第五章-取样积分与数字式平均

微弱信号检测(WeakSignalDetection)微弱信号检测(WeakSignalDetection)第五章取样积分与数字式平均第五章取样积分与数字式平均微弱信号检测(WeakSignalDetection)微弱信号检测(WeakSignalDetection)第五章取样积分与数字式平均信号平均器（也称取样积分器或Boxcar）是用于处理脉冲信号的仪器，是一种微弱信号检测系统。它利用周期性信号的重复特性，在每个周期内对信号的一部分取样一次，然后经过积分器算出平均值，于是各个周期内取样平均信号的总体便展现了待测信号的真实波形。因为信号提取(取样)是经过多次重复的，而噪声多次重复的统计平均值为零，所以可大大提高信噪比，再现被噪声淹没的信号波形。微弱信号检测(WeakSignalDetection)微弱信号检测(WeakSignalDetection)第五章取样积分与数字式平均对一个携带有噪声的输入脉冲信号可记为f(t)=S(t)+N(t)其中，具有重复频率的脉冲信号S(t)可以表达为S(t)=S(t+nT)，式中n=1,2,3,……为整数，T为脉冲的重复周期。N(t)为随机噪声，可用它的有效值来表征：)(2)(tNtN信号平均器的基本原理微弱信号检测(WeakSignalDetection)微弱信号检测(WeakSignalDetection)第五章取样积分与数字式平均信噪比定义为信号峰值与噪声的有效值之比。如果对输入脉冲信号进行多次取样累加，其输出信号)()()2(2)(2)(1)11()()(tNmtmSTtNTtNtmSmnTmnmnntNnTtSnTtfof微弱信号检测(WeakSignalDetection)微弱信号检测(WeakSignalDetection)第五章取样积分与数字式平均信噪比的改善度(signaltonoiseimprovedratio，指输出信噪比与输入信噪比之比，简写为SNIR)mtStNtNmtmSinSNRoutSNRSNIR)()()()()()(也就是说，经过m次采样后，信噪比的改善度与采样次数m的平方根成正比。这就是信号平均技术的基本原理—法则。m微弱信号检测(WeakSignalDetection)微弱信号检测(WeakSignalDetection)第五章取样积分与数字式平均信号平均技术信噪比改善与采样次数m的关系VS，VnVS∞mVn∞m1/2采样次数m微弱信号检测(WeakSignalDetection)微弱信号检测(WeakSignalDetection)第五章取样积分与数字式平均信号平均器的基本工作原理输入信号前置放大器采样门积分器延时门驱动门宽tg时基tb比较器触发慢扫描ts触发信号输出信号K扫描定点微弱信号检测(WeakSignalDetection)微弱信号检测(WeakSignalDetection)第五章取样积分与数字式平均取样积分器通常有两种工作模式，即定点式和扫描式:•定点式取样积分器是测量周期信号的某一瞬态平均值；•扫描式取样积分器则可以恢复和记录被测信号的波形。下面分别讨论这两种模式微弱信号检测(WeakSignalDetection)微弱信号检测(WeakSignalDetection)第五章取样积分与数字式平均定点方式工作波形图tp触发信号输入信号采样门信号tg输出信号累加t微弱信号检测(WeakSignalDetection)微弱信号检测(WeakSignalDetection)第五章取样积分与数字式平均用定点模式测量光谱样品分束片激光束PMT触发Boxcar记录仪激光波长荧光强度微弱信号检测(WeakSignalDetection)微弱信号检测(WeakSignalDetection)第五章取样积分与数字式平均信号的累加是靠采样－保持电路的功能来实现tgAD门脉冲发生器前放输入信号触发信号门脉冲RC积分器采样门微弱信号检测(WeakSignalDetection)微弱信号检测(WeakSignalDetection)第五章取样积分与数字式平均指数累加过程是在一个RC积分器中按下式对电容进行充电：累加过程)1(CTtioeVV但是由于充电过程是脉冲式的，门脉冲的周期为tp（也即输入信号的周期），而每个脉冲充电时间只有tg，还要考虑到脉冲的占空比。TC=RC为时间常数，当t=TC时，Vo=0.632Vi。微弱信号检测(WeakSignalDetection)微弱信号检测(WeakSignalDetection)第五章取样积分与数字式平均指数累加过程以及OTC的概念V0/Vi10.632TCOTCttPtg微弱信号检测(WeakSignalDetection)微弱信号检测(WeakSignalDetection)第五章取样积分与数字式平均考虑到脉冲的占空比，真正达到输入脉冲幅度的0.632所需要的时间应为：gpCttTOTCOTC（observingtimeconstant）称为表观时间常数，tp/tg为脉冲的占空比。在实际情况中积分器的输出符合以下规律：)1(OTCtioeVV微弱信号检测(WeakSignalDetection)微弱信号检测(WeakSignalDetection)第五章取样积分与数字式平均一般以二倍OTC时间内的采样次数来计算信噪比的改善程度。二倍OTC时间的采样次数(Vo已达到Vi的0.865)：gCtTm22信噪比的改善为：gCtTmSNIR22反过来根据信噪比改善（SNIR）的要求对时间常数Tc或门脉冲宽度tg进行选择。微弱信号检测(WeakSignalDetection)微弱信号检测(WeakSignalDetection)第五章取样积分与数字式平均YAG激光泵浦染料激光器扫描单色仪PMT光探测器信号平均器(Boxcar)触发信号输入信号聚焦透镜荧光样品池分束片准直透镜组记录仪采用Boxcar测量发射荧光光谱(定点模式)微弱信号检测(WeakSignalDetection)微弱信号检测(WeakSignalDetection)第五章取样积分与数字式平均举例选择Samples（相当平均次数）为300，使信噪比的改善达到17倍。如果激光脉冲的重复频率为10/s（即周期为0.1s），每个采样点上的时间为：0.1s×300=30s，即有效时间常数为30s,就要求扫描非常缓慢。扫描时间可以由下式决定：(10~20)TC=谱线频宽一次扫频宽度×扫描时间微弱信号检测(WeakSignalDetection)微弱信号检测(WeakSignalDetection)第五章取样积分与数字式平均Boxcar的扫描工作方式Boxcar的扫描方式用于微弱脉冲信号的时域（timedomain）测量，即测量光脉冲信号幅度随时间的演变过程，亦称为时间谱（可以短到ns级的时间测量）。例如测量发射荧光随时间的衰减，这个过程可以是μs或者ns数量级，一般的机械记录仪无法对这种快速信号进行记录。Boxcar的扫描方式可以把这个快速变化过程进行记录。微弱信号检测(WeakSignalDetection)微弱信号检测(WeakSignalDetection)第五章取样积分与数字式平均信号平均器的扫描工作模式输入信号前置放大器采样门积分器延时门驱动门宽tg时基tb比较器触发慢扫描ts触发信号输出信号K扫描定点微弱信号检测(WeakSignalDetection)微弱信号检测(WeakSignalDetection)第五章取样积分与数字式平均Boxcar扫描工作方式下的波形图3Δt4Δt5Δtt触发信号输入信号慢扫描波时基波门脉冲输出信号tpΔt2Δt微弱信号检测(WeakSignalDetection)微弱信号检测(WeakSignalDetection)第五章取样积分与数字式平均扫描模式中采样门脉冲移动采样门脉冲被测脉冲信号tgΔt慢扫描波的周期远大于时基波的周期。通常一个慢扫描波的时间内有103—105个时基波。微弱信号检测(WeakSignalDetection)微弱信号检测(WeakSignalDetection)第五章取样积分与数字式平均Boxcar的有关参数（1）时基波(timebaseramp)或称门脉冲延时范围(aperturedelayrange，ADR)在测量过程中，门脉冲逐渐向后移动，在一次测量中（一个慢扫描波的时间），移动的时间范围就是时基波的宽度，所以时基波也被称为门延时范围(ADR)。它的选取要稍大于被测信号宽度，小于触发周期tP，这样便可以把整个信号随时间的变化过程记录下来。微弱信号检测(WeakSignalDetection)微弱信号检测(WeakSignalDetection)第五章取样积分与数字式平均（2）慢扫描时间慢扫描波的周期，为门脉冲扫过一个时基波（ADR）所需要的时间，即为一次实际测量的时间。（3）总的采样次数如果重复信号频率为fp（周期为tp），在一次扫描时间ts内，总的采样次数为：pspsttftm/微弱信号检测(WeakSignalDetection)微弱信号检测(WeakSignalDetection)第五章取样积分与数字式平均（4）相邻脉冲的延时间隔Δt是指每次采样后，采样门脉冲(AD)向后推移的延迟时间（例如0.1ns)。对选定的ADR来说：Δt＝ADR/m，由于Δt远小于门脉冲宽度tg，因此相邻门脉冲之间有很大的重叠，这样在每个采样点上能重复采样mi次，从而达到改善信噪比的目的。微弱信号检测(WeakSignalDetection)微弱信号检测(WeakSignalDetection)第五章取样积分与数字式平均扫描模式中采样门脉冲移动采样门脉冲被测脉冲信号tgΔt微弱信号检测(WeakSignalDetection)微弱信号检测(WeakSignalDetection)第五章取样积分与数字式平均（5）最小采样脉冲占空因子（droop）Boxcar在工作时两次采样之间，积分器必须保持前一次采样后的结果。但实际电路中总有漏电的存在，限制了脉冲占空因子D＝tg/tp的最小值。积分器的保持能力可以用“保持时间”tp(max)来衡量，定义为误差不超过1%的最大触发周期：CgTtpeCAt1(max)微弱信号检测(WeakSignalDetection)微弱信号检测(WeakSignalDetection)第五章取样积分与数字式平均Boxcar在扫描模式下的参数选择（1）采样门脉冲宽度tg：分辨率。ngtt44.0（2）积分时间常数TC根据对信噪比改善的要求以及tg来定出。（3）门脉冲延时范围ADR应略大于被测信号的时间宽度。（4）慢扫描时间ts：25gcpstTtADRt微弱信号检测(WeakSignalDetection)微弱信号检测(WeakSignalDetection)第五章取样积分与数字式平均小结：•扫描式取样积分器利用取样脉冲在信号波形上延时取样，可以恢复被测信号波形。它主要包括可变时延的取样脉冲和在取样脉冲控制下作同步积累这两个过程。•扫描式取样积分器可得到形状与输入的被测信号相同，而在时间上大大放慢了的输出波形，故扫描式取样积分器能在噪声中提取信号并恢复波形。微弱信号检测(WeakSignalDetection)微弱信号检测(WeakSignalDetection)第五章取样积分与数字式平均EG&GPrincetonAppliedResearchModel162BoxcarAverager微弱信号检测(WeakSignalDetection)微弱信号检测(WeakSignalDetection)第五章取样积分与数字式平均EG&GPrincetonAppliedResearchModel4100BoxcarAverager微弱信号检测(WeakSignalDetection)微弱信号检测(WeakSignalDetection)第五章取样积分与数字式平均SRSBoxcar微弱信