LDO 低输出噪声的分析与优化设计
1 LDO 的典型结构
LDO 的典型结构如下图所示,虚线框内为LDO 芯片内部电路,它是一个闭环系统,由误差放大器(Error amplifier)、调整管(Pass device)、反馈电阻网络(Feedback resistor network)组成,其闭环增益是:
OUT REF V Acloseloop V = (1)
此外,带隙基准电压源
( Bandgap reference)为误差放大器提供参考电压。
LDO 的工作原理是：反馈电阻网络对输出电压进行分压后得到反馈电压,该电压输入到误差放大器的同相输入端。误差放大器放大参考电压和反馈电压之间的差值, 其输出直接驱动调整管,通过控制调整管的导通状态来得到稳定的输出电压。例如,当反馈电压小于基准电压时,误差放大器输出电压下降,控制调整管产生更大的电流使得输出电压上升。当误差放大器增益足够大时,输出电压可以表示为：
R1(1+)R2
OUT REF V V = (2) 所谓基准电压源就是能提供高精度和高稳定度基准量的电源，这种基准源与电源、工艺参数和温度的关系很小，其原理是利用PN 结电压的负温度系数和不同电流密度下两个PN 结电压差的正温度系数电压相互补偿，而使输出电压达到很低的温度漂移。传统基准电压源是基
于晶体管或齐纳稳压管的原理而制成的，其αT =10-3/℃~10-4/℃，无法满足现代电子测量之
需要。20世纪70年代初，维德拉(Widlar)首先提出能带间隙基准电压源的概念，简称带隙(Bandgap)电压。所谓能带间隙是指硅半导体材料在0K 温度下的带隙电压，其数值约为
1.205V ，用U go 表示。带隙基准电压源的基本原理是利用电阻压降的正温漂去补偿晶体管发射结正向压降的负温漂，从而实现了零温漂。由于未采用工作在反向击穿状态下的稳压管，因而噪声电压极低。带隙基准电压源的简化电路如下图所示。
2 LDO 中内部固有噪声
LDO 的噪声类型主要是内部固有噪声和外部干扰噪声。其中内部固有噪声包括热噪声，散弹噪声，1/f 噪声，爆烈噪声。LDO 中可以产生这些噪声的元器件有电阻，MOS 管，运算放大器。
2.1 电阻热噪声
电阻的热噪声是电阻导体的热骚动产生无规则运动引起的起伏噪声电流的现象。电阻热噪声的特点有：电阻噪声是起伏噪声，其中起伏噪声电流是大量脉冲宽度约(持续时间只有10-13～10-14)的微弱脉冲电流的迭加而成，另外窄脉冲极性、大小和出现时间是随机的。 在高于绝对零度（-273℃或Ok ）的任何温度下，物质中的电子都在持续地热运动。由于其运动方向是随机的，任何短时电流都不相关，因此没有可检测到的电流。但是连续的随机运动序列可以导致Johnson 噪声或热噪声。每单位带宽内电阻的热噪声功率谱密度函数可以表示为：
2,4n T V kTR =
式中，K 是玻尔兹曼常数，1.38×10-23J/K ；T 是温度，以K 为单位；R 是电阻，以Ω为单
位。
下图所示为电阻在25℃时，在50Ω终端电阻上产生的热噪声功率。
2.2 PN 结散粒（散弹）噪声
散粒噪声是晶体管的主要噪声源：它是由单位时间内通过PN 结载流子数目的随机起伏而造成的。散粒噪声的大小与晶体管的静态工作点电流有关，其功率谱密度函数为：
I 0S 2qI =
式中，Io 为流过PN 结的电流，q 为电子电荷量。
由于晶体三极管的发射结正偏，所以散粒噪声主要决定于发射极工作电流Ie,B 为系统的等效噪声带宽，其噪声电流的功率为：
22sh e P qI B =
散弹噪声电流的有效值（均方根值）为： 2d c s h I q I B =
2.3 1/f 噪声 1/f 噪声是由两种导体接触点电导的随机涨落引起的，凡是有导体接触不良的器件都存在1/f 噪声，因此又称接触噪声。电子管中的1/f 噪声称为闪烁噪声，电阻中的1/f 噪声称为过剩噪声。
1/f 噪声功率谱密度函数：
()f f K S f f
= 式中，Kf 取决于接触面材料类型和几何形状的系数以及流过样品直流电流的系数。 1/f 噪声功率谱密度函数坐标图：
线性坐标
对数坐标
电阻1/f 噪声功率谱密度函数：
()()22
f f d c KI S f A H z f =
2.4 爆裂噪声
半导体材料中的杂质（通常是金属杂质）随机发射或俘获载流子。其特点：爆烈噪声脉冲的宽度为几 ms 到0.1 s 量级；脉冲的幅度约为0.01~0.001A A μμ
量级；爆烈噪声脉冲出现的几率为每秒几百个到几分钟一个之间。
爆裂噪声的功率谱密度函数：
()()201B b
B K I S f f f =+
下图为爆裂噪声波形：
2.5 放大器相关噪声分析
放大器噪声模型：
其中功率谱密度函数：
()()22nv n 2
2ni n V Hz
A Hz S f E f S f I f =?=?
放大器等效到输入端的噪声模型：
上图中s e 为被测信号电压，Rs 为信号源输出电阻，t e 为噪声电压源，n e 和n i 分别为放大器等效到输入端的噪声电压和噪声电压。
输入端总噪声功率：
222222224ni t n n s s n n s E V E I R KTR f E I R =++=?++
放大器的噪声系数：
22222224144no ni s n n s n n s ni p ni s s P E KTR f E I R E I R F P K P KTR f KTR f
?+++====+?? 上式表明，当信号源电阻趋向于零或趋向于无穷大时，噪声系数F 都会趋向于无穷大。
0,s so F R R ??=令得最佳源电阻：
n N so n N
E e R I i == 只有当Rs 为最佳源电阻Rso 时，噪声系数
F 才能达到最小值Fmin ，这种情况称为噪声匹配。 噪声因数NF 随源电阻Rs 和f 变化的情况如下图：
上图中最佳工作点是最佳源电阻约为500k Ω，最佳工作频率约为10khz 。在实际的微弱信号检测中，对于不同的检测对象，最佳信号源电阻和工作频率差异很大，必须根据检测传感器的源电阻和工作频率选择合适的放大器，NF 为选择放大器提供了依据。
2.6 MOS 管相关噪声分析
场效应管的内部噪声有沟道的热噪声，1/f 噪声，栅极的散弹噪声，栅极感应噪声
2.6.1 沟道的热噪声
由电阻性导电沟道中载流子的热运动引起，其功率谱密度函数：
()4t m d S f kTg K =
式中，g m 为场效应管的跨导，k ，T 与电阻热噪声中的k ，T 相同。
2.6.2 栅极的散弹噪声
在JFET 中有PN 结存在，产生散弹噪声，其功率谱密度函数：
()2g G S f qI =
式中，q 为电子电荷，G K 为PN 结反向电流。
2.6.3 1/f 噪声
场效应管的1/f 噪声功率谱密度函数：
()F D f K I S f f
γ=
式中，D I 为漏极电流，F K 是制作场效应管的材料和工艺的常数。
2.6.4 栅极感应噪声
在高频情况下，通过栅极和沟道之间的分布电容Cgs 将沟道电阻热噪声中的高频分量耦合到栅极输入电路，从而产生栅极感应噪声。其功率谱密度函数：
()14ng is S f kTg K =
式中，K 1为和栅源电压、漏源电压有关的系数，gis 为共源极输入电导。
2.6.5 噪声等效分析
4种噪声源中, 低频情况下起主要作用的是沟道热噪声电流i t 和1/f 噪声。在高频情况下栅极感应噪声i ng 会起较大作用。
场效应管MOS
的噪声等效电路：
图中，g m 是跨导，C gs ，C gd ，C ds 是极间电容，R ds 是沟道电阻，V gs 是栅—源输入电压。 MOS
管等效到输入端的噪声模型：
串联输入噪声电压源en ，和并联输入噪声电流源in 的功率谱密度函数：
12
12221F 2442gs d D N N G m m m kT C K kTK K I e i qI g g f g γαω????=+=+ ? ? ????? 不同漏极电流I D ，MOS 管的e N 和i N 随频率f
变化的典型曲线如下：
MOS 管的最小噪声系数F min 和最佳源电阻R so 如下：
so R =2.6/()gs wC ，min 10.5/gs m F wC g =+
微弱信号检测系统的前置放大器一般都选择使用高跨导，高输入电阻，栅—源电容小的结型场效应管。
3 LDO 中外部干扰噪声
3.1 尖峰脉冲
由于电网中大功率开关灯的通断，电机、变压器和其他大功率设备的启停以及电焊机等原因，工频电网中频繁出现尖峰干扰脉冲。这种尖峰脉冲的幅度可能是几伏、几百伏甚至有时几千伏，持续时间一般较短，多数在微秒数量级。这种尖峰干扰脉冲的高次谐波分量很丰富，而且出现得很频繁，幅度高，是污染低压工频电网的一种主要干扰噪声，对交流供电的电子系统会带来很多不利影响。
3.2 工频电磁场
在由工频电力线供电的实验室、工厂车间和其他生产现场，工频电磁场几乎是无处不在。在高电压，小电流的工频设备附近，存在着较强的工频电厂；在低电压，大电流的工频设备附近，存在着较强的工频磁场；即使在一般的电器设备和供电线的相当距离之内，都会存在一定强度的50HZ 的电磁波辐射。工频电磁场会在检测电路的导体和信号回路中感应出50HZ 的干扰噪声。
3.3 射频噪声
随着无线广播、电视、雷达、微波通信事业的不断发展，以及手机、寻呼机的日益推广，空间中的射频噪声越来越严重。射频噪声的频率范围很广，从100K 到几兆赫兹数量级。射频噪声多数是调制（调幅、调频、调相）电磁波，也含有随机的成分。检测电路的传输导线都可以是接收天线，程度不同的接受空间中无处不在的射频噪声。因为射频噪声的频率范围一般都高于检测信号的频率范围，所以利用滤波器可以有效的抑制射频噪声的不利影响。
3.4 地位差噪声
检测系统的不同部件采用不同的接地点，则这些接地点之间往往存在或大或小的地电位差。即使在同一块电路板上，不同接地点之间的电位差也可能在毫伏数量级或更大。如果信号源和放大器采用不同的接地点，则地电位差对于差动放大器来说是一种共模干扰，对于单端放大器来说是一种共模干扰。因为地电位差噪声的频率范围很可能与信号频率范围相重叠，所以很难用滤波的方法解决问题。克服地电位差噪声不利影响的有效办法是采用合适的接地技术或者隔离技术。
3.5 颤噪效应
任何被绝缘体分隔的两个导体都形成一个电容C ，电容的大小取决于导体的面积，几何尺寸、相互方向以及绝缘体的介电常数。当空间电荷Q 聚集在由此形成的电容上时，两个导体之间的电压为：V=Q/C.如果由于机械原因导致两个导体的相互位置发生变化，则电容C 发生变化，电容两端的电压也发生变化。
克服颤噪效应的有效方法是避免关键电路元件（包括）电缆发生机械振动，此外降低携带微弱信号的稳压电压（从而减少了Q ）也能缓解颤噪效应产生的噪声。
3.6 电化学噪声
电路板清理得不好，某些电化学物质的污染与湿气混合就有可能形成电解液，与其接触的电路中的不同金属就可能构成一个电化学电池。例如，印制电路板上的铜箔、焊锡以及没有清理掉的焊剂有可能形成这样的电池。通过彻底清洁电路板，并用防潮涂料处理覆盖电路板，可以有效的缓解甚至克服电化学噪声问题。
3.7 触点噪声
接触不良的插头插座、开关触点以及焊接不良的焊点会导致触电噪声。机械振动会使这些不良触点的接触电阻发生变化，温度变化会使触点膨胀或收缩，也会导致接触电阻发生变化。当电流流过变化的接触电阻时，也会形成噪声电压。
3.8 干扰噪声的频谱分布
4 LDO 中噪声的等效方法
集成电路内部产生的噪声,需要等效到输出端或者是输入端,以便于衡量不同电路之间的噪声性能。对LDO 而言,一般将芯片内部模块产生的噪声等效到输出端,可以通过以下方法实现等效,首先将各个模块产生的噪声等效到误差放大器的差分输入端,然后将误差放大器的等效输入噪声乘以闭环增益后等效到输出端。例如,负载管产生的噪声除以误差放大器的增益,就可以等效到误差放大器的输入端,由于误差放大器的增益在60dB 以上,所以虽然负载管的面积较大,会产生大的噪声,但是经过高增益的误差放大器衰减后就可以忽略不计。
图2 LDO 中的噪声源
图2是LDO 中噪声源示意图,V 2n,BG 表示带隙基准的噪声功率谱密度函数,V 2n,EA 表示误差
放大器自身的噪声功率谱密度函数,V 2n,R1和V 2n,R2分别表示电阻R1和R2的噪声功率谱密度
函数。由于电阻R1的一端连在输出端,另一端与输入端相连,反馈电阻网络对LDO 等效输出噪声功率谱密度函数的贡献可以直接用下式表示:
2222,,1,21()2
n R n R n R R V V V R =+? (7) 带隙基准和误差放大器对LDO 等效输出噪声功率谱密度函数的贡献为:
2222,,,,()n BG EA closeloop n BG n EA V A V V =?+
(8)
在实际应用中,我们关心的是某一频率范围内总的噪声功率,大多数系统中信号处理的带宽在10Hz 到100kHz 之间。因此,我们感兴趣的是LDO 在该频率范围内的噪声特性。因此,LDO 的等效输出噪声功率可以用式(9)表示: 1002
22,,,,10()K
n out n BG EA n R V V V df =
+? (9)
5 减小LDO 输出噪声的方法
LDO 输出端包含两部分噪声,一部分来自于LDO 输入端,由前级电路输入;另外一部分来自于LDO 内部电路本身。传统LDO 结构中,噪声主要来自于电压基准,误差放大器和反馈电阻网络,其中来自于电压基准的噪声占大部分。
从基本原则出发，抗干扰措施如下：
5.1 抑制干扰源
抑制干扰源就是尽可能的减小干扰源的du/dt ，di/dt 。这是抗干扰设计中最优先考虑和最重要的原则。减小干扰源的du/dt 主要是通过在干扰源两端并联电容来实现。减小干扰源的 di/dt 则是在干扰源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现。
可以用在该电路中抑制干扰源的常用措施如下：
（1）电路板上每个IC 要并接一个0.01μF ～0.1μF 高频电容，以减小IC 对电源的影响。注意高频电容的布线，连线应靠近电源端并尽量粗短，否则，等于增大了电容的等效串联电阻，会影响滤波效果。
（2）布线时避免90度折线，减少高频噪声发射。
5.2 切断干扰传播路径
按干扰的传播路径可分为传导干扰和辐射干扰两类。高频干扰噪声和有用信号的频带不同，可以通过在导线上增加滤波器的方法切断高频干扰噪声的传播，有时也可加隔离光耦来解决。辐射干扰一般的解决方法是增加干扰源与敏感器件的距离，用地线把它们隔离和在敏感器件上加蔽罩。
切断干扰传播路径的常用措施如下：
（1）充分考虑电源对单片机的影响。给单片机电源加滤波电路或稳压器，以减小电源噪声对单片机的干扰。比如，可以利用磁珠和电容组成π形滤波电路，当然条件要求不高时也可用100Ω电阻代替磁珠。
（2）注意晶振布线。晶振与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来，晶振外壳接地并固定。
（3）电路板合理分区，如强、弱信号，数字、模拟信号。尽可能把干扰源继电器）与敏感元件远离。
（4）用地线把数字区与模拟区隔离，数字地与模拟地要分离，最后在一点接于电源地。A/D 、D/A 芯片布线也以此为原则，厂家分配A/D 、D/A 芯片引脚排列时已考虑此要求。
（5）在单片机I/O 口，电源线，电路板连接线等关键地方使用抗干扰元件如磁珠、磁环、电源滤波器，屏蔽罩，可显著提高电路的抗干扰性能。
5.3 提高敏感器件的抗干扰性能
提高敏感器件抗干扰性能的常用措施如下：
（1）布线时尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声。
（2）布线时，电源线和地线要尽量粗。除减小压降外，更重要的是降低耦合噪声。
（3）对于该电路设计应用到的单片机闲置的I/O 口，不要悬空，要接地或接电源。其它IC 的闲置端在不改变系统逻辑的情况下接地或接电源。
（4）在速度能满足要求的前提下，尽量降低单片机的晶振和选用低速数字电路。
从主要手段出发，常用的方法是屏蔽、接地和滤波。
5.4 接地
在电路系统设计中应遵循"一点接地"的原则，如果形成多点接地，会出现闭合的接地环路，当磁力线穿过该回路时将产生磁感应噪声，实际上很难实现"一点接地"。因此，为降低接地阻抗，消除分布电容的影响而采取平面式或多点接地，利用一个导电平面作为参考地，需要接地的各部分就近接到该参考地上。为进一步减小接地回路的压降，可用旁路电容减少返回电流的幅值。
在实际电路系统中，要避免低频电路、高频电路、数字电路、模拟电路、小功率电路、强功率电路共用地线，应分别将单独连接后，再连接到公共参考点上。同类型电路可以串联单点接地，不同类型并联单点接地。
5.5 屏蔽和隔离
采用屏蔽技术可以有效地抑制电磁辐射干扰，即用电导率良好的材料对电场屏蔽，用磁导率高的材料对磁场屏蔽。屏蔽有两个目的，一是限制内部辐射的电磁能量泄漏出该内部区域，二是防止外来的辐射干扰进入该内部区域。
5.5.1 电场耦合的屏蔽和抑制技术
造成电场耦合干扰的原因是两根导线之间的分布电容产生的耦合。最简单的方法是采用远离技术：弱信号线要远离强信号线敷设，同时避免平行走线也很有效。克服电场耦合干扰最有效的方法是屏蔽。因为放置在空心导体或者金属网内的物体不受外电场的影响。
5.5.2 磁场耦合的抑制技术
抑制磁场耦合干扰的好办法应该是屏蔽干扰源。大电机、电抗器、磁力开关和大电流载流导线等等都是很强的磁场干扰源。但把它们都用导磁材料屏蔽起来，在工程上是很难做到的。
如金属和铁之类导磁率高的材料才能在极低频率下达到较高屏蔽效率。这些材料的导磁率会随着频率增加而降低，另外如果初始磁场较强也会使导磁率降低，还有就是采用机械方法将屏蔽罩作成规定形状同样会降低导磁率。
在高频电场下，采用薄层金属作为外壳或内衬材料可达到良好的屏蔽效果，但条件是屏蔽必须连续，并将敏感部分完全遮盖住，没有缺口或缝隙。然而在实际中要制造一个无接缝及缺口的屏蔽罩是不可能的，由于屏蔽罩要分成多个部分进行制作，因此就会有缝隙需要接合，另外通常还得在屏蔽罩上打孔以便安装与插卡或装配组件的连线，制造、面板连线、通风口、外部监测窗口以及面板安装组件等都需要在屏蔽罩上打孔，从而大大降低了屏蔽性能。所以，通常是采用一些被动的抑制技术。要有效抑制磁场耦合干扰，仍然是远离技术。同时，也要避免平行走线。
5.5.3 隔离
电源隔离：数字模拟电路、小功率大功率电路电源独立，不可直接公地，电气连接处可采用光耦连接。
IO隔离：采用光耦隔离。
空间隔离：远离干扰源或用网罩屏蔽。
采用光耦隔离具有以下优点：可以将两部分浮置，去掉公共地线，解决噪声电压的串扰，还可以解决驱动和阻抗匹配的问题。
5.6 滤波
滤波是抑制传导干扰的有效方法。在滤波电路中，采用很多专用的滤波元件，如穿心电容器、三端电容器、铁氧体磁环，它们能够改善电路的滤波特性。安装滤波器时应注意以下几点：
①电源线路滤波器应安装在离设备电源入口尽量靠近的地方，不要让未经过滤波器的电源线 在设备框内迂回；
②滤波器中的电容器引线应尽可能短，以免因引线感抗和容抗在较低频率上谐振；
③滤波器的接地导线上有很大的短路电流通过，会引起附加的电磁辐射，故应对滤波器元件 本身进行良好的屏蔽和接地处理；
④滤波器的输入和输出线不能交叉，否则会因滤波器的输入―输出电容耦合通路引起串扰， 从而降低滤波特性，通常的办法是输入和输出端之间加隔板或屏蔽层。
5.7 改变LDO 的电路结构
在超低噪声LDO 设计中,要求输出噪声电压为几十微伏,难以采用传统的LDO 电路结构来实现,需要改变电路结构来满足设计要求。图3是一种超低噪声LDO 电路结构,采用了一种预稳压加低通滤波的方法来实现低噪声设计,采用这种结构设计的LDO 在10Hz 到100kHz 之间的输出噪声为10uV 。图中虚线框内是预稳压模块,LDO 的输出电压由该模块产生。R 、C 构成一阶低通滤波,滤除预稳压模块产生的噪声。误差放大器和调整管构成一个三级运放,接成单位增益负反馈形式,因此LDO 输出电压为:
2R1(1+)2OUT REF V V V R == (10)
图3 超低噪声LDO 电路结构
采用这种结构可以将带隙基准和反馈电阻网络产生的噪声全部滤除掉(滤波器截止频率极低
的情况下)。假设V 2n,EA2是第二级误差放大器自身的噪声功率。预稳压模块输出端噪声功率
密度函数V 2n,v1经过R 、C 滤波器作用后变成:
222,2,11()1n v n v V V sRC =+ (11)
由于LDO 输出端接成单位增益负反馈形式,其闭环增益为1,因此第二级误差放大器的等效输入噪声功率就是LDO 的输出噪声功率,可以表示为: 1002
22,,2,210()k
n OUT n EA n V V V V df =
+? (12)
将式(11)代入(12)就可以到完整的LDO 输出噪声功率表达式:
1002
222,,2,1101[()]1k
n OUT n EA n V V V V df sRC
=
++? (13) 式(13)的积分上下限是100kHz 和10Hz,如果将滤波器截止频率(1/2лRC)设计成低于10Hz,则
可以将噪声V 2n,v1全部滤除掉,LDO 的输出噪声功率变成:
1002
2,,210()k
n OUT n EA V V df =
? (14)
式(14)中只包含了第二级误差放大器自身的噪声功率,因此采用这种结构可以大幅度降低输出噪声。
5.8 设计低噪声带隙基准
目前流行的带隙基准结构有两种,第一种是先产生PTAT(与绝对温度成正比)电流, 再通过电阻将电流转换成电压,然后与双极型晶体管的V BE 相加,最终获得与温度无关的基准电压,称之为PTAT 电流带隙基准,如图4是所示。第二种是通过运放完成VBE 和ΔVBE 的加权相加,在运放的输出端产生与温度无关的基准电压,称之为运放输出端带隙基准,如图5所示。
图4 PTAT 电流带隙基准
图5 运放输出端带隙基准
对一款LDO 芯片的输出噪声进行优化,重新设计低噪声带隙基准来降低LDO 输出噪声,该款LDO 原先的带隙基准采用图5的结构。为了比较两种带隙基准结构噪声特性,先将带隙基准内部电路产生的噪声等效到运放的输入端, 然后再乘以运放输入端到基准输出端之间的增益得到等效输出噪声。如果两种结构使用相同的运放,由于运放输出端带隙基准的闭环增益大于PTAT 电流带隙基准的系统增益,所以前者的等效输出噪声大于后者。对比两种结构的噪声特性后,重新设计的带隙基准结构采用PTAT 电流带隙基准。
5.8.1 低噪声带隙基准电路
图6是PTAT 带隙基准电路图,图中M0、M1、M2、M3、M4构成差动放大器,M5、M6、M7的W/L 之比是1︰1︰M,Q1和Q2的晶体管数目之比为n ︰1,输出基准电压是: ,32ln()1
REF BE Q T R V V M n V R =+??? (15)
当Mln(n)R2/R1=17.2时,可以在300K时获得零温度系数电压,大小为1.2V左右。
图6 带隙基准电路图
5.8.2 低噪声带隙基准仿真
对5.8.1节所设计的带隙基准进行仿真验证,带隙基准中一个重要的指标是输出基准电压随温度的变化,图7是温度从-40℃到120℃之间变化时,输出基准电压的变化曲线,温漂系数为20.1X10-6/℃。
图7基准电压变化曲线
图8 带隙基准噪声频谱图
图8是带隙基准输出噪声频谱,图中优化前的曲线是由原带隙基准产生的噪声频谱曲线,优化后的曲线是重新设计的带隙基准噪声频谱曲线。对比图中的两条曲线可以发现重新设计的带隙基准低频噪声大幅减小,闪烁噪声的转角频率从100H z左右下降到10Hz左右,低频闪烁噪声得到大幅改善。10Hz到100kHz之间的输出噪声电压从原来的288uV,减小到99uV。
2012年TI杯四川省大学生电子设计竞赛 微弱信号检测装置（A题） 【本科组】
微弱信号检测装置（A题） 【本科组】 摘要：本设计是在强噪声背景下已知频率的微弱正弦波信号的幅度值，采用TI公司提供的LaunchPad MSP430G2553作为系统的数据采集芯片，实现微弱信号的检测并显示正弦信号的幅度值的功能。电路分为加法器、纯电阻分压网络、微弱信号检测电路、以及数码管显示电路组成。当所要检测到的微弱信号在强噪音环境下，系统同时接收到函数信号发生器产生的正弦信号模拟微弱信号和PC机音频播放器模拟的强噪声，送到音频放大器INA2134，让两个信号相加。再通过由电位器与固定电阻构成的纯电阻分压网络使其衰减系数可调（100倍以上），将衰减后的微弱信号通过微弱信号检测电路，检测电路能实现高输入阻抗、放大、带通滤波以及小信号峰值检测，检测到的电压峰值模拟信号送到MSP430G2553内部的10位AD 转换处理后在数码管上显示出来。本设计的优点在于超低功耗 关键词：微弱信号MSP430G2553 INA2134 一系统方案设计、比较与论证 根据本设计的要求，要完成微弱正弦信号的检测并显示幅度值，输入阻抗达到1MΩ以上，通频带在500Hz~2KHz。为实现此功能，本设计提出的方案如下图所示。其中图1是系统设计总流程图，图2是微弱信号检测电路子流程图。 图1系统设计总流程图 图2微弱信号检测电路子流程图
1 加法器设计的选择 方案一：采用通用的同相/反相加法器。通用的加法器外接较多的电阻，运算繁琐复杂，并且不一定能达到带宽大于1MHz，所以放弃此种方案。 方案二：采用TI公司的提供的INA2134音频放大器。音频放大器内部集成有电阻，可以直接利用，非常方便，并且带宽能够达到本设计要求，因此采用此方案。 2 纯电阻分压网络的方案论证 方案一：由两个固定阻值的电阻按100:1的比例实现分压，通过仿真效果非常好，理论上可以实现，但是用于实际电路中不能达到预想的衰减系数。分析：电阻的标称值与实际值有一定的误差，因此考虑其他的方案。 方案二：由一个电位器和一个固定的电阻组成的分压网络，通过改变电位器的阻值就可以改变其衰减系数。这样就可以避免衰减系数达不到或者更换元器件的情况，因此采用此方案。 3 微弱信号检测电路的方案论证 方案一：将纯电阻分压网络输出的电压通过反相比例放大电路。放大后的信号通过中心频率为1kHz的带通滤波器滤除噪声。再经过小信号峰值电路，检测出正弦信号的峰值。将输出的电压信号送给单片机进行A/D转换。此方案的电路结构相对简单。但是，输入阻抗不能满足大于等于1MΩ的条件，并且被测信号的频率只能限定在1kHz，不能实现500Hz~2KHz 可变的被测信号的检测。故根据题目的要求不采用此方案。 方案二：检测电路可以由电压跟随器、同相比例放大器、带通滤波电路以及小信号峰值检测电路组成。电压跟随器可以提高输入阻抗，输入电阻可以达到1MΩ以上，满足设计所需；采用同相比例放大器是为了放大在分压网络所衰减的放大倍数；带通滤波器为了选择500Hz～2KHz的微弱信号；最后通过小信号峰值检测电路把正弦信号的幅度值检测出来。这种方案满足本设计的要求切实可行，故采用此方案。 4 峰值数据采集芯片的方案论证 方案一：选用宏晶公司的STC89C52单片机作为。优点在于价格便宜，但是对于本设计而言，必须外接AD才能实现，电路复杂。
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
微弱信号检测装置 摘要：本设计是在强噪声背景下已知频率的微弱正弦波信号的幅度值，采用TI公司提供的LaunchPad MSP430G2553作为系统的数据采集芯片，实现微弱信号的检测并显示正弦信号的幅度值的功能。电路分为加法器、纯电阻分压网络、微弱信号检测电路、以及数码管显示电路组成。当所要检测到的微弱信号在强噪音环境下，系统同时接收到函数信号发生器产生的正弦信号模拟微弱信号和PC机音频播放器模拟的强噪声，送到音频放大器INA2134，让两个信号相加。再通过由电位器与固定电阻构成的纯电阻分压网络使其衰减系数可调（100倍以上），将衰减后的微弱信号通过微弱信号检测电路，检测电路能实现高输入阻抗、放大、带通滤波以及小信号峰值检测，检测到的电压峰值模拟信号送到MSP430G2553内部的10位AD 转换处理后在数码管上显示出来。本设计的优点在于超低功耗 关键词：微弱信号MSP430G2553 INA2134 一系统方案设计、比较与论证 根据本设计的要求，要完成微弱正弦信号的检测并显示幅度值，输入阻抗达到1MΩ以上，通频带在500Hz~2KHz。为实现此功能，本设计提出的方案如下图所示。其中图1是系统设计总流程图，图2是微弱信号检测电路子流程图。 图1系统设计总流程图 图2微弱信号检测电路子流程图 1 加法器设计的选择 方案一：采用通用的同相/反相加法器。通用的加法器外接较多的电阻，运算繁琐复杂，并且不一定能达到带宽大于1MHz，所以放弃此种方案。
方案二：采用TI公司的提供的INA2134音频放大器。音频放大器内部集成有电阻，可以直接利用，非常方便，并且带宽能够达到本设计要求，因此采用此方案。 2 纯电阻分压网络的方案论证 方案一：由两个固定阻值的电阻按100:1的比例实现分压，通过仿真效果非常好，理论上可以实现，但是用于实际电路中不能达到预想的衰减系数。分析：电阻的标称值与实际值有一定的误差，因此考虑其他的方案。 方案二：由一个电位器和一个固定的电阻组成的分压网络，通过改变电位器的阻值就可以改变其衰减系数。这样就可以避免衰减系数达不到或者更换元器件的情况，因此采用此方案。 3 微弱信号检测电路的方案论证 方案一：将纯电阻分压网络输出的电压通过反相比例放大电路。放大后的信号通过中心频率为1kHz的带通滤波器滤除噪声。再经过小信号峰值电路，检测出正弦信号的峰值。将输出的电压信号送给单片机进行A/D转换。此方案的电路结构相对简单。但是，输入阻抗不能满足大于等于1MΩ的条件，并且被测信号的频率只能限定在1kHz，不能实现500Hz~2KHz 可变的被测信号的检测。故根据题目的要求不采用此方案。 方案二：检测电路可以由电压跟随器、同相比例放大器、带通滤波电路以及小信号峰值检测电路组成。电压跟随器可以提高输入阻抗，输入电阻可以达到1MΩ以上，满足设计所需；采用同相比例放大器是为了放大在分压网络所衰减的放大倍数；带通滤波器为了选择500Hz～2KHz的微弱信号；最后通过小信号峰值检测电路把正弦信号的幅度值检测出来。这种方案满足本设计的要求切实可行，故采用此方案。 4 峰值数据采集芯片的方案论证 方案一：选用宏晶公司的STC89C52单片机作为。优点在于价格便宜，但是对于本设计而言，必须外接AD才能实现，电路复杂。 方案二：采用TI公司提供的MSP430G2553作为控制芯片。由于MSP430G2553资源配置丰富，内部集成了10位AD，可以直接使用，简化电路，程序实现简单。此外还有低功耗，以及性价比高等优点，所以采用该方案。 5 显示电路的方案设计 方案一：采用液晶显示器作为显示电路，液晶显示器显示内容较丰富，可以显示字母数
第26卷第6期2013年6月 传感技术学报 CHINESE JOURNAL OF SENSORS AND ACTUATORS Vol.26 No.6Jun.2013 项目来源:贵州大学研究生创新基金项目(理工2012013)收稿日期:2013-03-19 修改日期:2013-05-06 The Design of Weak Signal Detection System in Strong Magnetic Field * LIU Wenjing ,WANG Minhui *,WANG Yalin ,HU Lanzi (Electrical Engineering College of Guizhou University ,Guiyang 550025,China ) Abstract :In order to measure the electric current of busbar ,a measuring device is designed to provide a reference for busbar configuration.This device is based on INA114which is an operational amplifier circuit with high precision and processor S3C2440of ARM.Weak voltage signal and temperature signal can be detected under the strong magnetic field by the detecting system.The characteristic feature and the adverse effects of the strong magnetic field are introduced ,and the characteristics of hardware ,software ,Anti?interference measures are also analyzed.We use the way of power spectral estimation to confirm the signal information of the frequency ,which is proved validity by LabVIEW simulation result.According to the signal frequency ,a low pass filter is designed in the hardware.Finally ,the test data proves that the accuracy of the system can be within 5%.In strong magnetic field the device can collect data once per second and track the change of the current in time. Key words :weak signal detection ;strong magnetic field ;busbar current ;detection circuit ;power spectral estimation ;anti?interference measure EEACC :6140 doi :10.3969/j.issn.1004-1699.2013.06.022强磁场下微弱信号检测系统设计 * 刘文静,王民慧*,汪亚霖,胡兰子 (贵州大学电气工程学院,贵阳550025) 摘 要:为获知母线电流的分布情况,给母线配置提供参考,设计了一个以高精度运放INA114和RAM 处理器S3C2440为基 础的检测装置,使其在强磁场环境下能完成微小电压和温度信号的测量三阐述了强磁场环境的特点和影响,重点分析了系统的硬件构成,软件设计和系统所采取的抗干扰措施三其中,硬件设计采用了功率谱估计的方法确定信号频段,通过Labview 的仿真实验验证了该方法的可行性,并以该频段信息为参考依据设计了低通滤波器三最后,通过试验数据证明了该系统的可靠性,其测量误差小于5%,且在强磁场环境下能实现每秒采集一次数据,实时跟踪电流变化的功能三 关键词:微弱信号检测;强磁场环境;母线电流;检测电路;功率谱估计;抗干扰措施 中图分类号:TP274 文献标识码:A 文章编号:1004-1699(2013)06-0865-06 众所周知,铝电解槽的电场二磁场和流场的稳定直接决定了电解槽的运行情况[1],而运行稳定的电解槽又有利于降低运行电压,达到节能减排的要求三但是,如果母线配置存在缺陷将会导致阴极电流的分布不均,从而无法降低运行电压三刘升[2]在对 300kA 系列电解槽的母线优化改造的研究中,主要以母线电流分布作为参考依据来发现缺陷,通过修正母线电阻来达到从新分配电流的目的三改造后,修正了母线电流的分布偏差,且吨铝省电超过200kWh ,达到了节能的效果三该研究表明,对母线电流 分布的在线监控,可以分析母线配置是否存在缺陷,从而指导电解槽的运行和维护三周萍[3]通过对不同进电方式的电解槽进行了研究,并得出结论:电解槽的进电方式直接影响了槽内熔体的运动三贺志辉[4]对不同进线点的母线配置和母线补偿技术进行了研究,研究表明:进线点数较多以及适当使用母线补偿技术可以有效的降低影响电解生产的垂直磁场强度三对于铝电解工业,电解槽内产生的磁场是直接影响磁流体运动的主要原因之一,磁场不稳定会引起磁流体的强烈扰动[5],从而威胁安全生产三
LDO 低输出噪声的分析与优化设计 1 LDO 的典型结构 LDO 的典型结构如下图所示,虚线框内为LDO 芯片内部电路,它是一个闭环系统,由误差放大器(Error amplifier)、调整管(Pass device)、反馈电阻网络(Feedback resistor network)组成,其闭环增益是: OUT REF V Acloseloop V = (1) 此外,带隙基准电压源 ( Bandgap reference)为误差放大器提供参考电压。 LDO 的工作原理是：反馈电阻网络对输出电压进行分压后得到反馈电压,该电压输入到误差放大器的同相输入端。误差放大器放大参考电压和反馈电压之间的差值, 其输出直接驱动调整管,通过控制调整管的导通状态来得到稳定的输出电压。例如,当反馈电压小于基准电压时,误差放大器输出电压下降,控制调整管产生更大的电流使得输出电压上升。当误差放大器增益足够大时,输出电压可以表示为： R1(1+)R2 OUT REF V V = (2) 所谓基准电压源就是能提供高精度和高稳定度基准量的电源，这种基准源与电源、工艺参数和温度的关系很小，其原理是利用PN 结电压的负温度系数和不同电流密度下两个PN 结电压差的正温度系数电压相互补偿，而使输出电压达到很低的温度漂移。传统基准电压源是基 于晶体管或齐纳稳压管的原理而制成的，其αT =10-3/℃~10-4/℃，无法满足现代电子测量之 需要。20世纪70年代初，维德拉(Widlar)首先提出能带间隙基准电压源的概念，简称带隙(Bandgap)电压。所谓能带间隙是指硅半导体材料在0K 温度下的带隙电压，其数值约为 1.205V ，用U go 表示。带隙基准电压源的基本原理是利用电阻压降的正温漂去补偿晶体管发射结正向压降的负温漂，从而实现了零温漂。由于未采用工作在反向击穿状态下的稳压管，因而噪声电压极低。带隙基准电压源的简化电路如下图所示。
目录 摘要 (1) Abstract (1) 第一章绪论 (2) 1.1 微弱信号检测技术概述 (2) 1.2 信号检测的方法及微弱信号的特点 (2) 1.2.1 常规小信号的检测方法 (2) 1.2.2 微弱信号的检测方法 (4) 1.2.3 微弱信号的特点 (4) 1.3 本文的主要工作 (5) 第二章微弱信号检测装置设计方案选择与论证 (6) 2.1 方案选择与论证 (6) 2.1.1 系统方案的确定 (6) 2.1.2移相网络设计 (9) 2.2总体方案论述 (9) 第三章基于锁相放大的微弱信号检测装置设计 (10) 3.1 锁相放大器原理 (10) 3.2 移相网络 (10) 3.3 相敏检波器原理分析 (11) 3.4 电路设计 (12) 3.4.1加法器 (12) 3.4.2纯电阻分压网络 (12) 3.4.3前级放大电路模块 (13) 3.4.4带通滤波器 (13) 3.4.5相敏检波器 (13) 第四章仿真分析与程序设计 (16) 4.1 仿真分析 (16) 4.1.1 输入信号波形（前置两级放大电路输入波形） (16) 4.1.2 经过前置放大电路和带通滤波器后输出波形 (16) 4.1.3 参考信号输入输出波形 (17) 4.1.4 LM311过零比较器输出波形 (18) 4.1.5 开关乘法器输出波形 (18) 4.1.6 低通滤波输出波形 (19) 4.2 程序设计 (20) 第五章实物展示与测试方案及结果 (21) 5.1 实物展示 (21) 5.2 测试方案与测试结果 (21) 5.2.1 测试仪器 (21) 5.2.2 测试方案 (21) 5.3测试结果及分析 (23) 5.4 总结 (23)
《微弱信号检测与放大》 摘要：微弱信号常常被混杂在大量的噪音中 ,改善信噪比就是对其检测的目的，从而恢复信号的幅度。因为信号具备周期性、相关性,而噪声具有随机性，所以采用相关检测技术时可以把信号中的噪声给排除掉。在微弱信号检测程中，一般是通过一定的传感器将许多非电量的微小变化变换成电信号来进行放大再显示和记录的。由于这些微小变化通过传感器转变成的电信号也十分微弱，可能是VV甚至V或更少。对于这些弱信号的检测时，噪声是其主要干扰，它无处不在。微弱信号检测的目的是利用电子学的、信息论的和物理学的方法分析噪声的原因及其统计规律研究被检测量信号的特点及其相干性利用现代电子技术实现理论方法过程，从而将混杂在背景噪音中的信号检测出来。 关键词：微弱信号；检测；放大；噪声 1前言 测量技术中的一个综合性的技术分支就是微弱信号检测放大，它利用电子学、信息论和物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特征和相关性，检出并恢复被背景噪声掩盖的微弱信号。这门技术研究的重点是如何从强噪声中提取有用信号，从而探索采用新技术和新方法来提高检测输出信号的信噪比。 微弱信号检测放大目前在理论方面重点研究的内容有： a.噪声理论和模型及噪声的克服途径； b.应用功率谱方法解决单次信号的捕获； c.少量积累平均，极大改善信噪比的方法； d.快速瞬变的处理； e.对低占空比信号的再现； f.测量时间减少及随机信号的平均； g.改善传感器的噪声特性； h.模拟锁相量化与数字平均技术结合。 2.微弱信号检测放大的原理 微弱信号检测技术就是研究噪声与信号的不同特性，根据噪声与信号的这些特性来拟定检测方法，达到从噪声中检测信号的目的。微弱信号检测放大的关键在于抑制噪声恢复、增强和提取有用信号即提高其信噪改善比SNIR 。根据下式信噪改善比（SNIR）定义
利用相关法进行微弱信号检测
目录 引言 (1) 1、基本理论 (1) 1、1相关函数及其性质 (1) 1、1、1自相关函数及其性质 (1) 1、1、2互相关函数及其性质 (2) 1、2相关法恢复谐波信号 (2) 2、相关法Matlab实现 (3) 2、1信号图 (3) 2、2相关法恢复谐波噪声的程序： (4) 3、实例：用相关分析法确定深埋地下的输油管裂损位置 (7) 3、1程序 (8) 3、2信号图 (8) 3、3小结 (8)
引言 微弱信号检测技术是近年来迅速发展起来的，运用结合电子学、信息论和物理学方法的一种信号处理技术。微弱信号检测通过分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号和噪声的统计性及其特异性，并采用一系列的信号处理电路或方法，检测出被背景噪声覆盖的微弱信号。目前微弱信号检测技术被广泛应用于医疗行业的疾病诊断、军事国防的侦探和定位、农业中的智能果园以及病虫害防治、工业中的自动控制等领域。传统的微弱信号检测与处理方法是使用放大电路和滤波电路对被测信号进行放大和滤波处理，但是被测信号经放大器进行放大的同时噪声也被放大，致使获取的信号信噪比较低，因而传统的检测技术无法实现对微弱信号的检测。 在实际应用中常见的微弱信号检测方法有：锁定放大、取样积分、相关算法、自适应等。本文将采用相关算法中函数的自相关与互相关进行去噪。相关检测利用相关原理，通过自相关和互相关运算, 找出信号两部分之间或两个信号之间的关系并根据相关性进行检测和提取。利用相关检测技术, 可以判断随机信号中是否含有周期分量进行弱信号提取和速度测量等。恢复被噪声污染的信号要比检测噪声中已知信号的有无更为复杂。如果被噪声覆盖的信号只出现了一次，而不是重复出现，那么取样积分和数字式平均方法就不能用来恢复信号，在这种情况下，相关方法就显得有用。 1、基本理论 期望、方差是信号的常用特征量, 但是它们描述的只是信号在某一个时刻之前的所有时刻的统计特性, 而不能反映出不同时刻各数值之间的内在联系。2个平稳随机信号虽然具有相同的期望和方差, 但它们之间的变化规律可能存在较大的差别, 如一个信号随时间变化缓慢, 在不同时刻的取值关系密切, 相关性强; 而另一个信号随时间变化剧烈, 在不同时刻的取值关系松散, 相关性弱。此时, 就要用到信号的另一个重要特征量, 即相关函数。 1、1相关函数及其性质 1、1、1自相关函数及其性质 自相关函数描述了信号本身在一个时刻的瞬时值与另一个时刻的瞬时值之间的依赖关系。在信息分析中，通常将自相关函数称之为自协方差方程。 用来描述信息在不同时间的，信息函数值的相关性。白噪声，自相关函数=0 假设x(t) 是某个各态历经平稳随机过程的一个样本, 为了估计x(t) 在t 时刻的取值和在t+τ时刻取值联系的紧密性, 可以在观察时间T 上对2个取值的乘积作平均运算, 然后取极限就可以得到x(t) 的自相关函数 /2 /2 ()()()1 T T R x t x t dt Lim T ττ-=-?
微弱信号检测 课程论文 题目数字滤波技术的研究 学生姓名 学号 院系 专业 指导教师 二ＯＯ九年十二月三十一日
数字滤波技术的研究 摘要：阐述了数字滤波技术的概念和特点，探讨了算术平均值法、积分平均值法、加权算术平均法、中值滤波法、滑动平均值法以及限幅滤波法等几种常用的数字滤波技术。 关键词：数字滤波技术；特点；常用方法。 一、概述 在信号的检测与处理过程中，干扰信号经常会使系统不稳定，有时甚至能带来严重的后果。如果要消除干扰，可用数字字滤波技术对信号进行处理。数字滤波技术是指在软件中对采集到的数据进行消除干扰的处理。一般来说，除了在硬件中对信号采取抗干扰措施之外, 还要在软件中进行数字滤波的处理, 以进一步消除附加在数据中的各式各样的干扰, 使接收到的信号能够真实地反映传递信息的实际情况。 二、数字滤波技术的特点 对于一般的测量仪器, 检测现场传感器所测到的信号不可避免地要混杂一些干扰信号, 尤其在长线传输时更是如此, 在模拟控制系统中, 都是由硬件组成各种各样的滤波器滤除干扰。在数字控制系统里, 除一些必要的硬件滤波器外, 很多滤波任务可由数字滤波器来承担, 数字滤波器实质上是一种数字处理方法, 是由程序实现的数学运算。数字滤波又称软件滤波。数字滤波在数字控制系统里得到成功的应用, 因为与硬件滤波相比, 数字滤波有很多优点。 数字滤波是对数字进行滤波, 因此它不仅适用于测量仪器的现场测量, 也同样适用于其它用到数据处理的领域, 如图象信息, 地形地貌信息等庞大数据的数据处理。 数字滤波的优点是 1. 数字滤波器是由程序实现的, 不需增加硬设备, 且可以多个输人通道共用, 因而成本低。 2. 由于数字滤波是由程序实现的, 不需硬设备, 因而可靠性高, 稳定性好, 同时不存在阻 抗匹配的问题。 3. 使用灵活, 修改方便。 如果在某个回路要更换滤波器, 若采用更换硬件的方法就要更换器件或设备, 更换费用高且很麻烦, 而采用数字滤波的方法只需调用另一个滤波子程序即可。若要更改滤波器参数, 数字滤波器只需修改内存中的某个数据即可, 非常灵活。 4. 可以实现硬件滤波无法实现或难以实现的滤波任务。 以低通滤波器来说, 如果截止频率很低, 便要求滤波器的电阻和电容值很大, 电阻太大, 滤波器的稳定性差, 电容值大则体积大。但对数字滤波来说只是某几个参数不同比如时间常数, 实现起来很方便。另外有些滤波方法用硬件实现是很困难的, 但用数字滤波就很容易比如判断滤波。 三、几种常用的数字滤波方法 1. 算术平均值法
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/1214560582.html, 基于锁定放大器的微弱信号检测系统设计 作者：蒋碧波杨振国杨越 来源：《科技经济市场》2017年第04期 摘要：文章设计了一种基于锁定放大器的微弱信号检测系统，该系统以相敏检波器和单片机为核心，结合加法器、纯电阻分压网络、微弱信号检测电路和显示电路组成。测试表明，该系统可以有效地用于噪声淹没的微弱信号检测。 关键词：微弱信号；强噪声；相敏检波 0.概述 微弱信号检测技术综合利用电子、信息学、计算机技术和物理学方法，研究导致噪声的原因和规律，以及被测信号的相关性，将被噪声淹没的微弱有用信号检测出来。相较于生物芯片扫描法中扫描时间与检测灵敏度难以兼顾的缺点和微弱振动信号的谐波小波频域提取法的局限性来说，以锁定放大器为核心的微弱信号检测系统更有潜力。 用调制器将直流或渐变信号进行交流放大，可以避免噪声的不利影响；利用相敏检测器检测频率和相位，利用窄带低通滤波器来抑制高频噪声，大大提高了稳定性，这些优点使得该项技术具有更加广阔的应用前景。 1.锁定放大器的原理 锁定放大器由信号通道、参考通道、相敏检波器以及输出电路组成。其基本思想是将与被测信号相同频率和相位关系的参考信号作为基准信号，使得只有与被测信号本身以及与参考信号同频和同相的噪声分量有响应，其他频率的噪声被抑制，从而能提取出有用信号。若增加辅助前置放大器，锁相放大器增益可达220dB，能检测极微弱交流输入信号。锁定放大器输出为直流电压信号，且正比于输入信号幅度及被测信号与参考信号相位差。与一般的带通放大器不同，锁相放大器具有极强的抗噪声能力。 系统的核心相敏检波器（PSD）的本质功能是对两个信号之间的相位进行检波，只有当同频同相信号输入时，为全波整流且输出最大。 2.系统总体设计 本系统总体框图如图1所示，系统由接收信号预处理通道、参考信号预处理通道、相关器及输出电路组成，其中核心部件相关器，它包括开关乘法器和RC低通滤波器；其中加法器由同相放大电路构成，实现噪声与待测信号相加，使得信号淹没在噪声环境中，然后经过衰减器衰减约100倍，模拟接收方收到的信号，并送入以相敏检波器为核心的微弱信号检测电路。参
学校代码： 11059 学号： Hefei University 毕业设计（论文）BACH ELOR DISSERTATION 论文题目：基于PWM调制的微弱信号检测 学位类别：工学学士 年级专业： 作者姓名：孙悟空 导师姓名： 完成时间： 2015年5月8号
中文摘要 工程设计领域中在强噪声环境下对微弱信号的检测始终是个技术难点。因此，全面地去研究、分析微弱信号在时域、频域等方面的特点，以及微弱信号的检测技术，都非常重要且有意义的。 本文首先介绍了在电子设备中元器件内部因为载流粒子的运动及外部因素导致系统噪声产生的原理。阐述了在分析研究微弱信号的方法中，时域分析法是目前应用范围最为广泛的分析方法，比如短时Fourier、小波变换。在此基础上，本文从工程设计的角度重点分析了PWM技术检测微弱信号的原理及实现的方法。PWM检测技术是利用PWM脉冲对微弱信号的调制, 从而达到进行频谱搬移。最后，对于调制后的信号，本文中采用带通、全波整形以及低通等三种方式实现了对待调制信号的解调，并在解调端得到最终的解调信号。 在电路仿真方面本文给出了基于Multisim软件的系统电路仿真图。通过搭建各个模块然后利用仿真电路给出了系统调制解调的各个过程及波形图。利用示波器对系统调制、解调等模块的波形检测可以发现各个模块的信号波形与理论波形基本吻合，系统的设计满足对微弱信号检测的要求。 关键词:微弱信号检测；频谱搬移；PWM调制
Abstract The detection of weak signal in the field of engineering design is always a technical difficulty.. Therefore, it is very important and meaningful to study and analyze the characteristics of weak signal in time domain and frequency domain and the detection technology of weak signal.. In this paper, we first introduce the in Zhongyuan electronic equipment device for load flow particle's motion and external factors lead to system noise principle. In the research of weak signal analysis, time-domain analysis is the most widely used method, such as short time Fourier and wavelet transform.. On this basis, the paper analyzes the principle and the method of the weak signal detection from the angle of the engineering design from the point of view of the engineering design.. PWM detection technology is the use of PWM pulse modulation of the weak signal, so as to achieve the frequency shift. Finally, for modulated signals, this paper by band-pass, full wave shaping and low pass in three ways the treated signal modulation and demodulation, and the final demodulation signal at the end of the demodulation. In the circuit simulation, the paper presents the simulation chart of the system circuit based on Multisim.. By building each module and using the simulation circuit, the process and the waveform of the system modulation and demodulation are given.. Using the oscilloscope system modulation and demodulation module of waveform detection can be found that each module of signal waveform and theoretical waveforms are basically consistent, the design of the system meet the requirements of weak signal detection. .Keyword：Weak signal detection ；Frequency shift ；PWM detection
微弱信号检测学习总结报告 1本课程的基本构成 本课程目录： 第1章微弱信号检测与随机噪声 第2章放大器的噪声源和噪声特性 第3章干扰噪声及其抑制 第4章锁定放大 第5章取样积分与数字式平均 第6章相关检测 第7章自适应噪声抵消 本课程分为七章： 第一章主要介绍随机噪声的统计特性，是后续各章的理论基础。 第二章主要介绍电路内部固有噪声源及其特性，对各种有源器件的噪声性能进行分析，并阐述低噪声放大器设计中需要考虑的几个问题。 第三章介绍干扰噪声的来源、特点及各种耦合途径，并详细介绍屏蔽和接地对于各种干扰噪声的抑制作用，以及其他一些常用的抗干扰措施和微弱信号检测电路设计原则。 第四~七章分别为锁定放大、取样积分与数字式平均、相关检测、自适应噪声抵消，分别介绍这几种方法的理论基础、设计实现以及一些应用实例。 因此本课程<微弱信号检测）基本构成：微弱信号检测与随机噪声，放大器的噪声源和噪声特性、干扰噪声及其抑制、锁定放大、取样积分与数字式平均、相关检测、自适应噪声抵消。 2本课程研究的基本问题 微弱信号是相对背景噪声而言的，其信号幅度的绝对值很小、信噪比很低<远小于1）的一类信号。如果采用一般的信号检测技术，那么会产生很大的测量误差，甚至完全不能检测。微弱信号检测的主要目的是提高信噪比。微弱信号检测是测量技术中的一个综合性的技术分支，它利用电子学、信息论和物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特征和相关性，检出并恢复被背景噪声掩盖的微弱信号。微弱信号检测技术研究的重点是：如
何从强噪声中提取有用信号，探索采用新技术和新方法来提高检测系统输出信号的信噪比。 本课程<微弱信号检测）研究噪声的来源和统计特性，分析噪声产生的原因和规律，运用电子学和信号处理方法检测被噪声覆盖的微弱信号，并介绍几种行之有效的微弱信号检测方法和技术。 3学习本课程<微弱信号检测）后了解、掌握了哪些内容 通过对微弱信号这门课程的学习，我掌握的内容主要有以下几个方面： <1）了解了常规小信号检测的手段和方法，即滤波、调制放大与解调、零位法、反馈补偿法。 <2）掌握了随机噪声及其统计特征。 ①随机信号的概率密度函数 对于连续取值的随机噪声，概率密度函数(PDF>P(x>表示的是噪声电压x 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：＿＿＿＿＿＿＿ 学生姓名：＿＿＿＿＿＿ 学号：＿＿＿＿＿ 任课教师：＿＿＿＿＿＿＿ 微弱信号检测装置 摘要：本系统是基于锁相放大器的微弱信号检测装置，用来检测在强噪声背景下，识别出已知频率的微弱正弦波信号，并将其放大。该系统由加法器、纯电阻分压网络、微弱信号检测电路组成。其中加法器和纯电阻分压网络生成微小信号，微弱信号检测电路完成微小信号的检测。本系统是以相敏检波器为核心，将参考信号经过移相器后，接着通过比较器产生方波去驱动开关乘法器CD4066，最后通过低通滤波器输出直流信号检测出微弱信号。经最终的测试，本系统能较好地完成微小信号的检测。 关键词：微弱信号检测锁相放大器相敏检测强噪声 1系统设计 1.1设计要求 设计并制作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。整个系统的示意图如图1所示。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。图中A、B、C、D和E分别为五个测试端点。 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 MΩ。 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 ①当输入正弦波信号V S 的幅度峰峰值在20mV ~ 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扩展被测信号V S的频率范围，当信号的频率在500Hz ~ 2kHz范围内，检测并显示正弦波信号的幅度值，要求误差不超过5%。 ③进一步提高检测精度，使检测误差不超过2%。 ④其它（例如，进一步降低V S 的幅度等）。 基于DSP的微弱信号检测采集系统设计 通常所用的数据采集系统，其采样对象都为大信号，即有用信号幅值大于噪声信号。但在一些特殊的场合，采集的信号很微弱，其幅值只有几个μV，并且淹没在大量的随机噪声中。此种情况下，一般的采集系统和测量方法无法检测该信号。本采集系统硬件电路针对微弱小信号，优化设计前端调理电路，利用测量放大器有效抑制共模信号（包括直流信号和交流信号），保证采集数据的精度要求。针对被背景噪声覆盖的微弱小信号特性，采用简单的时域信号的取样积累平均方法，有利于减少算法实现难度。 DSP芯片因其具有哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的DSP指令、快速的指令周期等特点，使其适合复杂的数字信号处理算法。本系统采用TI公司的TMS320C542作为处理器，通过外部中断读取ADC数据，并实现取样累加平均算法。 1. 取样积累平均理论 微弱信号检测（Weak Signal Detection）是研究从微弱信号中提取有用信息的方法。通过分析噪声产生的原因和规律，利用被测信号的特点和相干性，检测被背景噪声覆盖的有用信号。常用的微弱信号检测方法有频域信号的相干检测、时域信号的积累平均、离散信号的计数技术、并行检测方法。其中时域信号积累平均是常用的一种小信号检测方法。 取样是一种频率压缩技术，将一个高重复频率信号通过逐点取样将随时间变化的模拟量，转变成对时间变化的离散量的集合，从而可以测量低频信号的幅值、相位或波形。时域信号的取样积累方法是在信号周期内将时间分成若干间隔，在这些时间间隔内对信号进行多次测量累加。时间间隔的大小取决于要求恢复信号的精度。某一点的取样值都是信号和噪声 微弱电流信号检测记录 (2012-02-14 11:19:12) 标签： 杂谈 目录 零、序 一、微弱电流测试器的指标 二、微弱电流测试所需要的条件 三、微弱电流计 四、高阻电阻 五、微弱电流计放大器的基本电路 六、微弱电流标准源 七、微弱电流计的测试 八、微弱电流测试仪器DIY汇总 九、微弱电流测试器DIY 十、改进与应用 二、微弱电流计放大器的基本电路 1、微弱电流放大的基本电路 弱电流的基本电路是反向放大器的形式，即I-V转换电路。先看一个实例， 来自ICH8500的数据表。 放大器接成典型的反向放大器，但没有输入电阻，其实是一个电流-电压变换器，并有几点不同： a、有保护（Guard，作用见下） b、反馈电阻Rfb非常大，为10的12次方欧姆，即1T c、有个反馈电容Cfb，用来与输入等效电容分压，提高响应时间。在一个实际采用ICH8500的电路板上，该电容采用了470pF的聚苯乙烯（反馈电阻用了30G） 反馈电阻Rf（或叫Rfb）的选择。这是一个关键元件，一方面取决于所要求的灵敏度和噪音，另一方面与其他元件和电阻的来源情况有关。 上述电路的Rfb非常大达到1T，因此1pA的输入电流就会引起1V的输出，即灵敏度是1V/pA，这样用2V的电压表，就可以实现满度2pA的微电流计，甚至可以用200mV的电压表事项满度200fA的超微电流计。 Rfb也与电流噪音密切相关，越大则理论噪音越小，很多静电计选100G，这样理论噪音极限大概是0.25fArms，而K642选择了1000G，噪音就更小 了。 当然，Rfb不能取得太大，因为运放的偏置电流Ib是完全流过这个电阻的，产生压降，也产生噪音、温度系数等弊病，所以Rfb要与运放匹配，最好Ib×Rfb小于满度输出的1%，至少<10%。否则，当没有输入的时候，Ib就要全部流过Rfb，1pA就产生了1V的假输出，这是不允许的。另一方面，大的电阻不仅价格贵、买不到，而且可能存在性能上的问题。从目前情况看，Rfb最大选择100G比较合适，除非你想PK吉时利，可以选1T或更大。 静电运放的选择，上面提到，最重要的参数就是Ib。要想做微电流测试，Ib必须选择小的。实际上。Ib总是存在的，也可以进行补偿、调零、抵消。当然，不如Ib小的好，因为Ib本身是很不稳定的，会带来电流噪音和，尤其是其温度系数很大，会在很大程度上干扰测试结果。 另一方面，运放的正负输入之间的失调电压Vos，多少也会影响准确测试。Vos，是直接叠加到输出信号上去的。假设Vos=10mV，那么本来是1V输出，叠加后就有1.01V了，形成1%的误差。假设输入电流小，为0.1pA，那么计算输出只有0.1V，实际输出0.11V，影响就更大了，达到10%。所以，Vos还是小了好。后面将会看到，由于在产生微小电流的时候，需要小的电压，Vos所占的比例就更突出了，这样也要求运放的Vos小。 Vos如果不够小，可以通过补偿电路来大部分抵消。但是，Vos是有温度系数的，温度一变最后的输出也跟找变了，这也使得Vos的温度系数成文重要指标之一。微弱信号检测
基于DSP的微弱信号检测采集系统设计
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