1、第六章 微弱信號(hào)檢測(cè)電路11 元件固有噪聲與他的規(guī)律2 噪聲因數(shù)與噪聲測(cè)量方法3 低噪聲放大器4 頻域微弱信號(hào)的檢測(cè)5 時(shí)域微弱信號(hào)的檢測(cè)234第一部分 噪聲與噪聲的測(cè)量熱噪聲是一種最普遍的噪聲，由于導(dǎo)體內(nèi)部自由電子做無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的，是雜亂無(wú)章的，溫度越高越激烈。隨機(jī)性：自由電子的無(wú)規(guī)則的碰撞運(yùn)動(dòng)，在導(dǎo)體內(nèi)部形成許多小的窄脈沖電流波動(dòng)，其幅度、持續(xù)時(shí)間和方向都是隨機(jī)的，在導(dǎo)體兩端產(chǎn)生小的波動(dòng)電勢(shì)噪聲電壓振幅平均值為0概率譜密度函數(shù)呈正態(tài)分布（平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程）可以用功率譜密度（單位頻帶的噪聲功率）函數(shù)描述。功率譜密度在整個(gè)頻域內(nèi)均勻分布的噪聲。 所有頻率具有相同能量的隨機(jī)噪聲。567電阻熱

2、噪聲的有效電壓R:電阻值f：系統(tǒng)帶寬k:波爾茲曼常數(shù)（1.3810-23J/K)；T:絕對(duì)溫度（室溫下T=290K）；8例題 放大器的工作帶寬為2MHZ，信號(hào)源電阻為200。當(dāng)工作溫度為27oC，電壓增益為200，輸入信號(hào)有效值為5V時(shí)，試該系統(tǒng)的性能，假定放大器的其它噪聲可以忽略。9輸入放大器噪聲放大器輸出10111213141516171819202122232425262728293031323334356.4 頻域微弱信號(hào)檢測(cè)一 關(guān)于相關(guān)檢測(cè)相關(guān)檢測(cè)技術(shù)：利用信號(hào)的周期性和噪聲的隨機(jī)性的差別，通過(guò)自相關(guān)或互相關(guān)運(yùn)算，達(dá)到去除噪聲的一種技術(shù)。自相關(guān)或互相關(guān)運(yùn)算功能可利用現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)和微機(jī)

3、系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以由電子電路來(lái)完成，在檢測(cè)儀器中，常采用后一種技術(shù)。36自相關(guān)和互相關(guān)函數(shù)1 自相關(guān)函數(shù)的定義Rxx（）= lim T2T21T(t) (t - ) dtT它表示隨機(jī)信號(hào)(t)與延時(shí)了時(shí)間間隔之后的同一信號(hào)的相關(guān)性。當(dāng)隨機(jī)函數(shù)不包含有周期性分量時(shí)， Rxx（）在= 0時(shí)最大，隨的增加而單調(diào)下降， 時(shí)， Rxx（）趨近于 (t)的平均值的平方，若(t)的平均值為0，則Rxx（）隨 的增大而趨近于0。由于噪聲的平均值為0，利用此性質(zhì)，得出噪聲的自相關(guān)函數(shù)接近于0的結(jié)果372 互相關(guān)函數(shù)的定義Rxy（）= lim T2T21T1(t) 2(t - ) dtT它表示兩個(gè)不同的隨機(jī)變量(

4、如信號(hào)與噪聲)互相獨(dú)立,則互相關(guān)函數(shù)將是個(gè)常數(shù),它等于二隨機(jī)函數(shù)的平均值的乘積,若一個(gè)平均值為 0 (如噪聲) 則互相關(guān)函數(shù)處處為0。38延遲1(t)=Si(t)+n(t)輸入信號(hào)參考信號(hào)2(t)=SR(t)乘法器積分器輸出R12( )Si(t):有用信號(hào)n(t):隨機(jī)噪聲信號(hào)R12（）= lim T2T21T1(t) 2(t - ) dtTT2T2T21TSi(t) SR(t - ) dt +T= lim T21Tn(t) SR(t - ) dt = RsisR() +RnsR() RsisR()39激勵(lì)正弦波發(fā)生器傳感器延遲Si（t）n（t）乘法器1(t)=Si（t）+n（t）1(t)2(

5、t)=SR（t - ）SR（t）R12( )設(shè)Si(t)=VsmCOSt , SR(t)=VRmCOS(t+ )=(VsmVRm)/2 COS(）這是一個(gè)不衰減的周期函數(shù)，是可測(cè)的。說(shuō)明相關(guān)接收法能有效去除隨機(jī)噪聲，使輸出信噪比提高許多。實(shí)際的相關(guān)接收電路是相敏檢波器與低通濾波器的結(jié)合RsisR()=limT1/TT2T2 VsmCOS(t) VRmCOS(t+ )dt4041 相敏檢波器424344-1+1Vs輸入信號(hào)開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路參考電壓VRLPFVO低通VPVRtVstVptVO同相VO0VRtVstVptVO反相VO0VRtVstVpt相位差=900 ，VO=0當(dāng)相位差為任意，VO=VS

6、COS45六 相敏檢波器抑制低頻干擾VRt參考電壓低頻干擾VNPSD輸出VPttVP經(jīng)過(guò)低通濾波器后，不產(chǎn)生輸出，說(shuō)明能夠抑制低頻干擾信號(hào)466.5 時(shí)域微弱信號(hào)檢測(cè)利用相關(guān)檢測(cè)技術(shù)解決頻域信號(hào)的高靈敏度和窄帶化接收問(wèn)題，起到去除噪聲的作用。但有時(shí)需要了解真實(shí)信號(hào)的波形形狀，比如，在調(diào)試放大器時(shí)，我們不但用電壓表測(cè)輸入輸出信號(hào)的大小，求出其放大倍數(shù)，還要用示波器看波形的形狀，判斷是否有飽和或截止失真。這就是時(shí)域分析重要意義。47一 采樣積分檢測(cè)原理123N設(shè)信號(hào)是周期的2 用一個(gè)采樣時(shí)間極短的采樣/保持器周期地對(duì)其采樣若信號(hào)是無(wú)噪聲的穩(wěn)定的周期信號(hào)，則每次采到的數(shù)值不變，亦即它的積分平均值仍為

7、該信號(hào)此時(shí)刻的瞬時(shí)值；若信號(hào)混雜有隨機(jī)噪聲，則各次采樣值有可能偏離有用信號(hào)的瞬時(shí)值，但如果將保持電容CH取得足夠大，起積分平均做用，則噪聲的影響就會(huì)減弱，且采集的次數(shù)越多，噪聲的平均值越小，N足夠大，噪聲為0，但穩(wěn)定的有用信號(hào)不會(huì)受到積分平均的影響。N值取得越大，一次檢測(cè)需要的波形個(gè)數(shù)越多，即要花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間，提取有用信號(hào)波形的效果是以延長(zhǎng)測(cè)量時(shí)間為代價(jià)的。對(duì)周期性波形固定位置采樣48一 采樣積分檢測(cè)原理另外，應(yīng)在一個(gè)周期內(nèi)采集多個(gè)點(diǎn)，比如沿波形采集M點(diǎn),點(diǎn)數(shù)越多，其復(fù)現(xiàn)的越好，但增加了系統(tǒng)復(fù)雜性。測(cè)量波形上的一個(gè)點(diǎn)要一個(gè)積分器。對(duì)于N次積累后，采樣積分器的信噪比改善系數(shù)為： SNIR=（S/

8、N)o/（S/N)i=N（S/N)o：輸出信號(hào)信噪比 （S/N)i：輸入信號(hào)信噪比也就是說(shuō)，積分器對(duì)N次采集信號(hào)（包括噪聲n和有用信號(hào)s），進(jìn)行線性積分累積過(guò)程中，對(duì)s的累積結(jié)果為Ns，對(duì)噪聲的累積結(jié)果為 n，因?yàn)閚次的噪聲求和應(yīng)當(dāng)服從于均方根和法則，故積分器的輸出信噪比（S/N)O=Ns/ n= s/n= (S/N)NNNN49多點(diǎn)信號(hào)采樣積分平均器原理圖將一個(gè)波形分成M個(gè)點(diǎn),用M個(gè)積分器對(duì)信號(hào)進(jìn)行積分平均，在輸入觸發(fā)脈沖作用下，邏輯電路發(fā)出t1，t2，t3，tM順序控制脈沖，通過(guò)模擬開關(guān)S1，S2，S3, .SM,順序?qū)1，C2，C3， CM接通，則C1，C2，C3， CM上存儲(chǔ)了一個(gè)波

9、形上M個(gè)點(diǎn)一次檢測(cè)的瞬時(shí)電壓值。繼續(xù)進(jìn)行對(duì)N個(gè)波形的類似的檢測(cè)與積分平均，C1CM上的各電壓值就十分接近有用信號(hào)波形的各點(diǎn)瞬時(shí)值了，而噪聲卻被抑制掉了。隨著電子器件的發(fā)展，多點(diǎn)信號(hào)平均器的采樣點(diǎn)數(shù)可達(dá)2048點(diǎn)。這種抑制噪聲的方案適用于處理頻率較低的信號(hào)。觸發(fā)采樣時(shí)間邏輯控制電路123MRS1S2S3SMC1C2C3CM.t1t2t3tMA1A2輸出輸入觸發(fā)輸入(與輸入信號(hào)同頻)50BOXCAR積分器（單點(diǎn)采樣積分器）A1S1RC輸出VO步進(jìn)采樣脈沖發(fā)生器T參考輸入信號(hào)輸入放大器積分器tGVC1 模擬開關(guān)S1控制著RC積分網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸入信號(hào)Vi的采樣。 S1導(dǎo)通時(shí)間由采樣脈沖tG的寬度決定，tG是

10、可選定的2 步進(jìn)采樣脈沖發(fā)生器在采樣信號(hào)觸發(fā)下，產(chǎn)生門控信號(hào)VC3 設(shè)計(jì)時(shí)，一方面要滿足選定門控信號(hào)寬度tG，另一方面 還要使tG相對(duì)參考脈沖或輸入信號(hào)Vi能發(fā)生線性的移動(dòng)4 參考輸入的脈沖周期和輸入信號(hào)的周期相同51采樣脈沖步進(jìn)移動(dòng)示意圖123tGt2tVi輸入信號(hào)VC門控信號(hào)ttAAA”在第一個(gè)輸入波形第一次觸發(fā)后，產(chǎn)生1號(hào)采樣脈沖；在第二個(gè)輸入波形第二次觸發(fā)后，產(chǎn)生2號(hào)采樣脈沖；兩采樣脈沖間隔T+t，以后每一個(gè)采樣脈沖推后t形成了tG周期地掃描輸入波形Vi效果。VittGABC設(shè)計(jì)電路時(shí)，t比tG小很多，設(shè)NS= tG/ t ， tG是采樣門每次開通的時(shí)間，在此期間積分器對(duì)輸入信號(hào)Vi進(jìn)

11、行積分累積。由于這個(gè)窗口比較寬，而窗口的移動(dòng)速度又比較慢（每次t），所以由這個(gè)窗口觀察到的波形有相當(dāng)多的部分是多次重疊的，采樣門的前沿從A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)，Vi上B點(diǎn)將被重復(fù)觀察到NS=tG/ t 次，即積分器對(duì)輸入波形B點(diǎn)的瞬時(shí)值將進(jìn)行NS 次的積分平均，意味著隨機(jī)噪聲成分大為減少，而SNIR= = tG/ t NS52BOXCAR積分器測(cè)試一個(gè)完整波形的時(shí)間123tGt2tVi輸入信號(hào)VC門控信號(hào)ttAAA”實(shí)際上， t 一個(gè)接一個(gè)發(fā)生，被檢測(cè)的波形Vi上任何一點(diǎn)都受到了上述這種積分平均處理，積分器的輸出波形對(duì)應(yīng)輸入的有用信號(hào)，而隨機(jī)噪聲信號(hào)則被積分平均作用抑制掉了。BOXCAR積分器測(cè)量完一個(gè)完整的波形周期T所需時(shí)間Tt:設(shè)一個(gè)周期波形被分割成M個(gè)點(diǎn),每一個(gè)點(diǎn)所屬的區(qū)域?qū)挾葘?duì)應(yīng)一個(gè)窗口寬度tG,每一個(gè)點(diǎn)的積分平均次數(shù)為NS,而每輸入一個(gè)被測(cè)波形只產(chǎn)生一次步進(jìn),tG窗口移動(dòng)t,則Tt=MNST如:被測(cè)信號(hào)1KHz,分成100個(gè)點(diǎn),每點(diǎn)積分平均100次,那么:Tt=100*100*1/1000=10(S) ,說(shuō)明用10S時(shí)間才能測(cè)完一個(gè)1KHz的周期波形,其SNIR=10,是以時(shí)間為代價(jià),換取積分平均的效果.53BOXCAR積分器的電路組成結(jié)構(gòu)A1A2模擬開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路門寬tG產(chǎn)生電路(單穩(wěn)觸發(fā)器)A3延時(shí)電路時(shí)基