微弱信号检测第二章ppt

微弱信号检测第二章同步相干检测-锁定放大器§2-1锁定放大器的基本概念对于幅度较小的直流信号或慢变信号,为防止1/f噪声和直流漂移的影响,常是使用调制器或斩波器将其变换成交流信号后,再进行放大和处理，用带通滤波器抑制宽噪声，提高信噪比，之后再进行解调和低通滤波，以得到放大的被测信号。为提高信噪比，常用Q值非常高的带通滤波器，而Q值太高会使其不稳定，易受温度、电源电压等波动使其中心频率发生变化，使系统不能稳定可靠工作。微弱信号检测一、锁定放大器中的频谱迁移锁定放大器抑制噪声的基本出发点：(1)用调制器将直流或慢变信号的频谱迁移到调制频率ω0处，再进行放大，以避开1/f噪声的不利影响。(2)利用相敏检测器实现调制信号的解调，可以同时利用频率ω0和相角θ进行检测，噪声与信号同频又同相的概率很低。(3)用低通滤波器而不是带通滤波器来抑制宽带噪声。低通滤波器的频率可以做得很窄，而且其频带不受调制频率的影响，稳定性远远优于带通滤波器。微弱信号检测锁定放大器对信号频谱的迁移0S(w)w0w调制(a)调制过程：将低频信号乘以频率频率ω0的正弦波，从而使频谱迁移到调制频率ω0的两边。(b)信号放大：采用交流选频放大，可避免把1/f噪声和低频漂移也放大。S(w)0w0w放大0S(w)w0wPSD(c)信号解调：用相敏检测器(PSD)将频谱回迁到直流(ω=0)的两边,再用窄带低通滤波器滤除噪声,得高信噪比的放大信号。微弱信号检测一、锁定放大器的工作原理锁定放大器的基本结构示意图信号输入信号通道PSDLPF参考通道参考输入x(t)r(t)up(t)uo(t)信号通道—对调制的信号(正弦或方波)输入进行交流放大到足于推动PSD工作的电平,并要滤除部分干扰和噪声,同时为找到最佳输入阻抗匹配。参考通道—对参考输入(正弦或方波，可以是外部输入的周期信号，也可就是进行调制的载波或用于斩波的信号)进行放大，满足PSD工作的电平,同时对参考输入进行移相处理，以达到最佳检测效果。微弱信号检测信号输入信号通道PSDLPF参考通道参考输入x(t)r(t)up(t)uo(t)相敏检测—以参考信号为基准，对输入信号的幅值进行放大，同时对其幅值和相位进行检测，实现前面所述的频谱迁移，将调制的有用信号的频谱由ω=ω0处迁移回ω=0处。低通滤波—对迁移回ω=0处的信号进行低通滤波，进一步滤除噪声，输出和有用信号的幅值和相位都敏感的放大信号。微弱信号检测实现其功能的集成电路有很多，如MC1496、MC1596等。§2-2相敏检测常用相敏检测器：模拟乘法器式和电子开关式实际上相当于参考信号为方波情况下的模拟乘法器一、模拟乘法器型相敏检测器其要实现:)()()(trtxtup(一)x(t)为正弦波含单频噪声和r(t)为正弦波设:tVtVtx0n0S)(cos)cos()()cos()(tVtr0r得:)cos(.cos.)(t2VV50VV50tu0rSrSp)cos(.)cos(.tt2VV50tVV500rnrn微弱信号检测经LPF滤波后①当ΔωωT，则输出信号正比于输入信号幅值和相差余弦。②当0ΔωωT，则输出信号中有噪声信号分量存在。cos.)(rSoVV50tu◆因而LPF的带宽可设计的很窄，提高信噪比。)cos(.cos.)(t2VV50VV50tu0rSrSp)cos(.)cos(.tt2VV50tVV500rnrn)cos(.cos.)(tVV50VV50turnrS0当设定θ=0或180，则有用信号放大明显。(二)x(t)为正弦波含窄带噪声和r(t)为正弦波设:)()cos()(tntVtx0S)cos()(tVtr0r由窄带噪声定义有:ttnttntnnSnCsin)(cos)()(nc(t)和ns(t)是两个独立的低频平稳随机过程，其均值为零，幅度为高斯型，功率密度在-B/2和B/2范围内恒定为N0/2。微弱信号检测经LPF滤波后)cos(.cos.)(t2VV50VV50tu0rSrSptVtn50tVtn500nrC0nrC)cos()(.)cos()(.tVtn50VV50tu0nrCrS0)cos()(.cos.)(则乘法器输出tVtn50tVtn500nrS0nrS)sin()(.)sin()(.tVtn500nrS)sin()(.①当ωn与ω0不十分靠近，LPF的等效噪声带宽足够窄，就可使后两项的功率大为衰减。②当ωn-ω0≈0时，sin(ωn-ω0)t≈0,故噪声输出仅有第二项。在锁定放大器中,输入信号一般采用交流选频放大器进行放大.故电路中产生的白噪声经选频滤波后,就变成了中心频率和选频网路中心频率相同的窄带噪声。微弱信号检测锁定放大器的信噪比改善情况设选频放大器的带宽为Bi,则窄带噪声的带宽也为Bi,功率密度为N0/2。则输入噪声功率：0inniNB0RP)(输入信号功率：2VP2Ssi/输入信噪比：i02SPiBN2VSNR/经锁定放大器后输出信号功率(θ=0)：8VVP2r2Sso/输出噪声功率：8VtnP2r2cno/)()(tn2c为nc(t)的均方值,也就是其功率,如相敏检测器的等效噪声带宽为Be。则有：e0n2cBN)0(R(t)nC则输出信噪比：eo/BNVSNR02SP微弱信号检测信噪比改善当LPF为一阶RC低通滤波器时，Be=1/(2RC)eipiPoBB2/SNRSNRSNIR/①相敏检测器的等效噪声带宽取决于LPF的带宽，它可以做得很窄。而选频放大器的带宽不可能做得很窄，故具有良好的抑制作用。②即使在Bi=Be的情况下，相敏检测器的相敏特性也对不同相位的噪声有一定的抑制作用。③实际中Bi不能做得很大，否则当输入噪声太大时，模拟乘法器有可能进入非线性区。则有iRCB4SNIR微弱信号检测(三)x(t)为正弦波含噪声和r(t)为方波设:)()cos()(tntVtx0St1n21n21V4tr01n1nr)cos()(则有])cos[()(t2n21n21VV2tu01n1nrSp)cos(tn21n21VV201n1nrSt1n21n21V4tn01n1nr)cos()(微弱信号检测经LPF后，和频项定能可滤除，第三项比较复杂。①如n(t)为单频噪声(ωn),那只有|ωn-ω0|LPF的等效噪声带宽的噪声才有输出。②如n(t)为宽带噪声,设为Vncos(ωnt+ψ),则噪声项为:}])(cos{[t1n21n21VV20n1n1nrnt1n21n21V4tVtu01n1nrnnan)cos()cos()(}])(cos{[t1n21n21VV20n1n1nrn噪声与参考信号的和频项可由LPF滤除，噪声分量不仅在ω=ω0，且在ωn=(2n-1)ω0第附近出现，幅度按1/(2n-1)下降。微弱信号检测(四)x(t)为和r(t)均为方波t1n21n21V4tr01n1nr)cos()(])cos[()(t1n21n21V4tx01n1nS图解得：x(t)VSt-VSθr(t)Vrt-Vrup(t)t-VSVrVSVruo(t)随着θ的变化，up(t)的占空比随之线性变化，而up(t)的平均值正比于占空比，如用积分器作为LFP，则相敏检测器的输出uo(t)也与θ成正比。)(tu0021VVrS),(232VVrS),(u0(θ)θ-VSVrVSVruo(t)0π2π微弱信号检测二、电子开关型相敏检测器模拟乘法器型相敏检测器的输出信号正比于参考信号的幅度，为保证输出信号的精度，必须保证参考信号的幅度具有更高的精度，在实际中有一定的困难，此外模拟乘法器均有一定的非线性，故输出信号中还有x2(t)r(t)，x3(t)r(t)……等项，这会导致较大的输出误差。开关式相敏检测器：相当于参考信号幅度为±1的方波时的模拟乘法器式相敏检测器，当r(t)为1时，电子开关接通x(t)，当r(t)为-1时，电子开关接通-x(t)，实现了r(t)和x(t)的相乘。优点：①输出信号幅度不受参考信号幅度的影响；②没有非线性问题；③动态范围大，抗过载能力强；④结构简单，运行速度快，成本低等。微弱信号检测(一)变压器式电子开关相敏检测器特点：①利用变压器将被测信号变换成+u和-u两部分；②参考信号r(t)经过移相后，控制电子开关K的接通位置，根据其电平高低分别使LPF的输入端连接到+u或-u，实现被测信号x(t)和方波r(t)的相乘。x(t)upu-ur(t)移相K移相uo微弱信号检测(二)运放式电子开关相敏检测器特点：①利用反相和不反相放大器分别对被测信号进行放大，放大倍数均为A，从而得到+Ax(t)和-Ax(t)两路信号。②参考信号r(t)经过移相后，控制电子开关K的接通位置，根据其电平高低分别使LPF的输入端连接到+Ax(t)和-Ax(t)，实现被测信号x(t)和方波r(t)的相乘。x(t)upr(t)移相K移相uoA-A微弱信号检测(三)电子开关式相敏检测器的相鉴特性设:)t(n)tcos(V)t(x0St)1n2cos(1n214)t(r01n1n则有]t)2n2cos[(1n21V2)t(u01n1nSp)tn2cos(1n21V201n1nSt)1n2cos(1n214)t(n01n1n微弱信号检测假设噪声ωn和被测信号ωo相差很大，且n大于1后的项经LPF后，均可滤除。cosV2)t(uSo则有x(t)tr(t)tup(t)t(a)θ=0000x(t)tr(t)tup(t)t(b)θ=90000x(t)tr(t)tup(t)t(c)θ=180000微弱信号检测(四)开关式相敏检测器与全波整流的不同由上可知当θ=0时，相敏检测器的功能类似于全波整流，似乎用全波整流也能实现解调作用。但全波整流只鉴幅不鉴相，故抑制噪声的能力不如相敏检测器。且全波整流不管信号的相位，都把信号整流成大于零的单向信号。ＶＳt(a)0x(t)t(b)0up(t)t(c)0uo(t)up(t)t(d)0uo(t)微弱信号检测(五)开关式相敏检测器实例微弱信号检测§2-3锁定放大器的组成与部件一、锁定放大器的基本组成信号滤波参考r(t)x(t)uo(t)AacAacPSDLPFAdc滤波移相方波驱动参考通道信号通道(一)信号通道作用：对输入的幅度调制正弦信号进行交流、滤波等处理。要求：①前置放大器必须具备低噪声、高增益和动态范围大等特点。微弱信号检测②前置放大器的等效噪声要与信号源的输出阻抗相匹配，共模抑制比要高。③信号通道中的滤波器通常为中心频率为载波频率ω0的带通滤波器。通常带通滤波器由一低通滤波器和一高通滤波器串联而成，其转折频率fcL和fcH均可调，且带宽不能太窄。④为抑制50HZ工频干扰，需在信号通道中设置中心频率为50HZ的陷波器。⑤信号通道的增益应可调，为不破坏系统的噪声特性，增益开关设置在前置放大器后的某级电路中。⑥由于信号通道的总增益一般较大，为防止过载毁坏电路，应设置过载监视和保护电路。微弱信号检测(二)参考通道作用：为相敏检测器提供与被测信号相干的控制信号。要求：①输入端一般有放大或衰减电路，以适应不同幅度的参考输入。②通过触发电路将不同的参考输入变换为规则的同步脉冲波。③参考通道输出常用方波，故要求其波形的占空比要精确的占空比50%。④必须设置移相电路，实现按级跳变的相移和连续可调的相移，以满足0～360度