杨磊_北理工_红外微弱信号高灵敏度探测模块设计教材

前置放大器噪声分析
Rs es
前置放大器示意图
Rs et es
en in
前置放大器等效噪声电路
等效噪声功率：
E
2 ni
Et2
E
2 n
I
n2R
2 s
4KTRS f
E
2 n
I
n2R
2 S
噪声系数越小，en和in也就越小，等效输 入总噪声越小，因此我们应该选用噪声系 数较低的前置放大器。
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频率跟踪的实现
A+Asin(ωt+φ)
Asin(ωt+φ)
MSB
1
自动频率跟踪示意图
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4 锁相放大器低噪声前置放大电路的设计
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原理部分 对于5级以上的地震，在地震附
近地区出现电离层扰动的概率 约为74.1%
扰动的异常区域在经纬度方向 均可达20°～30°
相对于正常日变，地震电离层 前兆的最大变化率为±30%
电离层的各种扰动参数中， TEC的扰动最为明显
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3 频率跟踪模块设计
f为待测信号频率，fs为参考信号频率，Δf为两者频率之差,N=fs/f,β=f/fr。 将两正交参考信号和待测信号进行互相关运算
RYS(k )
A sin(T )[sin( 2M
T
(T
1 N
)
sin( f f
•
) N
f f
)
sin(
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频率跟踪的实现
方法选择
频率跟踪通常采用离散傅立叶变换和过零检测法。前 者计算量相当大，我们基于过零检测法提出一种优化 方法实现频率跟踪。
实现思 路
将数字信号变为有符号数
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5 移相电路的设计
锁相放大器中，我们需要保证参考信号与有用信号相位差为零， 因此加入移相电路用来改变参考信号的相位。采取阻容式移相电 路，结构简单，且精度较高。调节可变电阻Rp，可使参考信号相 位的变化范围在0-π之间。
正弦信号为Asin(ωt+φ)，叠加一个幅值为A的直流， 变为A+ Asin(ωt+φ)，成为有符号数。最后将直流信 号减去，恢复原正弦信号，存储在FPGA中。
频率的测量
负值的MSB为1，正值的MSB为0，采集一秒内数据的 最高位变化的次数得到正弦信号的频率。
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uo
(1
R7 R6
)(1
R4 R3
)uin
我们取R7=50kΩ,R6=1kΩ,R4=20kΩ,R3=2kΩ。 于是放大倍数达到561，满足设计要求。
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低噪声放大电路的仿真分析
参考信号 sin(ωt+β)
乘法运算
2 锁相放大原理
LPF 低通滤波器
cos(β-α)/2
cos(β-α)/2 -cos(2ωt+α+β)/2
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信号通道
输入信号 前置放大器 带通滤 波器
锁相放大技术
利用相敏检波原理，将信号放大之 后，分离出与参考信号同频的输入 信号，其它噪声信号则被抑制，从 而测得有用信号的幅值与相位
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被测量信号 sin(ωt+α)
红外微弱信号高灵敏度 探测模块设计
答辩人： 杨磊 指导老师：王允
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研究背景 频率跟踪模块设计 锁相放大器电路设计 光电探测器的选择与底座设计 数据处理与分析 红外探测系统的搭建
法所不能检测到的微弱量。探索发现 新的检测技术，对推动相关领域发展 具有重要意义。
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强背景噪音下微弱信号的检测
传统方法
对于微弱信号的检测，首先需要 将信号放大，但同时也将噪声放 大了，并且放大的过程中也会引 入噪声。这种情况下，传统方法 并不能很好地分离出信号与噪声。
相关器
相敏检 波器
低通滤 信号输出 波器
参考信号
参考通道
锁相环
相移器
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我的工作部分
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红外光学元件在国防，航天，和测量 等领域应用广泛，对其参数测量是光 1 学领域的重大课题，测量系统的高灵 敏度使测量精度的保证。
微弱信号检测被广泛应用在科研工程 2 测控领域，其研究对象使常规传统方
T
2 N
sin(2 N
(T
1 N
)
f f
•
) N
f f
) ]
RYC(k )
A
sin(T )[cos( 2M
T
(T
1 N
)
sin( f f
•
) N
f f
cos(
T
2 N
sin(2 N
(T
1 N
)
f f
•
) N
f f
]
当
时，锁相放大器的输出才会接近被测信号的幅值，
当频率差超出此范围后，锁相放大器将无法检测幅值信息。
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低噪声放大电路的仿真分析
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