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1、相关器,同步积分器,旋转电容滤波器,第三章 周期性微弱信号检测方法,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,1,干扰,F1引入噪声,信号,能量信号/功率信号,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,3,归一化能量,定义：信号电压（电流）加到一欧姆电阻上所消耗的能量,实函数,能量有限信号：,一般的非周期信号,能量信号/功率信号,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,4,周期信号，阶跃函数，随机信号,平均功率,定义：信号电压（电流）加到一欧姆电阻上所消耗的功率,归一化能量积分为无穷大,实函数,功率有限信号：,相关函数,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,5,能量有限信号，互相关函数定
2、义：,相关函数,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,6,相关函数,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,7,功率有限信号相关函数定义：,相关函数定义也适用于实函数的情况,相关函数,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,8,相关函数的性质：,实函数的情况：,相关检测,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,9,两相互独立的随机过程的互相关函数为常数，等于两个随机函数的平均值的乘积,相关检测器（相关接收机）,自动计算相关函数的仪器,自相关检测,互相关检测,相关检测,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,10,自相关检测,相关检测,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,11,
3、相关检测,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,12,相关检测,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,13,发送信号的周期已知,在接收端发出与发送信号同频的“干净”的本地信号,输入信号,本地信号,相关,提高电路抗干扰性能,互相关检测,相关检测,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,14,理论上：互相关接收比自相关接收更有效实际上：两者检测能力相差不大,相敏检波,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,15,相敏检波器,乘法器,PSD,输入两同频信号,两信号同相,两信号反相,相差90或270,输出最大,输出负最大,输出为0,相敏检波,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,16,
4、和频项，用低通滤波器滤除,相乘：,差频项,两信号同频：直流输出,正比于相位差的余弦值相敏,两正弦波输入：,相敏检波,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,17,信号频率,噪声频率,信号中有噪声：,相敏检波,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,18,通过相敏检波器后输出：,只有体现相差的直流输出,加低通滤波器,相敏检波,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,19,方波做参考信号：,参考信号：1V方波,方波的基波频率,傅氏级数展开：,相敏检波,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,20,包含参考信号所有奇次谐波所产生的相敏直流输出：PSD谐波响应,输出：,相敏检波,苏州大学物理科
5、学与技术学院,微弱信号检测,21,锁定放大器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,22,锁定放大器,被测信号与参考信号严格同步,放大倍数很高,交流输入，直流输出,锁定放大器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,23,相关器,大幅度压缩等效噪声带宽,需要的特性,动态范围大,漂移小,时间常数可调,线性好,增益稳定,频率范围宽,方波,直流：斩波为交流方波,正弦,互相关运算电路,乘法器,积分器,开关乘法器,线性好,动态范围大,电路简单,运算放大器构成的近似积分器,锁定放大器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,24,信号通道,相关器之前,输入变压器,低噪声前置放大器,主放大器,增益开
6、关,放大倍数、共模抑制、动态范围等,提高信噪比,增大动态范围,前级放大倍数不够时用,不能放在输入级,组成,低噪声,高增益,有源滤波器,锁定放大器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,25,参考通道,触发电路,倍频电路,相移电路,方波形成电路,驱动电路,触发电平宽,工作频率宽,使输出方波与被测信号的二次谐波同步,改变输出方波相位,0-100连续可调,每90跳变,形成占空比1：1的方波,同步脉冲,一对相位相反幅度一定的对称方波,相关器,同步积分器,旋转电容滤波器,第三章 周期性微弱信号检测方法,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,26,相关器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,
7、27,相关器,理论上,实际应用,乘法器,积分器,模拟乘法器,无限积分时间积分器,电路结构复杂,信号失真,开关乘法器,近似积分器,低通滤波器,相关器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,28,待定常数,相关器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,29,相关器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,30,相关器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,31,相关器输出,输入信号的基波振幅,被测信号和参考信号之间的相位差的余弦,直流电压,正比于,相位差,输出幅度,0,负值最大,最大,相关器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,32,相关器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号
8、检测,33,相关器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,34,相关器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,35,相关器能抑制偶次谐波,相关器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,36,相关器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,37,相关器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,38,相关器奇次谐波输出频率响应,相关器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,39,相关器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,40,相关器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,41,相关器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,42,5.输入信号为与参考信号同频的方波
9、,相关器输出直流电压：信号幅度乘以积分器的直流放大倍数，且与两方波的相位差成线性关系,当输入信号幅值恒定时，相关器成为相敏检波器，即输出幅度和相位成线性关系,相关器的等效噪声带宽,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,43,基波：,奇次谐波附近：,相关器的等效噪声带宽,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,44,相关器的积分常数选择,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,45,输出信噪比,对快速信号的响应,积分时间常数,积分时间下限,输出电路过载电平的限制,谐波衰减对时间常数的限制,要求二次谐波小于1/100,相关器的积分常数选择,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,46,积
10、分时间上限,需求：不失真在全频谱内，各频率分量按原来的比例恢复,最高频率失真50%（6dB）,最高频率失真3dB,载波频率需远大于缓慢变化信号的最高频率,相关器电路举例,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,47,相关器,同步积分器,旋转电容滤波器,第三章 周期性微弱信号检测方法,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,48,同步积分器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,49,同步积分器,又称相干滤波器,原理图,等效电路,同步积分器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,50,两者同步受开关控制,同步积分器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,51,两个积分器,同步积分
11、器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,52,同步积分器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,53,同步积分器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,54,对比相关器输出：,同步积分器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,55,同步积分器,输出方波幅度，正比于：1）输入信号幅度2）相位差余弦3）放大倍数,可测量输入信号幅度和相位（需要定标移相器）,同步积分器,同步积分器能抑制偶次谐波,正半周对电容器充电的电荷等于在负半周释放的电荷，相互抵消,同步积分器,输出幅度正比于该谐波输入振幅的1/(2n+1)、相位差的余弦、同步积分器的放大倍数,同步积分器,同步积分器,各奇次谐波附
12、近是带通滤波器，带宽由RC决定。RC越大，通带越窄，积分时间越长,同步积分器,同步积分器是随参考信号频率而变化的方波匹配滤波器，积分长度越长，带宽越窄，抑制噪声能力越强,同步积分器,输出方波幅度正比于输入方波幅度，且是相位差的线性函数,方波鉴相器,同步积分器,同步积分器,同步积分器,6.输入信号为调幅方波,同步积分器,与参考信号相关的正弦、方波,全部通过,被滤除,物理过程：采用同步开关控制的积分器，同频信号同相的分别对两电容充电。而噪声以及其他干扰由于频率、相位随机，在电容上的充、放电会相互抵消,输入：正弦或方波，输出：方波,同步积分器,两者同相,同步积分器,两者有相位差,同步积分器,输入信号
13、为参考信号偶次谐波,同步积分器,输入信号为参考信号奇次谐波,同步积分器,同步积分器是随参考信号频率而变化的方波匹配滤波器，积分长度越长，带宽越窄，抑制噪声能力越强,两级串联，抑制噪声能力如何？,二,同步积分器串联,第一级同步积分器输出电压幅值稳态解：,同步积分器串联,输出方波幅值稳态解：,同步积分器串联,基波频率的输出方波电压幅度：,同步积分器串联,3dB/倍频程,6dB/倍频程,两级同步积分器串联使用，比一级积分器具有更强的噪声抑制能力,同步积分器串联,同步积分器等效噪声带宽,同步积分器等效噪声带宽,结论：,二级同步积分器串联的等效噪声带宽是一级同步积分器等效噪声带宽的一半,同步积分器前加选
14、频放大器，对输入是正弦波的情况，对总的性能有利,同步积分器等效噪声带宽,同步积分器电路举例,相关器,同步积分器,旋转电容滤波器,第三章 周期性微弱信号检测方法,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,80,开关频率为f0的方波控制双刀双掷开关,等效电路,旋转电容滤波器,旋转电容滤波器,旋转电容滤波器,交流方波,旋转电容滤波器,正负半周性能对称：只讨论正半周,为使噪声带宽较窄，积分时间常数一般取较大（低通），因此和频项可忽略,输入电压振幅,旋转电容滤波器,输出信号振幅正比于输入信号的振幅以及信号与开关信号之间相位差的余弦,旋转电容滤波器,旋转电容滤波器抑制偶次谐波,旋转电容滤波器,旋转电容滤波
15、器,输出为调幅方波,旋转电容滤波器,梳状滤波器允许基波及奇次谐波通过，抑制偶次谐波。时间常数越大，越接近理想方波匹配滤波器,与同步积分器性能类似,旋转电容滤波器,增加时间常数RC，可以使噪声带宽减小，从而提高抑制噪声的能力,旋转电容滤波器,旋转电容滤波器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,94,数字化滤波器看书，做整理,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,95,几种典型的锁定放大器简介,相关器为核心：,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,96,相关器为核心的LIA,改善信号通道信噪比：混频器+晶体滤波器,需要滤波特性,需要平坦特性,2fi+1MHz1MHz,fr+2MHzfr,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,97,同步积分器为核心的LIA,输入：正弦波或方波输出：同频方波,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,98,两级联用的LIA,同步积分器+相关器,等效电路：,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,99,两级联用的LIA,两次抑制,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,100,两级联用的LIA,对不等于参考频率的信号，以12dB/倍频程衰减,同步积分器：抑制噪声相关器：交流变直流解调,苏州大学物理科学与技术学院,
