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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1微弱信号检测干扰F1引入噪声信号微弱信号检测能量信号能量信号/ /功率信号功率信号归一化能量定义：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：一般的非周期信号苏州大学物理科学与技术学院3微弱信号检测能量信号能量信号/ /功率信号功率信号周期信号，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：苏州大学物理科学与技术学院4微弱信号检测相关函数相关函数能量有限信号，互相关函数定义：苏州大学物理科学与技术学院5微弱信号检测相关
2、函数相关函数苏州大学物理科学与技术学院6微弱信号检测相关函数相关函数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苏州大学物理科学与技术学院7微弱信号检测相关函数相关函数相关函数的性质：实函数的情况：苏州大学物理科学与技术学院8微弱信号检测相关检测相关检测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苏州大学物理科学与技术学院9微弱信号检测相关检测相关检测自相关检测自相关检测苏州大学物理科学与技术学院10微弱信号检测相关检测相关检测苏州大学物理科学与技术学院11微弱信号检测相关检测相关检测苏州
3、大学物理科学与技术学院12微弱信号检测相关检测相关检测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互相关检测检测苏州大学物理科学与技术学院13微弱信号检测相关检测相关检测理论上：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苏州大学物理科学与技术学院14微弱信号检测相敏检波相敏检波相敏检波器乘法器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苏州大学物理科学与技术学院15微弱信号检测相敏检波相敏检波和频项，用低通滤波器滤除相乘：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
4、正弦波输入：两正弦波输入：苏州大学物理科学与技术学院16微弱信号检测相敏检波相敏检波信号频率噪声频率与参考信号的相差信号中有噪声：信号中有噪声：苏州大学物理科学与技术学院17微弱信号检测相敏检波相敏检波通过相敏检波器后输出：通过相敏检波器后输出：只有体现相差只有体现相差的直流输出的直流输出直流加低通滤波器苏州大学物理科学与技术学院18微弱信号检测相敏检波相敏检波方波做参考信号：方波做参考信号：参考信号：参考信号：1V方波方波方波的基波频率傅氏级数展开：傅氏级数展开：苏州大学物理科学与技术学院19微弱信号检测相敏检波相敏检波包含参考信号所有奇次谐波所产生的相敏直流输出：PSD谐波响应谐波响应输出
5、：出：苏州大学物理科学与技术学院20微弱信号检测相敏检波相敏检波正半周负半周苏州大学物理科学与技术学院21微弱信号检测锁定放大器锁定放大器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，直流输出信号通道相关器参考通道噪声带宽极窄信噪改善比很高苏州大学物理科学与技术学院22微弱信号检测锁定放大器锁定放大器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苏州大学物理科学与技术学院23微弱信号检测锁定放大器锁定放大器信号通道相关器之前输
6、入变压器低噪声前置放大器主放大器增益开关放大倍数、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最佳源电阻/噪声匹配不同传感器有源滤波器苏州大学物理科学与技术学院24微弱信号检测锁定放大器锁定放大器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参考触发信号各种周期信号同步脉冲苏州大学物理科学与技术学院25微弱信号检测相关器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26微弱信号检测相关器相关器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苏
7、州大学物理科学与技术学院27微弱信号检测相关器相关器待定常数苏州大学物理科学与技术学院28微弱信号检测相关器相关器苏州大学物理科学与技术学院29微弱信号检测相关器相关器苏州大学物理科学与技术学院30微弱信号检测相关器相关器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负值最大最大苏州大学物理科学与技术学院31微弱信号检测相关器相关器苏州大学物理科学与技术学院32微弱信号检测相关器相关器苏州大学物理科学与技术学院33微弱信号检测相关器相关器苏州大学物理科学与技术学院34微弱信号检测相关器相关器相关器能相关器能抑制偶次谐波抑制偶次谐波苏州大学物理科学
8、与技术学院35微弱信号检测相关器相关器苏州大学物理科学与技术学院36微弱信号检测相关器相关器苏州大学物理科学与技术学院37微弱信号检测相关器相关器相关器奇次谐波输出频率响应苏州大学物理科学与技术学院38微弱信号检测相关器相关器苏州大学物理科学与技术学院39微弱信号检测相关器相关器苏州大学物理科学与技术学院40微弱信号检测相关器相关器苏州大学物理科学与技术学院41微弱信号检测相关器相关器5.输入信号为与参考信号同频的方波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苏州大学物理科学与技术学院
9、42微弱信号检测相关器的等效噪声带宽相关器的等效噪声带宽基波：奇次谐波附近：苏州大学物理科学与技术学院43微弱信号检测相关器的等效噪声带宽相关器的等效噪声带宽苏州大学物理科学与技术学院44微弱信号检测相关器的积分常数选择相关器的积分常数选择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苏州大学物理科学与技术学院45微弱信号检测相关器的积分常数选择相关器的积分常数选择积分时间上限需求：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苏州大学物
10、理科学与技术学院46微弱信号检测相关器电路举例相关器电路举例苏州大学物理科学与技术学院47微弱信号检测相关器同步积分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48微弱信号检测同步积分器同步积分器同步积分器同步积分器原理图原理图等效电路等效电路苏州大学物理科学与技术学院49微弱信号检测同步积分器同步积分器两者同步受两者同步受开关控制开关控制苏州大学物理科学与技术学院50微弱信号检测同步积分器同步积分器两个两个积分器分器苏州大学物理科学与技术学院51微弱信号检测同步积分器同步积分器苏州大学物理科学与技术学院52微弱信号检测同步积分器同步积分器苏州大学物理科学与
11、技术学院53微弱信号检测同步积分器同步积分器对比相关器比相关器输出：出：苏州大学物理科学与技术学院54微弱信号检测同步积分器同步积分器苏州大学物理科学与技术学院55微弱信号检测同步积分器同步积分器微弱信号检测输出方波幅度，正比于：输出方波幅度，正比于：1）输入信号幅度）输入信号幅度2）相）相位差余弦位差余弦3）放大倍数）放大倍数可测量输入信号幅度和相位（需要定标移相器）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微弱信号检测同步积分器同步积分器能抑制偶次谐波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，相互抵消荷，相
12、互抵消同步积分器同步积分器微弱信号检测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微弱信号检测同步积分器同步积分器微弱信号检测各奇次谐波附近是带通滤波器，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微弱信号检测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同步积分器微弱信号检测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微弱信号检测同步积分器同步积分器微弱信号检测同步积分器同步积分器6.输入信号入信号为调幅幅方波方波微弱信
13、号检测同步积分器与参考信号相关的正弦、方波其他干扰信号白噪声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：方波同步积分器同步积分器微弱信号检测两者同相同步积分器同步积分器微弱信号检测两者有相位差同步积分器同步积分器微弱信号检测输入信号为参考信号偶次谐波同步积分器同步积分器微弱信号检测输入信号为参考信号奇次谐波同步积分器同步积分器微弱信号检测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？两级串联，抑制
14、噪声能力如何？二二同步积分器串联同步积分器串联微弱信号检测第一级同步积分器输出电压幅值稳态解：第一节的积分电阻与积分电容同步积分器串联同步积分器串联微弱信号检测输出方波幅值稳态解：第二节的积分电阻与积分电容同步积分器串联同步积分器串联微弱信号检测基波频率的输出方波电压幅度：同步积分器串联同步积分器串联微弱信号检测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强的噪声抑制能力同步积分器串联同步积分器串联微弱信号检测同步积分器等效噪声带宽同步积分器等效噪声带宽微弱信号检测同步积分器等效噪声带宽同步积分器等效噪声带宽等
15、效噪声带宽：微弱信号检测结论：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等效噪声带宽微弱信号检测同步积分器电路举例同步积分器电路举例微弱信号检测相关器同步积分器旋转电容滤波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80微弱信号检测开关频率为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微弱信号检测旋转电容滤波器旋转电容滤波器微弱信号检测旋转电容滤波器旋转电容滤波器微弱信号检测交流方波旋转电容滤波器旋转电容滤波器微弱信号检测正负半周性能
16、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稳态输出瞬态输出旋转电容滤波器旋转电容滤波器微弱信号检测输出信号振幅输出信号振幅正比于正比于输入信号的振幅输入信号的振幅以及信号与开关以及信号与开关信号之间信号之间相位差的余弦相位差的余弦旋转电容滤波器旋转电容滤波器微弱信号检测旋旋转电容容滤波器抑制偶次波器抑制偶次谐波波旋转电容滤波器旋转电容滤波器微弱信号检测稳态解：解：旋转电容滤波器旋转电容滤波器微弱信号检测输出出为调幅方波幅方波旋转电容滤波器旋转电容滤波器微弱信号检测梳状梳状滤波器波器允允许基波及奇次基波及奇次谐波通波通过，抑制偶，抑制偶次次谐
17、波。波。时间常数越大，越接近理想方波匹配常数越大，越接近理想方波匹配滤波波器器与同步与同步积分器性能分器性能类似似旋转电容滤波器旋转电容滤波器微弱信号检测增加增加时间常数常数RC，可以使噪声，可以使噪声带宽减小，从而提减小，从而提高抑制噪声的能力高抑制噪声的能力旋转电容滤波器旋转电容滤波器微弱信号检测旋转电容滤波器旋转电容滤波器微弱信号检测相关器相关器同步积分器同步积分器旋转电容旋转电容滤波器滤波器等效电路等效电路输入信输入信号与参号与参考信号考信号关系关系同频偶次谐波奇次谐波偏离奇次谐波一个小量等效噪声带宽等效噪声带宽两级级联两级级联微弱信号检测数字化数字化滤波器波器看看书，做整理，做整理苏
18、州大学物理科学与技术学院94微弱信号检测几种典型的几种典型的锁定放大器定放大器简介介同相放大器高通：简单RC网络单端输入、差动输出混频器差动输出相加，积分、滤波直流放大、积分平滑调节时间常数固定增益低噪声前置放大器相位0到360度连续可调相关相关器为器为核心：核心：苏州大学物理科学与技术学院95微弱信号检测相关器相关器为核心的核心的LIA改善信号通道信噪比：混频器改善信号通道信噪比：混频器+晶体滤波器晶体滤波器需要滤波特性需要平坦特性2fi+1MHz1MHzfr+2MHzfr苏州大学物理科学与技术学院96微弱信号检测同步同步积分器分器为核心的核心的LIAfr两路正交输入：正弦波输入：正弦波或方
19、波或方波输出：同频方波输出：同频方波苏州大学物理科学与技术学院97微弱信号检测两两级联用的用的LIA同步积分器同步积分器+相关器相关器等效电路：等效电路：苏州大学物理科学与技术学院98微弱信号检测两两级联用的用的LIA两次抑制苏州大学物理科学与技术学院99微弱信号检测两两级联用的用的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100微弱信号检测两两级联用的用的LIA相关器：抑制噪声同步积分器：窄带跟踪滤波器苏州大学物理科学与技术学院101微弱信号检测外差式外差式LIA相关器前的滤波器截止频率附近相位特性不稳定相关器为相
20、敏输出频率不稳会造成输出不稳外差法实现自动频率跟踪苏州大学物理科学与技术学院102微弱信号检测外差式外差式LIA稳定的fi正弦相敏检波器输出0负输出正输出锁定状态VCO频率上升VCO频率下降锁相环：锁相环：苏州大学物理科学与技术学院103微弱信号检测双相双相LIA苏州大学物理科学与技术学院微弱信号检测同步外差同步外差LIA苏州大学物理科学与技术学院105微弱信号检测锁定放大器的定放大器的动态范范围及及动态协调满刻度信号输入电平FS(Full-Scale)最小可检测信号电平MDS（MinimumDiscernableSignal）过载电平OVL（overload）最小可检测信号=锁定放大器输出漂
21、移/K总测试方法：信号反相系统最大输出指示的满刻度相干输入信号电平一般10V，或1V可从说明书查到输出稳定度乘以输出满刻度所需的相关信号峰值的输入电平输出反转：信号响应输出不变：漂移仪器各组成部分中有一电路过载干扰或噪声使噪声产生某种程度的非线性误差输入动态范围输出动态范围动态储备苏州大学物理科学与技术学院106微弱信号检测临界界电平平动态范范围定定义极限指标过载首先出现在峰值出不用均方根、有效值来度量苏州大学物理科学与技术学院微弱信号检测临界界电平平动态范范围定定义抑制能力在给定的灵敏度条件下，允许的最大不相干输入信号的峰值电平与输出满刻度所需的相干输入信号峰值电平之比苏州大学物理科学与技术
22、学院微弱信号检测临界界电平平动态范范围定定义内部噪声特性在给定的灵敏度条件下，给出满刻度输出的相干输入信号峰值电平与最小可检测的相干输入信号峰值电平之比苏州大学物理科学与技术学院微弱信号检测临界界电平平动态范范围定定义输入总动态范围输入总动态范围=动态储备动态储备+输出动态范围输出动态范围比值：一般用对数表示（dB）苏州大学物理科学与技术学院微弱信号检测苏州大学物理科学与技术学院111微弱信号检测苏州大学物理科学与技术学院112微弱信号检测固定交流增益上升高稳定状态锁定放大器的定放大器的动态协调苏州大学物理科学与技术学院113微弱信号检测锁定放大器的定放大器的动态协调固定交流增益下降直流增益上
23、升不易过载OVL上升动态储备增加直流漂移变大MDS增高减小动态范围高储备状态苏州大学物理科学与技术学院114微弱信号检测锁定放大器的定放大器的动态协调苏州大学物理科学与技术学院115微弱信号检测宽带锁定宽带锁定放大器放大器（第一类）（第一类）限带锁定限带锁定放大器放大器（第二类）（第二类）苏州大学物理科学与技术学院116微弱信号检测信号通道内插入滤波器或同步积分器，信号通道内插入滤波器或同步积分器，可以扩大动态范围可以扩大动态范围苏州大学物理科学与技术学院117微弱信号检测动态范范围与与频率的关系率的关系频率轴：信号频率与参考频率比值宽带锁定放大器：不能抑制同频干扰、噪声苏州大学物理科学与技术
24、学院118微弱信号检测相关器：交流输入、直流输出相关器：交流输入、直流输出锁定锁定放大器放大器锁定放大器定放大器应用用微弱信号检测锁定放大器的输入信号：来自传感器锁定放大器的输入信号：来自传感器传感器参数微弱信号检测前置放大器的工作参数选择最佳源电阻最佳工作频率锁定放大器：相关检测同频参考信号动态协调屏蔽、接地微弱信号检测阻抗微小变化的测量阻抗微小变化的测量交流电桥交流电桥+锁放锁放应用用举例：例：微弱信号检测阻抗微小变化的测量阻抗微小变化的测量交流电桥交流电桥+锁放锁放正交矢量型锁定放大器实部虚部电桥的分布电容、分布电感对检测结果有较大影响微弱信号检测阻抗微小变化的测量变压器桥（20世纪70
25、年代之后）Zx为被测阻抗，Zr为同类型的已知参考阻抗，两者近似相等电流/电压转换模块，输入阻抗近似为0，增益为K参考输入：-u调节相位检测结果优质低损耗铁芯微弱信号检测阻抗微小变化的测量阻抗微小变化的测量运放桥运放桥（20世纪世纪80年代之后）年代之后）避免绕制变压器的麻烦避免绕制变压器的麻烦两运放最好来源于同一块两运放最好来源于同一块芯片中的两个独立运放芯片中的两个独立运放微弱信号检测测量放大器噪声系数测量放大器噪声系数中心频率可调的窄带滤波器K接AK接B正弦输出调整f0、Rs总输出微弱信号检测微分电导测量微分电导测量微弱信号检测某些待检测信号近似于直流量直流放大器零点漂移直流背景噪声信号的信号的斩波波调制：制：微弱信号检测光学斩波调制器：斩光盘光学斩波调制器：斩光盘信号的信号的斩波波调制：制：微弱信号检测信号的信号的斩波波调制：制：微弱信号检测典型的锁定放大器光谱测量系统典型的锁定放大器光谱测量系统信号的信号的斩波波调制：制：微弱信号检测源补偿测试系统源补偿测试系统LIA调制检测法：微弱信号检测双探测器双光束检测系统双探测器双光束检测系统LIA调制检测法：微弱信号检测双频双光束检测系统双频双光束检测系统LIA调制检测法：微弱信号检测
