微弱信号检测绪论第一章

微弱信号检测微弱信号检测——多媒体教学东南大学仪器科学与工程学院金伟明副教授Tel:83792607-802Email:[e-mail]微弱信号检测主要参考书①曾庆勇编著，《微弱信号检测》第二版，浙江大学出版社②高晋占主编，《微弱信号检测》，清华大学出版社③陈佳圭主编，《微弱信号检测》，中央广播电视大学出版社④林理忠，宋敏编著，《微弱信号检测学导论》，中国计量出版社微弱信号检测绪论一、微弱信号检测技术的发展产生和发展：宏观和微观世界研究的深入和发展。应用范围：生物、力学、地质、环保、医学、天文学及材料等领域。主要信号：电、位移、振动、光、磁、声和热等。微弱信号检测技术—采用电子学、信息论和物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点和相干性，检测被背景噪声覆盖的弱信号。电信号的特征量：振幅、相位、频率、波形及功率等。微弱信号检测信噪比改善(SNIR）：INOUTNSNSSNIR)()(微弱信号检测灵敏度的提高：电压电流温度电容微量分析噪声抑制常规检测1μV0.1nA≥0.1mK0.1pF10-5molSNIR=10弱检技术0.1nV10-14A5×10-7K10-5pF10-8molSNIR=105提高104104103104103104信噪比(SNR）：NSSNR功率信噪比改善：iPiPOPOPPNSNSSNIR微弱信号检测二、微弱信号检测的基本方法及内容检测过程：分析信号本质明确检测对象确定检测方案检测方案：包括测量原理、方法和使用仪器。检测方法：(一)降低传感器与放大器的固有噪声，提高信噪比；(二)研制适合微弱检测原理满足特殊要求的器件；(三)利用微弱检测技术，通过各种手段提取信号。■三者缺一不可，但重点是第三点。即研究其检测的技术方法。微弱信号检测常用微弱信号检测技术：(一)频域的窄带化技术：适用检测频域信号，主要原理是相干检测法，采用的仪器主要是锁相放大器。(二)时域信号的平均处理技术：适用检测时域信号,主要原理取样平均,采用的仪器主要是BOXCAR积分器。(三)离散量的计数统计技术：适用检测随机的或概率分布的离散信号,主要原理计数统计,采用的仪器主要是可调阀值的甑别电路等。(四)单次信息的并行检测技术：适用检测一次性瞬间信号,主要通过Hadman数学变换或Fourier变换原理,采用的仪器主要是传感器阵列和高速多通道采集器等。(五)自适应噪声抵消系统：适用检测有噪声引入点的信号系统,主要通过噪声信号相抵消得原理,采用的仪器主要是信号混频叠加器等。微弱信号检测第一章噪声与低噪声测试系统的设计一、干扰与噪声干扰—来自检测系统外部的扰动。§1-1噪声的基本概念噪声—检测系统内部材料或器件的物理原因产生的扰动。电网、电磁波、静电和雷电等。主要干扰源：主要抗干扰措施：屏蔽、滤波、器件的合理配置及线路合理布局等。低频-磁屏蔽；高频-导体屏蔽。主要措施：常规的检测技术和微弱信号检测技术。微弱信号检测电子噪声■通常将干扰和噪声统称为噪声自然噪声人为噪声电路噪声天体噪声空间噪声点火电机感应热噪声散粒噪声闪烁噪声微弱信号检测微弱信号检测技术中的噪声：二、噪声的统计特性主要是基本噪声，重点是随机噪声。随机噪声—是一种前后独立的平稳随机过程，在任何时刻它的幅度、波形及相位都是随机的。随机噪声的特点：服从一定的统计分布规律。多数噪声瞬时幅度的概率分布是正态的。222x2e21XP)()(2x即概率密度:其中:T0TxdtT1xlim2T02T2dtxT1xlim■σ是衡量系统噪声大小的基本量。工程上取±3σ。微弱信号检测周期信号或非周期信号白噪声—频谱分析法在一定频率范围内具有恒定的功率密度。特征量1-噪声功率密度:fffPfs0f),(lim)(21ffN2dffsPx)(能量谱或功率谱分析法随机信号—能量谱或功率谱分析法即在某频域内的噪声功率:有(红)色噪声—功率密度随频率的减小而上升。蓝噪声—功率密度随频率的减小而上升。平稳随机过程—在任何时刻,噪声的概率分布规律完成一样的随机过程。三、随机噪声的功率谱密度及相关函数微弱信号检测特征量2-相关函数R(て):TTTdttxtxT21R)()(lim)(相关函数R(て)的特性:(1)R(て)仅与时间差て有关,而与计算的时间起点无关。(2)因为大多数噪声相互独立，所以て→∞时，R(て)→0。(3)当て=0时，R(て)为自相关函数，具有最大值：2TT2TxdttxT210R)(lim)(平稳随机过程的噪声功率密度S(f)与R(て)的转换关系:deRSj)()(dfefSdeS21Rf2jj)()()(微弱信号检测噪声带宽—功率增益曲线对频率的积分除于曲线的最大幅度。四、放大器及线性网络的噪声带宽f(Hz)0fCΔfNK2VOK2VO/200NdffGG1f)(ΔfN--噪声带宽G(f)—功率增益的频率函数G0—最大功率增益又因功率增益正比于电压增益,所以有:0V20V2NdffKK1f)(KV(f)—电压增益的频率函数,K0—最大电压增益微弱信号检测例1RC电路的噪声带宽00V20V2Nf2RC41dffKK1f)(RCoeiej11)(ioRCeefKVRC)(11|)(|2fKVRC21f0特征频率=信号的带宽Δf0.7f(Hz)0fCΔfNK2VOK2VO/2微弱信号检测例2LC谐振回路N级RC网络级联时,随着N的增加,ΔfN越接近Δf0.7两级RC网络级联:|)(K||(f)K||(f)K||)(|121ffK2VRC81fNQff070/.信号带宽LC21f070Nf2f.噪声带宽噪声带宽RC2640f70..信号带宽微弱信号检测相关系数定义：比较两噪声源波形的相似性五、噪声源的相关性21TTTT2221TT21TdttuT21dttuT21dttutuT21C)()()().(lim相关系数C1uudttutuT212221TT21T.)().(limC=0不相关22212uuuC≠0相关2212uuu)(22212221uuC2uu微弱信号检测一、热噪声的特点及计算公式§1-2电阻的热噪声和过剩噪声实践证明:电子的热运动。主要原因：R(无噪声)(Unt2)1/2f(Hz)0ΔfNS(f)(V2/Hz)10131014)()(HzVkTR4fs2则有:NN2ntfkTR4ffsu)(也可:N22nt2ntfkTG4RuIR(Int2)1/2微弱信号检测二、电阻噪声的等效电路及噪声计算电阻串联时：NN2N122n21n2nfkTR4fkTR4fkTR4uuu则有:R1(Un12)1/2R2(Un22)1/2①假定两电阻温度相同R=R1+R2(Un2)1/2=(Un12+Un22)1/2②噪声源互不相关故:电路中噪声所消耗的总功率为各噪声源单独作用时消耗功率之和。微弱信号检测NN2N122n21n2nfkTG4fkTG4fkTG4III则有:同样，同温度电阻并联时：电路中噪声所消耗的总功率为各噪声源单独作用时消耗功率之和。(In22)1/2R1(In12)1/2R2(In2)1/2=(In12+In22)1/2R=R1//R2☆理想的阻抗元件电感、电容不产生热噪声☆实际阻抗元件的实部也会产生热噪声微弱信号检测二、电阻的过剩噪声)ln()(1222DCff2ex2exffRkIdffuu21fRkIfu22DC2ex)(电流流过导体时，由于导体本身密度的不均匀性等构成的导电率的不均匀性。过剩噪声—电阻的基本热噪声之外的多余噪声。主要原因：特点:过剩噪声通常有1/f噪声之频谱密度，即均方噪声电压随着频率的下降而增大。当带宽为1时，经验公式有：K—与工艺有关的常数IDC—流过电阻的直流电流则有在f1∽f2频段内的均方值噪声电压:微弱信号检测典型电阻中的总噪声频率(Hz)0均方根噪声电压(uV)1010210310410510610102103f1kHz时，热噪声占优势f1kHz时，1/f噪声占优势过剩噪声的噪声指数—电阻两端每一伏的直流压降在十倍频程内产生的均方根噪声微伏值。由图可知:微弱信号检测)/(KDCVuVfV10uNI2162ex过剩噪声的噪声指数NI:NI常用db表示：)(db)20log(DCVuNI2ex（十倍频程内）普通合成碳热膜x级合成碳普通碳膜y级金属膜z级金属膜普通金属膜线绕102Ω以下102-105Ω105Ω以上010-10-20-30-40(db)典型电阻的噪声指数微弱信号检测§1-3半导体器件的噪声特性一、噪声系数问题：能否用它来一设备的噪声特性能？噪声系数定义为：信噪比—衡量信号本身的质量RSPNiPSiSi/NiSi/Ni放大器功率放大系数KP噪声功率放大器无噪声时的输出输出总噪声功率FsiPnisinoPninoPKPPPKPPFsisoninosiPsininoPPPPPKPPPPnosonisiSNIR1PPPP微弱信号检测PninoKPPF由nAnipnoPPKP又RSPNiPSiSi/NiSi/Ni放大器功率放大系数KPΔf、PNAPninKPPFA1得噪声系数的特点:(1)噪声系数常用dB来表示，称噪声因数。(2噪声系数对纯电感没意义。(3)噪声系数与器件的通带有关。)(logdBF10NF(4)噪声系数只适用于线性电路。一般仅用于衡量系统前置放大级，即微弱信号放大电路部分的噪声特性。微弱信号检测二、半导体二极管的散粒噪声散粒噪声：产生原因—电流通过PN结时，在不同时刻通过PN结势垒的载流子的数目是随机的，时多时少，因而造成电流的起伏。由PN结势垒中载流子的散粒性所产生的噪声，称为散粒噪声。二极管的正向电流:1eIIKTquO注意：正向和反向电流均有载流子的扩散和漂移运动，均产生噪声，故噪声要叠加。正向偏置时,正向电流的的散粒噪声:N021nfIIq2i)(反向偏置时,反向电流的的散粒噪声:N022nfqI2i由上述公式知:设计低噪声网络时,应尽量减小工作电流,以降低噪声。微弱信号检测正向偏置时二极管的散粒噪声等效电路如图:in12gmC图中:KTqu0meKTqIuIg///qKTgIm/因一般有0IIKTqIgm/故Nm21nfKTg2i三、半导体三极管的内部噪声、等效电路及噪声系数(一)半导体三极管的内部噪声1)电阻热噪声Nbb2nTfkTr4E'2)散粒噪声Ne2enfqI2iNc2cnfqI2i微弱信号检测3)分配噪声(高频噪声)N02c2cpf)aa1(qI2i4)闪耀噪声(1/f)IC和IB的分配比例发生变化,形成输出电流波动而形成的的噪声。实验与理论分析有:20202)ff(1aaa为三极管共基极电流放大系数:其功率谱密度与频率成反比,形成的机理还没有严格的理论分析。NBL2ff.f.Iqf2i经验公式有:N2bBL2ff.f.rIqf2Eα和γ为接近1的常数5)尖峰噪声常认为由PN结的缺陷所造成，又称爆裂噪声。222NB2fa4/f1fKIi噪声电流的均方值为:α和表示每秒尖峰数，K为常数。微弱信号检测(二)半导体三极管的噪声等效电路eien2Ent2Enr2rbb’if2if22r’bec’beIcn2rcegmViRSEnL2RLcbNS2ntfkTR4ENe2enfqI2iNbb2nrfkTr4E'NL2nLfkTR4ENBL2ff.f.Iqf2i222NB22fa4/f1fKIiN02c2cp2cn2cnf)aa2(qI2iiI微弱信号检测(三)半导体三极管的