微弱信号检测

微弱信号检测课程论文题目微弱信号检测中的噪声与直流误差分析学生姓名学号院系专业电子信息工程任课教师二Ｏ一六年六月十二日摘要在实际的数据采集和信号处理系统中，由于信号的幅值较小，测量时又受到信号端、传输器件及变换器件等本身存在的本底噪声的影响，表现出的总体效果是有用信号被大量的噪声和干扰所淹没。如何检测这种强噪声干扰情况下的微弱信号，是信号处理中的重要研究内容。许多科研工作者已提出了一些有效的处理方法，如基于高增益的宽带波束形成的微弱信号检测方法及微弱信号的相干检测法等，但都存在灵敏度不高或适应性不强的问题。要提高灵敏度，就需要对面电路及过程进行误差分析。Intheactualdataacquisitionandsignalprocessingsystem,duetothesmallamplitudesignals,measuredbysignalterminal,transmissiondeviceandtransformdeviceitselfhasthebackgroundnoiseeffectsshowedtheoveralleffectistheusefulsignalisfloodedwithalotofnoiseandinterference.Howtodetecttheweaksignalundertheconditionofstrongnoiseinterferenceisanimportantresearchcontentinsignalprocessing.Someeffectiveapproacheshavebeenproposedbymanyresearchers,suchasthosebasedonthebroadbandandhighgainbeamformationofweaksignaldetectionmethodandtheweaksignalofthecoherentdetectionmethod,buttherearesensitivityisnothighordonothaveastrongadaptability.Inordertoimprovethesensitivity,weneedtoanalyzetheerrorofthecircuitandprocess.关键字直流误差分析热噪声设计误差引言决定了检测系统的分辨率和可检测的最小信号幅度。因此分析微弱信号检测系统存在诸如接触电势、温差电势、电化学电势、放大电路偏置电流与失调电压等直流误差信寻求降低或减小此类误差信号的方法显得同样重要。1微弱信号检测中的噪声27k4TRBE1.1电阻的热噪声电阻器如果不外加电动势，为零。但事实上，电阻两端时刻都存在着瞬时噪声电压，如果把它接到一个放大量足够大的理想放大器输入端，并用示波器观察它的输出时，可以看到一片“茅草”状的无规则杂波。这说明即使没有外加电动势，电阻R，因此热噪声的幅度会随温度的上升而提高。我们可将热噪声视为组件(如电阻器)电压的不规则变化。下图2-1显示了标准示波器测得的一定时域中热噪声波形从图中还可看到如果从统计学的角度来分析随机信号的话，那么它可表现为高斯分布曲线。生的噪声电压由下式决定：(2-1)k波尔兹曼常数(KJ/1038.123−×)T绝对温度(K)B测量带宽(Hz)R电阻阻值(Ω)一个阻值为1MΩ的电阻在27°C温度下100KHz带宽时的均方根为7.40uV一个阻值为10kΩ的电阻在27°C温度下1HZ带宽时的均方根为9.12测uV级甚至nVTRBEk4的内阻所产生的噪声(约翰逊噪声)显示了任何仪器电压测量的理论极限灵敏度。图2-2表明信号源内阻为1Ω1nV如果该信号源的内阻变为1TΩ,毫伏级以下的电压测量就会变得几乎不可能。显然,在电子测量系统其它噪声和误差完全被消除的情况下,能够分辨的微弱信号极限值为信号源内阻的热噪声。根据式(2-1),必须尽可能地减小测量带宽,即增加仪器的响应时间,比如增加仪器的积分时间,同时也可以降低检测系统的温度,并尽可能减小放大电路前端的电阻阻值。在不少情况下,电阻的阻值不可能选得很小,,如图2-3所示。图中,是电阻R(2-2)等效热噪声带宽为B=1/RC4(2-3)代入(2-1)得电容两端的热噪声电压有效值为(2-4)式。(2-4)证明，阻容并联电路的热噪声的输出有效值与电阻阻值无关，只取决于电容和绝对温度，热噪声带宽取决于电阻电容的乘积，增大电容量可以减小热噪声电压，减1MΩ的电阻和1000pF的电容并联在27°C温度下的噪声电压为3.2uV比没有并联电容时的噪声电压小了20倍。te)/21/(RCjtteekT/CtE1.21/F噪声不同的导体相互接触时,由于接触面电导的随机涨落引起的噪声电压,该噪声电1/F（2-5）1/f表面载流子数涨落模型、迁移涨落模型和量子1/f噪声理论。一种1/f噪声。下面给出了几种电阻的过量噪声电压有效值(以电阻两端每1V10倍频范围内测得)。带宽。1.3工频噪声有较大的误差则很有可能是由于工频噪声的影响。工频噪声的影响可由图2-5看出图中(a)50Hz(b)为含有工(信号频率为工频的4倍)。380V交流电压通过高达10000MΩ的绝缘材料的电流为nA38。工频噪声还存在频移。工频电压也会通过与检测系统之间的分布电容耦合进入检测系统。两根平行直导线间的分布电容为DLd是较细mm长10cm相距1m的导线间的分布电容约为0.pF366220V交流电压通过其的耦合电流可达nA3.25。空气中直导线与金属平面间的分布电容为hmmLmmd是导线的直径单位m1mm长10cmm1.0其间的分布电容约为927.0pF220V交流电压通过其的耦合电流可达nA1.64。工频噪声还会通过工频磁场耦合进入检测系统。空气中一根长直导线通以r处的磁感应强度为(2-9)则有Vµ级和pA有pA1.0抑制工频噪声的通常方法是良好的屏蔽、正确的接地、设置保护环、采用高共模1.4地线噪声2cm宽mm6.0的印刷地线的电感约有10nH流过10mA1MHz正弦波电流时的地线压降为1mV而如果一个普通数字集成电路的上升或下降沿时间为10nS电流的变化为10mA那么在该地线上产生的峰值噪声电压可达到16mV。地线除了存在直流电阻和分微弱信号的检测有着不可忽视的影响。PCB模拟电路单点共地。2微弱信号检测中的直流误差2.1热电势热电势是影响微弱直流信号测量的主要因素之一。热电势是由接触电势和温差电势共同作用的结果。(1)接触电势(2)温差电势地保持测量系统温度场分布均匀。误差源就是热电势(热电EMF)导体结点温度的差异造成的。电路内部和测量环可能接近。2.2放大电路的失调1Vµ1pA普通运放则达到15mVAµ级。2.3共模误差的影响CMRR为零。衡量运放对差模干扰和共模干扰抑制能力的指标为差模抑制比(NMRR)与共模抑制比。共模抑制比表示对出现在运放两输入端与地之间共模干扰信号的抑制能力。密运算放大器的共模抑制比为140dB模电压为10V00会有1Vµ2.4增益误差设负反馈放大器的闭环增益为A,iV则放大器输出为只有当AK时,才有OiVAV≈即输出与放大器的开环增益K环增益为dB100100则实际闭环放大倍数为99.9。放大器的开环增3小结目前针对微弱信号检测系统的噪声特别是直流误差的种类、性质与影响的分析研究的成果和文献比较零散。本文对微弱信号检测系统存在的各种噪声和直流误差进行明工频噪声和低频和直流微弱信号产生较大影响。热电势和电化学电势是影响微弱直流信号检测的同的噪声和直流误差的特点采取屏蔽、合理接地、抗振、滤波、隔离等抑制措施。4参考文献1.康华光电子技术基础:模拟部分19992.乌立克.洪申工程水声原理19723.A.D.Waite.王德石实用声纳工程20045致谢十分感谢陈金立老师的指导和何守正同学的帮助。并且感谢那些引言文献的作者。微弱信号检测课程论文质量评价表学生姓名戴锦栋学号20132305060专业、班级电子信息工程2班论文题目微弱信号检测中的噪声与直流误差分析院、系滨江学院一级指标二级指标评价要素评分论文选题与文献资料阅读（20分）论文选题（12分）选题属于微弱信号检测的学科前沿，对国民经济、科技发展具有一定的理论意义和实用价值。9文献阅读（8分）阅读广泛，了解微弱信号处理技术在某应用领域的国内外学术动态和最新成果，主攻方向明确，综合能力较强。7论文水平（50分）基础理论知识与专业知识（35分）论文体现出作者在微弱信号分析与处理方面的坚实理论基础和系统的专门知识。32论文成果与创新性（15分）在理论和实际中有独到之处，提出了新命题、新方法；较好地解决了自然科学或工程技术中的某一具体问题。论文成果对在该应用领域中解决某些问题具有一定的参考价值。14能力体现（30分）论文体现作者独立从事科学研究的能力（20分）有较强的科研工作能力，综合分析能力较强，研究思路和方法可行性较强，数据真实可靠，采用先进技术、设备、方法、信息、进行论文研究工作；论文研究难度较大，工作量饱满。20写作能力与学风（10分）论文材料翔实，条理清晰，层次分明，逻辑性强，文笔流畅，图表规范，学风严谨，善于总结提炼。9总分91评阅教师签字