微弱电流信号的检测和放大电路.doc
等精度测频—微弱电流检测电路
实验一等精度频率计的制作一、任务设计并制作一个等精度频率计。
二、要求和说明1、能够准确地测量1-1MHz方波（高电平接近单片机的VCC，低电平为0）的频率；2、测量的精度为≤±0.01%，测量速度≤1秒；3、适当扩展测试的功能，如脉宽、占空比的测量；3、尽可能地提高测量精度和测量速度；4、外围电路尽可能地简单。
三、方案参考用MCU频率测量方波频率的3种最基本方法为：测频法和测周法、多周期同步测频法。
测频法适合测量频率较高的脉冲，测周法适合测量频率较低的脉冲。
所谓的适合，主要是从测量的精度上考虑，因此测量不同频率范围的脉冲，需要将以上两种方法结合使用。
不管测频法还是测周法，其关键就是如何巧妙的设计和使用定时/计数器。
现在新型的MCU在定时/计数器单元上都增加了输入捕捉功能，学会掌握和正确使用这个输入捕捉功能能够大大提高频率测量的精度。
一般情况下，当测量频率的范围为1-1MHz、精度≤±0.01%时，可以分三段来进行测量。
1-100Hz采用测周法；100-10KHz采用多周期测频法；10KHz-1MHz采用测频法。
计数法：Fx = Nx±1/Tw Fx——信号频率Nx——计数个数Tw——计数时间这种测量方法的测量精度取决于计数时间和被测信号频率，当被测信号周期与计数时间相近时将产生较大误差。
少一个周期少一个周期多一个周期误差分析如下：测频法采用1秒内计数器计数的值来表达所测频率，该方法误差是绝对的，为±1，也就是±1Hz。
相对误差见下表：被测频率绝对误差测量精度1000000Hz ±1Hz ±0.0001%100000Hz ±1Hz ±0.001%10000Hz ±1Hz ±0.01%1000Hz ±1Hz ±0.1%100Hz ±1Hz ±1%1Hz ±1Hz ±100%从上表中可以看出，测频法在测量高频时测量精度好，频率越高精度越好。
微弱光信号的光电探测放大电路的设计
微弱光信号的光电探测放大电路的设计对于各种微弱的被测量，例如弱光、弱磁、弱声、小位移、小电容、微流量、微压力、微振动和微温差等，一般都是通过相应的传感器将其转换为微电流或低电压，再经放大器放大其幅值以反映被测量的大小。
但是，由于被测量的信号很微弱，传感器的本底噪声、放大电路及测量仪器的固有噪声以及外界的干扰往往比有用信号的幅值大的多，同时，放大被测信号的过程也放大了噪声，而且必然还会附加一些额外的噪声，例如放大器的内部固有噪声和外部干扰的影响，因此，只有在有效地抑制噪声的条件下增大微弱信号的幅值，才能提取出有用信号。
本文针对检测微弱光信号的光电二极管放大电路，综合分析了其电路噪声、信号带宽及电路稳定性，在此基础上设计了一种低噪声光电信号放大电路，并给出电路参数选择方法。
1 基本电路光电二极管作为光探测器有两种应用模式如图1所示。
(1)光伏模式，如图1 (a)。
此时，光电二极管处于零偏置状态，不存在暗电流，低噪声，线性度好，因而适于精密领域。
本文就是以这种模式为例进行分析，实际应用中，这个电路一般还需在Rf上并联一个小电容Cs，从而使电路稳定。
(2)光导模式，如图1(b)。
这种模式需要给光电二极管加反向偏置电压，因而存在暗电流，产生噪声电流，同时因为非线性，一般应用在高速场合。
当光照射到光电二极管时，光电二极管产生一个与照明度成比例的微弱电流Ip，该电流流过跨接在放大器负输入端和输出端的反馈电阻Rf，将运算放大器视为理想放大器，根据理想运算放大器输入端的“虚断”特性，从而有E0=IpRf。
可以看出，光电二极管放大电路实际上是一个I／V转换电路。
这个电路看起来非常简单，只需一个反馈电阻，一个光电二极管和一个放大器便可实现。
从输出电压的线性表达式很容易推出，使反馈电阻Rf增大，将使得输出电压也成比例的增大。
经之前分析时，一般给出其典型值为100MΩ。
在下面的分析我们将看到，反馈电阻不但影响信号的带宽，而且影响整个电路噪声。
电流检测放大器工作原理
电流检测放大器工作原理
电流检测放大器是一种用来检测电流的设备，它可以放大微弱的电流变化，使电路中的微弱信号变得更显著，从而可以更有效地检测电流变化。
它的工作原理主要是通过放大电流的微弱变化来检测电流变化情况。
为了获得更显著的电流变化信号，电流检测放大器采用了一种称为“变压器结构”的结构来放大微弱信号。
这种结构主要由一个变压器、一组电容、一组互补对称电阻以及一个识别放大器组成。
变压器将测量的电流变化有效地转换成可以放大的信号，电容能够有效地滤除测量电流中的非线性成分，而互补对称电阻则能够使输出信号的幅度变得更大，从而有效地放大信号的大小。
最后，识别放大器会将信号转换成有效的输出电流。
由此可见，电流检测放大器的工作原理是通过利用变压器结构将测量的信号放大，然后由电容、互补对称电阻和识别放大器等组件将信号进行有效的处理，从而使得微弱的电流变化变得更加明显。
因此，电流检测放大器是一种十分有效检测电流变化的工具，它能够极大地提升检测效率，有效地防止电流变化对电路的不利影响。
另外，电流检测放大器的应用不仅局限于测量电流变化，它还可以用于测量变压器的变压效果、检测交流电机的工作情况以及监控电动机的工作负荷等。
此外，它还可以用来检测电容器的不同状态，提高检测水果中的果芽成长状态等。
总之，电流检测放大器依靠变压器结构和其他众多元件将微弱电
流变化放大，使得电流变化变得更加明显，从而可以更有效地检测电路中的电流变化情况。
这种设备的应用已经广泛应用于各种电子设备的检测和监测中，它以准确性高而闻名，与此同时，也能够有效防止电流变化对电路的不良影响，对于现代电子设备的稳定运行起到至关重要的作用。
cmos技术电流放大电路
CMOS技术电流放大电路
CMOS技术电流放大电路是一种基于CMOS（互补金属氧化物半导体）技术的电路，用于将微弱的信号放大到足够的电平，以便后续的处理和检测。
CMOS技术电流放大电路通常由输入、输出和偏置电路组成。
输入电路包括一个或多个输入晶体管，用于接收信号并将其转换为适合于输出的电流或电压。
输出电路包括一个或多个输出晶体管，用于放大信号并将其输出到其他电路或设备。
偏置电路包括一个或多个偏置晶体管，用于为输入和输出电路提供适当的偏置电压，以确保电路的稳定性和可靠性。
CMOS技术电流放大电路的主要优点是低功耗、高噪声抑制能力和高输入阻抗。
由于其高输入阻抗，CMOS技术电流放大电路可以用于放大微弱信号，而不会受到信号源的干扰。
此外，由于其低功耗和噪声抑制能力，CMOS技术电流放大电路可以用于各种应用，如生物传感器、射频电路和数字电路等。
CMOS技术电流放大电路的设计需要考虑多个因素，如输入和输出电路的匹配、偏置电路的稳定性和功耗等。
此外，由于CMOS技术电流放大电路中的晶体管具有不同的阈值电压，因此需要进行适当的布局和工艺优化，以确保电路的
稳定性和可靠性。
小信号放大和检波电路-概述说明以及解释
小信号放大和检波电路-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述部分的内容可以如下编写：在电子工程学中，小信号放大和检波电路是两个非常重要的电路技术。
小信号放大电路被广泛应用于电子设备中，用于放大微弱的信号，使其能够被后续的电路部分处理。
而检波电路则用于将信号转换为可测量或可用于其他用途的形式。
小信号放大电路的作用在于将微弱的信号放大到可以进行后续处理的程度。
对于一些微弱的输入信号，如传感器输出、天线接收到的无线信号等，需要经过放大才能提供足够的幅度和信噪比。
小信号放大电路的基本原理是通过扩大信号的振幅，同时保持信号的形状不发生失真。
常见的小信号放大电路类型包括共射放大器、共基放大器、共集放大器等。
检波电路则用于将信号转换为可以进行测量或其他用途的形式。
在无线通信系统中，检波电路常用于将调制信号解调出来，恢复原始的基带信息。
在音频领域，检波电路常用于音频信号的放大、录制和播放等。
检波电路的基本原理是通过对输入信号进行非线性操作，将其转换为包络信号或直流成分。
常见的检波电路类型包括整流器、解调器和鉴频器等。
小信号放大和检波电路在各个领域都有广泛的应用。
在通信技术中，小信号放大电路在无线传输、射频电路和调制解调等方面起着重要作用。
检波电路则在无线通信、音频处理和数据采集等领域具有重要应用。
随着科技的不断进步和应用需求的不断增加，对小信号放大和检波电路的研究和应用也将不断深入，为各个领域的发展提供强有力的支持。
文章结构部分的内容应该包含有关整篇文章的结构和内容安排的说明。
可以参考以下内容撰写文章1.2的内容：1.2 文章结构本文主要讨论小信号放大和检波电路的原理、类型及其应用前景。
为了使读者更好地理解文章内容，本文按照以下结构组织：引言部分将首先对文章的主题进行概述，介绍小信号放大和检波电路的基本概念和作用。
然后，详细阐述本文的目的和意义，以引起读者的兴趣和阅读动力。
正文部分分为两个主要部分：小信号放大电路和检波电路。
微弱电流检测技术分析
微弱电流检测技术分析摘要：微弱电流有个广为人知的定义，即小于10-6安培的电流。
由于其极易为噪声淹没的特性，如何抵御噪声，如何把有用信号从噪声中提取就成为了微弱电流检测技术中克敌制胜的关键。
总体说来有两种检测方法，一是I-V变换法，另一是I-F变换法。
关键词：微弱电流；检测；噪声；I-V变换法；I-F变换法0 前言微弱电流即为小于10-6安培的电流[1]，在影响国计民生的半导体、微纳加工以及绝缘材料的生产和应用方面有着不可替代的作用。
由于其易被噪声掩盖的特性，如何抵御噪声的干扰并成功提取，就成为了重中之重。
因此，微弱电流检测本质上是一种抑制噪声的技术[2]。
上世纪50 年代，霍夫斯塔德（Hafstad）通过FP-54静电计管，用几分钟时间测出了3×10-19A 的电流[3]。
Chaplin 在1957 年完成了第一台晶体管的载波调制直流放大器，它具有10-9A 的微弱电流检测能力[3]。
在普通放大电路中，McCaslin也做到了把低泄露绝缘栅场效应管灵活运用，最终实测电流达到10-15A [3]。
随着集成电路技术的发展，现在微弱电流检测的仪器已经商业化。
1 微弱电流检测技术的方法在目前条件下，一般用两种方法检测微弱电流。
其一为先令微弱电流通过高值电阻，从而转化成电压，接着测量相对较大电压的电流，即I-V变换；其二是通过把微弱电流转化成频率的方法得到电流信息，即I-F变换。
1.1 I-V变换法由于转换方式的不同，本方法可以分为：其一高输入阻抗法，该方法是将输入电流转换成高值电阻两端的电压；另一种是积分法，该方法是将输入电流对放大器连接的电容充电，在放大器的输出端产生电压。
高输入阻抗法也被称为直放式。
此时运算放大器转换后，输出电压与输入电流的关系则为：V0=-Ii×Rf噪声和漂移问题影响着微弱电流检测的分辨率和灵敏度，为此降噪降漂是测量技术的核心。
众所周知再波放大线性组件技术虽然不能有效的降低噪声，但是解决漂移问题还是不错的。
微弱信号检测
• 1、热噪声et
•
• 半导体二极管的热噪声是由寄生电阻产 生的。
• 其功率谱密度函数为：
St ( f ) 4kTRpar ；
• 其均方值为：
Et et2 4kTRparf 。
• 2、 1/f 噪声if
• 半导体的表面、扩散区域的边缘以及本 质的缺陷灰产生1/f 噪声。 对1/f 噪声的研究 还不够成熟。其功率谱密度函数一般采用如 下的形式表示：
2
et 4kTRf
热噪声谱密度
（V2/Hz)
• 用量子理论表示热噪声功率谱密度函数：
St
(
f
)
exp(
4hfR hf /(kT))
1
• 电阻开路两端呈现的热噪声电压有效值为：
Et et2 4kTRf
• 2、电阻的热噪声等效
实际的电阻可以等效为热噪声电压源E t 与无噪声的理想电阻R的串连。
Sf
(
f
)
KF I f
• 式中通常取1，=1~2；KF称为1/f 噪声系 数，与二极管的物质有关。
• 3、散弹噪声 • 散弹噪声是由于电荷到达阳极复合产生
随机脉冲的电流。流过半导体二极管的电 流为：
I I0[exp( qV / kT) 1]
其中I0exp(qV/kT)为二极管的正向扩散电流，-I0 为反向饱和电流。两种电流产生的噪声是不相 关的，总的噪声均方值为：
is2h 2qI0f exp(qV / kT) 2qI0f
2qI0f [exp(qV / kT) 1]
• 当零偏置时V＝0，此时，
is2h 4qI0f
• 当反向偏置时只有反向饱和电流，此时，
is2h 2qI0f
• 当充分正向偏置时正向电流大大于反向饱和 电流，可以忽略反向饱和电流的散弹噪声， 此时，
光纤光栅微弱信号检测的解调电路
ｕ ａｉ ｎ ｓ ｓｅ ， ｅ印 ｐ ｉａ ｉｎ ｏ ａ ｐｉ ａ ｉ ａ ｅ ｅ ｔ ｎ ｔｅ ｒ ｂ ｓ ｄ ｏ ｅ ｄ ｓ ｎ ｏ ｅ ｄ ｌ ｔ ｎ ｃ ｒｕ ｔ ｆ ｉｈ ｓｇ ａ ｌ ｔ ｙ ｔｍ ｔ ｏ ｈ ｌ ｔ ｆ ｗｅ ｋｏ ｔ ｌ ｓｇ ｌ ｄ ｔ ｃ ｏ ｏ ｙ， ａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｉ ｆ ｄ ｍｏ ｕ ａｉ ｉｃ ｉ ｏ ｇ ｉｎ ｌ ｃ ｏ ａ ｃ ｎ ｉ ｈ ｈ ｇ ａ ｏ ｈ
ｃｒｕｔｗ ｒ ｓｄｔ ｃ ｉｖ ｅｂ ｓ ｎ ｉｅｍａｃ ｉｇｃｒｕｔ ｅｗ ｅ ｅａａａ ｃ ｅｐ ｏｏ ｉ ｅａ ｄｄｇｔｌａ ａｏ ｉｎ ｌ ｏ ｖ ｒｉｎ ｉ ｉ ｅｅｕ ｅ ａｈｅ ｅｔ ｅｔ ｏｓ ｔｈｎ ｉ ｉ ｂ ｔ ｅ ｎｔ ｖ ｎ ｈ ｈ ｔｄｏ ｎ ｉｉ ・ ｌｇｓｇ ａ ｎ ｅｓｏ ， ｃ ｏ ｈ ｃ ｈ ｌ ｄ ａｎ ｃ
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电压放大器结构合理，准确得实现了电压放大功能。
经I/V转换器后电压（通道B），经一级差分式放大电路后输出电压（通道C）,经二级差分式放大电路后输出电压(通道D)波形对比如图9所示：
图9运算放大电路输入输出电压波形对比
3.
本设计采用开关式相敏检波电路。相敏检波电路是具有鉴别调制信号相位和选频能力的检波电路。其结构如图10所示。
要求：电路要包括电流/电压转换电路，信号放大电路，调制和解调电路，并采用multisim仿真。
三、设计时间及进度安排
设计时间共两周（2015.6.23～2015.7.3）,具体安排如下表：
周安排
设 计 内 容
设计时间
第一周
布置设计任务和具体要求及设计安排；提出设计思路和初步设计方案、根据设计方案，进行具体的设计，根据指导意见，修改具体设计；仿真实现设计要求，指导、检查完成情况。
15.06.23-15.06.26
第二周
设计、仿真，撰写、完成专业模块设计报告,验收、考核
15.06.29-15.07.03
四、指导教师评语及成绩评定
指导教师评语:
年 月 日
成绩
指导教师(签字):
第一章课程设计的目的
课程设计是学生理论联系实际的重要实践教学环节，是对学生进行的一次综合性专业设计训练。通过课程设计使学生获得以下几方面能力，为毕业设计（论文）奠定基础。
经过相敏检波输出电压为4.327V，输入输出电压如图13所示。
图
经过相敏检波电路的波形如图14所示：
图14相敏检波电路输出波形
4.
为了给相敏检波电路提供同频方波信号，实现检波功能。其结构如图15所示。
图
其同向端接地，反向端接入高频正弦来自压信号（1KHZ），输出端为方波信号。当反向端正弦电压小于0时，输出高电平；当反向端输入的正弦电压大于0时，输出低电平。所以输入正弦波输出为反向的正弦波。输入信号和输出信号对比如图16所示。
现计算低通滤波器各元器件参数。
取截止频率为f=110Hz，C1为0.1uF。根据公式4.5.1得
R=14.5kΩ
表1二阶滤波器部分参数
a
1.3617
1.4142
1.065
b
0.618
1
1.9305
根据表1和公式4.5.2得，
取C2=0.2uF。
为使两输入端对应阻抗平衡，要求R13*C2=R14*C1，
图16电压比较器输入信号和输出信号对比
5.
为了加强滤波器滤除噪声的能力，采用了二阶低通滤波器，并在滤波器的设计过程中选择了同样的电容电阻组合。本设计中二阶低通滤波器结构如图17所示。
图
由两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成，在集成运放输出到集成运放同相输入之间引入一个负反馈，在不同的频段，反馈的极性不相同，当信号频率f＞＞f0时（f0为截止频率），电路的每级RC电路的相移趋于-90º，两级RC电路的移相到-180º，电路的输出电压与输入电压的相位相反，故此时通过电容c引到集成运放同相端的反馈是负反馈，反馈信号将起着削弱输入信号的作用，使电压放大倍数减小，所以该反馈将使二阶有源低通滤波器的幅频特性高频端迅速衰减，只允许低频端信号通过。其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。
参考文献
1.作者：桂静宜，二阶有源低通滤波电路的设计与分析[D]，黄石理工学院硕士论文，2010.
2.作者：王卫勋，测试计量技术及仪器[D]，西安理工大学硕士论文，2007
3.作者：赵元元，微弱电流检测系统的设计与实现[M]，北京报刊发行局，2014
4.作者：王立婷．光电检测电路的设计及实验研究[D]．吉林大学博士论文，2007．
专业模块课程设计说明书
（测控技术与仪器专业）
微弱电流信号的检测和放大电路
学生学号：
学生姓名：
专业班级：
指导教师：
职称：
起止日期：2015.6.23～2015.7.3
机电工程学院
专业模块课程设计任务书
一、设计题目：
二、设计任务及要求
任务：设计电路实现对微弱电流信号的检测与放大，将微弱电流信号转换成有用的电压信号。
LM358AD里面包括有一个高增益、独立的、内部频率补偿的双运放，适用于电压范围很宽的单电源，而且也适用于双电源工作方式，它的应用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运放的地方使用。
图1 LM358AD引脚图
三、电路基本结构
图2微弱电流信号检测与放大装置整体结构
图3微弱电流检测与放大电路整体结构
10.408
3.136
0.00015
11.729
3.385
0.00020
12.691
3.532
0.0003
13.108
3.582
0.0004
13.356
3.591
结论
本电路设计主要由I/V转换电路，运算放大电路，相敏检波电路及二阶低通滤波器组成。各分电路均能合理得完成任务，各元器件选择合理。当输入0.00005mA以下的微弱电流是，该微弱电流检测及放大电路能合理得实现检测与放大功能，且输出电压与输入电流成线性变化的关系，比例系数约为35000。在电路设计中发现，不同元器件的选择会有不同的上限电流，比如运算放大电路中电阻的选择会影响放大倍数，从而会影响输入电流的大小。通过本次电路设计，更深刻得理解了测控电路的设计，包括各个电路的作用及工作原理。
0.353
0.168
0.000005
0.565
0.264
0.000008
0.768
0.326
0.00001
1.414
0.616
0.00002
2.122
0.882
0.00003
2.829
1.111
0.00004
3.536
1.322
0.00005
5.658
1.917
0.00008
7.076
2.294
0.00010
四、电路的设计与实现
1.
I/V转换电路结构如图4：
图
同向反向端接地，同向端接入正弦交流微弱电流信号(0.00005A，100HZ)，采用1KΩ电阻，经过I/V转换电路后，根据公式1，理想状态下输出有效电压为70.71mv。如图5所示
图
I/V转换电路运行正常，输出波形如图6所示。
2.
本设计采用三运放差分式放大电路，但有一支路输入为0，故可以省去，采用两个差分式同向放大电路相乘实现放大作用。差分式结构，对共模噪声有很强的抑制作用，同时拥有较高。的输入阻抗和较小的输出阻抗，非常适合对微弱信号的放大。每个差分式放大电路结构如图7所示。
图12相乘电路输出前后对比图
为何不采用包络检波电路？
答：包络检波有两个问题：一是解调的主要过程是对调幅信号进行半波或全波整流，无法从检波器的输出鉴别调制信号的相位。第二，包络检波电路本身不具有区分不同载波频率的信号的能力。对于不同载波频率的信号它都以同样方式对它们整流，以恢复调制信号，这就是说它不具有鉴别信号的能力。为了使检波电路具有判别信号相位和频率的能力，提高抗干扰能力，需采用相敏检波电路。
一、任务的提出
很多情况下，我们在应用中采集的往往是微弱电流信号，而微弱电流信号很难直接使用，所以对微弱电流信号的检测与放大，在科学研究和军事等领域有广泛的应用。微弱电流信号检测放大的一般办法是通过I\v转换器件将微弱的电流信号转换成为电压信号，然后再通过电路放大，最后利用低通滤波器，滤除混杂在信号中的高频噪声。
5.作者：张国雄，测控电路[M]，机械工业出版社，2011.
6.作者：张小虹，数字信号处理，机械工业出版社，2013
图
同向端输入经电压比较器处理过的方波电压信号，反向端输入的电流由乘法电路处理(由放大后的电压信号与正弦高频电压信号相程)。其中同向端和反向端的高频电压信号由同一信号源产生，两者同频。经过相乘后输出波形如图11所示。
图11相乘电路输出波形
运放电路输出电压（通道C），高频正弦电压信号（10倍频率运放输出电压，通道B），合成信号（通道A）如图12所示。
1．进一步巩固和加深学生所学一门或几门相关专业课（或专业基础课）理论知识，培养学生设计、计算、绘图、计算机应用、文献查阅、报告撰写等基本技能；
2．培养学生实践动手能力及独立分析和解决工程实际问题的能力；
3．培养学生的团队协作精神、创新意识、严肃认真的治学态度和严谨求实的工作作风。
第二章
课程设计说明书正文
求得R13=7.25kΩ。
低通滤波器输入输出电压如图18所示：
图
I/V转换器输出电压、电压放大器输出电压、低通滤波器输出电压比较如图19：
图
电压放大器输出电压波形、低通滤波器输出电压波形比较如图20：
图
输入电流波形（通道D）、I/V转换器输出电压波形、电压放大器输出电压波形、低通滤波器输出电压波形比较如图21：
图7同向比例运算放大电路
同向输入端和反向输入端输入电阻都为1kΩ，反馈电阻为9kΩ，每个差分式同向放大电路可放大电压10倍，共实现100倍的放大作用。理想状态下，经过第一个差分式放大电路后输出电压为700mv，经过第二个差分式放大电路后输出电压为7V。实际情况下，经第一个差分式放大电路后输出电压为706.949mv，经第二个差分式放大电路后输出电压为7.068V，处于合理方位内。结果如图8所示（从左至右依次为输入电压、一级运放后放大电压、二级运放后放大电压）
二阶低通滤波器图17在集成运放输出到集成运放同相输入之间引入滤波电路和同相比例放大电路组成由两节rc为截止频率电路f0f0时一个负反馈在不同的频段反馈的极性不相同当信号频率fo电路的输出电压与输入电压的相电路的移相到18090rc电路的相移趋于o两级rc的每级反馈信号将起着削弱输入信号引到集成运放同相端的反馈是负反馈位相反故此时通过电容只使电压放大倍数减小所以该反馈将使二阶有源低通滤波器的幅频特性高频端迅速衰减作用允许低频端信号通过