第一章绪论
1.1弱信号检测的发展
随着科学技术的发展，被噪声掩盖的各种微弱信号的检测（如弱光小位移微振动微应变微温差低电平电压等）越来越受到人们的重视，因而逐渐形成微弱信号检测（Weak Signal Detection，简称WSD）这门新兴的分支技术学科，应用范围遍及光电磁声热生物力学地质环保医学激光材料等领域。近30年来在研究宏观和微观世界的过程中，科学工作者们不断开发出能把淹没在噪声中的大量有用信息检测出来的理论和方法，通过不断的系统化完整化，从而形成了一门新的微弱信号检测的学科分支，其仪器已成为现在科学研究中不可缺少的设备。
1.2弱信号检测的意思目的与意义
微弱信号检测技术是采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。微弱信号检测的目的是从强噪声中提取有用的信号，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。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个热点。微弱信号检测技术在许多领域具有广泛的应用，例如物理学、化学、电化学、生物医学、天文学、地学、磁学等。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，例如弱光、弱磁、弱声、小位移、微流量、微振动、微温差、微压差以及微电导、微电流、微电压等。随着科学技术的发展，对微弱信号进行检测的需要日益迫切，可以说，微弱信号检测是发展高新技术，探索及发现新的自然规律的重要手段，对推动相关领域的发展具有重要意义。 1.3提高信号检测灵敏度的两种基本方法
检测有用微弱信号的困难并不在于信号的微笑，而主要在于信号的不干净，被噪声污染了淹没了。所以，将有用信号从强背景噪声下检测出来的关键是设法抑制噪声。提高信号检测灵敏度或抑制或降低噪声的基本方法有以下两种：
一是从传感器及放大器入手，降低它们的固有噪声水平，研制和设计低噪声放大器，例如，对直流信号采用斩波稳零运算放大器（如F7650），对交流信号采用OP系列运算放大器等：
二是分析噪声产生的原因和规律，以及被测信号的特征，采用适当的技术手段和方法，把有用信号从噪声中提取出来，即研究其检测方法。微弱信号检测主要是利用后一路径。
第二章同步相干检测——锁定放大器工作原理锁定放大电路利用相关检测技术，基于互相关原理，使输入待测的微弱周期信号与频率相同的参考信号在相关器的非相关噪声中的微弱有用信号检测出来，起着检测器和窄带滤波的双重作用。
2.1锁定放大器检测基本原理
实际测量一个被测量时，无用的噪声和干扰总是伴随着出现，影响了测量的精确性和灵敏度。特别当噪声功率超过待测信号功率时，就需要用微弱信号检测仪器和设备来恢复或检测原始信号。这些检测仪器是根据改进信噪比的原则设计和制作的。可以证明，当信号的频率和相位己知时。采用相干检测技术能使输出信噪比达到最大，微弱信号检测的著名仪器锁定放大器，就是采用这一技术设计与制造的。
锁定放大器是以相干检测技术为基础，其核心部分是相关器，基本原理框图如图1所示。而锁定放大器的主要由三部分组成，即：信号通道(相关器前那一部分)、参考通道和相关器(包括直流放大器)。
图1. 锁定放大器的基本原理图
2.2锁定放大器各部分介绍
锁定放大器由相关器信号通道参考通道三部分组成。其中相关器是锁定放大器的核心部分
2.2.1相关器介绍
相关器由相敏检波器(PSD)与低通滤波器（LPF）组成，是锁定放大器的核
心部件。
相关器是一种完成被测信号与参考信号互相关函数运算的电子线路。它必须具有动态范围大漂移小时间常数可调线性好增益稳定和频率范围宽等性能。相关器包括乘法器和积分器两部分。
2.2.2信号通道介绍
信号通道是相关器前的一部分，由低噪声前置放大器，各种功能的有源滤波器，主放大器等部分组成。其作用是把微弱信号放大到足以推动相关器工作的电平，并兼有抑制和滤掉部分干扰和噪声，扩大仪器的动态范围。
信号通道要求具有低噪声和高增益的性能，前置放大器是锁定放大器的第一级，由于被测信小，有可能是100 nV或10 nV甚至更小，则要求前置放大器必须具备低噪声的特点。否则将由于放大器本身的噪声将使信号淹没得更深。在测量中对于不同测量要采用不同的传感器，各种传感器的输出阻抗不一样，即对前置放大器而言就呈现出不同的信号源内阻。为了得到最佳噪声性能，必须使前置放大器工作在最佳信号源内阻条件下。这样必须设计不同最佳信号源内阻的前置放大器或采用输入匹配变压器，使放大器在最佳信号源内阻的条件下工作，达到最佳噪声性能。另外，还必须考虑前置放大器具备有足够的放大倍数(100或1000倍)，强的共模抑制能力，较大的动态范围等。
信号通道中的有源滤波器，有时也称相关器前有源滤波器，这是为了便于和相关器中的低通滤波器不相混淆而取的名称。滤波器要求根据干扰和噪声的不同类型可以采用带通，高通，低通，带阻，带陷波等不同形式，或几种同时使用。有源滤波器通常也具有放大能力，如果滤波器放大倍数还不够，就要在相关器前再加入交流放大器·
2.2.3参考通道
互相关接收除了被测信号外，需要有另一个信号(参考信号)送到乘法器中，因此，参考通道是锁定放大器区别于一般仪器的不可缺少的一个组成部分。其作用是产生与被测信号同步的参考信号输给相关器。通常锁定放大器的参考通道输出是和信号同步的对称方波，用以驱动相关器的场效应管开关。参考通道主要是由触发电路、相移电路、方波形成电路和驱动级等几部分组成。和信号同步的参考触发信号，可以是仪器内部产生或由外部输入。大部分产品由外部输入，输入波形可以是正弦波、方波、三角波、脉冲等各种波形的周期信号。
触发电路有时也称过零电路，能把各种波形的参考信号变成一定波形的同步脉冲，去触发下一级电路。触发电路要求有很大的触发电平范围和很宽的工作频率范围，通常触发电平在几十毫伏到几十伏，频率从零点几赫到几百千赫或更高。
相移电路是参考通道的主要部件，它的功能是改变参考通道输出方波的相位，要求在360°内可调。大部分的锁定放大器的相移部分由一个0°一100°连续可调的相移器，以及相移量能跳变90°、180°和270°的固定相移器组成，从而达到360°范围内都能调的任何相移量。相移器的相移精度以及相移一频率响应都有一定的要求。
方波形成电路的作用是把相移器送来的波形变成同步的占空比严格为1：1的方波。(为了抑制偶次谐波，占空比必须严格为1：1)。
驱动级是把方波变成一对相位相反的方波，用以驱动相关器中场效应管开关，根据开关对驱动电压的要求，驱动级必须输出一定幅度的方波电压给相关器。
2.3锁定放大器的应用
锁定放大器(LIA)是微弱信号检测的重要手段,已经被广泛应用于物理、化学、生物医学、天文、通信、电子技术等领域的研究工作中.例如,分子束质谱议、扫描电镜(SEM) 、软X射线激发电位能谱仪(SXAPS) 、俄歇(Auger)电子谱仪等仪器中都采用了锁定放大器.
在锁定放大器应用中需要考虑下列几个问题:
(1)LIA的功能相当于一种抑制噪声能力很强的交流电压表,其输入是正弦或方波交流信号,输出是正比于输入波形幅值的直流信号.如果被测信号不是交流信号,则需要用调制或斩波的方式将其变换成交流信号.
(2)在实际应用中,LIA中PSD后续的LPF常用积分器来实现,积分器的时间常数决定了LIA的等效噪声带宽,也决定了LIA所实现的信噪改善比SNIR.积分器的时间常数越大,等效噪声带宽越窄,SNIR越大,所需的测量时间也就越长.所以,对于强度变化缓慢的信号,例如光谱、电子衍射等的测量,可采用长的时间常数;而对于强度变化较快的信号,积分时间常数的选择要与信号的变化速度相适应,在不损失有用信号的条件下,尽量提高输出的信噪比.
(3)要根据信号和噪声的具体情况适当地分配LIA的交流增益和直流增益,如果信号的动态范围较大,而噪声有不是很严重,就应该使LIA工作在高稳定状态;如果噪声严重,为了使LIA能够正常工作,则必须使LIA协调在高储备状态.
(4)测量系统良好的屏蔽与接地是LIA发挥其效用的必要条件.
(5)LIA的参考信号输入必须是与被测信号相关的同频信号.如果确实不能获得合适的同频参考信号,则可用锁相环进行自动频率跟踪检测.
(6)LIA的信号输入前置级放大器的工作参数必须认真选择,根据放大器的噪声因子图,在给定的工作频率下进行输入电阻匹配,以获得最佳噪声特性.
2.4国内外几种锁定放大器的性能参考图
第三章取样与取样积分理论
取样又称抽样或采样，是一种信息提取和处理过程，在日常工作和生活中，也经常接触和应用到取样原理。例如，给某人拍张照片，这是在某时某地对某人形象进行一次取样，此照片即为样品，它部分反应了某人的情况。又如医生经常在患者的耳上或手上取出一滴血液进行化验，以帮助确定患者的疾病，这也是一种取样方式，取出的血液是患者血液的样品，它部分反应了患者血液的情况。
对电信号也可以取样，例如，对电参数中的电压，电流进行取样，取得的电压，电流称谓信号的电量样品，同样，随时间进行多次取样，其样品就反应这个电参数随时间变化得过程，在同样的时间内取的样品越多，反映的情况也越真实，必须指出，这里的样品含义仅包括信号的瞬时值，不包括相位信息。
电信号的取样变换过程伴随着许多宝贵特性，例如可以提高信噪比，增加系统的频带或压缩信号的频谱等，因此，在近代电子技术中，取样技术得到越来越广泛的应用，如脉冲编码多路通信，自动控制，遥控遥测，毫微秒和亚毫微秒脉冲技术，信号分析及测量等方面均大量应用取样技术。
3．1取样积分的基本理论
取样积分包括取样和积分两个连续的过程，其基本原理示于图2－1。周期为T的被测信号s(t)叠加了干扰噪声n(t),可测信号x(t)=s(t)+n(t)经过放大输入到取样开关。r(t)是与被测信号同频的参考信号，也可以是被测信号本身。触发电路根据参考信号波形的情况（例如幅度或上升速率）形成触发脉冲信号，触发脉冲信号再经过延时后，生成一定宽度Tg的取样脉冲，控制取样开关K的开闭，完成对输入信号x（t）的取样。
图2－1 取样积分基本原理
取样积分的工作方式可分为单点式和多点式两大类。单点式取样在每个信号
周期内只取样和积分一次，而多点式取样在每个信号周期内对信号取样多次，并
利用多个积分器对各点取样分别进行积分。单点式电路相对简单一些，但是对被测信号的利用率低，需要经过很多信号周期才能得到测量结果；与此相反，多点式电路相对复杂一些，对被测信号的利用率高，经过不太多的信号周期就可以得到测量结果。
单点式取样又可以分为定点式和扫描式两种工作方式。定点式工作方式是反复取样被测信号波形上某个特定时刻点的幅度，例如被测信号波形的最大点或距离过零点某个固定延时点的幅度，检测功能与锁定放大器有些类似。扫描工作方式虽然也是每个周期取样一次，但是取样点沿着被测波形周期从前向后逐次移动，这可以用于恢复和记录被测信号的波形。
门积分器是取样积分器的核心，它的特性对于系统的整体特性具有决定性的作用。门积分器不同于一般的积分器，由于取样门的作用，在开关K的控制下，积分仅在取样时间内进行，其余时间积分结果处于保持状态。根据实现电路的不同，图5－1中的积分器可以分为线性门积分器和指数式门积分器。
3.2取样积分器作用和分类
锁定放大器采用了互相关检测原理，实现对周期信号振幅的检测。实际工作中，信号不一定全是正弦或方波，通常是一个很复杂的宽带函数。对信号的检测，不仅要获得信号的振幅，还希望获得信号的波形。因而锁定放大器已不能胜任对此类信号的检测。
采用滤波器压缩带宽的办法，虽然能抑制工作频带以外的噪声干扰。但在高速尖脉冲的测试时，因信号本身频谱范围很宽，要使信号不失真，滤波器的带宽必须很宽，这样对噪声的抑制作用就不明显。如果信号频带内海存在强干扰，那么滤波器就无能为力了。所以，对强噪声下的宽带信号的测试和复制，就不能简单地采用压缩带宽的方法。
取样积分器克服了上述缺点，它能够把深埋在噪声中重复的微弱信号波形得以恢复并显示记录。因此，它已成为近代物理学光学生物学及天文学等领域中检测弱信号的重要工具之一。
取样积分器或信号平均器是将待测得重复信号逐点多次取样并进行同步积累，从而达到从噪声中恢复信号波形的仪器设备。
信号平均器可分为单点信号平均器和多点信号平均器两类。单点信号平均器即为取样积分器或称boxcar积分器。其工作方式是对信号每周（或每重复出现一次）取样并积分一次，经过多次取样积分（即平均）得到该点的信号幅值。它采用了变换取样的工作原理。
单点取样积分器的工作方式又可分为定点式和扫描式两种，一般把同一仪器中都具有这两种工作方式。定点式是检测信号波形上的某一特定时刻的幅度，起着和锁定放大器类似的功能。而扫描式则是用于恢复和记录被测信号的波形。多点平均器则是在信号的每个周期内，仪器对信号进行多点取样和平均，经过多次取样和平均从而获得整个被测信号的波形。它采用实时取样工作原理。
3.3变换取样的特点
（1）在一个信号周期或多个信号周期上，只能取出一个样品，因此，要取出完
整的波形，必须对重复出现的信号进行多次取样。
（2）样品所组成的复现信号时间刻度发生了变换，使复现信号时间增加。（3）变换取样的过程是一个同步积累的过程，因此能提高信噪比。（这在取样积分器中极为重要）。
（4）在取样的局部装置上要求宽频带，如取样门，取样脉冲发生器等。在样品处理部分则是低频信号，因此大大地降低了对整个系统的频率特性要求。
3.3．1变换取样存在的问题
（1）变换取样不适用于非重复性的单次信号。
（2）对重复频率太低的信号进行取样，需要长的积累时间。
由于变换取样存在上述二个问题，所以变换取样最适合于高速高重复频率信号的检测。
3.4样品提取的方式
3.4.1绝对值取样及缺点
在一次取样操作中，取出的样品等于信号瞬时绝对值，这种取样方式称谓绝对值取样。
在早期的取样示波器中，曾使用绝对值取样，但后来发现有些缺点，主要是（1）要求取样脉冲幅度大
（2）在大信号大取样脉冲作用下，取样门引起非线性
（3）在大信号时会使取样门开关时间变化，由此引起频率响应变化。因此在取样示波器和取样积分器中，一般已不采用。但在某些仪器仪表中仍得到广泛应用。
3.4.2差值取样及其优点
在一次取样操作中，取出的样品等于该瞬时信号的幅度与上一次取出的信号顺势幅度之差。这种取样方式叫差值取样。差值取样有如下优点：
（1）每次取样只取出一个增量，增量样品一般比绝对值样品小得多，这使取样的工作动态范围缩小。对相同动态范围的取样系统来说，差值取样允许被取样信号有足够大的幅度。
（2）对相同的动态范围来说，无须要求更大的取样脉冲。
（3）由于动态范围的增加，取样脉冲幅度不必象绝对值取样时那么高，取样脉冲的底宽获得稳定，从而保证了系统的带宽上升时间及灵敏度的稳定。
差值取样具有以上几个优点，所以它在取样示波器和取样积分器中得到了广泛应用。
3.5取样积分器的应用实例
在信号检测中，若有一个被噪声淹没的信号，只要信号是稳定且重复的，产生的时刻是可知的，则可用取样积分器对它进行检测和波形复制。
3.5.1激光现象的研究
Boxcar平均器在激光研究中的一个典型例子。氮（N2）激光器可用作泵浦燃料激光器而显得特别重要。通常氮激光器是通过流动氮气的横向放电设备。高压脉冲加到管子阴极，产生一个快速放电，典型的重复速率为10——100Hz。放电具有短于20ns的上升时间，从而在极短的时间内产生总的粒子数反转，引起激光辐射。发射的激光脉冲宽度在4——15ns之间，波长的中心带宽约337.1nm，功率为数千瓦。通过Boxcar平均器可以获得所有测量的典型数据。包括输出脉冲形状脉冲宽度放电时间与阳极电压和氮气气压之间的关系，以及输出脉冲能量
与阴极电压氮气气压之间的关系，脉冲重复频率等。
3.5.2脉冲超声对材料特性的研究
从纺织部门到空间技术，利用脉冲超声对材料特性的研究是一种比较新的技术。下面是一个应用的典型例子。一个被测样品和一个已知特性的缓冲块A夹在发送压电晶体与多层接收压电晶体之间。近于300Hz速率的脉冲断续地将连续信号加至发送压电晶体上。声波经过试验样品后由接受晶体检测。通过对实验材料声波速度特性和声波衰减特性的研究，将揭示材料弹性常数与材料中压力张力的关系。由于接受晶体的输出通常是极微弱的信号，并混有随即噪声，因此须用Boxcar积分器进行相干检测，提取信号。
3.5．3生物物理学的研究
在研究大脑皮层反应的实验中，也可以采用取样积分器。方法是用信号刺激被试验者的听觉，视觉或触觉产生激发“响应”，再通过头皮电极取出信号，由于“响应”是混在其它脑电信号中，通过取样积分器与刺激信号同步，从而取出响应的电信号。
当然，取样积分器的应用远不止上述几种，目前它已广泛用于物理学光学化学生物学以及工业检测技术等领域。如对微微秒荧光和磷光的衰减研究脉冲核磁共振激光光谱非线性光学效应半导体材料深能级的研究，发光二极管发光机理和霍尔效应的研究，脉冲超声裂缝缺陷的超声检测地震信号以及生物物理学中的生物电势大脑皮层反应的研究等等。
取样积分器的基本功能是恢复埋在噪声中的信号波形，只要了解它的原理，就可以很好地用于工作中，并能得到很大的收效。据报导，国外许多实验室，应用取样积分器的普遍程度甚至超过了示波器。可以肯定，随着科学技术的发展，它的应用将会越来越广，仪器的性能也会越来越高。
3.6多点信号平均器的简介
Boxcar积分器是一种单点平均器，通过步进脉冲的延时作用，对信号进行多次扫描平均测量。多点信号平均器是一种实时取样系统，它在信号德一个周期内要取样多点，并一一对应地存贮在相应的存贮器内进行累积和平均，它等效于大量单点取样积分器在不同延时的情况下并联使用。
多点平均器有模拟式和数字式两种。模拟式多点平均器的存贮器是电容，而数字式多点平均器的存贮器是计算机中使用的大容量数字存贮器。多点信号平均器对于恢复被噪声遮蔽的重复信号是一个强有力的工具。由于Boxcar是单点步进多次取样平均，因此所需测量时间很长。而多点平均器则是在信号的一个周期内对信号多点取样并平均，所以可节省测量时间。在获得同样SNIR的情况下，多点平均器所需时间只是单点平均器测“一点”的平均时间，因此，至少可减少百倍以至千倍以上的测量时间。再者，多点平均器是实时取样，所以可以做瞬态记录。这是Boxcar平均器所不能相比的。
3．7 典型器件介绍
仪器名称：
Tektronix SD-24 双通道取样放大器
带宽：
20G赫兹
探测头：
双通道 TDR/取样头
优点：
ektronix SD-24 采用 CSA803C 和 11801C 高性能取样头使得仪器本身能够表现出高性能特征。
反映时间： 35 ps
功能介绍：
SD24 的每个频道在使用TDR后能产生一个快速的上升时间。在TDR 模式下，取样头能获得部分阶越改变和一些反射量.TDR的反映时间是 35 ps .其每个频道极性能独立地被另一个频道所选择。这就允许了两条连接线之间微分和积分的测试,和对于单线不受约束的测试.SD24在使用了TDR后，具有追踪一条线同时通过其它频道控制第二条线的能力并表现了色度亮度干扰的特性。
第四章单光子计数理论
4.1光子计数技术简介
光子计数器是一种检测弱光信号的重要检测仪器，它在一些基础科学研究，特别是在某些前沿学科研究中得到了广泛的应用。例如在激光研究喇曼散射;荧光磷光测量;化学生物医学物理等各个领域中发光的研究；质谱 X射线测量；基本粒子分析；光吸收的研究；分子射线谱以及生命科学等研究工作中都已广泛使用光子计数技术。
光子计数技术是测量弱光功率或光子速率的一种新技术。但个光子被光电倍增管阴极吸收后激发出光电子，经过倍增系统的倍增，在阳极上可收集到10五次方——10八次方个电子。由于光电倍增管渡越时间的离散性和输出端的时间常数，通过负载电阻和放大器将输出一个脉冲半宽度为几到几十毫微秒的电流或电压信号，这个信号再经鉴别器后被计数器计数。微光信号由每秒几个到几百万个光子组成，所发射的每个光子之间有随机的时间间隔，记录由它们引起的电脉冲数，从而测得光功率值。如光子速率过大，像光脉冲那样集中在一个短时间内发射大量光子，那么光电倍增管将产生堆积效应，引起计数丢失而造成误差。因此光子计数技术目前只适用于测量大约每秒发射10的八次方个以内分立光子的弱光信号。
4．2光子计数技术的优点
光子计数技术与传统的光电流测量方法相比具有以下优点：
（1）这一技术是通过分立光子产生的电子脉冲来测光量。因此系统的探测灵敏度高，抗噪声能力强。
（2）可以大大提高系统的稳定性。如由于高压电源的波动使光电倍增管的增益发生变化，此变化使模拟法输出产生很大的漂移。而上述变化的影响。一般均在光子计数器输出的上下限之内，所以对光子计数法影响较小。
（3）可以排除光电倍增管直流漏电和输出零漂等原因所造成的测量误差。（4）光子计数系统的输出是数字量，因此可直接与计算机连接，构成自动测试与数据处理系统，从而实现最佳测试。
4.3光子计数系统
4.3.1光子计数系统方框图
图4-3是二个简单的光子计数系统方框图。被测光束射到光点倍增管的光阴极上，经光电倍增管在输出端输出一系列电脉冲。这些脉冲被前置放大器放大后，将在输出端输出一系列振幅较大的电压脉冲。在倍增极上产生的噪声所形成的脉冲幅度小于光阴极上的信号脉冲。这些高低不同的电压脉冲将成为脉冲高度鉴别器的输出信号。鉴别器观察脉冲幅度有否足够大，即是否比设在鉴别器内的某参考电压更负（若放大器倒相的话，那么参考电压将为正）。如果幅度已足够大，则鉴别器输出计数脉冲；如果鉴别器的输入脉冲幅度不够大（如噪声电压），则没有计数脉冲输出。若在选定的时间间隔内，用计数器对鉴别器的每一个输出脉冲进行计数，且以数字形式（或通过一个数模转换器获得模拟电压）输出。应该注意，这里输出的信号已排除了倍增极产生的噪声，从而输出信噪比得到改善。
有的光子计数器中备有静电计，用于强光时直流测量；有的用速率计对鉴别器输出的光电脉冲作数模转换，以输出光子速率的模拟信号如图4-3（b）所示。
4.3.2光子计数系统满足的要求
光子计数系统须满足二个要求：一是光电倍增管及后继电路的分辨时间须足够短，保证每一个光电脉冲的分辨时间不被展宽；其二是必须把信号光电脉冲从暗噪声脉冲中鉴别出来。
4.4光子计数原理
下图为光子计数原理框图。以光子形式出现的极微弱光打击在光电倍增光电阴极后，经多次倍增输出电脉冲，并伴随其他噪声及干扰脉冲，又经前置放大器（即前放）对脉冲放大，再经幅度鉴别器（又名甄别器）排除幅度小的热噪声及暗电流噪声脉冲，也排除幅度很大的高能宇宙线离子噪声脉冲，送到计数器对光子脉冲计数。
4.5光电倍增管的噪声性能
光电倍增管（PMT）是单道光检测最理想的光电转换器件，具有很广的应用范围。下图为光电倍增管（又称为端窗型PMT）的基本结构。当光作为入射射线打到光阴极上时，光阴极将光子转变为光电子，通过后续的9级打拿级（下图标示1——9）对光电子进行多次倍增，最后到达阳极（又称为收集极），收集倍增后的光电子形成阳极电流脉冲，即可进行光子计数。
光电倍增管作为广电探测器，最大的优点是具有很高的灵敏度（若各倍增极的次
级发射系数为4，则总增益G为49
=2.6*10
5
倍）及快响应速度（其光阴极材料
应根据被测光波长选择）。
4.5.1限制对微弱光检测的光电倍增管的输出噪声的种类
限制对微弱光检测的关键因素是光电倍增管的输出噪声有以下几种：
（1）散粒噪声
这种噪声来自光电子发射及倍增过程的随机起伏。
（2）暗电流噪声
暗电流是指将PMT置于完全黑暗的环境中，当外加工作电压时输出的电流。阴极的热电子发射是暗电流产生的主要因素。其次，还有第一打拿极的热电子发射阳极漏电流场效发射等。暗电流噪声与温度密切相关，因此采用冷却阴极的致冷套或在阴极端附加磁场滤去热电子的办法可以降低暗电流噪声。
（3）离子噪声
PMT内离子或反馈离子入射到光阴极，也同样要激发出光电子。另外，还有宇宙线也会引起光阴极的光电子发射，从而也会引起噪声。
4.5.2噪声脉冲与光电子信号脉冲幅度的差别
经过测量发现，各种噪声脉冲与光电子信号脉冲幅度还是有差别的，分为以下三类：
（1）噪声脉冲小于光信号脉冲：各级打拿极热电子发射；
（2）噪声脉冲大于光信号脉冲：玻璃发射反馈离子宇宙线
（3）噪声脉冲等于光信号脉冲：光阴极热反射反馈光子。
4.6光电子脉冲堆积效应
光子计数器可以用来测量极微弱的光强，但对于强光测量时就可能造成较大误差。这是因为光强很高时，光子速率R很大，因此很可能在同一时刻有多个光子一起发射及接受，从而造成计数误差。显然，光越强，R越大，则漏计概率也越大，这就称为脉冲堆积效应。因此，光子计数器只能用于极微弱光测量，对于强光测量，误差很大。
4.7典型器件介绍
由天津港东生产的GSZF-2A/2B 单光子实验计数系统,该系统由单光子计数器,制冷系统,外电路,电脑软件等组成.系统采用了脉冲高度甄别技术和数字计数技术,具有较高的线性动态范围.具体结构如下:
4.2.1光源 用高亮度发光二极管作光源,中心波长500,半宽度30nm,为提高入射光的单色性,仪器准有窄带虑光片,其半宽度为18nm.
4.2.2接收器 接收器采用CR125光电倍增管为接收器.实验采用半导体制冷器降代光电倍增管的工作温度,最代温度可达C 020-.
4.2.3光路 实验系统的光路如图所示:
S2=480
微弱信号检测是利用电子学信息论物理学和电子计算机的综合技术。它是在认识噪声信号的物理特性和相关性的基础上，把被噪声淹没的有用信号提取出来的一门新兴技术学科。本文通过目前对微弱信号检测的三种主要理论(锁相放大理论、取样积分理论、单光子计数理论)及主要器件进行了详细的阐述,对微弱信号的检测技术有了一定的了解，为以后的工作学习奠定了基础。
本论文是在我的导师王兆民教授的悉心指导与支持下完成的，导师渊博的知识、丰富的经验、严谨的治学态度和诲人不倦的精神使我终身受益，我愿意有更多的机会聆听导师的教诲，在此向我的导师表示衷心的感谢！最后，对始终支持我学习的我的父母和四年来授业解惑的师长们表示衷心的感谢！我会将我四年来学到的知识，积攒的热情充分的投入到以后的工作中去，成为一名让母校骄傲的毕业生。
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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。
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。
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
1213225 王聪 微弱信号检测技术概述 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毫微伏量级信号的问题, 比如测定地震的波形和波速、材料分析时测量荧光光强、卫星信号的接收、红外探测以及电信号测量等, 这些问题都归结为噪声中微弱信号的检测。在物理、化学、生物医学、遥感和材料学等领域有广泛应用。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。微弱信号检测的不同方法 ( 1) 生物芯片扫描微弱信号检测方法 微弱信号检测是生物芯片扫描仪的重要组成部分, 也是生物芯片技术前进过程中面临的主要困难之一, 特别是在高精度快速扫描中, 其检测灵敏度及响应速度对整个扫描仪的性能将产生重大影响。 随着生物芯片制造技术的蓬勃发展, 与之相应的信号检测方法也迅速发展起来。根据生物芯片相对激光器及探测器是否移动来对生物芯片进行扫读, 有扫描检测和固定检测之分。扫描检测法是将激光器及共聚焦显微镜固定, 生物芯片置于承片台上并随着承片台在X 方向正反线扫描和r 方向步进向前运动, 通过光电倍增管检测激发荧光并收集数据对芯片进行分析。激光共聚焦生物芯片扫描仪就是这种检测方法的典型应用, 这种检测方法灵敏度高, 缺点是扫描时间较长。 固定检测法是将激光器及探测器固定, 激光束从生物芯片侧向照射, 以此解决固定检测系统的荧光激发问题, 激发所有电泳荧光染料通道, 由CCD捕获荧光信号并成像, 从而完成对生物芯片的扫读。CCD 生物芯片扫描仪即由此原理制成。这种方法制成的扫描仪由于其可移动, 部件少, 可大大减少仪器生产中的失误, 使仪器坚固耐用; 但缺点是分辨率及灵敏度较低。根据生物芯片所使用的标记物不同, 相应的信号检测方法有放射性同位素标记法、生物素标记法、荧光染料标记法等。其中放射性同位素由于会损害研究者身体, 所以这种方法基本已被淘汰; 生物素标记样品分子则多用在尼龙膜作载体的生物芯片上, 因为在尼龙膜上荧光标记信号的信噪比较低, 用生物素标记可提高杂交信号的信噪比。目前使用最多的是荧光标记物, 相应的检测方法也最多、最成熟, 主要有激光共聚焦显微镜、CCD 相机、激光扫描荧光显微镜及光纤传感器等。 ( 2) 锁相放大器微弱信号检测 常规的微弱信号检测方法根据信号本身的特点不同, 一般有三条途径: 一是降低传感器与放大器的固有噪声, 尽量提高其信噪比; 二是研制适合微弱检测原理并能满足特殊需要的器件( 如锁相放大器) ;三是利用微弱信号检测技术, 通过各种手段提取信号, 锁相放大器由于具有中心频率稳定, 通频带窄,品质因数高等优点得到广泛应用。常用的模拟锁相放大器虽然速度快, 但是参数稳定性和灵活性差, 而且在与微处理器通信时需要转换电路; 传统数字锁相放大器一般使用高速APDC 对信号进行高速采样, 然后使用比较复杂的算法进行锁相运算, 这对微处理器的速度要求很高。现在提出的新型锁相检测电路是模拟和数字处理方法的有机结合, 这种电路将待测信号和参考信号相乘的结果通过高精度型APDC 采样,
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)
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
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）。
《微弱信号检测技术》练习题 1、证明下列式子： （1）R xx(τ)=R xx(-τ) （2）∣ R xx(τ)∣≤R xx(0) （3）R xy(-τ)=R yx(τ) （4）| R xy(τ)|≤[R xx(0)R yy(0)] 2、设x(t)是雷达的发射信号，遇目标后返回接收机的微弱信号是αx(t-τo)，其中α?1，τo是信号返回的时间。但实际接收机接收的全信号为y(t)= αx(t-τo)+n(t)。 （1）若x(t)和y(t)是联合平稳随机过程，求Rxy(τ)； （2）在（1）条件下，假设噪声分量n(t)的均值为零且与x(t)独立，求Rxy(τ)。 3、已知某一放大器的噪声模型如图所示，工作频率f o=10KHz，其中E n=1μV，I n=2nA，γ=0，源通过电容C与之耦合。请问：（1）作为低噪声放大器，对源有何要求？（2）为达到低噪声目的，C为多少？ 4、如图所示，其中F1=2dB，K p1=12dB，F2=6dB，K p2=10dB，且K p1、K p2与频率无关，B=3KHz，工作在To=290K，求总噪声系数和总输出噪声功率。 5、已知某一LIA的FS=10nV，满刻度指示为1V，每小时的直流输出电平漂移为5?10-4FS；对白噪声信号和不相干信号的过载电平分别为100FS和1000FS。若不考虑前置BPF的作用，分别求在对上述两种信号情况下的Ds、Do和Di。 6、下图是差分放大器的噪声等效模型，试分析总的输出噪声功率。
7、下图是结型场效应管的噪声等效电路，试分析它的En-In模型。 8、R1和R2为导线电阻，R s为信号源内阻，R G为地线电阻，R i为放大器输入电阻，试分析干扰电压u G在放大器的输入端产生的噪声。 9、如图所示窄带测试系统，工作频率f o=10KHz，放大器噪声模型中的E n=μV，I n=2nA，γ=0，源阻抗中R s=50Ω，C s=5μF。请设法进行噪声匹配。(有多种答案) 10、如图所示为电子开关形式的PSD，当后接RC低通滤波器时，构成了锁定放大器的相关器。K为电子开关，由参考通道输出Vr的方波脉冲控制：若Vr正半周时，K接向A；若Vr 负半周时，K接向B。请说明其相敏检波的工作原理，并画出下列图(b)、(c)和(d)所示的已知Vs和Vr波形条件下的Vo和V d的波形图。
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 第四章 微弱信号检测技术 4.1 被动信号检测 被动检测是一种常用的检测系统，它已广泛应用于水下引信信号检测及 其它工业领域。在被动信号检测中，常用的时域检测方法有以下几种：①宽带检测、②相干检测、③频率随机分布正弦信号的检测技术、④时域同步平均检测与波形恢复技术、⑤相关技术等等；而在频域的检测方法主要是基于FFT 算法的谱分析技术。 4.1.1宽带检测 在有些应用场合，干扰噪声和输入信号都是一有限长的限带零均值的高 斯分布随机过程，在此情况下一般使用宽带检测技术。 4.1.1.1最佳宽带检测器 最佳宽带检测器的结构框图如下： 图4.1 在高斯噪声中检测高斯信号的最佳系统结构 图 4.1中)(ωS 是信号的功率谱密度，()ωN 是干扰噪声的功率谱密度。而 2/12/12/1)]()()[()()(ωωωωωS N N S H +=表示预选滤波的频率响应。 当信号和噪声都是限带高斯分布白噪声时，信号和噪声的差别是信号和 噪声的功率级不同，)(ωH 为常值，最佳检测器是一个平均功率检测器。从理论上说无论噪声多强，信号多弱，只要他们是平稳的，且他们的方差可准确求出来，那么总可通过比较N 和N+S,发现信号。如果过程)(t r 是各态遍历的,那么方差可通过下式计算出来。 ?-≈=t T t r dt t r T t r E )(1)]([222 σ (4.1.1) 不难看出，由于截取的样本时间是滑动的，从而图 4.1可简化为平方积分系统。由于截断T 不是无限长的，所以输出)(t Z 并不等于2r σ,而是随t 在2r σ的均 值附近起伏。对于限带白谱：起伏的存在将掩盖信号加噪声（H 1）与噪声（H 0） 的差别。所以系统的信噪比计算公式如下： )()]()([)/(202 012Z Z E Z E N S σ-= (4.1.2) 在各态遍历条件下，T 越长系统的最佳性越好。 当信号和噪声的功率谱不是白谱时，可利用的信息不仅有能量差异，而且还有谱形状的差异。此时的预选滤波器的传输函数)(ωH 的幅度特性如下： 2/12/12/1)]()()[()()(ωωωωωS N N S H += (4.1.3) 在小输入信噪比情况下： ) ()()(1)()()(2/12/12/12/1ωωωωωωN S N N S H =≈ (4.1.4) 式(4.1.4)所描述的滤波器称为厄卡特滤波器。若假设信号和噪声有相同的谱形状，则： ) (1)(2/1ωωN H = (4.1.5) 上式所描述的是一个白化滤波器，信号和噪声通过后一律变成白噪声。非白谱小信号情况下，其)(ωH 相当于一个白化滤波器和一个匹配滤波器的级联。当信号与噪声有相同形状功率谱时，匹配网络的频率传输函数等于常数，厄卡特滤波器退化为一个白化滤波器,此时虽然不能提高系统输出端的信噪比，但却通过改善噪声谱的形状（白化）提高了系统的等效噪声谱宽。 4.1.1.2实用宽带检测器 在实际应用中，由于信号和噪声的功率谱很难知道，因此预选滤波器一 般没有白化和对信号进行匹配的能力，因此它对系统的输出信噪比影响很小。在实用的宽带检测系统中，主要研究的是宽带能量检测器，对这种接收机一般以系统的输出信噪比的大小或系统处理增益作为衡量系统性能的指标。宽带能量检测器在判决检测前都相应有一个等效积分器，为使讨论具有一般性，可将积分器理解为一个低通滤波器，积分器的传输函数记为H(w)，输入端Y 处与输出端Z 处的信噪比可按如下公式计算： )()]()([)/(20201Y Y E Y E N S Y σ-= (4.1.6) ) ()]()([)/(20201Z Z E Z E N S Z σ-= (4.1.7) 它们和系统参数的关系如下： 四川省大学生电子设计竞赛报告题目：微弱信号检测装置 微弱信号检测装置 【摘要】：为提取被噪声淹没的微弱信号，在分析了锁相放大器原理的基础上，采用基于AD630设计了一个双相位锁相放大器。实现了正弦信号的检测和显示，由于时间紧迫，AD采样显示的数值误差较大。 【关键词】：锁相放大器正交信号 AD630 MAX7490 一、方案设计与论证 图1 微弱信号检测装置示意图 1.1 微弱信号检测电路设计与方案 微弱信号检测电路要求采用模拟方法来实现。常用的微弱信号检测方法有：匹配滤波、锁相放大、取样积分等。 方案1：匹配滤波法。使用窄带滤波器，滤掉带宽噪声只让窄带信号通过；此方案电路简单，但是，由于一般滤波器的中心频率不稳定，不能满足更高的滤除噪声的要求。 方案2：单通道锁相放大法。用AD630平衡调制解调芯片、移相器及低通滤波器构成锁相放大电路，基于信号的互相关原理，移相器输出的信号必须与被测信号同频同相，由于被测信号相位未知，需移相器逐步移相，实现较为复杂。 方案3：双通道锁相放大法。用两个AD630平衡调制解调芯片、两个低通滤波器做成双通道锁相放大器，就是被测信号与两个相互正交的信号分别相乘经低通滤波器再送入AD进行采样，这样不需考虑被测信号的相位。两路正交信号由74LS74构成的分频电路产生或由单片机产生。由于只需要直流分量，低通滤波器的截止频率可以低到几百赫兹。 综合考虑，我们采用方案3。 1.2 加法电路的设计与方案 加法电路要求正弦信号与噪声信号相加，并测量噪声的均方根值；因此加法电路的内部噪声越小越好。 方案1：普通加法器。用低噪声放大器OPA2227做一个普通的加法器，但此电路接有电阻电容，会产生附加噪声。 方案2：高性能加法器。用低噪声仪表放大器INA2134做一个高性能的加法器，有独立的共模抑制能力、增益误差、噪声和失真。 方案2虽然比方案1复杂，但引入的附加噪声比方案1小，因此选用方案2。 1.3 带通滤波器设计与方案 题目中给了一个带宽很宽的强噪声，要想进可能地滤掉噪声，需一个窄带带通滤波器。 方案1：采用OPA2227设计中心频率指定的有源带通滤波器。 方案2：采用OPA2227分别设计低通滤波器和高通滤波器，组成一个带通滤波器。 方案3：用MAX7490做程控带通滤波器，参考官方电路设计。 方案1设计的带通滤波器不满足中心频率在500Hz-2000Hz内变化的设计要求；方案2设计的带通滤波器带宽太宽，引入过多噪声容易造成太大的测量误差；因此采用方案3。 1.4 整体系统电路设计 整体系统框图如下： 图2 整体系统框图 二、理论分析与参数计算 2.1锁相放大器电路中的相关器原理 锁相放大电路中最重要的部分是相关器(PSD)部分，它是锁相放大电路的核心，起着至关重要的作用。相关器是相关函数的物理模型，是一种完成被测信号和参考信号互相关函数运算的电子线路，相关器又叫相敏检波器。 微弱信号检测装置（B题） 2014年520电子设计大赛 参赛选手：朱志炜，周杨灿，朱杏伟 指导老师：姜乃卓 摘要：本微弱信号检测装置信号通道由OPA228为前置放大器，AD707和OP27为主放大器，将微弱小信号放大，然后经过后级的带通滤波器以及GIC滤波器对放大后信号进行滤波，进一步减小噪声的影响；参考通道以LM353为方波发生器，将正弦波化为同频率相位可调的方波，接以CD4046锁相环和D触发器，输出0-270°四个不同相位的方波；信号通道和参考通道的信号会在相关器器中相乘，并把得到的半波积分为直流电平，最终通过ICL7107接数码管显示电平值，并可以调为显示微小信号的值。测试数据表明本设计具有非常高的准确度和极其强大的噪声抑制能力，工作性能稳定，成本低廉，控制方便，是一个优越而实用的设计方案。 关键字：微弱信号；相关检测；噪声抑制；锁相放大器 目录 一、设计目标 1、基本要求 2、发挥部分 二、系统方案 方案一 方案二 三、系统总体框图 四、理论分析与计算 1、前置放大器的噪声分析 2、信号通道的增益计算 3、相关器的理论分析及计算 4、锁相环路的分析计算 5、移相电路的分析计算 五、电路设计 1、信号通道设计 2、参考通道设计 3、相关器设计 4、显示电路设计 六、测试情况 1、测试仪器 2、衰减电路测试数据 3、放大器测试数据 4、带通滤波器及GIC滤波器测试结果 七、总结 八、参考文献 一、设计目标 设计一个微弱信号的检测装置 1、基本要求： （1）设计和制作两个电压衰减器，要求衰减量分别为20dB和40dB。要求：衰减器的输入阻抗为50，衰减器的输出阻抗为 100。衰减器的输入信号频率范围为100Hz-10KHz。（2）实现对已知频率的微弱正弦输入信号幅度检测，要求：微弱正弦信号输入频率范围为100Hz-10KHz，幅度有效值范围为100uV-500uV，微弱正弦信号幅度有效值检测误差不超过10%。 （3）检测的幅度有效值显示在数码管或者液晶显示屏上，要求显示精度达到小数点后面1位，显示时间不超过1分钟。 （4）设计一个白噪声和衰减后的输入正弦信号相叠加的加法电路，输入信号叠加白噪声后的信噪比在-20dB-0dB范围内连续可调。 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 微弱信号检测装置 四川理工学院刘鹏飞、梁天德、曾学明 摘要： 本设计以TI的Launch Pad为核心板，采用锁相放大技术设计并制作了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微弱正弦波信号的幅度值，并在液晶屏上数字显示出所测信号相应的幅度值。实验结果显示其抗干扰能力强，测量精度高。 关键词：强噪声；微弱信号；锁相放大；Launch Pad Abstract: This design is based on the Launch Pad of TI core board, using a lock-in amplifier technique designed and produced a weak signal detection device, to measure the known frequency sine wave signal amplitude values of the weak in the high noise background, and shows the measured signal amplitude of the corresponding value in the liquid crystal screen. Test results showed that it has high accuracy and strong anti-jamming capability. Keywords: weak signal detection; lock-in-amplifier; Launch Pad 微弱信号检测装置 Prepared on 24 November 2020 微弱信号检测装置（B题） 2014年520电子设计大赛 参赛选手：朱志炜，周杨灿，朱杏伟 指导老师：姜乃卓 摘要：本微弱信号检测装置信号通道由OPA228为前置放大器，AD707和OP27为主放大器，将微弱小信号放大，然后经过后级的带通滤波器以及GIC滤波器对放大后信号进行滤波，进一步减小噪声的影响；参考通道以LM353为方波发生器，将正弦波化为同频率相位可调的方波，接以CD4046锁相环和D触发器，输出0-270°四个不同相位的方波；信号通道和参考通道的信号会在相关器器中相乘，并把得到的半波积分为直流电平，最终通过ICL7107接数码管显示电平值，并可以调为显示微小信号的值。测试数据表明本设计具有非常高的准确度和极其强大的噪声抑制能力，工作性能稳定，成本低廉，控制方便，是一个优越而实用的设计方案。 关键字：微弱信号；相关检测；噪声抑制；锁相放大器 目录 一、设计目标 1、基本要求 2、发挥部分 二、系统方案 方案一 方案二 三、系统总体框图 四、理论分析与计算 1、前置放大器的噪声分析 2、信号通道的增益计算 3、相关器的理论分析及计算 4、锁相环路的分析计算 5、移相电路的分析计算 五、电路设计 1、信号通道设计 2、参考通道设计 3、相关器设计 4、显示电路设计 六、测试情况 1、测试仪器 2、衰减电路测试数据 3、放大器测试数据 4、带通滤波器及GIC滤波器测试结果 七、总结 八、参考文献 一、设计目标 设计一个微弱信号的检测装置 1、基本要求： （1）设计和制作两个电压衰减器，要求衰减量分别为20dB和40dB。要求：衰减器的输入阻抗为50，衰减器的输出阻抗为100。衰减器的输入信号频率范围为100Hz-10KHz。 （2）实现对已知频率的微弱正弦输入信号幅度检测，要求：微弱正弦信号输入频率范围为100Hz-10KHz，幅度有效值范围为100uV-500uV，微弱正弦信号幅度有效值检测误差不超过10%。 （3）检测的幅度有效值显示在数码管或者液晶显示屏上，要求显示精度达到小数点后面1位，显示时间不超过1分钟。 （4）设计一个白噪声和衰减后的输入正弦信号相叠加的加法电路，输入信号叠加白噪声后的信噪比在-20dB-0dB范围内连续可调。 信噪比定义：， 正弦信号功率为：其中表示正弦信号的有效值。 白噪声信号功率为：其中表示白噪声信号的有效值。 表示加法电路的输入阻抗。 （5）当微弱正弦信号输入信号的幅度有效值为1mV-5mV，信噪比在-20dB 时，要求对输入微弱正弦信号幅度有效值检测误差不超过10%。 2、发挥部分： （1）实现对固定频率的微弱正弦输入信号幅度检测，要求：微弱正弦信号输入频率分别为1KHz，5KHz，10KHz时，幅度有效值范围为10uV-50uV时，微弱正弦信号幅度有效值检测误差不超过10%。 （2）当微弱正弦信号输入信号的幅度有效值为100uV-500uV，信噪比在-20dB 时，要求对输入微弱正弦信号幅度有效值检测误差不超过10%。 二、系统方案 对于参考通道和相关器部分，拟采用题目所介绍使用的CD4046和CD4066两款芯片来做，对于信号通道，有不同的可采用方案。第四章 微弱信号检测技术
微弱信号检测
微弱信号检测装置
基于PWM调制的微弱信号检测的毕设论文 (本科)要点
2012TI电子设计大赛——微弱信号检测装置(A题).doc要点
微弱信号检测装置
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