微弱光信号检测电路的设计
微弱信号相关检测
微弱信号相关检测前言随着现代科学研究和技术的发展，人们越来越需要从强噪声中检测出有用的微弱信号，于是逐渐形成了微弱信号检测这门新兴的科学技术学科，其应用范围遍及光学、电学、磁学、声学、力学、医学、材料等领域。
微弱信号检测技术是利用电子学、信息论、计算机及物理学的方法，分析噪声产生的原电子学、信息论、计算机及物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点与相关性，检测被噪声淹没的微弱有用信号，或用一些新技术和新方法来提高检测系统输出信号的信噪比，从而提取有用信号。
微弱信号检测所针对的检测对象，是用常规和传统方法不能检测到的微弱量。
对它的研究是发展高新技术，探索及发现新的自然规则的重要手段，对推动相关领域的发展具有重要的应用价值。
目前，微弱信号检测的原理、方法和设备已经成为很多领域中进行现代科学技术研究不可缺少的手段。
显然，对微弱信号检测理论的研究，探索新的微弱信号检测方法，研制新的微弱信号检测设备是目前检测技术领域的一大热点。
1.概述微弱信号是测量技术中的一个综合性技术分支，它利用电子学，信息论和物理论的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特征和相关性，检测并恢复被背景噪声所掩盖的微弱信号，微弱信号的检测重点是如何从强噪声中提取有用信号，探测运用新技术和新方法来提高检测系统中的信噪比。
在检测淹没在背景噪声中的微弱信号时，必须对信号进行放大，然而由于微弱信号本身的涨落，背景和放大器噪声的影响，测量灵敏度会受到限制。
因此，微弱信号的检测有以下三个特点：（1）需要噪声系数尽量小的前置放大器，并根据源阻抗与工作频率设计最佳匹配（2）需要研制适合微弱信号检测原理并能满足特殊需要的器件（3）利用电子论和信息学的方法，研究噪声的成因和规律，分析信号的特点和想干关系。
微弱信号检测目前在检测理论方面重点研究的内容有：(1)噪声理论和模型及噪声的克服途径；(2)应用功率谱方法解决单次信号的捕获；(3)少量积累平均，极大改善信噪比的方法；(4) 快速瞬变的处理；(5)对低占空比信号的再现；(6)测量时间的减少及随机信号的平均；(7)改善传感器的噪声特性；(8)模拟锁相量化与数字平均技术结合。
一种微弱光信号相关检测方法的硬件实现
光 纤 通 信 技 术 是 信 息 领 域 十 分 引 入 瞩 目的 课 题 ， 微 弱 信 号 检 测 是 光 通 信 领 域 中 不 可 缺 少 的 环 节 。 弱 光 信 微
号 检 测 是 利 用 光 电信 息 技 术 、 子 学 、 理 学 、 息 论 、 电 必 需 的 信 号 相 关 处 理 。 实 验 结 果 表 明 ， 完 全 由 硬 件 实现 的 测 量 系 统 可 以 近 于 实 时 地
完成 微 弱 光 信 号 的测 量 。
关 键 词 ：微 弱 光 信 号 ；伪 随 机 序 列 ；相 关 ；Ｆ Ｇ ＰＡ
中 图 分 类 号 ：Ｔ ２ ７ Ｎ ４ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ ７ — ７ ０ ２ １ ） ２ ０ ３ — ４ ６ ４ ７ ２ （０ ０ １ — ０ ０ ０
ｓ ｓｅ ｃ ｎ ｂ ｏ ｌｔ ｄ ｎ ａ － ｅ ｌ ｔ ａ ｕ ｅ ｎ ｆ ｗｅ ｋ ｏ ｔ ａ ｉ ｎ ｌ ． ｙ ｔｍ ａ ｅ ｃ ｍｐ ｅ ｅ ｅ ｒ ｒ ａ — ｉ ｍｅ ｍｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔ ｏ ａ ｐ ｉ ｌ ｓｇ ａ ｓ ｃ Ｋｅ ｒ ｓ：ｗ ａ ｐ ｉ ａ ｉｎ ｌ ｓ ｕ ｏ ｒ ｎ ｏ ｓ ｑ ｅ ｃ ；ｃ ｒｅａ ｉｎ；Ｆ ＧＡ ｙ ｗｏ ｄ ｅ ｋ ｏ ｔ ｌ ｇ ａ ；ｐ ｅ ｄ — ａ ｄ ｍ ｅ ｕ ｎ ｅ ｏ ｌｔ ｃ ｓ ｏ Ｐ
Ａ ａ ｐ ｉ ａ ｉｎ ｌ ｄ ｔ ｃ ｉ ｎ ｍｅ ｈ ｄ ｒ ｌ ｔ ｄ ｔ ａ ｄ ｒ ｍｐ ｅ ｎ ａｉ ｎ ｗｅ ｋ ｏ ｔｃ ｌ ｓｇ ａ ｅ ｅ ｔｏ ｔ ｏ ｅ ａ ｅ ｏ ｈ ｒ ｗａ ｅ ｉ ｌ ｔ ｔ ｍｅ ｏ
Ｌ ｉｇ Ｘｉ Ｉ Ｂ ｎ ｎ，Ｚ ｉＪａ Ｕ Ｈａ ｉｏ
微 弱 光信 号检 测 的硬 件 电路 主要 由三 部分 组 成： 信
微弱信号检测
5、离散量的计数统计（适合符合统计的离散信号）
随被检测信号中，有时是随机的或按概率 分布的离散信息。例：光子 需要分辨离散信号，减小噪声。
在弱光检测中主要的噪声源是大量的二次电子发 射、热激发和放大器噪声，它们都有很高的计数 概率，所以要求光电器件对二次电子发射等的输 出脉冲幅度要低，对要求检测的光子脉冲幅度尽 可能的要趋于一致，对宇宙射线要尽量屏蔽防止 进入。
依据功率谱对噪声的分类
白噪声： 如果噪声在很宽的频率范围内具有恒定功 率谱密度，这种噪声称白噪声 (注意：功率谱不包 括相位信息)。 有色噪声：反之，若噪声功率谱密度不是常数则称 为有色噪声 谱密度随频率的减小而上升，称为红噪声 谱密度随频率的升高而增加，则称为蓝噪声 这些都是以光的颜色与频率的关系来比拟的。
微弱信号检测技术进步的标志是仪器检测 灵敏度的提高。更确切地说，应是信噪比 (SNlR)改善。 它的定义为 ，是输出信噪比 与输入信噪比之比。SNIR越大，表示处理 噪声的能力越强，检测的水平越高。
一方面，如果分辨率要求高，或光谱扫描速度要求快，则 信噪比必然降低。 另—方面，如果利用微弱信号检测技术将传感器降温到液 He温度(4.2K)，而使S/N提高20倍。这时，若要求测量的S ／N不变，却可使光谱扫描速度提高400倍，或分辨率提 高3.3倍。 因此，应尽力降低传感器的噪声。
2 i11 2KTg f 11
(3)闪烁噪声（1/f噪声）：由于材料生产过程中的 非均匀性造成的晶体缺陷，引起载流子迁移过程 中局部的不规则行为产生的噪声。其频率近似与 fn(n=0.9～1.35)，通常取为1。 其形式与频率有关，属于红噪声。 对于有源器件，此种噪声是最重要的。
三、信噪比的改善
PMT不是理想的光电转换传感器，它不仅接受光信息， 其输出还因杂散光、漏电流和暗电流的存在而使总电流增 加，真正的信号电流却被淹没在其中。
关于光电检测电路的设计与研究
关于光电检测电路的设计与研究光电检测电路是一种使用光电传感器来检测光信号并将其转换为电信号的电路。
它在许多领域都有着广泛的应用，包括光电开关、光电编码器、光电传感器等。
在本文中，我们将对光电检测电路的设计与研究进行探讨，并介绍一种基于光电传感器的光电检测电路设计方案。
1. 光电检测电路的基本原理光电检测电路的基本原理是利用光电传感器对光信号进行检测，并将其转换成电信号。
光电传感器通常由光源、光敏元件和信号处理电路组成。
当光信号照射到光敏元件上时，光敏元件会产生对应的电信号，然后通过信号处理电路进行放大、滤波和处理，最终输出符合要求的电信号。
（1）选择合适的光电传感器在设计光电检测电路时，首先需要选择合适的光电传感器。
根据具体的应用需求，可以选择光电开关、光电编码器或者其他类型的光电传感器。
在选择光电传感器时，需要考虑光敏元件的灵敏度、波长响应范围、工作距离、输出类型等参数，以确保选用的光电传感器能够满足设计要求。
（2）设计光源电路对于一些需要主动照射光线的光电传感器，还需要设计光源电路。
光源电路可以选择LED、激光二极管等作为光源，通过适当的驱动电路将其与光电传感器相连，为光敏元件提供足够的光源使其能够正常工作。
（3）设计信号处理电路信号处理电路是光电检测电路中的关键部分，它能够对光敏元件产生的微弱信号进行放大、滤波和处理，最终输出符合要求的电信号。
在设计信号处理电路时，需要考虑信噪比、动态范围、带宽、响应时间等因素，以确保信号处理电路能够有效地提取出光敏元件中的信号并进行合适的处理。
3. 基于光电传感器的光电检测电路设计方案基于光电传感器的光电检测电路设计方案通常可以分为三个部分：光源驱动电路、光敏元件接收电路和信号处理电路。
下面将对这三个部分进行详细的设计说明。
光源驱动电路通常采用LED作为光源，通过一个适当的驱动电路来控制LED的亮度。
常用的LED驱动电路有恒流驱动电路和脉宽调制驱动电路。
纳伏级微弱信号放大电路的设计
纳伏级微弱信号放大电路的设计摘要：从当前我国通信行业发展情况来看，其为工程测量工作开展奠定了坚实基础，纳伏级微弱信号放大电路的设计可以实现对信号有效调理，并且降低噪声，其主要运用了多级放大电路的组态形式，并且利用仿真软件对系统噪声进行了分析，使得信噪比得到改善。
基于此，本文也尝试对纳伏级微弱信号放大电路设计进行了深入探讨。
关键词：纳伏级微弱信号；放大电路；设计随着我国科技水平的不断提升，对于微弱信号检测技术的研究不断深入，弱光检测技术、微振动检测技术以及低电平电压检测技术等等进入到人们视野。
由于被检测目标信号极其微弱，如果运用普通的电子器件对其进行检测操作，往往存在较为严重的误差，这也使得最终的检测结果浮动范围不符合要求，这时候则需要运用微弱信号检测技术，其主要是通过放大器来保证其输入阻抗得以提升，而输出阻抗则尽可能降低。
目前来看，在开展弱信号检测工作时，不仅对检测器件有很高的要求，同时也对待测信号的动态范围以及响应速度有严格要求，只有保证其各方面要求符合标准，才能使最终检测结果准确性得到保证。
1.关于微弱信号及其检测的基本简介对于微弱信号检测来说，其在实际开展过程中，主要是利用电子学以及物理学等方法来尽可能恢复被噪声所掩盖的微弱信号，从而达到提取信号以及运用信号的目的。
从当前我国微弱信号检测技术发展情况来看，其主要是从提高检测系统输出信号的信噪比入手，从而实现对现有微弱信号的放大。
通常情况下，在开展微弱信号检测工作时，前置放大器是噪声引入的主要部件之一，因此在进行微弱信号检测设计时，首先应该注意保证第1级的噪声系数足够小，这样才能使最终检测准确性得到保证。
在对整个检测电路的噪声系数进行控制时，应该以前置放大器的噪声系数为基础，由此可以看出，系统前置放大器的选择以及相关电路设计非常重要，直接关系到后续各项检测工作的开展。
当前，微弱信号检测电路的基本结构为：微弱电压信号——电压放大电路——带通滤波电路——A/D转换电路。
一种简单微弱信号检测系统的设计
微弱信号检 测 ， 用 以检测在强噪声 背景下 固 频微弱 正弦波信号 ， 在很多 的电子设 备的检测系 统 中都会 被采用 ， 微弱信号检测 系统的主要功能 是 把系统所 产生 的混叠 在一起 的低 频正 弦波 和 个低 频的音频信号 （ 音频信号 频段包含正 弦波 频率 ） 中的正弦波检测 出来 。
一
作者简介 ： ￣Ｎ ｚ （ １ ９ ８ １ 一 ） ， 辽宁锦 州人 ， 讲师， 沈 阳理工大学应 用技术 学院， 信息与控制学院 ， 电子信 息工程 专业。主要研 究方 向： 自 动
识别技术 ， 高频 通信 。
－ ■ － Ｊ 一 …
一
一
图 １总体设计 方案
Ⅵ
— １ ＋
波器 、 正 弦波振荡器和移相器 。其 中， 加法器为输 人 信号分别 为 １ Ｋ Ｈ ｚ 的正 弦波 信号和 噪声信 号 ， 通 过主要 由 Ｔ Ｌ ０ ８ ４ Ａ Ｃ Ｄ构成 的加 法器 电路 后得 到一个 与正弦波 同频 同相 、 幅度一致的带毛刺 的 正 弦波 （ ｖ ｃ＝ Ｖ Ｓ ＋ Ｖ Ｎ） 。 带通滤波器是一个允许特 定频段 的波 ， 通过 同时滤除带外 噪声的 电路 。在 本 电路 图 中 ，保 留在 １ Ｋ Ｈ ｚ频 率 左 右 的信 号 （ ５ ０ ０ Ｈ ｚ～２ ｋ Ｈ ｚ ） 。移相器 电路 ： 如果一个频率为 ∞的正 弦信号通过系统后 ， 它 的相位 落后 Ｄ， 则该 信 号 被 延 迟 了 Ｄ ／ 的 时 间 。 所 以 我 们 利 用 Ｌ Ｆ ３ ５ ３ Ｐ芯 片 ， 对相位 进行调整 。 低通滤波器 ： 从相 敏检 波器得 到 的交 流信 号经过 低通 滤波 器后将 被 滤除掉 （ 大于 ４ ０ Ｈ ｚ的频率被 滤除 ） ， 得 到平稳 的直流 电压信号（ 幅值等于输入正弦波的 ｖ 的幅
第十一章-微弱信号检测技术
锁相放大器的工作过程
I 随时间缓变的信号
经过调制
λ(t)
I
信号恢复
输出信号 （与信号幅度成 λ(t) 正比，与相对相 位有关）
ωm
送入锁相放大器
信号输入
Lock-in
参考信号
ωm
互相关函数
两个具有确定频率和相位的周期性信号，它们的相关特
性可以用互相关函数来表达：
lim R12 ( ) T
1 2T
模拟锁相放大器
数字锁相放大器
锁相放大器
2. 锁定放大器抑制噪声的基本出发点
( 1 )用调制器将直流或慢变信号的频谱迁移到调制频率处,再进行放 大, 以避开1/f 噪声的不利影响； ( 2 )利用相关器实现对调制信号的解调，同时检测频率和相位，噪声
与信号同频又同相的概率很小； （3）利用低通滤波器来抑制噪声，低通滤波器的频带可以做的较窄，
1.锁相放大器概述
自从1962年，美国EG&G PARC公司制作了第一台锁相放大器(LIA)的 后，微弱信号检测技术得到了突破性的发展。后来又出现了模拟锁相放 大器(ALIA) 和数字锁相放大器(DLIA) 。对于数字锁相放大器而言，又 出现基于单片机的DLIA 和基于专用DSP的DLIA 。还有基于PC的系统级 模块化DLIA ，这种锁相的算法是采用C，C++等语言实现的。由于整个 系统运行在PC平台上，所以可以使用各种仿真软件对算法进行研究。
通常把由于材料或器件的物理原因产生的扰动称为噪 声。
把来自外部的原因的扰动称为干扰，有一定的规律性， 可以减少或消除。
锁相放大器要解决的就是如何在很强的外部干扰环境 中检测弱信号。
通常干扰是可以减少或消除的外部扰动，而由于材料 或器件的物理原因产生的噪声则很难消除。
微弱光电信号检测系统
的结 构 如 图 １所 示 。 用锁 相 放 大器 一 方 面可 以进 使
己１ √ 』 古 口
行 相关 检 测 ， 除 噪声 影 响 ； 一 方 面 可 以 利用 其 消 另
输 出信号 的极 性 和 大小 提 供 偏 振 器 偏 离 极 小 值 的 微 弱交 流 光 电信 号 的检 测 ＿ ， 现代 工 业 生产 １在 ］ 过 程 和科 学 技术 研 究 中应 用很 广 。 在非 接触 和 无损 的光 学测 量 技术 中 ， 通过 测 量反 射 或透 射偏 振光 它 相 对 于 入 射 光偏 振 状 态 的改 变 来 准 确 计算 待 测样
大 于 ０ ０ ０４度 的 结 果 。 ． ０ 关 键 词 微 弱 光 电 信 号 检 测 锁 相 放 大
中 图分类 号 ： ＴＮ９ １ ２ １． ３
文献 标 识码 ： Ａ
文 章 编号 ：１ ０ —８ Ｘ（ ０ ２ ０ —０ ７０ ０ ５４ ８ ２ ０ ） ２０ ８ —３
Ｓｌ ｔＰｈ ｔ — ｅ ｔｉ ｇｎ ｉ ｏ ｏ ｅｌ ｃ ｒｃ Ｓｉ ａｌＴｅｓ ｓ ｅｍ ｇｈ ｔＳｙ ｔ
计
算
统
量 ， 求 检 测 装 置 不 但 具 有 较 高 的 测量 分 辨 率 ， 要 更
要 具 有较 高 的 测量 复现 性 ， 除各 种不 同类 型 噪声 排
极 管
放＿ 『 放 一 ＿ 大 大
器
换 电
机 系
的干扰 ， 以保 证 高精 确 测量 的 可靠性 。因此 必 须考
Ｚ ａ ｇＪａ ｈｕ ｈ ｎ ｉｎ ａ
（ ｐ ｒｍｅ ｔｏ Ｅｎ ｉｅ ｒｎ ｃ ａ ｉｓ ｈ ｎ ｚ ｏ ｉｅｓｔ Ｄｅ ａ ｔ ｎ ｆ ｇ ｎ ｅｉ ｇ Ｍｅｈ ｎｃ ，Ｚ ｅ ｇ ｈ ｕ Ｕｎｖ ｒｉ ｙ，Ｚｈ ｎ ｚ ｏ ｅ ｇ ｈ ｕ，４ ０ ０ ） ５ ０ ２
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Electronic Component &
Device Applications
0引言
光电检测技术是光学与电子学相结合而产生
的一门新兴检测技术。
它主要利用电子技术来对光学信号进行检测，并进一步传递、储存、控制、计算和显示。
其原理是通过光电探测器件将光学信息量变换成电信号，并进一步经过电路放大、处理，以达到电信号输出的目的。
微弱光信号的检测在许多领域都有应用，检测方法多种多样，但常用的方法由于灵敏度有限，难以满足要求，本文应用光电检测技术来检测微弱光信号。
该方法利用高性能运放来设计检测电路，因而具有精度高、稳定性好等优点。
1电路基本原理
用光电二极管组成的光电检测电路，实际上
是一个光→电流→电压的变换器。
首先由光电二极管将接收的光信号变成与之成比例的微弱电流信号，再通过运放和反馈电阻组成的放大器变换成电压信号。
其基本电路如图1所示。
假定运放为理想的运放，其输入电阻和放大倍数都为无穷大，则输出电压为U 0=I P R 。
理论上，系统的输出电压U 0的值与输入电流I P 成线性关系，灵敏度由反馈电阻R 确定。
而实际应用中，由于要受到运放失调电压V od 与偏置电流I b 的影响，其输出电压总要产生误差。
误差电压一般为：
U e =V od (1+R /R d )+I b R
其中R d 为光电二极管的结电阻。
由此式中可以看出，当运放的失调电压与偏置电流都较小时，输出电压误差较小。
因此，选择运放时，应选择性能参数都符合要求的运放。
本设计选择
AD795KN 作为前置放大器。
2检测电路设计
光电二极管所接收到的信号一般都非常微
弱，而且输出的信号往往被深埋在噪声之中。
因此，对这样的微弱信号一般都要先进行放大、滤波，然后通过模数转换将信号传输给后续处理器电路。
本检测系统由光电二极管、前置放大电路、滤波电路、主放大电路、A/D 转换电路，MCU 控制和信号处理电路等组成，其结构框图如图2所示。
微弱光信号检测电路的设计
杜习光
（西南大学工程技术学院，重庆
400716）
摘
要：从微弱光信号检测电路的设计方案入手，论述了光电检测电路的基本工作原理，给
出了采用AD795KN 为前置放大器来设计放大电路、有源滤波电路以及主放大电路，最终设计低噪声光电检测电路的一般原则。
实验表明，基于本设计的检测电路可以有效测量微弱光信号，适用于一般光信号和微弱光信号的检测需要。
关键字：
微弱光信号；光电检测
；AD795KN ；低噪声
Vol.12No.1Jan.2010
第12卷第1期
2010年1月
2010.1
姨
；
◇电流噪声在100Hz 处为0.6fA/Hz 姨；
◇在±15V 时的功耗为40mW ；◇增益带宽乘积为1MHz ；
2.2滤波电路的设计
为使电路设计简洁并具有良好的信噪比，设
计时还应用带通滤波器对信号进行处理。
为了保证测量的精确性，可在前置放大电路之后设计“压控电压源二阶带通滤波电路”，其具体电路如图4所示，以除去有用信号频带以外的噪声，包括环境噪声及由前置放大器引入的噪声。
其中放大器可选用LM741C 。
若U p (s )为同相比例运算电路的输入，比例系数为：
A 觶uf =U 觶o U
觶p
=1+R 9
R 5(1)
那么，当C 4=C 5=C ，R 5=R ，R 7=2R 时，电路的
传递函数为：
A u (s )=A uf (s )
·sRC 1+[3-A uf (s )]sRC +(sRC )2
(2)
令中心频率f 0=
12πRC
，电压放大倍数为：A
觶uf =A 觶uf
3-A 觶uf ·11+j
13-A uf
f f 0-f 0
f
f
f
(3)
那么当f =f 0时，其通带放大倍数为：
A 觶up =A 觶uf
3-A
觶uf =QA
觶uf (4)
其通频带为：
f bw =(3-A
觶uf )f 0=f 0
(5)
式中，Q 为品质因数，Q 值越大，随着频率的变化，其增益衰减越快。
这是因为，中心频率一定时，Q 值越大，所通过的频带越窄，滤波器的选择性越好。
2.3主放大电路
由于所检测对象本身为微弱量，因而所得到
图3前置放大电路
Electronic Component&Device Applications
54。