高微弱信号的提取、处理 和辨识能力。
集成化与微型化
实现微弱信号检测设备的集成化和微型化，便于携带 和应用。
微弱信号检测与其他领域的交叉融合
生物医学工程
将微弱信号检测技术应用于生物 医学工程领域，如生理信号监测 、医学影像处理等。
环境监测
将微弱信号检测技术应用于环境 监测领域，实现对噪声、振动、 磁场等的微弱变化进行检测和分 析。
小波变换法
总结词
多尺度分析、自适应能力强
详细描述
小波变换法是一种时频分析方法，能够将信号在不同尺度上进行分解，从而在不同尺度 上检测微弱信号的存在和特性。这种方法自适应能力强，能够适应不同特性的微弱信号
3微弱信号检测的原理和方法
Ps 0 Pn 0 n Psi Pni
V s0 V n0
2
2
n
V si
2 2
V ni
由此可得 :
SNIR
Ps 0 Pn 0 P si / Pni n
根据输入信噪比的大小以及对输出信噪比的数值 要求，可计算重复测量的次数n。
例如，若已知输入信噪比 要求输出信噪比
则测量次数:
Ps 0 n Pn 0 P si / Pni 4 1 10
信号应为周期信号 有适当的累积器 能做到同相累积
要保证做到同相累积，则要根据不同的被检测 信号波形，确定不同的参考信号。
§3.5 锁定接收法
●锁定接收法的原理框图如下:
V1(t)为输入信号， V2(t)为参考信号， 这两个信号同时输入乘法器进行乘法运算，
再经过积分器，得到输出信号V0(t)。
1．考虑最简单的情况: 信号中没有含噪声，只有信号，且信号为正弦信号
即使是这样，这些滤波器的带宽还嫌太宽，
因为这种方法不能检测深埋在噪声中的信号，通常 它只用在对噪声特性要求不很高的场合。 更好的方法是用锁定放大器和取样积分器，这在后 面再作讨论。
检测单次信号：
窄带滤波法不仅适用于周期性正弦信号波 形的复现，而且也能用来检测单次信号是 否存在。 原理：由于一个单次信号（例如单个脉冲 信号或有限正弦波）的绝大部分频率分量 集中在频谱密度曲线基频所在的主峰内。 主峰的频宽Δ f与单次信号的持续时间Δ t 之间满足下述关系：
n
n
V s n
1 n
[V s 1 V s 2 V sn ] n V s
1
其中
Vs
1
V s0 V n0
2
2
n
V si
2 2
V ni
由此可得 :
SNIR
Ps 0 Pn 0 P si / Pni n
根据输入信噪比的大小以及对输出信噪比的数值 要求，可计算重复测量的次数n。
例如，若已知输入信噪比 要求输出信噪比
则测量次数:
Ps 0 n Pn 0 P si / Pni 4 1 10
信号应为周期信号 有适当的累积器 能做到同相累积
要保证做到同相累积，则要根据不同的被检测 信号波形，确定不同的参考信号。
§3.5 锁定接收法
●锁定接收法的原理框图如下:
V1(t)为输入信号， V2(t)为参考信号， 这两个信号同时输入乘法器进行乘法运算，
再经过积分器，得到输出信号V0(t)。
1．考虑最简单的情况: 信号中没有含噪声，只有信号，且信号为正弦信号
即使是这样，这些滤波器的带宽还嫌太宽，
因为这种方法不能检测深埋在噪声中的信号，通常 它只用在对噪声特性要求不很高的场合。 更好的方法是用锁定放大器和取样积分器，这在后 面再作讨论。
检测单次信号：
窄带滤波法不仅适用于周期性正弦信号波 形的复现，而且也能用来检测单次信号是 否存在。 原理：由于一个单次信号（例如单个脉冲 信号或有限正弦波）的绝大部分频率分量 集中在频谱密度曲线基频所在的主峰内。 主峰的频宽Δ f与单次信号的持续时间Δ t 之间满足下述关系：
n
n
V s n
1 n
[V s 1 V s 2 V sn ] n V s
1
其中
Vs
1
微弱信号检测
“微弱信号检测”资料合集目录一、微弱信号检测与采集技术的研究二、微弱信号检测技术三、微弱信号检测技术综述四、基于小波熵的微弱信号检测方法研究五、基于锁相放大器的微弱信号检测研究六、微弱信号检测及机械故障诊断系统研究七、基于自适应变尺度频移带通随机共振降噪的EMD多频微弱信号检测八、基于混沌理论的微弱信号检测原理及其在金属探测器中的应用研究九、微弱信号检测的盲源分离方法及应用研究微弱信号检测与采集技术的研究微弱信号检测与采集技术是当前科学研究领域中的重要研究方向之一，其应用前景广泛，涉及到的领域也非常多样化。
在本文中，我们将探讨微弱信号检测与采集技术的基本原理、研究现状、挑战和未来的发展趋势。
一、微弱信号检测与采集技术的基本原理微弱信号检测主要是通过放大、滤波、数字化等手段，对信号进行处理和分析，以便提取出有用的信息。
而采集技术则是通过特定的传感器和采样电路，将待测信号转换为电信号或其他可测信号，以便进行后续的处理和分析。
二、研究现状随着科学技术的不断发展，微弱信号检测与采集技术也在不断进步。
目前，国内外研究者已经开发出多种针对不同应用场景的微弱信号检测与采集技术。
例如，基于量子限幅放大器技术的微弱光信号检测、基于超导量子干涉器件的微弱磁场检测、基于锁定放大器的微弱电信号检测等。
这些技术的不断发展和应用，为许多领域的研究和实践提供了强有力的支持。
三、挑战然而，微弱信号检测与采集技术的发展也面临着许多挑战。
首先，由于微弱信号往往被噪声所淹没，如何提高信噪比、降低噪声对信号检测的影响是亟待解决的问题。
其次，微弱信号的采集技术需要高灵敏度、低噪声的传感器和采样电路，如何提高传感器的性能和降低采样电路的噪声也是一个重要的挑战。
四、未来的发展趋势未来，微弱信号检测与采集技术的发展将更加多元化和交叉性。
首先，随着数字化技术的发展，采用高速数据采集和数字信号处理技术将成为未来微弱信号检测与采集技术的发展趋势之一。
第三章微弱信号检测
Ep Ev
分辨率：
E 2 E1 EP
峰谷比越大，分辨率越小的PMT 越适合作光子计数用。
E1或EV可做第一甄别幅度 E2作第二甄别幅度。
测量弱光时光电倍增管的输出特性： 光电倍增管噪声 单光电子峰 脉 冲 计 数 率
V（甄别电平）
脉冲幅度V
光电倍增管输出脉冲幅度分布（微分）曲线
2 光子计数系统
；
N max
√最大过载电平(OVL)：不造成仪器过载的最大输入噪声电压 V √总动态范围：反映锁相放大器整体性能的重要指标 ，定义为不引起仪器过载的
最大输入噪声电压与最小可分辩的信号电压之比
V N max D VS min
4 调制技术 在光谱测量中，为了使被测信号变成锁相放大器可以测量的交变信号，同 时获得与被测信号交变信号相干的参考信号，需要对被测的光信号进行调 制。进行光信号调制一般利用随机的光斩波器附件。
1 P( x ) e 2
2
2
2
x lim
1 T T
T
0
xdt 0
x 2 lim
1 T 2 2 0 x dt T T
x 2 称噪声电压的均方根值，衡量系统噪声的基本量。瞬时噪声的幅度
基本上在 3 范围之内.
S ( f ) lim 噪声功率谱密度S(f) : f 0 f P( f , f )为在频率f处，带宽为 f 内的1Ω电阻上的噪声平均功率. P( f , f )
1 n nT
nT
0
S i (t ) S r (t )dt
1 1 Ai Ar cos( i r ) Ai Ar cos 2 2
1 1 Ai Ar cos( i r ) Ai Ar cos 2 2 可以调节参考信号的相位 r ，使之与输入信号的相位差为零，这时，相关器 S 0 (t )
微弱信号检测技术
微弱信号检测技术科学技术发展到现阶段，极端条件下的物理实验已成为深化认识自然的重要手段．这些实验中要测量的物理量往往都是一些非常弱的量，如弱光、弱磁、弱声、微小位移、徽温差、微电导及微弱振动等等。
由于这些微弱的物理量一般都是通过各种传感器进行电量转换．使检测的弱物理量变换成电学量。
但由于弱物理量本身的涨落、传感器的本底和测量仪器的噪声的影响，被测的有用的电信号往往是淹没在数千倍甚至数十万倍的噪声中的微弱信号．为了要得到这一有用的微弱电信号，就产生了微弱信号检测技术。
因此．微弱信号检测技术是一种与噪声作斗争的技术．它利用了物理学、电子学和信息论的方法．分析噪声的原因和规律．研究信号的特征及相关性．采用必要的手段和方法将淹没在噪声中有用的微弱信号检测出来．目前．微弱信号检测主要有以下几种方法：‘1、相干检测相干检测是频域信号的窄带化处理方法．是一种积分过程的相关测量．它利用信号和外加参考信号的相干特性，而这种特性是随机噪声所不具备的，典型的仪器是以相敏检波器(PSD)为核心的锁相放大器。
2、重复信号的时域平均这种方法适用于信号波形的恢复测量。
利用取样技术．在重复信号出现的期间取样．并重复n次，则测量结果的信噪比可改善n倍。
代表性的仪器有Boccar 平均器或称同步(取样)积分器，这类仪器取样效率低，不利低重复率的信号的恢复．随着微型计算机的应用发展．出现了信号多点数字平均技术，可最大限度地抑制噪声和节约时间，并能完成多种模式的平均功能．3、离散信号的统计处理在微弱光检测中，由于微弱光的量子化，光子流具有离散信号的特征．使得利用离散信息处理方法检测微弱光信号成为可能。
微弱光检测又分为单道(Single-Channel)和多道(MuIti．-Channel)两类。
前者是以具有单电子峰的光电倍增管作传感器，采用脉冲甄别和计数技术的光子计数器；后者是用光导摄象管或光电二极管列阵等多路转换器件作传感嚣．采用多道技术的光学多道分析器(OMA)。
微弱信号检测第1章
被测低频信号：Vs(t)=cosωst
ωc/ωs > 20
Vm(t)=Vs(t).×Vc(t)= cos ωst cos ωct
=0.5cos(ωc+ωs)t+0.5cos(ωc-ωs)t
解调过程：Vd(t)= A Vm(t) × Vc(t) 经 LPF，得放大了的被测信号：
A为交流放大倍数
= 0.25 A [cos(2ωc+ωs)t+ cos(2ωc-ωs)t+2 cos ωst]
1. 自功率谱密度函数
x(t)的功率为Px，在角频率ω与ω+Uω之间的功率为UPx，功率谱密度函数定义为
S x (ω ) = Lim
∆ω → 0
∆Px ∆ω
它反映的是噪声功率在不同频率点上分布的情况。
清华大学自动化系 6
《微弱信号检测》第 1 章
根据维纳-辛钦（Wiener-Khinchin）定理： Sx(ω)特点：
+3σx
（二）泊松分布 （三）均匀分布
-3σx
t (ms)
1.3.2 随机噪声的均值、方差和均方值
1． 均值µx
µx = E[x(t)] = ∫ x(t) p(x)dx
−∞
∞
（1-15）
对于各态遍历的平稳随机噪声，其统计平均可以用时间平均来计算，即
µx = Lim
T →∞
1 T x(t )dt 2T ∫−T
p(x,y)= p(x) p(y)
而当上式成立时，x 与 y 必定相互独立，而且 3．归一化相关函数 （1）归一化自相关函数： 根据Rx(0)≥Rx(τ)，可知–1 ≤ ρx(τ) ≤ +1。 （2）归一化互相关函数：
E[xy]= E[x] E[y]。
微弱信号检测教学
微弱信号检测教学
目录
• 微弱信号检测概述 • 微弱信号检测的基本原理 • 微弱信号检测的常用方法 • 微弱信号检测的实验操作
目录
• 微弱信号检测的案例分析 • 微弱信号检测的未来发展与挑战
01
微弱信号检测概述
定义与特点
定义
微弱信号检测是指对幅度较低、容易 被噪声淹没的信号进行提取、测量和 分析的过程。
信号放大
信号放大
通过放大器将微弱信号放大，使其更容易被检测和处理。常用的放大器类型包括电压放大器和电流放大器。
放大器选择
选择合适的放大器是关键，需要考虑放大倍数、带宽、输入噪声、线性范围等因素。
噪声抑制
噪声来源
噪声是影响微弱信号检测的重要因素 ，主要来源于环境、电路和器件本身 。
噪声抑制方法
采用滤波器、消噪电路、数字信号处 理等技术抑制噪声，提高信噪比。
ABCD
数据特征提取
从处理后的数据中提取有用的特征，如幅度、频 率等。
结果评估与优化
根据分析结果，评估微弱信号检测的效果，优化 实验参数和方法，提高检测精度和可靠性。
05
微弱信号检测的案例分析
案例一：生物电信号的检测
总结词
生物电信号是生物体内产生的微弱电流信号，检测这些 信号对于了解生物生理状态和疾病诊断具有重要意义。
信号滤波
滤波器类型
根据信号特性和需求选择合适的滤波器，如低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和陷波滤波器等。
滤波器设计
根据信号频谱和噪声频谱设计滤波器，以保留有用信号并抑制噪声。
相关检测
相关检测原理
相关检测是一种利用信号自相关或互相关特性进行检测的方法，可以有效抑制噪声和干 扰。
相关检测应用
目录
• 微弱信号检测概述 • 微弱信号检测的基本原理 • 微弱信号检测的常用方法 • 微弱信号检测的实验操作
目录
• 微弱信号检测的案例分析 • 微弱信号检测的未来发展与挑战
01
微弱信号检测概述
定义与特点
定义
微弱信号检测是指对幅度较低、容易 被噪声淹没的信号进行提取、测量和 分析的过程。
信号放大
信号放大
通过放大器将微弱信号放大，使其更容易被检测和处理。常用的放大器类型包括电压放大器和电流放大器。
放大器选择
选择合适的放大器是关键，需要考虑放大倍数、带宽、输入噪声、线性范围等因素。
噪声抑制
噪声来源
噪声是影响微弱信号检测的重要因素 ，主要来源于环境、电路和器件本身 。
噪声抑制方法
采用滤波器、消噪电路、数字信号处 理等技术抑制噪声，提高信噪比。
ABCD
数据特征提取
从处理后的数据中提取有用的特征，如幅度、频 率等。
结果评估与优化
根据分析结果，评估微弱信号检测的效果，优化 实验参数和方法，提高检测精度和可靠性。
05
微弱信号检测的案例分析
案例一：生物电信号的检测
总结词
生物电信号是生物体内产生的微弱电流信号，检测这些 信号对于了解生物生理状态和疾病诊断具有重要意义。
信号滤波
滤波器类型
根据信号特性和需求选择合适的滤波器，如低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和陷波滤波器等。
滤波器设计
根据信号频谱和噪声频谱设计滤波器，以保留有用信号并抑制噪声。
相关检测
相关检测原理
相关检测是一种利用信号自相关或互相关特性进行检测的方法，可以有效抑制噪声和干 扰。
相关检测应用
《微弱信号检测》
S/N << 1 －－微弱信号（微弱光电信号）
整理ppt
3
微弱信号检测定义：利用电子学、信息论 和物理学的方法，分析噪声产生的规律找 到抑制的方法；研究被测信号的特点和相 干性，检测被背景噪声淹没的弱信号。
微弱信号检测是测量技术中的尖端和综合 领域，可划归“低噪声电子学”。
整理ppt
4
二 . 微弱信号检测的途径
噪声是一种平稳随机信号； 噪声一般采用长周期测定其均方值(即噪声功率)的方法，通 常采用先计算噪声电压(电流)的平方值，然后将其对时间作 平均，来求噪声电压(电流)的均方值，即：
u i Un 2
lim 1 T T
T 0
2(t)d t或
n
in2
lim1 TT
T 0
2(t)dt
n
表示噪声电压(电流)消耗在1Ω电阻上的
利用时域中周期信号的相关性而噪声的随机、不相关性（或弱 相关性），通过求取信号的自相关函数或互相关函数，在强噪声背 景下提取周期信号的“相关检测”。这相当于在频率中窄带化滤除 干扰和噪声。特别适用窄带信号。例如锁定放大器。
2．平均积累处理
对于一些宽带周期信号应用上述方法处理效果不佳，一种根据 时域特征用取样平均来改善信噪比并能恢复波形的取样积分器可获 得良好探测效果。其基本原理是对于任何重复的（周期性）信号波 形，每周期如在固定的取样间隔内取样m次积累则信噪比改善。因 为“信号电压幅值为线性叠加”（有规律的周期信号）而“噪声功 率为矢量相加”（无规律的随机信号）。
fin A v 2(f)d f
0
V
2 so
是系统的功率增益，我们可以取中频区最大值，即
V
2 si
所以：
SNIRAv2(f0)
《微弱信号检测》PPT课件
电子器件的固有噪声
工程上常用测量综合噪声效果衡量电子器件的噪声， 不再区分具体噪声源。 图(a)所示接信号源的放大器，其 综合噪声等效电路可用图(b)表示。
(a)实际电路
(b)等效噪声电路
图 -2 连接到信号源的放大器 us—待放大信号；Rs—ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ号源电阻；unt— Rs≠0引起的热噪声； uni—折算到输入端的噪声电压；ini—折算到输入端的噪声电流
Eni：位于信号源处放大系统的等效输入噪声， 假定Eni是白噪声，其功率谱密度为常数。
SNIR
f in 可等效为：SNIR f n
Δfin为输入噪声的带宽；
Δfn为系统的等效噪声带宽。
减小系统的等效噪声带宽，可提高SNIR。
SNIR越高，系统检测微弱信号的能力越强。
使用微弱信号检测技术，SNIR可达103～105，甚 至107。
举例： A741 的输入端的噪声电压、噪声电流功 率谱密度函数Su(f)、Si(f)的曲线如下图所示 。
图-3 A741的噪声特性
3.低噪声放大器
为放大微弱信号，必然要用放大器。放大器 本身不可避免地产生噪声，对信噪比本来就比较 低的微弱信号造成进一步影响。
因此，微弱信号检测的首要问题是尽量地降
几种常见电子噪声
噪声种类 热噪声 特点 降低途径 减小输入电阻和带宽 减小平均直流电流和带宽
属于白噪声，功率 谱密度在很宽的频 散粒噪声 率范围内恒定。 属有色噪声，频率 接触噪声 增加，功率谱减小。
减小平均直流电流
微弱信号检测中要处理的绝大多数是随机噪声。
源头：电子自由运动-热噪声；越过PN结的载流子扩散和电 子空穴对的产生复合；接触噪声-导体连接处点到的随机涨落。
微弱信号检测_第三章
= 1 + PN1 +
PN 2
+
PN 3
K P1PNi K P1K P2 PNi K P1K P2 K P3 PNi
KP1
KP3 PNo
K P1、K P2、K P3 分别为各级放大器的功率增益； PN1、PN 2、PN3分别为各级本身的噪声功率； PNi 为源的噪声功率。
同理，推得n级放大器噪声系数：
闪耀噪声(1／f噪声) 闪耀噪声的功率谱密度与频率成反比，它是低频噪 声，其机理还缺乏严格的理论分析。实验表明，它的 大小与半导体材料及其表面漏电流有关。
尖峰噪声 尖峰噪声的功率谱密度是 1/ f α 的函数，其
中，1 < α < 2 。随机脉冲的频率每秒钟在几十到几
百Hz之间，脉冲的幅度基本不变。一般认为产生的原 因是器件中PN结的缺陷所造成的。在信息检测中尖蜂 噪声影响较严重， 在扬声器中会发出象炒玉米的爆炸 声，故又叫爆裂噪声。
若信噪比得到改善，其数量关系是用信噪改善比来 衡量，其定义为：
SNIR
=
输出信噪比 输入信噪比
=
S0 Si
/ /
N0 Ni
3.3.4 前置放大器的噪声电压和噪声电流模型
根据线性电路理论,任何网络内的电源均可等效到网络的 输入端。因此，可以用等效方法把内部噪声源折合到输 入端的等效噪声源表示，然后再通过等效噪声源来分析 放大器的噪声性能及计算输出的大小。任何四端网络都 可用通用的噪声模型来表示。通常把网络看成是由无噪 声的理想线性网络和内部噪声。
等效电路：
热噪声谱密度：
S( f ) = 4kTR
V 2 / Hz
式中，R为电阻阻值；k为玻耳兹曼常数， 等于1.38×10-23J/K；T为电阻的绝对温度。
微弱信号检测 第三章
X()
*
n
s
in(n)( n
nS
)
n
s
in(n) n
X(
nS
)
微 弱信号检测
p(t)
0
x(t)
T
Tg
t
p(ω)
Δ
2π/Tg ω -ωs0 ωs
X(ω)
t 0
x(t)
t 0
ω 0
XS(ω)
ΔX(0)
-ωs
ωs
ω
0
微 弱信号检测
二、指数式门积分器电路频域分许
上述数学分析中，指数门积分器的输出理解为xs(t)与 积分器的冲激响应函数相卷积的结果。而实际电路上，当
)
n
sin(n) n
exp(
jn
St)
则其频谱
P()
n
s
in(n)( n
nS
)
微 弱信号检测
可见P(ω)的图形是包络线为取样函数 sin(n的)一n系列
冲激函数。
p(t)
T
Tg
p(ω)
Δ
t 0
2π/Tg ω -ωs0 ωs
如输入x(t)的频谱为X(ω),则有
X S () X ()* P()
三、指数式门积分器的输出特性
对取样门电路的时域分析，任何周期信号都可以表 示为三角函数的组合，现假设输入被测信号中频率为ω的 单一频率的正弦信号分量。
即 x(t) xm cos[(t )]
①当x(t)的频率ω等于取样脉冲ωs=2π/T，指数式门积分器
u0(t)
知，当t=RC时，有：
uO (t) 0.632 Vi
Tg
r(t) 取样脉冲
c
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微弱信号检测
53
同步积分器
对比相关器输出：
苏州大学物理科学与技术学院
微弱信号检测
54
同步积分器
苏州大学物理科学与技术学院
微弱信号检测
55
同步积分器
同步积分器
➢ 输出方波幅度，正比于：1）输入信号幅度2） 相位差余弦3）放大倍数
➢ 可测量输入信号幅度和相位（需要定标移相器）
同步积分器
正半周对电容器充电的电荷等于在负半周释放的电 荷，相互抵消
过载首先出现在峰值出——不用均 方根、有效值来度量
临界电平动态范围定义
抑制能力
在给定的灵敏度条件下， 允许的最大不相干输入 信号的峰值电平与输出 满刻度所需的相干输入 信号峰值电平之比
36
相关器
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37
相关器
相关器奇次谐波输出频率响应
苏州大学物理科学与技术学院
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38
相关器
苏州大学物理科学与技术学院
微弱信号检测
39
相关器
苏州大学物理科学与技术学院
微弱信号检测
40
相关器
苏州大学物理科学与技术学院
微弱信号检测
41
相关器
5.输入信号为与参考信号同频的方波
苏州大学物理科学与技术学院
微弱信号检测
20
相敏检波
负半周
正半周
苏州大学物理科学与技术学院
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21
锁定放大器
锁定放大器 相关器
噪声带宽极窄 信噪改善比很高
被测信号与参考信号严格同步 放大倍数很高
交流输入，直流输出
信号通道
参考通道
苏州大学物理科学与技术学院
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22
锁定放大器
方波
正弦
输入：正弦或方波，输出：方波
同步积分器
两者同相
同步积分器
两者有相位差
同步积分器
输入信号为参考信号偶次谐波
同步积分器
输入信号为参考信号奇次谐波
同步积分器串联
同步积分器是随参考信号频率而变化的方波匹配滤波 器，积分长度越长，带宽越窄，抑制噪声能力越强
两级串联，抑制噪声能力如何？
二
同步积分器串联
苏州大学物理科学与技术学院
微弱信号检测
44
相关器的积分常数选择
输出信噪比 对快速信号的响应
积分时 间下限
输出电路 过载电平 的限制
谐波衰减 对时间常 数的限制
苏州大学物理科学与技术学院
微弱信号检测
积分时间常数
要求二次谐波 小于1/100
45
相关器的积分常数选择
需求：不失真——在全频谱内，各频率 分量按原来的比例恢复
微弱信号检测
80
旋转电容滤波器
开关频率为f0的 方波控制双刀双
掷开关
等效电路
旋转电容滤波器
旋转电容滤波器
旋转电容滤波器
交流方波
旋转电容滤波器
正负半周性能对称：只讨论正半周
为使噪声带宽较窄，积分时间常数一般取较大 （低通），因此和频项可忽略
输入电压振幅
稳态输出
瞬态输出
旋转电容滤波器
输出信号振幅正比于输入信号的振幅以及信号与开关 信号之间相位差的余弦
积分时 间上限
最高频率失真 50%（6dB）
最高频率失真 3dB
载波频率需远大于缓慢变化信号的最高频率
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微弱信号检测
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相关器电路举例
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第三章 周期性微弱信号检测方法
相关器 同步积分器 旋转电容滤波器
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➢ 相关器输出直流电压：信 号幅度乘以积分器的直流 放大倍数，且与两方波的 相位差成线性关系
➢ 当输入信号幅值恒定时， 相关器成为相敏检波器，
即输出幅度和相位成线性 关系
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相关器的等效噪声带宽
基波： 奇次谐波附近：
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相关器的等效噪声带宽
第一级同步积分器输出电压幅值稳态解：
第一节的积分电阻 与积分电容
同步积分器串联
输出方波幅值稳态解：
第二节的积分电阻 与积分电容
同步积分器串联
基波频率的输出方波电压幅度：
同步积分器串联
6dB/倍频程
3dB/倍频程
两级同步积分器串联使用，比一级积分器具有更 强的噪声抑制能力
同步积分器等效噪声带宽
微弱信号检测
输出最大 输出负最大
输出为0
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相敏检波
两正弦波输入：
差频项
相乘：
两信号同频： 直流输出
正比于相位差的余弦值——相敏
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和频项，用低通滤 波器滤除
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相敏检波
信号中有噪声：
信号频率
与参考信号的相差
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噪声频率
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相敏检波
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同步积分器为核心的LIA
fr 两路正交 苏州大学物理科学与技术学院
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输入：正弦波 或方波
输出：同频方波
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两级联用的LIA 同步积分器+相关器
等效电路：
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两级联用的LIA
两次抑制
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0
负值最大
输出幅度
最大
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相关器
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相关器
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相关器
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相关器
相关器能抑制偶次谐波
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相关器
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满刻度信号输入电 平FS
(Full-Scale)
最小可检测信号电 平MDS（Minimum Discernable Signal）
过载电平OVL （overload）
系统最大输出指 示的满刻度相干 输入信号电平
一般10V，或1V 可从说明书查到
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
输出稳定度乘以输 出满刻度所需的相 关信号峰值的输入 电平
测试 方法：
信号 反相
输出反转： 信号响应
输出不变： 漂移
仪器各组成 部分中有一 电路过载
干扰或噪声 使噪声产生 某种程度的 非线性误差
最小可检测信号=锁定放大器输出漂移/K总
输入动态范围
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动态储备 微弱信号检测
输出动态范围 106
临界电平动态范围定义
极限指标
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同步积分器
同步积分器 原理图
等效电路
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同步积分器
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两者同步受 开关控制
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同步积分器
两个积分器
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同步积分器
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同步积分器
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高通： 简单RC
网络
单端输入、 差动输出
调节时间常数
相位0到360 度连续可调
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混频器差动 输出相加， 积分、滤波
微弱信号检测
直流放大、积分平滑
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相关器为核心的LIA
改善信号通道信噪比：混频器+晶体滤波器
需要滤波特性
需要平坦特性
2fi+1MHz 1MHz
fr+2MHz fr
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两级联用的LIA
对不等于参考频率的信号，以12dB/倍频 程衰减
同步积分器：抑制噪声 相关器：交流变直流解调
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两级联用的LIA
相关器：抑制噪声 同步积分器：窄带跟踪滤波器
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外差式LIA
相关器前的滤波器截止频率附近相位特性不稳定 相关器为相敏输出 频率不稳会造成输出不稳 外差法——实现自动频率跟踪
输入 变压器 低噪声前 置放大器
有源 滤波器
主放大器
增益开关
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不同传 感器
最佳源电阻 /噪声匹配
放大倍数、共模抑制、 动态范围等
提高信噪比
增大动态范围
前级放大倍数不够时用
不能放在输入级
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锁定放大器
参考触发 信号
触发电路
各种周期信号 同步脉冲
参考 通道
倍频电路 相移电路
输入信号
相关
本地信号
提高电路抗干扰性能
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相关检测
• 理论上：互相关接收比自相关接收更有效 • 实际上：两者检测能力相差不大
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相敏检波
相敏检波器 PSD
乘法器
输入两同 频信号