003微弱信号检测-第三章
微弱信号检测
微弱信号检测电路实验报告课程名称：微弱信号检测电路专业名称：电子与通信工程＿＿＿年级：＿＿＿＿＿＿＿学摘组成。
本系CD4066得噪声源，噪声幅度通过调节播放器的音量来进行控制。
图中A、B、C、D和E分别为五个测试端点。
Array图1 微弱信号检测装置示意（1）基本要求①噪声源输出V N的均方根电压值固定为1V?0.1V；加法器的输出V C =V S+V N，带宽大于1MHz；纯电阻分压网络的衰减系数不低于100。
②微弱信号检测电路的输入阻抗R i≥1 M?。
③当输入正弦波信号V S 的频率为1 kHz、幅度峰峰值在200mV ~ 2V范围内时，检测并显示正弦波信号的幅度值，要求误差不超过5%。
（2）发挥部分①②但滤波并重复N一、交流放大与噪声的施加微弱信号通常被大幅值的噪声信号淹没，本项目中模拟产生一个微弱信号，并将其与噪声叠加，图 1 采用了同相加法电路，芯片选用OPA227P。
噪声源采用虚拟仪器——Agilent 函数发生器产生。
设置将 Agilent 函数发生器的噪声峰峰值设为 4V，信号源设为 200mV，频率设为 1k Hz。
示波器测量加法器的输出，其输出信号如图2 所示。
图1同相加法电路图2信号与噪声叠加输出波形2.纯电阻衰减电路本项目是微弱信号的检测，所以需要将上述叠加有噪声的信号用纯电阻分压衰减，衰减后的输出信号，才是本项目要检测的微弱信号。
纯电阻衰减倍数为R26R2424R Au +==2/（200+2）=101，电路如图3所示。
图3纯电阻衰减电路3. INA128p 放大电路INA128 是低功耗高精度的通用仪表放大器。
用于纯电阻衰减后的第一级，微弱信号检测电路中，多级放大中的第一级放大倍数要高，而且必须为低噪声运放。
这样放大电路产生的噪声才低。
所示。
，高通1KHz 处放大1B 倍和10B 放大。
°的正图8-A 倍放大电路7. 乘法器相敏检测电路相敏检测器是锁定放大器的关键部件，完成被测信号与参考信号的相乘运算，即乘法器，实现频谱的迁移，相敏检测采用芯片选用CD4066，双向模拟开关。
微弱信号检测的基本理论和技术
微弱信号检测的基本理论和技术微弱信号检测的基本理论和技术微弱信号检测技术是采用电子学、信息论、计算机和物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点和相关性，检测被噪声淹没的微弱有用信号。
微弱信号检测的宗旨是研究如何从强噪声中提取有用信号，任务是研究微弱信号检测的理论、探索新方法和新技术，从而将其应用于各个学科领域当中。
在微弱信号检测中，总是伴随着噪声，噪声属于电路中的随机扰动，它可能来自电路中元器件中的电子热运动，或者是半导体器件中载流子的不规则运动。
噪声是限制信号检测系统性能的决定性因素，因此它是信号检测中的不利因素。
对于微弱信号检测来说，如能有效克服噪声，就可以提高信号检测的灵敏度。
电路中噪声是一种连续型随机变量，即它在某一时刻可能出现各种可能数值。
电路处于稳定状态时，噪声的方差和数学期望一般不再随时间变化，这时噪声电压称为广义平稳随机过程。
若噪声的概率分布密度不随时间变化，则称为狭义平稳随机过程(或严格平稳随机过程)。
显然，一个严格平稳随机过程一定为广义平稳随机过程，反之则不然。
1.滤波器被噪声污染的信号波形恢复称为滤波。
这是信号处理中经常采用的主要方法之一，具有十分重要的应用价值。
现在，在各种信号检测仪器中均离不开各种滤波器，它起到了排除干扰，分出信号的功能。
常用的滤波器是采用电感、电容等分立元件构成(例如，RC低通滤波器、LC谐振回路等)，它对于滤去某些干扰谱线(例如，电源50Mz滤波，收音机、电视机中干扰的滤波)，有较好的效果。
对于混在随机信号中的噪声滤波，这种简单的滤波器就不是最佳的滤波电路。
这是因为信号与噪声均可能具有连续的功率谱。
因此需要寻找一种使误差最小的最佳滤波方法，有称为最小最佳滤波准则。
维纳线性滤波理论就是一种在最小均方误差准则下的最佳线性滤波方法。
出于维纳滤波器电路实现上的困难，在维纳滤波基础上发展了一种基于状态空间方法的最佳线性递推滤波方法，称为卡尔曼滤波。
003微弱信号检测第三章
微弱信号检测
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同步积分器
对比相关器输出：
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同步积分器
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同步积分器
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
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
过载首先出现在峰值出——不用均 方根、有效值来度量
临界电平动态范围定义
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
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相关器
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相关器
相关器奇次谐波输出频率响应
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相关器
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相关器
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相关器
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相关器
5.输入信号为与参考信号同频的方波
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相敏检波
负半周
正半周
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锁定放大器
锁定放大器 相关器
噪声带宽极窄 信噪改善比很高
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
参考通道
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微弱信号检测和控制要点
保密类别 编 号 20091080604020武汉大学珞珈学院毕 业 论 文基于单片机的微弱信号的检测和控制装置系 别 电子信息科学系专 业 通信工程年 级 2009级通信一班学 号 20091080604020姓 名 毛伟 指导教师方洁武汉大学珞珈学院2013年 05月 01日此处不用填写 此处填学号论文题目不用加括号，二号黑体，字数不超过20个字，可分为两行 内容居中； 1】系别一栏填写所在系的全称， 2】专业一栏填写所学专业 2】年级一栏写“年级+班级”，如：2006级物流一班 不要加页眉 一号宋体加粗 页边距2.3cm页边距3.0cm 页边距2.3cm摘 要本系统为一套微弱信号检测装置，用以检测在强噪声背景下已知频率的微弱正弦波信号的幅度值，并数字显示出该幅度值。
正弦波信号源可以由函数信号发生器来代替。
噪声源采用给定的标准噪声（wav 文件）来产生，通过PC 机的音频播放器或MP3播放噪声文件，从音频输出端口获得噪声源，噪声幅度通过调节播放器的音量来进行控制。
当输入正弦波信号VS 的频率为1 kHz 、幅度峰峰值在200mV ~ 2V 范围内时，要求误差不超过5%。
采用以TI 公司超低功耗单片机MSP430G2553为核心的Launchpad 开发板来处理数据和驱动1602液晶屏显示正弦波信号的幅度值。
关键词：噪声弱信号检测MSP430G2553.小二号黑体居中，单倍行距 顶格 空格隔开中英文摘要用罗马数字编页码，页码居中小四号黑体页边距2.6cm之间空两格Weak signal detection based on single-chipmicrocomputer and control devicesABSTRACTWeak Signal Detection system is used to test the magnitude of a Sine with known frequency,in the context of heavy noise,and display the magnitude with SMC1602. The noise is produced by the .wav file,and SDG1025 provide the Sine wave.Changing the volume can control the magnitude of the noise.The error should be under 5% when the Vpp ranging from 200mV to 2V with the frequency of 1KHz. The system is based on the Launchpad,with the core of ultra-low power MSP430G2553(MCU).Then deal with the data and display the magnitude with SMC1602. Keywords: noise Weak Signal Detection system MSP430G2553.英文小二号加粗 字体为Times New Roman16号加粗Times New Roman ，单倍行距 14号，行距1.25Times New Roman 14号，行距1.25Times New Roman空格隔开顶格目录第1章绪论1.1单片机的定义……………………………………………………………………1.2单片机的发展概况………………………………………………………………1.3单片机的应用……………………………………………………………………第2章方案设计与论证2.1 输入电路………………………………………………………………2.2 程控增益………………………………………………………………2.3 信号变换电路…………………………………………………………第3章系统设计及参数计算3.1 集成运算放大器放大信号………………………………………………3.2 差模放大的电压放大倍数计算…………………………………………3.3 差模放大倍数计算………………………………………………………第4章硬件设计4.1 前级衰减电路及变换电路………………………………………………4.2 程控增益电路……………………………………………………………4.3 衰减网络…………………………………………………………………4.4 总体电路…………………………………………………………………第5章程序设计5.1 程序流程图………………………………………………………………第6章测试方案与测试结果6.1 测试仪器及条件…………………………………………………………6.2 测试数据及分析…………………………………………………………结论……………………………………………………………………………………………参考文献…………………………………………………………………………………………附录…………………………………………………………………………………………………后记…………………………………………………………………………………………………(结论、参考文献、致谢及附录黑体4号)第1章绪论（章标题段前为0.8行、段后为0.5行）1.1 单片机的定义单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。
微弱信号检测全解
常规检测方法
微弱信号检测 吉时利公司
103
0.1 10-3
0.1
10-5 10-8
10-4
5×10-7 10-6
0.1
10-5
10-5
10-8
10
105
1.2 常见噪声类型
1.2.1 噪声特性
噪声是存在于电路内部的固有的扰动信号， 是一种随机信号，不能预知其精确大小。
1.2.2 噪声测量 测量噪声电压时，测量设备的动态范围必须 大于3倍的被测噪声的有效值。
1.1.6 检测分辨率与检测灵敏度 检测分辨率检测仪器示值可以响应与分辨的 最小输入量的变化值。 检测灵敏度是输出变化量与 引起该变化量的输入变化量的比值。通常灵敏度越高， 分辨率越好。 提高放大倍数可以提高灵敏度，不一 定能提高分辨率，受噪声和误差制约。
检测量 检测方法 电压 /nV 电流 /nA 温度/K 电容 /pF 微量分析 /克分子 SNIR
可用时间平均来计算。
1 x lim T 2T
T
T
x (t )dt
对电压或电流型随机噪声，均值表示其直流分量。
（2）方差 方差反映随机噪声的起伏程度，是随机噪声
瞬时取值与其均值之差的 ] [ x(t ) x ] p( x)dx
微弱信号检测
1
微弱信号检测 与随机噪声
1.1 微弱信号检测概述
1.1.1 微系统
（1）MEMS（ Micro- electro Mechanical 微机电系统 美国 （2）Micro system （3）Micro machine 微系统的发展和应用 监视系统、电子对抗系统、电子战无人机（UAV）、 纳米机器人、隐形技术、武器惯性测量、武器保险/解 保和引爆、平台稳定、个人/运载工具导航、条件基维 护（CBM）、环境感知、大量数据存储、显示等。 微系统 微机器 欧洲 日本 Systems ）
微弱信号检测
7.最大共模输入电压Vicmax
在保证运放正常工作条件下，共模输入 电压的允许范围。共模电压超过此值时， 输入差分对管出现饱和，放大器失去共 模抑制能力。
无反馈时的差模电压增益。 一般Aud在100～120dB左右，高增益运放可达140dB以上。
• 公式的物理含义？这里的信噪比不是电压比，而 是功率比。 • F=1 f>1 ?
2）可检测的最小信号
• 对于微弱信号检测系统，必须输出信噪比SNRo达到 一定的指标，否则无法从噪声中提取有用信号。
Pno Psi F ( Pso / Psi ) Pni SNRo Pni
Psi F SNRO Pni
微弱信号检测
2012年7月16日
低噪声前置放大器设计、滤波器设计
1. 2. 3. 4. 5. 运算放大器的相关知识 低噪声前置放大器的定义 低噪声前置放大器设计 滤波器设计原则 模拟滤波器设计
1 运算放大器相关知识
• 从自然现象中获得的电信号基本上都是模拟信号。 如果没有能放大微弱信号的物理元器件，也就没 有当今的电子技术： • 1906年，发明了三级真空管，使得微弱信号的放 大变成了现实； • 1948年，发明了晶体管，使得在放大功能中唱主 角的真空管被晶体管取代，这种影响一直延续至 今； • 没有电路设计之类的专业知识，也能实现“放大 功能”的是OP放大器。
转换速率（压摆率SR） 所谓转换速率是指输入阶跃信号时，输出电压随 时间变化的最大速率：
duo SR dt
max
一般单位为V/μs，即大振幅脉冲响应。这 个值并非越大越好，冲击电流越大，电磁 辐射越大。 du
《微弱信号检测》实验教学大纲
《微弱信号检测》实验教学大纲实验类别：课内实验实验课程名称：微弱信号检测实验室名称：微纳器件与测试实验室实验课程编号：06060409实验学时：8适用专业：微电子学、电子科学与技术先修课程：模拟电子技术、数字电子技术一、实验在教学培养计划中的地位、作用本实验课程是微弱信号检测的补充，可以使学生在学习掌握微弱信号检测基础上，通过本课程的学习，使学生对微弱信号的特点有一定的了解和认识，学习微机电器件信号拾取原理，掌握微弱信号的提取方法及其技术。
在此基础上，掌握微弱信号检测方法与检测电路的设计方法，提高学生的实际动手能力和设计能力。
二、实验的内容、基本要求实验一利用C F变换原理的微电容检测（2学时）内容：1、测量微电容的容值。
2、熟悉微小差分电容的检测电路、示波器、电源、万用表。
3、利用微小差分电容的检测电路测试微电容的容值。
基本要求：1、学会微电容检测方法2、掌握微电容的测试与检测方法实验二压阻式力学传感器微弱信号检测（2学时）内容：1、惠斯通电桥放大电路连接，调平电桥。
2、利用振动台激励压阻式加速度传感器，同时测试其输出信号。
基本要求：1、掌握电桥工作原理及应用2、学习压阻式力学传感器检测电路实验三压电式加速度传感器检测电路（2学时）内容：1、电荷放大电路连接。
2、利用振动台激励压电式加速度传感器，同时测试其输出信号。
基本要求：1、掌握电荷放大器的工作原理2、学习压电式加速度传感器的检测电路实验四 A-V转换的隧道式检测电路（2学时）内容：1、A-V转换电路电路连接。
2、利用高精度万用表测试隧道式式加速度传感器输出电流。
基本要求：1、理解A-V转换的隧道式工作过程2、学习A-V转换的隧道式工作电路三、学时分配四．学生成绩评定方法预习报告：占总成绩20％操作成绩：占总成绩50％报告成绩：占总成绩10％考试成绩：占总成绩20％。
微弱信号检测技术的原理及应用(含卡尔曼滤波与维纳滤波)
微弱信号检测技术的原理及应用2018年1月一、微弱信号检测的基本原理、方法及技术在自然现象和规律的科学研究和工程实践中，经常会遇到需要检测诸如地震的波形和波速、材料分析时测定荧光光强、卫星信号的接收、红外探测以及生物电信号测量等。
这些测量量被强背景噪声或检测电路的噪声所淹没，无法用传统的测量方法检测出来。
微弱信号，为了检测被背景噪声淹没的微弱信号，人们进行了长期的研究工作，分析背景噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点、相关性以及噪声的统计特性，以寻找出从背景噪声中检测出目标信号的方法。
微弱信号检测技术的首要任务是提高信噪比，这就需要采用电子学、信息论和物理学的方法，以便从强噪声中检测出有用的微弱信号。
微弱信号检测技术不同于一般的检测技术，主要是考虑如何抑制噪声和提高信嗓比，因此可以说，微弱信号检测是一门专门抑制噪声的技术。
抑制噪声的现代信号处理手段的理论基础是概率论、数理统计和非线性科学。
1、经典检测与估计理论时期这一时期检测理论主要是建立在统计学家工作的基础上的。
美国科学家WienerN .将随机过程和数理统计的观点引入到通信和控制系统中，提出了信息传输和处理过程的统计本质，建立了最佳线性滤波理论，即维纳滤波理论。
NorthD.O.于1943年提出以输出最大信噪比为准则的匹配滤波器理论；1946年卡切尼科夫(BA.K)提出了错误判决概率为最小的理想接收机理论，证明了理想接收机应在其输出端重现出后验概率为最大的信号，即是将最大后验概率准则作为一个最佳准则。
1950年在仙农信息理论的基础上，WoodwardP.M.把信息量的概念用于雷达信号的检测中，提出了理想接收机应能从接收到的信号加噪声的混合波形中提取尽可能多的有用信息。
但要知道后验概率分布。
所以，理想接收机应该是一个计算后验概率分布的装里。
1953年以后，人们直接利用统计推断中的判决和统计理论来研究雷达信号检测和参盘估计。
密德尔顿(Middleton D)等用贝叶斯准则(最小风险准则)来处理最佳接收问题，并使各种最佳准则统一于风险理论。
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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
稳态输出
瞬态输出
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
两个积分器
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同步积分器
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同步积分器
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同步积分器
对比相关器输出：
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同步积分器
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同步积分器
同步积分器
第一节的积分电阻 与积分电容
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
基波频率的输出方波电压幅度：
同步积分器串联
6dB/倍频程
3dB/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
同步积分器等效噪声带宽
同步积分器等效噪声带宽
等效噪声带宽：
正半周
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锁定放大器 噪声带宽极窄 锁定放大器 放大倍数很高 交流输入，直流输出 相关器 信号通道 参考通道 信噪改善比很高
被测信号与参考信号严格同步
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22
锁定放大器 方波 正弦 动态范围大 漂移小 时间常数可调 相关器 互相关 运算电路 需要的 特性 大幅度压缩等 效噪声带宽 开关乘法器 运算放大器构成的 近似积分器
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35
相关器
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36
相关器
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微弱信号检测
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相关器
相关器奇次谐波输出频率响应
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相关器
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微弱信号检测
39
相关器
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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
频率不稳会造成输出不稳
外差法——实现自动频率跟踪
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102
外差式LIA
输出0 锁定状态 VCO频率上升 VCO频率下降
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96
同步积分器为核心的LIA
fr 苏州大学物理科学与技术学院 两路正交
输入：正弦波 或方波 输出：同频方波
微弱信号检测 97
两级联用的LIA 同步积分器+相关器
等效电路：
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两级联用的LIA
两次抑制
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• 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
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相敏检波
相敏检波器
PSD
乘法器
两信号同相 输入两同 频信号 两信号反相 相差90°或270°
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输出最大
输出负最大 输出为0
15
相敏检波
两正弦波输入：
差频项
相乘：
两信号同频： 直流输出
正比于相位差的余弦值——相敏
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和频项，用低通滤 波器滤除
16
相敏检波
信号中有噪声： 与参考信号的相差 信号频率
噪声频率
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相敏检波
通过相敏检波器后输出： 直流
加低通滤波器
只有体现相差 的直流输出
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相敏检波
方波做参考信号：
参考信号：1V方波 ——傅氏级数展开：
方波的基波频率
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相敏检波
输出：
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
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相敏检波
负半周
第三章 周期性微弱信号检测方法
相关器 同步积分器 旋转电容滤波器
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1
信号
F>1 引入噪声
干扰
能量信号/功率信号
能量有 限信号：
一般的非 周期信号
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
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3
能量信号/功率信号 归一化能量积 分为无穷大 平均功率 周期信号，阶跃 函数，随机信号 定义：信号电压（电流）加到一欧姆 电阻上所消耗的功率
微弱信号检测
10
相关检测
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11
相关检测
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12
相关检测
互相关 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 相关 本地信号
输入信号
提高电路抗干扰性能
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13
相关检测
同相放大器
高通： 简单RC 网络
单端输入、 差动输出
调节时间常数
相位0到360 度连续可调
混频器差动 输出相加， 积分、滤波
微弱信号检测
直流放大、积分平滑
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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 2fi+1MHz 1MHz 需要平坦特性 fr+2MHz fr
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
正比于
被测信号和参考信号之间的相位 差的余弦
0 负值最大 输出幅度 最大
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相位差
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相关器
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32测
33
相关器
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34
相关器
相关器能抑制偶次谐波
实函数
功率有限 信号：
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相关函数
能量有限信号，互相关函数定义：
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5
相关函数
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6
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
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相关函数
相关函数的性质：
实函数的情况：
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8
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
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自相关检测
互相关检测
相关检测
自相关检测
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旋转电容滤波器
相关器
同步积分器
旋转电容 滤波器
等效电路
同频 输入信 号与参 考信号 关系 偶次谐波 奇次谐波 偏离奇次 谐波一个 小量
等效噪声带宽 两级级联
—— ——
数字化滤波器——看书，做整理
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94
几种典型的锁定放大器简介
相关 器为 核心：
固定增益低噪 声前置放大器
微弱信号检测
直流：斩波为交流方波
线性好
增益稳定
频率范围宽 线性好
乘法器
积分器
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动态范围大 电路简单
23
锁定放大器 相关器之前
输入 变压器
低噪声前 置放大器
不同传 感器
最佳源电阻 /噪声匹配
信号 通道
组 成 低噪声
有源 滤波器 主放大器 增益开关
放大倍数、共模抑制、 动态范围等
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45
相关器的积分常数选择
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
积分时 间上限
载波频率需远大于缓慢变化信号的最高频率
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相关器电路举例
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相关器的等效噪声带宽
基波：
奇次谐波附近：
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43
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
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