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1、微弱信号检测技术微弱信号检测技术1 1 1 1 概述概述概述概述2 2 2 2 噪声基本知识噪声基本知识噪声基本知识噪声基本知识3 3 3 3 低噪声放大器低噪声放大器低噪声放大器低噪声放大器4 4 4 4 微弱信号检测方法微弱信号检测方法微弱信号检测方法微弱信号检测方法 5 5 5 5 利用噪声检测信号的技术方法示例利用噪声检测信号的技术方法示例利用噪声检测信号的技术方法示例利用噪声检测信号的技术方法示例6 6 6 6 反馈测量技术反馈测量技术反馈测量技术反馈测量技术及其他技术及其他技术及其他技术及其他技术1 1 概述概述p有用信号的幅度绝对值很小，如V 、 nV 乃至pV量级电压信号；检测
2、每秒钟多少个光子的弱光信号。p相对于噪声而言，幅度很小的有用信号。如输入信号的信噪比为10-2或更小，即信号完全淹没在噪声之中。科学研究中常需检测极微弱的信号，例如：生物学中细胞发光特性、光合作用、生物电生物学中细胞发光特性、光合作用、生物电天文学中的星体光谱天文学中的星体光谱化学反映中的物质生成过程化学反映中的物质生成过程物理学中表面物理特性物理学中表面物理特性光学中的拉曼光谱、光声光谱、脉冲瞬态光谱光学中的拉曼光谱、光声光谱、脉冲瞬态光谱微微机机电电系系统统（MEMSMEMS）的的微微位位移移、微微力力、微微电电流、电压等流、电压等1 1 概述概述微弱信号检测途径降低传感器与放大器的固有噪
3、声，尽量提高信噪比；研制适合弱信号检测原理并满足特殊需要的器件；研究并采用各种弱信号检测技术，通过各种手段提取信号。 上述三者缺一不可。2. 2. 噪声基本知识噪声基本知识n检测装置外部，如宇宙射线、广电信号等；n检测装置内部，如各部分之间的静电耦合、电磁耦合、共阻抗耦合等；n元器件内部，如载流子的不规则热运动所造成的固有噪声等。 本讲涉及如何降低元器件内部固有噪声影响2.1 2.1 噪声来源噪声来源噪声来源噪声来源2.2 2.2 元器件固有噪声及其规律元器件固有噪声及其规律元器件固有噪声及其规律元器件固有噪声及其规律 把把微微弱弱信信号号放放大大到到可可测测幅幅度度，须须使使用用放放大大器器
4、和和其其他他电电路路。但但电电子子电电路路中中几几乎乎所所有有的的元器件本身往往就是噪声源。元器件本身往往就是噪声源。 这这种种噪噪声声具具有有随随机机性性质质，其其瞬瞬时时幅幅值值和和相相位位不不可可预预测测，只只能能用用概概率率统统计计方方法法描描述述其其大小和特征。大小和特征。 信噪比改善系数信噪比改善系数（1 1）信噪比）信噪比）信噪比）信噪比SNRSNR SNRSNR用用来来评评价价信信号号的的品品质质优优劣劣，SNRSNR越越高高，测量误差越小。测量误差越小。 信信号号通通过过一一个个放放大大器器或或一一个个测测试试系系统统后后，SNRSNR可能提高，也可能降低。可能提高，也可能降
5、低。 信信信信噪噪噪噪比比比比改改改改善善善善系系系系数数数数SNIRSNIR被被引引入入，以以以以描描述述放放大大器或测试系统对器或测试系统对SNRSNR的改善作用的改善作用 。白噪声情况下白噪声情况下信噪比信噪比信噪比信噪比系数：系数：系数：系数：系数：系数：信噪比改善信噪比改善（SNIR） E Enini：位位于于信信号号源源处处放放大大系系统统的的等等效效输输入入噪噪声声，假定假定E Enini是白噪声，其功率谱密度为常数。是白噪声，其功率谱密度为常数。fin为输入噪声的带宽； fn为系统的等效噪声带宽。 减小系统的等效噪声带宽，可提高SNIR。 SNIR越高，系统检测微弱信号的能力越
6、强。使用微弱信号检测技术，SNIR可达103105，甚至107。 SNIRSNIR 可等效可等效可等效可等效为为为为：几种常见电子噪声几种常见电子噪声噪声种类噪声种类特点特点降低途径降低途径热噪声热噪声属于白噪声，功率属于白噪声，功率谱密度在很宽的频谱密度在很宽的频率范围内恒定。率范围内恒定。减小输入电阻和带宽减小输入电阻和带宽减小平均直流电流减小平均直流电流散粒噪声散粒噪声接触噪声接触噪声属有色噪声，频率属有色噪声，频率增加，功率谱减小。增加，功率谱减小。微弱信号检测中要处理的绝大多数是随机噪声。微弱信号检测中要处理的绝大多数是随机噪声。微弱信号检测中要处理的绝大多数是随机噪声。微弱信号检测
7、中要处理的绝大多数是随机噪声。电子器件的固有噪声电子器件的固有噪声 工程上常用测测量量综综合合噪噪声声效效果果衡量电子器件的噪声，不再区分具体噪声源。 图(a)所示接信号源的放大器，其综合噪声等效电路可用图(b)表示。 (a) (a)实际电路实际电路 (b)(b)等效噪声电路等效噪声电路 图图 -2 -2 连接到信号源的放大器连接到信号源的放大器u uss待放大信号；待放大信号；R Rss信号源电阻；信号源电阻；u untnt R Rss00引起的热噪声；引起的热噪声；uunini折算到输入端的噪声电压；折算到输入端的噪声电压；iinini折算到输入端的噪声电流折算到输入端的噪声电流举例：A7
8、41的输入端的噪声电压、噪声电流功率谱密度函数Su(f)、Si(f)的曲线如下图所示 。3.低噪声放大器 为放大微弱信号，必然要用放大器。放大器本身不可避免地产生噪声，对信噪比本来就比较低的微弱信号造成进一步影响。 因此，微弱信号检测的首要问题是尽量地降低放大器的噪声。 偏置电路低噪声设计偏置电路低噪声设计 通常，电阻分压式直流偏置电路会产生较大的热噪声和1/f 噪声。对于射频微弱信号检测，可用图4所示低低噪噪声声偏偏置置电电路路。它通过射射频频扼扼流流圈圈来避免偏置电阻的噪声问题，通过调谐电路调谐电路实现偏置 。(a)(a)利用射频扼流圈利用射频扼流圈(b)(b)利用调谐电路利用调谐电路直流
9、工作点低噪声设计直流工作点低噪声设计 对与信号源直连的直接耦合式放大器，选定有源器件后，还须选择合适工作点，使放大器噪声系数最小。 图5是频率f=1kHz时，晶体管2N4250的噪声系数随集电极平均电流Ic变化曲线.图图 5 2N42505 2N4250的的F-IF-Icc曲线曲线 可看出，对每个特定的Rs，都有一个使噪声系数最小的Ic。所以，Rs一定时，可通过改变直流工作点实现噪声匹配。利用变压器实现噪声匹配利用变压器实现噪声匹配 当当信信号号源源电电阻阻与与放放大大器器的的最最佳佳输输入入电电阻阻存存在在较较大大差差异异时时，采用在信号源输出端串、并联电阻实现噪声匹配，虽然对有用信号和信号
10、源电阻热噪声的衰减相同，但有用信号与放大器噪声之比也衰减，且串、并联电阻本身还要产生噪声，所以该方案行不通。 可考虑利用变压器进行噪声匹配 。 如图6(a)所示，假设变压器是理想的，初级线圈与次级线圈的匝数比为1：n，那么由初级变换到次级的信号电压为nus、噪声电压为nunt、源电阻为n2Rs，如图 6(b)所示。选择合适的n，可实现噪声匹配。 (a)(a)电路连接及噪声源电路连接及噪声源(b)(b)等效电路等效电路4.4.微弱信号检测方法微弱信号检测方法 按信号处理方式，微弱信号检测可分两类： 1）时域处理，即信号的所有处理都是在时域内进行； 2）频域处理，即将信号变换到频域，然后按照信号的
11、频域特性对信号进行处理。频域微弱信号检测频域微弱信号检测 频域微弱信号检测是指利用锁定放大器对淹没在噪声中的正弦信号的幅值和相位进行检测。 对较小幅值的直流或慢变信号，为减小1/f噪声和直流放大器漂移的影响，一般采用调制器或斩波器先将其变换成交流信号再放大，并用带通滤波器提高信噪比，之后再解调和低通滤波，得到放大的被测信号. 对微弱直流或慢变信号，调制后的正弦信号也必然微弱。要达到足够的信噪比，带通滤波器的带宽必须非常窄、Q值必须非常高、中心频率须非常稳定。这在实际中很难实现。 利用锁定放大器锁定放大器却可很好地解决上述问题。 锁定放大器的构成原理锁定放大器的构成原理 如下图所示，锁定放大器主
12、要由信号通道、参考通道、相敏检波相敏检波(器)及低通滤波(器)等部分组成。 信号通道信号通道 信号通道对输入的幅幅度度调调制制正正弦弦信信号号进行交交流流放大、滤波放大、滤波等处理。 为相敏检波器提供一个与与输输入入信信号号同同相相的的方方波波或正弦波等处理。 参考通道参考通道 对信号通道的输出与参考通道的输出完成乘乘法法运算，从而得到两信号的和频与差频信号。 滤除和和频频信信号号而保留差差频信号频信号。相敏检波相敏检波 低通滤波低通滤波 输入信号 输出信号 1）锁定放大器改善信噪比的原理锁定放大器改善信噪比的原理 信号通道中使用带通滤波器可减小噪声，但为了带通滤波器的稳定性，不能刻意压缩其带
13、宽，所以其输出中仍含有较多噪声。可认为，信号通道的输出中所含噪声仅均匀分布在(0-B/2)(0+B/2)之间（0和B分别为带通滤波器的中心频率和带宽）。则信号通道的输出可写成： 由于低通滤波器的B可以很小， 因此分布在(0B/2)(0+B/2)之间的噪声大部分都被滤除掉，使得锁定放大器的信噪比得到了非常明显的提高。 可见，锁定放大器避开了幅度较大的1/f 噪声；同时又用相敏检波器实现解调，用稳定性更高的低通滤波器实现窄带化过程，从而使检测系统的性能大为改善。 2）移相器 如图所示为一个移相器的电路图。 显然，其幅频特性A()H(j)=l，无论RW如何改变，输出幅度都不变。其相频特性为3）相敏检
14、波及低通滤波器电路 如图所示，FET管V1V4、二极管VD1VD4和电阻R1R4组成全波相敏检波器；运放A及电阻R7R10组成减法器，并依靠电容C1和C2实现低通滤波。电路具有对称性。在互为反相的参考方波电压(分别从图中B、E两点加入)控制下，完成相敏检波和低通滤波的功能。 工作原理： 当输入信号为正半周时，B点参考方波为高电平，V1、V2导通，E点参考方波为低电平，V3和V4截止，输入信号经V1加到A的同相端，A的反相端经V2接地，此时，输出电压对应输入信号正半周的积分平均值，极性为正。当输入信号为负半周时，参考方波电平也翻转了， V1、V2截止，V3、V4导通，输入信号经V3加到A的反相端
15、，A的同相端则经V4接地，此时，输出电压对应输入信号负半周的积分平均值，但极性仍为正。时域微弱信号检测时域微弱信号检测 主要方法：1、常规方法2、相关函数计算法：自相关、互相关 互相关需要与被测信号同频参考信号，但能抑制与参考信号不相关的各种形式的噪声 3、周期信号取样积分法 使用锁定放大器检测淹没在噪声中的脉冲信号的波形时，会滤除脉冲波形的上升沿和下降沿中包含的丰富的高频分量，从而导致脉冲波形畸变。但是取样积分器可解决这些问题，但效率低。 取样积分器的核心是门积分器。门积分器不同于一般的积分器，它仅在取样时间内进行积分，其余时间积分结果处于保持状态。 根据实现电路的不同，可分为线性门积分器和
16、指数式门积分器两种。 时域微弱信号检测时域微弱信号检测 （2）线性门积分器电路）线性门积分器电路 如图所示，被测信号x(t)包含周期为T的有用信号x(t)和随机噪声n(t)。r(t)是与x(t)同频的参考信号，甚至可以是被测信号本身。r(t)经延时后送入触发电路，产生宽度为Tg的取样脉冲，在r(t)的每个周期内，开关S只在Tg时段闭合。S闭合时，x(t)经缓冲放大后通过电阻R对积分电容C充电，只要输入电压不变，充电电流也就不变；S断开时，C两端电压保持不变。 若x(t)为阶跃信号，且t=0时，u0=0，可绘出u0随时间变化的曲线如下图中折线所示。下图中直线是S常闭时的响应，相当于普通线性积分器
17、的阶跃响应。如果S常闭时u0积分到等于输入电压所需时间为 (=RC)，则在取样脉冲作用下所需时间约为(T/Tg)。（3）线性门积分器的信噪比改善系数）线性门积分器的信噪比改善系数 对于线性门积分器，为避免输出饱和，经过一定次数(设为m)的取样后，需通过开关使积分器复位到零。假设有用信号恒为Us，则每次采样因有用信号引起的输出电压增量恒为sUsTg/(RC)。设噪声n(t)的有效值为Un，则每次采样因噪声引起的输出电压增量为：nUnTg/(RC) 。 但是，有用信号是线性相加，噪声则按统计平均规律增加，所以输出信噪比为：（4）指数式门积分器电路）指数式门积分器电路 在信号幅度较大时，为数不多的若
18、干次取样积分就有可能使线性门积分电路运算放大器进入非线性区，导致测量误差，在这种情况下只能使用指数式门积分器。 指数式门积分器电路如下图所示，它与线性门积分器的区别区别：即使输入电压不变，充电电流也会随电容上电压的增充电电流也会随电容上电压的增加而逐渐减小加而逐渐减小，输出电压则按指数规律增加。 若x(t)为阶跃信号，且t=0时，u00，则u0随时间变化的曲线如下图中曲线所示。下图中曲线是当S常闭时的响应，相当于普通指数式积分器的阶跃响应。如果S常闭时u0积分到等于输入电压的所需时间为(=RC)，则在取样脉冲作用下所需时间约为(T/Tg) 。（4）指数式门积分器电路）指数式门积分器电路 对于阶
19、跃信号输入，指数式门积分器经过m次积分后的输出相当于普通指数式积分器经历了mTg时间后的输出。而普通指数式积分器在经历了5(=RC)时间后，积分效果就很不明显了。因此，应该保证 用数学分析的方法推推导导出出准准确确的的信信噪噪比比改改善善系系数数是非常烦琐的，因为即使s(t)恒定不变，每次采样因有用信号引起的输出电压增量都不相同，而每次采样因噪声引起的输出电压增量也不相同，不能像推导式( -62)那样简单地得到信噪比改善系数。 这里直接给出指指数数式式门门积积分分器器可可达达到到的的信信噪噪比比改改善善系系数数如下： 2）取样积分器的工作方式）取样积分器的工作方式 根据在一个信号周期内的取样次
20、数，取样积分器可分为单点式和多点式两大类。前者电路相对简单，但是需要时间长。后者用多个积分器对各点取样分别进行积分，因而电路要复杂得多，但是时间短。 单点式取样可分为定点定点和扫描扫描两种工作方式: 定点工作方式：反复取样被测信号波形上某个特定位置的幅度，检测功能与锁定放大器有些类似; 扫描工作方式：取样点沿着被测波形周期从前向后逐次移动，可用于恢复和记录被测信号的波形。 定点方式的取样积分器电路原理如图 -37(a)和图 -38(a)所示，参考信号与被测信号保持同步，经延时后产生固定宽度的取样脉冲信号，只要在测量期间延时量固定不变，取样积分就总总是是在在被被测测信信号号周周期期的的固固定定部
21、部位位进进行行。延时电路的延时量一般做成可调的，以便调整取样部位。 定定点点方方式式适适于于检检测测处处理理周周期期信信号号的的幅幅度度，例如接收斩波光的光电倍增管的输出电流、心电图一定部位的幅度等。 下图为扫描式取样积分器各点波形。其中，(a)为A点被测信号波形；(b)为B点触发信号波形；(c)为C点短周期锯齿波(实线)和D点长周期锯齿波(虚线)：(d)为比较器根据两个锯齿波的相交点产生的延时脉冲；(e)为门控电路产生的逐次后移的取样脉冲；(f)为根据取样值的包络线恢复的被测信号的波形。 扫描式取样积分的工作过程是一种移移动动平平均均式式的的积积分分，如下图所示。Tg时段内(虚线框)每向右移
22、动一个小小的时段，取样积分器对该时段的被测信号进行一次积分，得到一个输出值。在信号的下一个周期，虚线框向右移动一个小小的时段，再次进行积分。重复上述过程直到扫描完需要测量的时段，就像积分框沿信号周期不断移动一样。这种积分方式又称为Boxcar积分。 5 利用噪声检测信号的方法示例 一切物理量的测量精度都受到背景噪声的限制，但在某些特殊场合，随机噪声可用来实现对某些物理量的测量。例如，通过相关原理测速；利用电阻的热噪声测温；利用液体或气体管道有泄漏时，由于泄漏物质与管道、土壤等的相互作用产生的噪声进行泄漏定位等。相关测速 已知两个光敏元件的中心距为L，如果测出0，则可求出带钢运动速度 v=L/0
23、。相关测速法就是根据相关原理测量0 。 x2(t)和x1(t)在有限时间T内的互相关函数定义式为：x1 (t)= x2(t-) = x2(t-L/v) 将式(-68)代入式(-67)得 如果能及时调整信号x2(t-)的时间延迟量，使x1(t)和x2(t)的相关函数永远处于极大值，则可实现带钢速度的连续测量 。 上式波形如图-43所示 。由图可知，两个相似随机信号的互相关函数具有极值特性。 相关测速仪的结构原理框图如图所示。 问问题题：图 -44所示相关测速仪会因机械振动、电磁干扰等因素引起的周期性信号干扰而造成相关函数随的变化呈现周期性，以致很难甚至不可能搜索到相关函数曲线的峰值。 由于相关函
24、数曲线的峰值不止一处，从而造成峰值搜索的困难。为此，可采用“差动相消”原理对相关测速仪进行改进。 假设在周期性干扰信号z(t)作用下两个传感器的输出分别为：x1(t)= x1(t)+ z(t)和x2(t)= x2(t)+ z(t)。 令 y(t)= x1(t)- x2(t)= x1(t)- x2(t)。对y(t)求自相关函数，则有: 式( -72)中，前两项分别是在 =0处取极大值。第三项是 = 0处取极小值。第四项在 =-0处取极小值。此时的波形可用图 -46所示的曲线示意。该曲线有三个峰值，可通过电路设计施加外部限制条件，选择延迟时间 = 0时的负峰值作为搜索目标。噪声温度计 1）热噪声测
25、温原理热噪声测温原理 在纯电阻两端会出现热噪声电压 ，如果能设法使带宽B为常数，并测出电阻R和热噪声电压的有效值UT，就可得到温度: 然而，上述方案实际行不通。设只考虑放大器输入端等效噪声电压ue的影响，当Tc足够大时, uo可近似等价为： 下图为相关比较式噪声温度计的原理框图。其工作原理是，开关S依次将工作在待测温度Tm下的测温电阻Rm与工作在基准温度Tr下的参比电阻Rr接到放大器的输入端，通过调节Rr的大小，使积分器的输出在前后两次的示值相等(即Uom =Uor)，基于式（-75）并根据Uom和 Uor的计算式可得下式： Tm=TrRr/Rm 6 6. .反馈测量技术及其他微弱信号检测技术
26、反馈测量技术及其他微弱信号检测技术 反反馈馈测测量量技技术术是是利利用用某某些些“逆逆传传感感器器”工工作作的的。逆传感器把系统输出的电信号变换成非电量，然后与非电被测量进行比较，得到一个偏差信号，此偏差信号被正向传感器变换成电量，再经过放大电路放大，反过来控制逆传感器的输出，使偏差信号趋于零，即所谓的负反馈。 反馈测量系统反馈测量系统 典型的反馈测量系统原理框图如图 -50所示。由该图可以看出，反馈测量系统具有一个由逆传感器构成的反馈回路，该回路的反馈量为非电量。 1 1）逆传感器）逆传感器 （1）动圈式元件动圈式元件 动圈式元件是利用通电导体与磁场因不平行而受到电磁力作用的原理制成的。图5
27、-52(a)给出了角位移动圈式元件的结构形式。 在作为逆传感器使用时，反馈电流I产生的反馈力矩Tf与被测力矩T相平衡，因此线圈基本保持不动。I与Tf之间的关系由下式给出： Tf = BAWI 式中：B为气隙中的磁感应强度；A为线圈有效面积；W为线圈匝数。 图-52(b)给出了线位移动圈式元件的结构形式。 当该元件作为逆传感器使用时，反馈电流I产生的反馈力Ff与被测力F相平衡，线圈的位移量通常远小于1mm。I与Ff之间的关系由下式给出： Ff =DBWI 式中：D为线圈平均直径 。（2 2）阴极射线管）阴极射线管 阴极射线管可以把电流或电压转换成电子束的偏转。图 -53给出了采用静电偏转的阴极射
28、线管的基本结构形式。 热阴极发射的电子在真空中加速到很高速度，形成电子束，并撞击荧光屏发光。电子束在两偏转板电势差U的作用下，运动方向发生偏转，偏转量随U的变化而变化。在忽略电场边缘效应等近似下，光点偏移量d与U成正比 。3 3）压电器件）压电器件 压电陶瓷材料存在逆压电效应。最常用的压电陶瓷材料是锆钛酸铅，该材料坚硬、韧性大，并可在任选的极化方向上制成任意的形状和尺寸。如图-54所示的悬臂粱式双压电陶瓷片，可在低电压作用下产生较大的挠度。 该结构中上下两层压电陶瓷片的极化方向相同，中间一层是弹簧钢。上压电陶瓷片的下电极和下压电陶瓷片的上电极连在一起，上压电陶瓷片的上电极和下压电陶瓷片的下电极
29、连接在一起。在两引线端之间加上电压U时，两压电陶瓷片的变形相反，这将导致自由端向下或向上移动。当电压U在50V以内时，该压电陶瓷片灵敏度约为1m/V。 这种逆传感器尺寸小，可工作在300的环境温度下，寿命长，可靠性高，功耗小，但迟滞和漂移相对较大。2）力平衡式测量系统）力平衡式测量系统 所谓力平衡原理，就是先将被测量转换成力或力矩，然后用逆传感器产生的反馈力与之平衡。 图 -57所示的用于直直流流高高压压精精密密测测量量的绝对吸引式圆盘电压表采用的就是力平衡式反馈测量系统。 图中，吸引式圆盘的两个金属圆盘之间因静电吸引而产生力F1，杠杆的另一端施加反馈力F2。当这两个力不平衡时，引起杠杆偏转，
30、该偏转量经放大后转换成电信号。光电池的输出电流经放大后用来激励线位移动圈式元件，从而产生一个足以使杠杆回到平衡位置的反馈力。 3）温度平衡式测量系统 图 -59所示的闭环式测温系统。先测出绝缘体左、右两侧的温度T1和T2。只要T1T2 ，温差信号就会被放大并驱动绝缘体右侧的加热器，最终使T1=T2 。若T2= T1 ，则没有热量流动，也就有T1=TB。 只要放大器的增益足够大，且两个温度传感器的特性相同，则这种闭环式测量系统将能保证T1=TB ，从而可通过测量T1间接得到TB 。4）热流量平衡式测量系统）热流量平衡式测量系统 把电加热物体置于中，流体将会带走其热量，并导致它们的电阻值发生变化，
31、该物体的热量散失与流体的流速有关。工程上常据此测量流速。 图 -61为闭环式热线风速仪的原理图。当RvR0时，从桥路对角线取出的不平衡电压ue经放大器放大后激励变压器T，使其副边的输出电压ub的幅值增加，从而Rv也增加，直到Rv=R0时，电桥达到平衡，使ub稳定下来。当Rv=R0时，ue反相，使ub的幅值减小，从而Rv也减小，直到ub重新稳定下来。l其他微弱信号检测技术其他微弱信号检测技术微机电系统中的电容检测方法将电容信号转化为频率信号利用开关电容电路把电容转化为是数字信号基于隧道效应检测位移谐振式检测混沌检测利用混沌系统对小信号的敏感和对噪声的免疫自适应随机共振通过其特有的噪声和信号间的能量转 换方式, 实现对噪声的抑制和对信号的加强
