微弱信号检测技术.ppt

精密测控与系统精密测控与系统Weak Signal Detection-WSD.第六章第六章 微弱信号检测技术微弱信号检测技术6.1 6.1 6.1 6.1 随机信号分析主要概念回顾随机信号分析主要概念回顾随机信号分析主要概念回顾随机信号分析主要概念回顾6.2 6.2 6.2 6.2 噪声的基本知识噪声的基本知识噪声的基本知识噪声的基本知识6.3 6.3 6.3 6.3 窄带滤波法（了解）窄带滤波法（了解）窄带滤波法（了解）窄带滤波法（了解）6.4 6.4 6.4 6.4 同步累积法（了解）同步累积法（了解）同步累积法（了解）同步累积法（了解）6.5 6.5 6.5 6.5 同步相干检测（重点内容）同步相干检测（重点内容）同步相干检测（重点内容）同步相干检测（重点内容）6.6 6.6 6.6 6.6 取样积分（重点内容）取样积分（重点内容）取样积分（重点内容）取样积分（重点内容）6.7 6.7 6.7 6.7 屏蔽与接地技术（自学）屏蔽与接地技术（自学）屏蔽与接地技术（自学）屏蔽与接地技术（自学）.概述概述l l微弱信号的定义微弱信号的定义有用信号的幅度，相对于噪声显得很微弱。有用信号的幅度，相对于噪声显得很微弱。有用信号的幅度，相对于噪声显得很微弱。有用信号的幅度，相对于噪声显得很微弱。如输入信号的信噪比为如输入信号的信噪比为如输入信号的信噪比为如输入信号的信噪比为1010-2-2或者更小，即或者更小，即或者更小，即或者更小，即信号完全淹没在噪声之中。信号完全淹没在噪声之中。信号完全淹没在噪声之中。信号完全淹没在噪声之中。有用信号的幅度绝对值很小，如检测有用信号的幅度绝对值很小，如检测有用信号的幅度绝对值很小，如检测有用信号的幅度绝对值很小，如检测 v v、nVnV乃至乃至乃至乃至pVpV量级的电压信号；检测每秒钟量级的电压信号；检测每秒钟量级的电压信号；检测每秒钟量级的电压信号；检测每秒钟多少个光子的弱光信号与图象。多少个光子的弱光信号与图象。多少个光子的弱光信号与图象。多少个光子的弱光信号与图象。.概述概述l l科学研究中经常常需要检测极微弱的信号，科学研究中经常常需要检测极微弱的信号，科学研究中经常常需要检测极微弱的信号，科学研究中经常常需要检测极微弱的信号，例如：例如：例如：例如：生物学中细胞发光特性、光合作用、生物电生物学中细胞发光特性、光合作用、生物电天文学中的星体光谱天文学中的星体光谱化学反映中的物质生成过程化学反映中的物质生成过程物理学中表面物理特性物理学中表面物理特性光学中的拉曼光谱、光声光谱、脉冲瞬态光谱光学中的拉曼光谱、光声光谱、脉冲瞬态光谱微机电系统（微机电系统（MEMSMEMS）的微位移、微力、微电流、的微位移、微力、微电流、电压等电压等.概述概述l l微弱信号检测微弱信号检测微弱信号检测微弱信号检测任务：提高检测系统输出信号的信噪比，检测被噪任务：提高检测系统输出信号的信噪比，检测被噪声淹没的微弱有用信号。声淹没的微弱有用信号。途径：途径：隔离噪声源，降低传感器噪声隔离噪声源，降低传感器噪声 采用先进的信息提取方法（本章重点）采用先进的信息提取方法（本章重点）方法：方法：分析噪声产生的原因和规律（如噪声幅度、频率、分析噪声产生的原因和规律（如噪声幅度、频率、相位等）相位等）研究被测信号的特点（频谱与相关性等）研究被测信号的特点（频谱与相关性等）采用信息论、电子学和计算机分析等方法进行信采用信息论、电子学和计算机分析等方法进行信息处理息处理.微弱信号检测的进展微弱信号检测的进展l l美国吉时利美国吉时利美国吉时利美国吉时利(KEITHLEY)KEITHLEY)仪器公司是当前世界仪器公司是当前世界仪器公司是当前世界仪器公司是当前世界上微弱信号检测的先驱，水平如下上微弱信号检测的先驱，水平如下上微弱信号检测的先驱，水平如下上微弱信号检测的先驱，水平如下物理量物理量物理量物理量检测灵敏度检测灵敏度检测灵敏度检测灵敏度电流电流电流电流110110-17-17 A A电压电压电压电压110110-12-12 V V电阻电阻电阻电阻110110-10-10 电容电容电容电容110110-17-17 F F电荷电荷电荷电荷110110-17-17 C C温差温差温差温差110110-6-6.6.1 随机信号分析回顾随机信号分析回顾一、能量有限信号和功率有限信号一、能量有限信号和功率有限信号一、能量有限信号和功率有限信号一、能量有限信号和功率有限信号l l能量有限信号能量有限信号能量有限信号能量有限信号l l 功率有限信号功率有限信号功率有限信号功率有限信号一般非周期信号属于能量有限信号一般非周期信号属于能量有限信号一般非周期信号属于能量有限信号一般非周期信号属于能量有限信号如周期信号、阶跃信号等如周期信号、阶跃信号等如周期信号、阶跃信号等如周期信号、阶跃信号等.二、均值、均方值、方差二、均值、均方值、方差均值：信号的常值分量均值：信号的常值分量均值：信号的常值分量均值：信号的常值分量均方值：信号的平均功率，均方值：信号的平均功率，均方值：信号的平均功率，均方值：信号的平均功率，正平方根为均方根值正平方根为均方根值正平方根为均方根值正平方根为均方根值(有效值有效值有效值有效值)方差：信号的波动分量方差：信号的波动分量方差：信号的波动分量方差：信号的波动分量正平方根为标准差正平方根为标准差正平方根为标准差正平方根为标准差x x x x三者关系：三者关系：三者关系：三者关系：.三、概率密度函数三、概率密度函数定义：信号幅值落在指定区间内的概率定义：信号幅值落在指定区间内的概率定义：信号幅值落在指定区间内的概率定义：信号幅值落在指定区间内的概率意义：提供了随机信号沿幅值域分布的曲线意义：提供了随机信号沿幅值域分布的曲线意义：提供了随机信号沿幅值域分布的曲线意义：提供了随机信号沿幅值域分布的曲线.随机噪声概率密度函数的特点随机噪声概率密度函数的特点 大多数噪声瞬时幅度的概率分布属正态分布大多数噪声瞬时幅度的概率分布属正态分布大多数噪声瞬时幅度的概率分布属正态分布大多数噪声瞬时幅度的概率分布属正态分布.四、相关函数四、相关函数自相关函数：自相关函数：自相关函数：自相关函数：互相关函数：互相关函数：互相关函数：互相关函数：用途：度量信号波形的相似程度，用途：度量信号波形的相似程度，用途：度量信号波形的相似程度，用途：度量信号波形的相似程度，提取信号中的周期成份提取信号中的周期成份提取信号中的周期成份提取信号中的周期成份 信号平均功率信号平均功率信号平均功率信号平均功率 其它性质在相关检测中具体讨论其它性质在相关检测中具体讨论其它性质在相关检测中具体讨论其它性质在相关检测中具体讨论.五、功率谱密度五、功率谱密度l l特性：特性：特性：特性：S(S(f f)与与与与R(R()是一对傅立叶变换对，满足是一对傅立叶变换对，满足是一对傅立叶变换对，满足是一对傅立叶变换对，满足 Wiener-KhintchineWiener-Khintchine定理定理定理定理自谱密度：自谱密度：自谱密度：自谱密度：互谱密度：互谱密度：互谱密度：互谱密度：l l功率谱密度的物理意义功率谱密度的物理意义功率谱密度的物理意义功率谱密度的物理意义S Sx x(f)(f)曲线下的面积即为信号曲线下的面积即为信号曲线下的面积即为信号曲线下的面积即为信号x(t)x(t)的平均功率，即的平均功率，即的平均功率，即的平均功率，即S Sx x(f)(f)表示信号功率密度沿频率轴的分布，故称表示信号功率密度沿频率轴的分布，故称表示信号功率密度沿频率轴的分布，故称表示信号功率密度沿频率轴的分布，故称功率密度函数。功率密度函数。功率密度函数。功率密度函数。.六、放大器及线性网络的带宽六、放大器及线性网络的带宽式中：式中：G(f)G(f)功率增益的频谱函数功率增益的频谱函数GG0 0最大功率增益最大功率增益 ff系统带宽系统带宽使矩形面积等于频谱函数下面积的频率值使矩形面积等于频谱函数下面积的频率值使矩形面积等于频谱函数下面积的频率值使矩形面积等于频谱函数下面积的频率值.6.2 噪声基本知识噪声基本知识一、干扰和噪声一、干扰和噪声l l干扰：可以消除或减小的外部扰动。干扰：可以消除或减小的外部扰动。如如如如5050HZHZ工频干扰、工频干扰、工频干扰、工频干扰、电台广播、电视信号、宇宙电台广播、电视信号、宇宙电台广播、电视信号、宇宙电台广播、电视信号、宇宙射线等，可以通过采取适当的屏蔽、滤波或元件射线等，可以通过采取适当的屏蔽、滤波或元件射线等，可以通过采取适当的屏蔽、滤波或元件射线等，可以通过采取适当的屏蔽、滤波或元件合理配置等措施，来减小和消除干扰。合理配置等措施，来减小和消除干扰。合理配置等措施，来减小和消除干扰。合理配置等措施，来减小和消除干扰。l l噪声：由于材料或器件的物理原因所产噪声：由于材料或器件的物理原因所产生的扰动。生的扰动。如导电阻内的热噪声、如导电阻内的热噪声、如导电阻内的热噪声、如导电阻内的热噪声、晶体管内的散粒噪声。由晶体管内的散粒噪声。由晶体管内的散粒噪声。由晶体管内的散粒噪声。由大量的短尖脉冲组成，其幅度和相位都是随机的，大量的短尖脉冲组成，其幅度和相位都是随机的，大量的短尖脉冲组成，其幅度和相位都是随机的，大量的短尖脉冲组成，其幅度和相位都是随机的，大多属于随机噪声。大多属于随机噪声。大多属于随机噪声。大多属于随机噪声。.二、信噪比和信噪改善比二、信噪比和信噪改善比1.1.信噪比信噪比信噪比信噪比SNRSNR2.2.2.2.信噪改善比信噪改善比信噪改善比信噪改善比SNIRSNIRl lSNRSNR越高，测量误差越小。越高，测量误差越小。l l微弱信号检测的目的就是使微弱信号检测的目的就是使SNRSNR 1 1或或SNRSNR1 1l lSNIRSNIR越高，测量系统检测微弱信号的能力越越高，测量系统检测微弱信号的能力越强强.三、几种常见的电子噪声三、几种常见的电子噪声噪声种类噪声种类噪声种类噪声种类特点特点特点特点热噪声热噪声功率谱密度在很宽的功率谱密度在很宽的频率范围内恒定，为频率范围内恒定，为白噪声白噪声散粒噪声散粒噪声低频噪声低频噪声频率增加，功率谱减频率增加，功率谱减小。由于功率谱密度小。由于功率谱密度与频率有关，所以也与频率有关，所以也叫色噪声叫色噪声接触噪声接触噪声微弱信号检测中需要处理的绝大多数是随机噪声。微弱信号检测中需要处理的绝大多数是随机噪声。微弱信号检测中需要处理的绝大多数是随机噪声。微弱信号检测中需要处理的绝大多数是随机噪声。.1.1.电阻中的热噪声电阻中的热噪声(约翰逊噪声，约翰逊噪声，1928年发现年发现)l l温度处于绝对温度以上时，即使不接电源，任何电温度处于绝对温度以上时，即使不接电源，任何电温度处于绝对温度以上时，即使不接电源，任何电温度处于绝对温度以上时，即使不接电源，任何电阻两端都会有噪声电压。阻两端都会有噪声电压。阻两端都会有噪声电压。阻两端都会有噪声电压。原因：电阻中载流子的随机热运动引起原因：电阻中载流子的随机热运动引起特点：由于电阻中载流子的热运动的随机性，热特点：由于电阻中载流子的热运动的随机性，热噪声电压是随机的噪声电压是随机的l l奈奎斯特利用热力学理论和实验，得到热噪声电压奈奎斯特利用热力学理论和实验，得到热噪声电压奈奎斯特利用热力学理论和实验，得到热噪声电压奈奎斯特利用热力学理论和实验，得到热噪声电压的有效值：的有效值：的有效值：的有效值：k k:波尔兹曼常数波尔兹曼常数 1.38101.38102323J/KJ/K，T:T:绝对温度绝对温度(K)K)R:R:电阻值电阻值()，f:f:系统带宽（系统带宽（HzHz）.l l在微弱信号检测中，需要考虑热噪声在微弱信号检测中，需要考虑热噪声在微弱信号检测中，需要考虑热噪声在微弱信号检测中，需要考虑热噪声l l噪声功率（有效值的平方均方值）噪声功率（有效值的平方均方值）噪声功率（有效值的平方均方值）噪声功率（有效值的平方均方值）P P正比于正比于正比于正比于f f，则功率谱密度为常数，所以则功率谱密度为常数，所以则功率谱密度为常数，所以则功率谱密度为常数，所以热噪声热噪声热噪声热噪声是一种是一种是一种是一种白噪声。白噪声。白噪声。白噪声。l l降低措施：降低措施：降低措施：降低措施：可以通过减小可以通过减小T T、ff降低热噪声电压降低热噪声电压例如例如例如例如：R=1k R=1k,ff=10=105 5HzHz，T=300T=300KK，则则则则 E Et t=1.12=1.12 V V电阻中的热噪声电阻中的热噪声.电阻热噪声等效电路电阻热噪声等效电路.2.散粒噪声散粒噪声l l由于阴极发射电子的无规律性或由于阴极发射电子的无规律性或由于阴极发射电子的无规律性或由于阴极发射电子的无规律性或PNPN结载流子的起伏所结载流子的起伏所结载流子的起伏所结载流子的起伏所造成的，仅存在于有源器件中。造成的，仅存在于有源器件中。造成的，仅存在于有源器件中。造成的，仅存在于有源器件中。l l使器件中流动的电流不再平滑、连续，而是随机变化。使器件中流动的电流不再平滑、连续，而是随机变化。使器件中流动的电流不再平滑、连续，而是随机变化。使器件中流动的电流不再平滑、连续，而是随机变化。l l散粒噪声的电流有效值：散粒噪声的电流有效值：散粒噪声的电流有效值：散粒噪声的电流有效值：q:电子电荷，电子电荷，q=1.610-19CIdc:平均直流电流平均直流电流(A)f:系统带宽系统带宽(Hz)l l噪声功率正比于噪声功率正比于噪声功率正比于噪声功率正比于f f，则功率谱密度为常数，属白噪声。则功率谱密度为常数，属白噪声。则功率谱密度为常数，属白噪声。则功率谱密度为常数，属白噪声。l l可通过测量流经该器件的直流电流可通过测量流经该器件的直流电流可通过测量流经该器件的直流电流可通过测量流经该器件的直流电流I Idcdc来测量散粒噪声来测量散粒噪声来测量散粒噪声来测量散粒噪声每赫兹带宽的电流有效值。每赫兹带宽的电流有效值。每赫兹带宽的电流有效值。每赫兹带宽的电流有效值。l l减小散粒噪声的方法是降低平均直流电流和系统带宽减小散粒噪声的方法是降低平均直流电流和系统带宽减小散粒噪声的方法是降低平均直流电流和系统带宽减小散粒噪声的方法是降低平均直流电流和系统带宽.3、低频噪声（又称、低频噪声（又称1/f噪声）噪声）l l原因：材料的表面特性造成，如载流子的产生和复原因：材料的表面特性造成，如载流子的产生和复原因：材料的表面特性造成，如载流子的产生和复原因：材料的表面特性造成，如载流子的产生和复合、表面态的密度等。广泛存在于有源和无源器件合、表面态的密度等。广泛存在于有源和无源器件合、表面态的密度等。广泛存在于有源和无源器件合、表面态的密度等。广泛存在于有源和无源器件中，如：晶体管、电子管、电阻等中，如：晶体管、电子管、电阻等中，如：晶体管、电子管、电阻等中，如：晶体管、电子管、电阻等l l噪声的功率谱密度噪声的功率谱密度噪声的功率谱密度噪声的功率谱密度 1/1/f f，低频时噪声功率密度大，低频时噪声功率密度大，低频时噪声功率密度大，低频时噪声功率密度大，故称低频噪声。故称低频噪声。故称低频噪声。故称低频噪声。K K K K:比例系数比例系数比例系数比例系数f f f fh h h h、f f f fl l l l是系统带宽的上下限是系统带宽的上下限是系统带宽的上下限是系统带宽的上下限则则则则 f fl lf fh h 频段低频噪声电压的均方值为频段低频噪声电压的均方值为频段低频噪声电压的均方值为频段低频噪声电压的均方值为若若若若f f 不变，则工作频率越低，噪声越大，也叫色噪声。不变，则工作频率越低，噪声越大，也叫色噪声。不变，则工作频率越低，噪声越大，也叫色噪声。不变，则工作频率越低，噪声越大，也叫色噪声。.4、接触噪声、接触噪声l l两种不同性质的材料相接触时，会造成其导两种不同性质的材料相接触时，会造成其导两种不同性质的材料相接触时，会造成其导两种不同性质的材料相接触时，会造成其导电率起伏变化，从而产生噪声。例如：晶体电率起伏变化，从而产生噪声。例如：晶体电率起伏变化，从而产生噪声。例如：晶体电率起伏变化，从而产生噪声。例如：晶体管焊接处接触不良、管焊接处接触不良、管焊接处接触不良、管焊接处接触不良、开关、继电器的接触点开关、继电器的接触点开关、继电器的接触点开关、继电器的接触点处。处。处。处。l l单位带宽的噪声电流有效值为：单位带宽的噪声电流有效值为：单位带宽的噪声电流有效值为：单位带宽的噪声电流有效值为：B:B:以中心频率表示的带宽以中心频率表示的带宽以中心频率表示的带宽以中心频率表示的带宽；K:K:与材料的几何特性有关的常数与材料的几何特性有关的常数与材料的几何特性有关的常数与材料的几何特性有关的常数l l接触噪声的功率谱密度接触噪声的功率谱密度接触噪声的功率谱密度接触噪声的功率谱密度 1/1/f f，所以低频段影响所以低频段影响所以低频段影响所以低频段影响大，是低频电子电路的主要噪声源。大，是低频电子电路的主要噪声源。大，是低频电子电路的主要噪声源。大，是低频电子电路的主要噪声源。.四、噪声电路的计算四、噪声电路的计算l l信号的叠加信号的叠加信号的叠加信号的叠加设设x x1 1、x x2 2为两个噪声信号，它们叠加时，其均方值为两个噪声信号，它们叠加时，其均方值可以表示为：可以表示为：式中，式中，为相关系数为相关系数当当 0 0时，完全不相关时，完全不相关当当|=1|=1时，同一噪声源时，同一噪声源.四、噪声电路的计算四、噪声电路的计算l l叠加法的应用叠加法的应用叠加法的应用叠加法的应用对于线性网络的噪声电路，可以应用叠加法进行对于线性网络的噪声电路，可以应用叠加法进行多源网络噪声分析多源网络噪声分析E E1 1、E E2 2为两个不相关的噪声源为两个不相关的噪声源为两个不相关的噪声源为两个不相关的噪声源.6.3 窄带滤波法一、基本原理一、基本原理一、基本原理一、基本原理l l设计出发点：噪声功率谱密度比较宽，信号功率谱密设计出发点：噪声功率谱密度比较宽，信号功率谱密设计出发点：噪声功率谱密度比较宽，信号功率谱密设计出发点：噪声功率谱密度比较宽，信号功率谱密度比较窄。度比较窄。度比较窄。度比较窄。l l工作原理：用一个窄的带通滤波器，将有用信号的功工作原理：用一个窄的带通滤波器，将有用信号的功工作原理：用一个窄的带通滤波器，将有用信号的功工作原理：用一个窄的带通滤波器，将有用信号的功率提取出来；由于窄带滤波器只让噪声功率的很小一率提取出来；由于窄带滤波器只让噪声功率的很小一率提取出来；由于窄带滤波器只让噪声功率的很小一率提取出来；由于窄带滤波器只让噪声功率的很小一部分通过，而滤掉了大部分的噪声功率，所以输出信部分通过，而滤掉了大部分的噪声功率，所以输出信部分通过，而滤掉了大部分的噪声功率，所以输出信部分通过，而滤掉了大部分的噪声功率，所以输出信噪比能得到很大改善。噪比能得到很大改善。噪比能得到很大改善。噪比能得到很大改善。l l降噪效果，见降噪效果，见降噪效果，见降噪效果，见LabViewLabView演示演示演示演示autocorr.viautocorr.vi。l l特点：滤波器带宽特点：滤波器带宽特点：滤波器带宽特点：滤波器带宽B B越窄，信噪比提高越好越窄，信噪比提高越好越窄，信噪比提高越好越窄，信噪比提高越好l l缺点：带宽缺点：带宽缺点：带宽缺点：带宽B B与与与与f f0 0 、QQ有关，有关，有关，有关，B B很窄的滤波器无法实现。很窄的滤波器无法实现。很窄的滤波器无法实现。很窄的滤波器无法实现。无法检测深埋在噪声中的信号，只适用于对噪声特性无法检测深埋在噪声中的信号，只适用于对噪声特性无法检测深埋在噪声中的信号，只适用于对噪声特性无法检测深埋在噪声中的信号，只适用于对噪声特性要求不高的场合要求不高的场合要求不高的场合要求不高的场合.6.4同步累积法一、工作原理一、工作原理一、工作原理一、工作原理l l设计出发点：设计出发点：设计出发点：设计出发点：信号的重复性，信号的重复性，噪声的随机性噪声的随机性l l原理：原理：原理：原理：重复重复n n次测量，使信号同相地累积起来，而噪声确次测量，使信号同相地累积起来，而噪声确由于其随机性相互抵消，从而达到降噪目的。由于其随机性相互抵消，从而达到降噪目的。信噪改善比信噪改善比SNIRnSNIRn（推导见课本推导见课本p157p157）l l降噪效果，见降噪效果，见降噪效果，见降噪效果，见LabViewLabView演示演示演示演示cumulate.vicumulate.vil l结论：结论：结论：结论：n n越大，信噪比的改善越明显，但测量时间也越长越大，信噪比的改善越明显，但测量时间也越长可根据输入信噪比的大小和对输出信噪比的要求，可根据输入信噪比的大小和对输出信噪比的要求，决定所需的测量次数决定所需的测量次数n n。（。（举例）举例）.二、同步累积法应用条件二、同步累积法应用条件二、同步累积法应用条件二、同步累积法应用条件l l信号可重复信号可重复信号可重复信号可重复l l有合适的累积器有合适的累积器有合适的累积器有合适的累积器l l能做到同步累积（同相累积）能做到同步累积（同相累积）能做到同步累积（同相累积）能做到同步累积（同相累积）三、电路原理框图三、电路原理框图三、电路原理框图三、电路原理框图.四、同步积分器四、同步积分器四、同步积分器四、同步积分器同步累积器的实现同步累积器的实现同步累积器的实现同步累积器的实现l l适用周期信号：正弦波、方波适用周期信号：正弦波、方波适用周期信号：正弦波、方波适用周期信号：正弦波、方波l l结构结构结构结构正、负两个半周期分别采用两个积分器进行累积累积器正、负两个半周期分别采用两个积分器进行累积累积器正、负两个半周期分别采用两个积分器进行累积累积器正、负两个半周期分别采用两个积分器进行累积累积器转换开关转换开关转换开关转换开关S S：受受受受US US(t)t)控制控制控制控制积分器输出积分器输出积分器输出积分器输出 正弦波：半周期内的平均值正弦波：半周期内的平均值正弦波：半周期内的平均值正弦波：半周期内的平均值 方方方方 波：方波幅度波：方波幅度波：方波幅度波：方波幅度l l电路：积分电路时间常数比输入信号的周期大很多电路：积分电路时间常数比输入信号的周期大很多电路：积分电路时间常数比输入信号的周期大很多电路：积分电路时间常数比输入信号的周期大很多 五、应用：五、应用：五、应用：五、应用：信噪比信噪比信噪比信噪比0.10t0完成完成完成完成）.变换取样特点：变换取样特点：l l变换取样过程是一个同步累积的过程，可提变换取样过程是一个同步累积的过程，可提变换取样过程是一个同步累积的过程，可提变换取样过程是一个同步累积的过程，可提高信噪比。高信噪比。高信噪比。高信噪比。l l仅在取样的局部装置要求宽频带，而在样本仅在取样的局部装置要求宽频带，而在样本仅在取样的局部装置要求宽频带，而在样本仅在取样的局部装置要求宽频带，而在样本处理部分则是低频信号，大大降低了对整个处理部分则是低频信号，大大降低了对整个处理部分则是低频信号，大大降低了对整个处理部分则是低频信号，大大降低了对整个系统的频率特性要求。系统的频率特性要求。系统的频率特性要求。系统的频率特性要求。变换取样的应用范围：变换取样的应用范围：l l可重复信号检测：由于要在多个周期内采样，可重复信号检测：由于要在多个周期内采样，可重复信号检测：由于要在多个周期内采样，可重复信号检测：由于要在多个周期内采样，所以不适合非重复性的单次信号。所以不适合非重复性的单次信号。所以不适合非重复性的单次信号。所以不适合非重复性的单次信号。l l高频信号检测：若用于低频信号，则累积时高频信号检测：若用于低频信号，则累积时高频信号检测：若用于低频信号，则累积时高频信号检测：若用于低频信号，则累积时间很长。间很长。间很长。间很长。.二、二、单点取样积分器单点取样积分器1 1 1 1、工作原理、工作原理、工作原理、工作原理如果信号是重复的，产生时刻是已知的，就可采样如果信号是重复的，产生时刻是已知的，就可采样取样积分器来恢复、记录深埋在噪声中的微弱信号取样积分器来恢复、记录深埋在噪声中的微弱信号下面是一个简单取样积分器的基本原理框图：下面是一个简单取样积分器的基本原理框图：.1 1 1 1、工作原理、工作原理、工作原理、工作原理l l组成：组成：组成：组成：信号通道：宽带低噪声放大器信号通道：宽带低噪声放大器信号通道：宽带低噪声放大器信号通道：宽带低噪声放大器 参考通道：提供宽度为参考通道：提供宽度为参考通道：提供宽度为参考通道：提供宽度为T Tg g（门宽）与信号同步的步门宽）与信号同步的步门宽）与信号同步的步门宽）与信号同步的步进取样脉冲进取样脉冲进取样脉冲进取样脉冲 门积分器：包括用作乘法器的取样门开关门积分器：包括用作乘法器的取样门开关门积分器：包括用作乘法器的取样门开关门积分器：包括用作乘法器的取样门开关KK和对乘法和对乘法和对乘法和对乘法器的结果进行积分和平均的积分器。器的结果进行积分和平均的积分器。器的结果进行积分和平均的积分器。器的结果进行积分和平均的积分器。l l工作过程工作过程在取样脉冲期间，在取样脉冲期间，在取样脉冲期间，在取样脉冲期间，KK打开，信号被引入积分器对电容打开，信号被引入积分器对电容打开，信号被引入积分器对电容打开，信号被引入积分器对电容充电，电容电压上升。充电，电容电压上升。充电，电容电压上升。充电，电容电压上升。其它时间，其它时间，其它时间，其它时间，KK断开，信号保持在电容器上。断开，信号保持在电容器上。断开，信号保持在电容器上。断开，信号保持在电容器上。输出波形阶梯上升。输出波形阶梯上升。输出波形阶梯上升。输出波形阶梯上升。对某固定点（变换取样步进值对某固定点（变换取样步进值对某固定点（变换取样步进值对某固定点（变换取样步进值 t t 为零为零为零为零定点工作方定点工作方定点工作方定点工作方式式式式），经过多次取样和积分，输出最终趋近于信号在），经过多次取样和积分，输出最终趋近于信号在），经过多次取样和积分，输出最终趋近于信号在），经过多次取样和积分，输出最终趋近于信号在该点的稳定值。该点的稳定值。该点的稳定值。该点的稳定值。.1 1 1 1、工作原理、工作原理、工作原理、工作原理l l与锁定放大器的对比：与锁定放大器的对比：二者都采用同步相干检测原理，具有很强的二者都采用同步相干检测原理，具有很强的二者都采用同步相干检测原理，具有很强的二者都采用同步相干检测原理，具有很强的抑制噪声的能力。抑制噪声的能力。抑制噪声的能力。抑制噪声的能力。参考信号仅在取样门脉冲持续时间内与被测参考信号仅在取样门脉冲持续时间内与被测参考信号仅在取样门脉冲持续时间内与被测参考信号仅在取样门脉冲持续时间内与被测信号相关，每周期的相乘时间很短，而锁定信号相关，每周期的相乘时间很短，而锁定信号相关，每周期的相乘时间很短，而锁定信号相关，每周期的相乘时间很短，而锁定放大器则是在整个测试时间内进行相关。放大器则是在整个测试时间内进行相关。放大器则是在整个测试时间内进行相关。放大器则是在整个测试时间内进行相关。取样积分器被测信号与参考信号的相移可以取样积分器被测信号与参考信号的相移可以取样积分器被测信号与参考信号的相移可以取样积分器被测信号与参考信号的相移可以缓慢变化，而锁相放大器相移固定。缓慢变化，而锁相放大器相移固定。缓慢变化，而锁相放大器相移固定。缓慢变化，而锁相放大器相移固定。.2 2 2 2、实现电路及工作方式、实现电路及工作方式、实现电路及工作方式、实现电路及工作方式l l取样门由场效应管模拟开关实现；电阻取样门由场效应管模拟开关实现；电阻取样门由场效应管模拟开关实现；电阻取样门由场效应管模拟开关实现；电阻R R、电容电容电容电容C C和放大器和放大器和放大器和放大器A A2 2构成积分器；放大器构成积分器；放大器构成积分器；放大器构成积分器；放大器A A1 1、A A2 2、A A3 3组成差值取样环路组成差值取样环路组成差值取样环路组成差值取样环路l l门宽控制决定取样脉冲的宽度门宽控制决定取样脉冲的宽度门宽控制决定取样脉冲的宽度门宽控制决定取样脉冲的宽度T Tg gl l比较与延时器通过比较时基电压和扫描电压，产生定点采样比较与延时器通过比较时基电压和扫描电压，产生定点采样比较与延时器通过比较时基电压和扫描电压，产生定点采样比较与延时器通过比较时基电压和扫描电压，产生定点采样脉冲（脉冲（脉冲（脉冲（t t0 0）或延时采样脉冲（或延时采样脉冲（或延时采样脉冲（或延时采样脉冲（t0t0）。l l工作方式：定点式和扫描式（下面具体介绍）工作方式：定点式和扫描式（下面具体介绍）工作方式：定点式和扫描式（下面具体介绍）工作方式：定点式和扫描式（下面具体介绍）.(1)(1)(1)(1)定点工作方式定点工作方式定点工作方式定点工作方式l l被测信号被测信号被测信号被测信号(图图图图a)a)通过触发通过触发通过触发通过触发整形，产生周期为整形，产生周期为整形，产生周期为整形，产生周期为T T的触的触的触的触发脉冲，图发脉冲，图发脉冲，图发脉冲，图b bl l触发脉冲通过时基发生触发脉冲通过时基发生触发脉冲通过时基发生触发脉冲通过时基发生器产生周期为器产生周期为器产生周期为器产生周期为T Tb b的锯齿的锯齿的锯齿的锯齿波时基电压，图波时基电压，图波时基电压，图波时基电压，图c c实线。实线。实线。实线。T Tb b T Tl l通过比较时基电压和定通过比较时基电压和定通过比较时基电压和定通过比较时基电压和定点延迟电压点延迟电压点延迟电压点延迟电压(图图图图c c虚线虚线虚线虚线)，比较器输出方波，图比较器输出方波，图比较器输出方波，图比较器输出方波，图d dl l图图图图d d方波上升沿触发产生方波上升沿触发产生方波上升沿触发产生方波上升沿触发产生取样脉冲取样脉冲取样脉冲取样脉冲(图图图图e)e)，其周期其周期其周期其周期为为为为T T，宽度宽度宽度宽度T Tg g由门宽控制由门宽控制由门宽控制由门宽控制器决定。器决定。器决定。器决定。l l取样位置取样位置取样位置取样位置T Td d由延时电压由延时电压由延时电压由延时电压而定，以获取感兴趣的而定，以获取感兴趣的而定，以获取感兴趣的而定，以获取感兴趣的信号点的幅值。信号点的幅值。信号点的幅值。信号点的幅值。.(1)(1)(1)(1)定点工作方式定点工作方式定点工作方式定点工作方式l l门脉冲到来时，取样门接通，对输入信号的某一瞬时门脉冲到来时，取样门接通，对输入信号的某一瞬时门脉冲到来时，取样门接通，对输入信号的某一瞬时门脉冲到来时，取样门接通，对输入信号的某一瞬时值进行取样，并通过积分器进行累积平均。值进行取样，并通过积分器进行累积平均。值进行取样，并通过积分器进行累积平均。值进行取样，并通过积分器进行累积平均。l l门脉冲结束，取样门关闭，积分电容门脉冲结束，取样门关闭，积分电容门脉冲结束，取样门关闭，积分电容门脉冲结束，取样门关闭，积分电容C C上的电压保持到上的电压保持到上的电压保持到上的电压保持到下一个门脉冲再次取样。下一个门脉冲再次取样。下一个门脉冲再次取样。下一个门脉冲再次取样。l l经过多次累积，直到输出信号等于被测信号某一瞬时经过多次累积，直到输出信号等于被测信号某一瞬时经过多次累积，直到输出信号等于被测信号某一瞬时经过多次累积，直到输出信号等于被测信号某一瞬时值为止。值为止。值为止。值为止。l l和相关检测类似，利用了信号的相关性和噪声的随机和相关检测类似，利用了信号的相关性和噪声的随机和相关检测类似，利用了信号的相关性和噪声的随机和相关检测类似，利用了信号的相关性和噪声的随机性。性。性。性。l l与锁定放大器不同，定点工作方式下的取样积分器测与锁定放大器不同，定点工作方式下的取样积分器测与锁定放大器不同，定点工作方式下的取样积分器测与锁定放大器不同，定点工作方式下的取样积分器测量重复信号任意一点的振幅，而不是基波振幅。量重复信号任意一点的振幅，而不是基波振幅。量重复信号任意一点的振幅，而不是基波振幅。量重复信号任意一点的振幅，而不是基波振幅。.取样积分器的信号平均方式取样积分器的信号平均方式取样积分器的信号平均方式取样积分器的信号平均方式l l信号平均方式按照硬件电路的不同可分为：信号平均方式按照硬件电路的不同可分为：信号平均方式按照硬件电路的不同可分为：信号平均方式按照硬件电路的不同可分为：线性平均：线性平均：mm次信号值线性累加，再平均次信号值线性累加，再平均指数平均：指数平均：mm次信号值按指数规律累加次信号值按指数规律累加l l前面原理图中为指数规律平均，为了简化，我们将前面原理图中为指数规律平均，为了简化，我们将前面原理图中为指数规律平均，为了简化，我们将前面原理图中为指数规律平均，为了简化，我们将指数平均近似为线性平均来讨论信噪改善比。指数平均近似为线性平均来讨论信噪改善比。指数平均近似为线性平均来讨论信噪改善比。指数平均近似为线性平均来讨论信噪改善比。.定点取样积分的输出信号（线性平均方式）定点取样积分的输出信号（线性平均方式）l l设周期为设周期为设周期为设周期为T T的信号和噪声组成的混合信号为：的信号和噪声组成的混合信号为：的信号和噪声组成的混合信号为：的信号和噪声组成的混合信号为：l l若以若以若以若以TkTk为起点，每个为起点，每个为起点，每个为起点，每个T T秒对信号的一个特定点取样一次，秒对信号的一个特定点取样一次，秒对信号的一个特定点取样一次，秒对信号的一个特定点取样一次，则第则第则第则第i i次样品值为：次样品值为：次样品值为：次样品值为：l l经过经过经过经过mm次取样，信号按照线性规律累加，噪声按照均方和次取样，信号按照线性规律累加，噪声按照均方和次取样，信号按照线性规律累加，噪声按照均方和次取样，信号按照线性规律累加，噪声按照均方和累加：累加：累加：累加：为每次取样噪声有效值的均值为每次取样噪声有效值的均值为每次取样噪声有效值的均值为每次取样噪声有效值的均值.l l经过经过经过经过mm次取样后，信号的信噪比为：次取样后，信号的信噪比为：次取样后，信号的信噪比为：次取样后，信号的信噪比为：l l信噪改善比为：信噪改善比为：信噪改善比为：信噪改善比为：l l累积次数累积次数累积次数累积次数mm越大，信号改善比提高越大，信号改善比提高越大，信号改善比提高越大，信号改善比提高定点取样积分信噪改善比（线性平均方式）定点取样积分信噪改善比（线性平均方式）.(2)(2)(2)(2)扫描工作方式扫描工作方式扫描工作方式扫描工作方式l l 图图图图a a、b b、c c含义含义含义含义与定点工作方与定点工作方与定点工作方与定点工作方式相同式相同式相同式相同l l图图图图d d中慢扫描电中慢扫描电中慢扫描电中慢扫描电压从压从压从压从0 0到时基峰到时基峰到时基峰到时基峰值缓慢变化值缓慢变化值缓慢变化值缓慢变化l l图图图图e e比较器输出比较器输出比较器输出比较器输出矩形脉冲宽度矩形脉冲宽度矩形脉冲宽度矩形脉冲宽度随扫描电压增随扫描电压增随扫描电压增随扫描电压增加而增大加而增大加而增大加而增大l l以图以图以图以图e e矩形脉冲矩形脉冲矩形脉冲矩形脉冲下降沿触发，下降沿触发，下降沿触发，下降沿触发，生成宽度为生成宽度为生成宽度为生成宽度为TgTg，周期为周期为周期为周期为T+T+t t的取样脉冲，的取样脉冲，的取样脉冲，的取样脉冲，图图图图f f.扫描方式主要参数：扫描方式主要参数：扫描方式主要参数：扫描方式主要参数：l l当当当当T Tg g=t=t，如果在一个如果在一个如果在一个如果在一个周期内取样，表示每隔周期内取样，表示每隔周期内取样，表示每隔周期内取样，表示每隔tt取样一次，取样时间取样一次，取样时间取样一次，取