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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文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能量信号/ /功率信号功率信号苏州大学物文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耗费的能量实函数能量有限信号：普通的非周期信号能量信号能量信号/ /功率信号功率信号苏州大学物文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耗费的功率归一化能量积分为无穷大实函数功率有限信号：相关函数相关函数苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测5能量有限信号，相互关函数定义：相关函数相关函数苏州大学
2、物文科学与技术学院微弱信号检测6相关函数相关函数苏州大学物文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相关函数苏州大学物文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：相关检测相关检测苏州大学物文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相互关函数为常数，等于两个随机函数的平均值的乘积相关检测器相关接纳机自动计算相关函数的仪器自相关检测相互关检测相关检测相关检测苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测10自相关检测自相关检测相关检测相关检测苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测11相关检测相关检测苏州大学物文科学与技术学院微
3、弱信号检测12相关检测相关检测苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测13发送信号的周期知在接纳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相互关相互关检测检测相关检测相关检测苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测14实际上：相互关接纳比自相关接纳更有效实践上：两者检测才干相差不大相敏检波相敏检波苏州大学物文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相敏检波相敏检波苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测16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
4、的余弦值相敏两正弦波输入：两正弦波输入：相敏检波相敏检波苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测17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：相敏检波相敏检波苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测18经过相敏相敏检波器后波器后输出：出：只需表达相差只需表达相差的直流的直流输出出直流加低通滤波器相敏检波相敏检波苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测19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傅氏级级数展开：数展开：相敏检波相敏检波苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测20包含参考信号一切奇次谐波所产生的相敏直流输出：PSD谐波呼应输出：出
5、：相敏检波相敏检波苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测21正半周负半周锁定放大器锁定放大器苏州大学物文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厉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锁定放大器锁定放大器苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测23相关器大幅度紧缩等效噪声带宽需求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相互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锁定放大器苏州大学物文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
6、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正确源电阻/噪声匹配不同传感器有源滤波器锁定放大器锁定放大器苏州大学物文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构成电路驱动电路参考触发信号各种周期信号同步脉冲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文科学与技术学院微弱信号检测26相关器相关器苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测27相关器实际上实践运用乘法器积分器模拟乘法器无限积分时间积分器电路构造复杂信号失真开关乘法器近似积分器低通滤波器相关
7、器相关器苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测28待定常数相关器相关器苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测29相关器相关器苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测30相关器相关器苏州大学物文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相关器苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测32相关器相关器苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测33相关器相关器苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测34相关器相关器苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测35相关器能抑制偶次相关器能抑制偶次谐波波相关器相关器苏州大学
8、物文科学与技术学院微弱信号检测36相关器相关器苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测37相关器相关器苏州大学物文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呼应相关器相关器苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测39相关器相关器苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测40相关器相关器苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测41相关器相关器苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测425.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相关器的等效噪声带宽相关器的等
9、效噪声带宽苏州大学物文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相关器的等效噪声带宽苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测44相关器的积分常数选择相关器的积分常数选择苏州大学物文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呼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相关器的积分常数选择苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测46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相关器电路举例相关
10、器电路举例苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测47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文科学与技术学院微弱信号检测48同步积分器同步积分器苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测49同步同步积分器分器原理原理图等效等效电路路同步积分器同步积分器苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测50两者同步受两者同步受开关控制开关控制同步积分器同步积分器苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测51两个两个积分器分器同步积分器同步积分器苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测52同步积分器同步积分器苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测53同步积分器同步积分器苏州大学物文
11、科学与技术学院微弱信号检测54对比相关器比相关器输出：出：同步积分器同步积分器苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测55同步积分器同步积分器输出方波幅度，正比于：出方波幅度，正比于：1输入信号幅度入信号幅度2相相位差余弦位差余弦3放大倍数放大倍数可丈量可丈量输入信号幅度和相位需求定入信号幅度和相位需求定标移相器移相器同步积分器同步积分器同步同步积分器能抑制偶次分器能抑制偶次谐波波正半周正半周对电容器充容器充电的的电荷等于在荷等于在负半周半周释放的放的电荷，相互抵消荷，相互抵消同步积分器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
12、器同步积分器同步积分器各奇次谐波附近是带通滤波器，带宽由RC决议。RC越大，通带越窄，积分时间越长同步积分器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，抑制噪声才干越强同步积分器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同步积分器同步积分器同步积分器6.输入信号入信号为调幅方波幅方波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经过被滤除物理过程：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
13、波，输出：方波同步积分器同步积分器两者同相同步积分器同步积分器两者有相位差同步积分器同步积分器输入信号为参考信号偶次谐波同步积分器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，抑制噪声才干越强两两级串串联，抑制噪声才干如何？，抑制噪声才干如何？二二同步积分器串联同步积分器串联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3dB/倍频程6dB
14、/倍频程两两级同步同步积分器串分器串联运用，比一运用，比一级积分器具有更分器具有更强的噪声抑制才干的噪声抑制才干同步积分器串联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同步积分器等效噪声带宽同步积分器等效噪声带宽等效噪声带宽：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同步积分器电路举例同步积分器电路举例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文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
15、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，积分时间常数普通取较大低通，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输出信号振幅正比于出信号振幅正比于输入信号的振幅以及信号与开关入信号的振幅以及信号与开关信号之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稳态解：解：旋转电容滤波器旋转电容滤波器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梳
16、状梳状滤波器波器允允许基涉及奇次基涉及奇次谐波波经过，抑制偶，抑制偶次次谐波。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添加添加时间常数常数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才干高抑制噪声的才干旋转电容滤波器旋转电容滤波器旋转电容滤波器旋转电容滤波器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苏州大学物文科学与技
17、术学院微弱信号检测94数字化数字化滤波器波器看看书，做整理，做整理苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测95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、积分平滑调理时间常数固定增益低噪声前置放大器相位0到360度延续可调相关相关器器为中心：中心：苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测96相关器相关器为中心的中心的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求滤波特性需求平坦特性2fi+1MHz1MHzfr+2MHzfr苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测97同步同步积分
18、器分器为中心的中心的LIAfr两路正交输入：正弦波输入：正弦波或方波或方波输出：同频方波输出：同频方波苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测98两两级联用的用的LIA同步同步积分器分器+相关器相关器等效等效电路：路：苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测99两两级联用的用的LIA两次抑制苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测100两两级联用的用的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文科学与技术学院微弱信号检测101两两级联用的用的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文科学与技术学院微弱信号检测102外差式
19、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敏输出频率不稳会呵斥输出不稳外差法实现自动频率跟踪苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测103外差式外差式LIA稳定的fi正弦相敏检波器输出0负输出正输出锁定形状VCO频率上升VCO频率下降锁相环：锁相环：苏州大学物文科学与技术学院双相双相LIA苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测105同步外差同步外差LIA苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测106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MDSMinimumDiscernableSignal过载电平OVLov
20、erload最小可检测信号=锁定放大器输出漂移/K总测试方法：信号反相系统最大输出指示的满刻度相关输入信号电平普通10V，或1V可从阐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：信号呼应输出不变：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贮藏苏州大学物文科学与技术学院临界界电平平动态范范围定定义极限目的过载首先出如今峰值出不用均方根、有效值来度量苏州大学物文科学与技术学院临界界电平平动态范范围定定义抑制才干在给定的灵敏度条件下，允许的最大不相关输入信号的峰值电平与输出满刻度所需的相关输入信号峰值电平之比苏州大学
21、物文科学与技术学院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关输入信号峰值电平与最小可检测的相关输入信号峰值电平之比苏州大学物文科学与技术学院临界界电平平动态范范围定定义输入入总动态范范围=动态贮藏藏+输出出动态范范围比值：普通用对数表示dB苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测111苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测112苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测113固定交流增益上升高稳定形状锁定放大器的定放大器的动态协调苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测114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升不易过载OVL上升动态贮藏添加
22、直流漂移变大MDS增高减小动态范围高贮藏形状苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测115锁定放大器的定放大器的动态协调苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测116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文科学与技术学院微弱信号检测117信号通道内插入信号通道内插入滤波器或同步波器或同步积分器，分器，可以可以扩展展动态范范围苏州大学物文科学与技术学院微弱信号检测118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、噪声相关器：交流相关器：交流输入、直流入、直流输出出锁定定放大器放大器锁定放大器运用定
23、放大器运用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前置放大器的任务参数选择最正确源电阻最正确任务频率锁定放大器：相关检测同频参考信号动态协调屏蔽、接地阻抗微小阻抗微小变化的丈量化的丈量交流交流电桥+锁放放运用运用举例：例：阻抗微小阻抗微小变化的丈量化的丈量交流交流电桥+锁放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阻抗微小变化的丈量变压器桥20世纪70年代之后Zx为被测阻抗，Zr为同类型的知参考阻抗，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调理相位检测结果优质低低损耗耗铁芯芯阻抗微小阻抗微小变化的
24、丈量化的丈量运放运放桥20世世纪80年代之后年代之后防止绕制变压器的费事防止绕制变压器的费事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丈量放大器噪声系数丈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总输出微分电导丈量微分电导丈量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：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：信号的信号的斩波波调制：制：典型的锁定放大器光谱丈量系统典型的锁定放大器光谱丈量系统信号的信号的斩波波调制：制：源补偿测试系统源补偿测试系统LIA调制检测法：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：双频双光束检测系统双频双光束检测系统LIA调制检测法：
