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微弱信号检测电路

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微弱信号检测前置处理模块电路设计

微弱信号检测前置处理模块电路设计

微弱信号检测前置处理模块电路设计孙韩【摘要】从Y光纤斐索型激光干涉微振动检测仪的微弱信号检测实际需求出发,基于高速DSP数据采集与处理系统,采用集成运放芯片AD620,设计了一种能实现前置放大、带通滤波、电平抬升、增益可调等功能的前置处理模块电路。

经实验测试,该电路设计具有抑制噪声、抗干扰能力强,信号放大、带通滤波效能高等的优点,能有效进行微弱信号前置放大、去噪等处理,为后续A/D转换和高速DSP数据采集奠定基础。

%According to the actual demand of weak signal detection of Y type optical fiber Laser in-terference micro vibration detector,based on high-speed DSP data acquisition and processing system, using the integrated operational amplifier AD620 chip,a kind of pre-processing module circuit which can realize function of pre-amplifier, band-pass filter, level up and gain adjustable is designed. Through experimental test,the circuit designed in this paper has a strong suppress noise and anti-in-terference ability,the advantages of signal amplification and band-pass filtering efficiency higher. It can also effectively amplify a weak signal and suppress the noise,and lay a foundation for subsequent A/D conversion and high-speed DSP data acquisition.【期刊名称】《江西科学》【年(卷),期】2015(000)004【总页数】4页(P598-601)【关键词】微小振动测量;微弱信号检测;前置处理模块;电路设计【作者】孙韩【作者单位】安徽大学电子信息工程学院，230601，合肥【正文语种】中文【中图分类】TN248微振动测量广泛应用于石油勘探，各种发电机组、机床及桥梁的振动监测，高层建筑晃动测试，船舶及飞机等的发动机振动分析中。

微弱电流信号的检测和放大电路.doc

微弱电流信号的检测和放大电路.doc
图
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。

现代测控电子技术-微弱信号检测电路

现代测控电子技术-微弱信号检测电路

(a) 噪声电路 (b)等效电路
图中Et1和Et2分别表示R1和R2热噪声电压有效 值，图中的Et串为出现在串联电阻输出端的等效热 噪声电压有效值。
R1产生的热噪声电压et1和R2产生的热噪声电 压et2叠加后的功率为
因为et1和et2互不相关，上式的最后一项为零，得
例5.1.2 试证明温度相同的两个电阻R1和R2相 并联所产生的等效热噪声电压有效值为
爆裂噪声通常由一系列宽度不同，而幅度基本 相同的随机电流脉冲组成，脉冲的宽度也可在几微 秒 到 0.1s量 级 之 间 变 化 ， 脉 冲 的 幅 度 约 为 0.01µA~0.001µA量级。因为脉冲的幅度只是PN结 杂质特性的函数，对于某个特定的半导体器件样品， 爆裂噪声的幅度是固定的，所以通常的爆裂噪声电 流只在两种电流值之间切换。
若总电流为i，则有
实际的检测电路都具有一定的频带宽度，工作 于电路系统中的PN结的散弹噪声电流的功率Psh为
式中，ish为随机的散弹噪声电流值；B为系统的等 效噪声带宽，单位为Hz。
散弹噪声电流的有效值（均方根值）为
上式除以 得单位带宽方根的散弹噪声有效值，也 就是平方根谱密度值
上式表明，散弹噪声的平方根谱密度值只是流过 PN结的平均直流电流IDC的函数，只要测出IDC，就 能确定散弹噪声电流的大小。
因为热噪声是由电阻中大量电子的随机热运 动引起的，这种由大量的随机事件导致的现象必 然具有高斯分布的概率密度函数。
包含电阻的任何电子电路都存在热噪声。例 如，当温度为17℃时，在带宽为100kHz的放大电 路中，10kΩ的电阻两端所呈现的开路热噪声电压 有效值约为4µV。可见，对于检测微伏级甚至纳 伏级微弱信号的系统来说，电阻热噪声的不利影 响是不容忽视的。

微弱光信号检测电路的设计

微弱光信号检测电路的设计

ElectronicComponent&Device Applications0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U0=I P R。

理论上，系统的输出电压U0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。

光纤传感中的微弱信号检测电路设计

光纤传感中的微弱信号检测电路设计

光纤传感中的微弱信号检测电路设计摘要：光纤传感技术是20 世纪70年代末兴起的一项技术,现已与光纤通信并驾齐驱。

先进的光纤传感器的灵敏度比传统的传感器高几个数量级,可以测量压力、温度、应力(应变) 、磁场、折射率、形变、微震动、微位移、声压等,已经实现的可用光纤传感技术测量的物理量已达70 多种。

光纤传感技术可分为传光型和传感型两类。

光纤传感技术的核心是光纤传感器,相应的光纤传感器也分为传光型光纤传感器和传感型光纤传感器。

本文阐述了由单片机控制的对光纤传感中的微弱信号进行检测的电路设计方法，并在此基础上结合光纤传感的原理，设计并制作一个光纤位移传感器。

该系统包括光源部分，调理电路部分，A/D转换电路部分，AT89C51单片机部分，液晶显示部分。

整个系统，由光源发出光线，经光纤传输，传输到光敏三极管，进行光电转换，将光信号转变成为电信号，之后又经过放大，滤波电路，A/D转换电路，将信号进行处理，最后采集将数字信号输入到AT89C51进行数据处理，并由其控制液晶显示结果。

关键词：光纤传感；单片机；微弱信号；检测；位移中图分类号：TP273.2The design of detection circuit for the weak signal in the Optic Fiber Abstract：The Optic Fiber Sensing technology has been widely used from the 1970’s,which plays the same role as the Optic Fiber Communication technology now. The sensitivity of advanced Optic Fiber sensors could be much more higher than the traditional ones, we can use it to measure a lot of physical, like pressure, temperature, stress (strain), magnetic field, refractive index, strain, micro-vibration, micro-displacement, etc. The number of the physical it could be measured has been reached more than 70.The Optic Fiber Sensing technology including two types, one is light-type transmission, another is sensor type. The core of the Optic Fiber Sensing technology is Optic Fiber sensor, appropriately it can be divided into two types ,fiber optic transmission and sensing optical fiber sensors.In this article I will introduce an method of designing a detection circuit for the weak signal sensing in the Optic Fiber, and combine with the principle of Optic Fiber Sensing technology to design a kind of Optical Fiber Displacement Sensor. The entire system including Light part, the conditioning part of the circuit, A / D conversion circuit part, AT89C51 part, liquid crystal display part. The whole system begins with the light source emit the light ,than the Phototransistor gets the signal from the transmission fiber, after that it switches the light signal into the electric signal. Than this signal will be processing by the Amplifier circuit, filter circuit, A / D converter circuit, finally this digital signal will be transported to the AT89C51.In the at89c5 it will process the signal and control the display part to show us the result.Key words: Optical fiber sensing; SCM; weak signal; detection; displacement Classification: TP273.2目次摘要 (I)目次 (Ⅲ)1 绪论 (IV)1.1研究目的和意义 (1)1.2基本内容及章节安排 (1)2 总体方案设计 (2)2.1 光纤传感中的微弱光信号检测电路及光纤位移传感器项目 (2)2.2 系统总体结构规划 (3)3 系统硬件设计 (4)3.1 89C51单片机及相关电路 (4)3.1.1晶振电路 (5)3.1.2复位电路 (6)3.2 光源选取 (6)3.3光纤选取 (7)3.4光电传感器的选择 (8)3.4.1 光电传感器的类型 (9)3.4.2 相关原理 (10)3.5 显示电路 (11)3.6 信号调理电路 (11)3.6.1 放大滤波电路 (12)3.6.2 A/D转换 (14)4 系统软件设计 (19)4.1 主程序软件设计 (19)4.2 主要功能子程序设计 (20)4.2.1 A/D (20)4.2.3 显示模块 (20)4.3 程序设计 (18)5 调试及结论 (20)5.1调试情况 (20)5.2结果分析 (21)5.3 结束语 (21)参考文献 (23)作者简历 (22)学位论文数据集 (23)1绪论1.1研究目的和意义人类社会已进入信息化时代，工农业生产、交通、物资社会服务等方方面面都需要实时获取各种信息，而各类传感器通常是各种信息源头，是检测与自动化系统、智能化系统的“感觉器官”。

微弱信号采集处理电路

微弱信号采集处理电路

微弱信号采集处理电路微弱信号采集处理电路微弱信号采集处理电路摘要：文中介绍了一种医学用的检测信号的采集处理电路，它能够准确的将微弱信号放大，具有精度高、噪声低、高抗干扰能力、低漂移、高稳定性、线形与保真度好、有合适的输入与输出阻抗、响应快、可靠性与经济性等优点。

关键词：血小板聚集;微弱信号;处理电路由血小板聚集功能异常可检测出因聚集功能低下所造成的出血倾向疾病，或因聚集功能过高所形成的血栓，诊断血栓栓塞并发症，如中风、心梗等疾病元监测，并可提早预防避免发生。

同时可用于研究，如血小板药物学研究、中西药节选抗血小板药物之测定研究中医药活血化淤机理等。

全血经低速离心，去除红细胞、白细胞，制备富含血小板血浆(PRP)。

在特定的连续搅拌条件下于富含血小板血浆(PRP)中加入诱导剂时，由于血小板发生聚集，悬液的浊度就会发生相应的改变，光电池将浊度的变化转换为电信号的变化，在记录仪上予以记录，根据聚集曲线可计算出血小板聚集的程度和时间。

一、总体设计1.整体设计。

上述血小板聚集功能检测过程很容易受到外界电信号和客观环境的干扰，为了抗干扰，准确的采集有用信号，应系统采用调制解调电路。

调制电路使用的是光电调制，解调电路采用精密整流型相敏检波电路。

整体设计主要包括激励电路、采集电路、调理电路三部分，功能主要是进行检测信号的采集。

整个硬件功能齐全，结构简单，成本低廉，易生产。

2.影响检测精度的因素。

①机械定位的准确性。

根据检测的原理，检测装置的光电发射与光电接收的光轴应一致，因此要求发射部件与接收部件应该水平，中心对应，并且为了避免引入杂光，发射部件与接收部件都一定要采用黑色阳极氧化的工艺，且光轴应在试样中心。

另外，我们设置了4条并行的检测通道，为了达到一致性，要求各通道发射部件发射的光束平行，光强一致，发射部件的发射面积相同，同时各接收部件的接收面积也要相同，这就对机械定位要求很高，这将直接影响检测的重复性、一致性。

(完整版)小目标微弱信号检测电路设计

图9 复位和晶振电路设计原理图
信号输出电路
STC89C52RC用于脉冲宽度的测量和信号传输通道阻通状态的转换，并负责特征参数的修改和设置。74HCT00用于信号逻辑极性的转换，Q1用于将信号从TTL电平转换到CMOS电平，CD4098则用于输出脉冲的整形控制。信号输出电路如图10所示：
图10 信号输出电路
void delay(unsigned char tt)
{
for(;tt>0;tt--);
}
void init2()
{
p1_5=0;
delay(240);//主机发出延时500微秒的复位低脉冲
}
void main()
{
while(1)
{
p3_7=1;
p1_0=0;
delay(2);
p3_7=0;
delay(250);
小目标微弱信号检测电路设计
在靶场测试领域，天幕靶是一种常用的光电触发设备。既可以用作区截装置测量弹丸的飞行速度，也可采用多幕交汇技术测量弹丸的着靶坐标，还可以作为其他设备的测试触发装置。但现有天幕靶灵敏度低、视场小、抗干扰能力差。本文设计了一种小目标微弱信号检测电路，通过光电二极管进行光电信号转换，并且设计了信号放大电路与滤波处理,有效地滤除了干扰信号,提高了天幕靶抗干扰能力。
图8供电电路设计原理图
LM1117是一款低压差的线性稳压芯片。当电路输出为1A时，输入输出的电压差典型值仅为1.2V。该芯片过流保护和热保护功能很完善，能够在复杂环境条件下提供稳定的电源。同时使用修正技术，确保输出电压和参考源精度在±1%的精度范围内。
7.3芯片晶振与复位电路
当单片机上电时，此时振荡器开始运行，只要RST引脚得到持续两个机器周期的高电平，芯片便可完成自动复位。外部复位电路是通过提供两个机器周期以上的高电平来进行复位的。本系统采用的是上电自动复位，由于上电瞬间电容器上的电压不能突变，RST上的电压是Vcc上的电压与电容器上的电压之差，因而RST上的电压就是Vcc上的电压。随着充电的进行，电容器上的电压开始不断上升，RST上的电压不断下降，RST脚上只要保持10ms以上高电平，系统就会有效自动复位。电容C1可取10-33μF，R取10kΩ，充电时间常数为100ms。

微弱光电信号检测电路设计

微弱光电信号检测电路设计孙红兵1,莫永新2(1.淮阴师范学院 江苏淮安 223001;2.江苏电大武进学院 江苏常州 213161)摘 要:光电检测电路的性能对基于激光诊断技术的脉冲爆震发动机多参数测量系统有重要的影响。

针对测量系统中光信号的特点,从改善信噪比、提高带宽及稳定性入手,设计了一种宽带低噪声光电信号放大电路,具有电压增益高、上升沿短及噪声低的特点。

该电路主要适用于探测快速变化的微弱光,并在某型发动机多参数测量系统中得到了成功应用。

关键词:光电检测;信噪比;前置放大;频率特性;脉冲信号中图分类号:T N710.2 文献标识码:B 文章编号:10042373X(2007)182156203Design of Amplifier Circuit of Photo 2electric Detection for Weak SignalSUN Hongbing 1,M O Yongxin 2(1.H uai yin Teachers College,H uaian,223001,Chi na;2.Wuji n College,Jiangsu Broadc a st U niversity,Changzhou,213161,China)A bstra ct :The multi 2par ameter measur ement system for pulse detonation engine based on laser 2diagnose technology is af 2fected by the performance of phot o elect ric detecting cir cuit.I n view of the character istic of opt ic signa l of t he measur ement system,taking int o account the improvement of signal to noise ratio and the stability obtains,has designed one kind of wide band and low noise photo 2elect ric detecting circuit.It has character istic of high voltage gain and low noise.T he cir cuit is fit for detecting fleetness change and faint signal,and is applied to a multiple parameter measur ement system of an engine.Keywords :photo 2electr ic detection;signal 2to 2noise;pre 2amplifier;frequency char act eristic;pulse signal收稿日期:2007204203基金项目:国防预研项目(402030202)1 引 言在研制基于激光诊断技术的脉冲爆震发动机多参数自动测量系统过程中,需要针对中心波长为1.33L m,1.55L m 的红外脉冲光进行测量,而且该脉冲光是频率为1MH z 的方波信号,工作现场有很强的电磁干扰,这给电路设计带来了困难[1]。

微弱信号检测的前置放大电路

引言
针对精准农业中对微弱信号检测的技术需 求，本ppt设计了以电流电压转换器，仪表 放大器和低通滤波器为主要结构的微弱信 号检测前置放大电路。结合微弱信号的特 点讨论了电路中噪声的抑制和隔离，提出 了电路元件的选择方法与电路设计中降低 噪声干扰的注意事项。本文利用集成程控 增益仪表放大器PGA202 设计了微弱信号 检测前置放大电路，并利用微弱低频信号 进行了测试，得到了理想的效果。
4、电路的设计与实现
综合考虑微弱信号检测的需要和市场上芯片的供应情况， 本文选用PGA202 搭建仪表放大器，对微弱信号检测前 置放大电路进行了整体设计。
4.1 PGA202 简介 这里所选用的PGA202 是由BURR-BROWN 公司生产的，
PGA202 是一种程控仪表放大器，它内部集成了程控的 增益改变逻辑电路。由于省去了增益控制部分，利用 PGA202 搭建仪表放大器可以使电路结构得到很大的简 化，并且它的放大倍数稳定精确，为后续的数据处理提供 了方便。PGA202 的内部结构如图3。
电路中的仪表放大级通常设计为程控放大倍数的结构，通过程控开关 调整反馈电阻的大小，从而改变放大倍数。为了对数字电路和模拟电 路进行隔离，程控开关选用光偶开关。为了提高仪表放大器的性能， 可以选用集成仪表放大器。很多公司提供了不同类型的集成仪表放大 器，如INA127，它内部集成了仪表放大器的主要结构，有很好的对 称性，可通过改变外接电阻的大小改变放大倍数。PGA202 是一款可 程控放大倍数的仪用放大器，应用它可以简化电路结构，但PGA202 需要搭建差分输入级，这样就降低了共模抑制能力。2007 年末ADI 公司推出的AD8253 芯片集以上两种芯片的优点于一身，不但集成 了完整的仪表放大电路，还集成了程控放大倍数的逻辑电路，是微弱 信号检测前置放大电路的理想选择。

10502067_微弱信号检测前置处理模块电路设计

收稿日期:2015-07-02;修订日期:2015-08-10作者简介:孙　韩(1994-),女,安徽合肥人,研究方向:通讯系统原理与设计、嵌入式开发、自动控制。

基金项目:安徽大学2013年大学生科研训练计划项目“压缩感知用于频谱检测方案的研究”(编号:kyx12013034)。

第33卷　第4期2015年8月江 西 科 学JIANGXI　SCIENCEVol.33No.4Aug.2015 doi :10.13990/j.issn1001-3679.2015.04.032微弱信号检测前置处理模块电路设计孙　韩(安徽大学电子信息工程学院,230601,合肥)摘要:从Y 光纤斐索型激光干涉微振动检测仪的微弱信号检测实际需求出发,基于高速DSP 数据采集与处理系统,采用集成运放芯片AD620,设计了一种能实现前置放大、带通滤波、电平抬升、增益可调等功能的前置处理模块电路。

经实验测试,该电路设计具有抑制噪声、抗干扰能力强,信号放大、带通滤波效能高等的优点,能有效进行微弱信号前置放大、去噪等处理,为后续A /D 转换和高速DSP 数据采集奠定基础。

关键词:微小振动测量;微弱信号检测;前置处理模块;电路设计中图分类号:TN248 文献标识码:A 文章编号:1001-3679(2015)04-598-04Pre⁃processing Module Circuit Design of Weak Signal DetectionSUN Han(School of Electronic Information Engineering Anhui University,230601,Hefei,PRC)Abstract :According to the actual demand of weak signal detection of Y type optical fiber Laser in⁃terference micro vibration detector,based on high⁃speed DSP data acquisition and processing system,using the integrated operational amplifier AD620chip,a kind of pre⁃processing module circuit which can realize function of pre⁃amplifier,band⁃pass filter,level up and gain adjustable is designed.Through experimental test,the circuit designed in this paper has a strong suppress noise and anti⁃in⁃terference ability,the advantages of signal amplification and band⁃pass filtering efficiency higher.It can also effectively amplify a weak signal and suppress the noise,and lay a foundation for subsequent A /D conversion and high⁃speed DSP data acquisition.Key words :micro vibration measuring;weak signal detection;pre⁃processing module;circuit design0　引言微振动测量广泛应用于石油勘探,各种发电机组、机床及桥梁的振动监测,高层建筑晃动测试,船舶及飞机等的发动机振动分析中。

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延迟τ
SR（t） 设Si(t)=VsmCOSωt ,
ƒ2(t)=SR（t - τ）
SR(t)=VRmCOS(ωt+ ωτ)
T 2 T 2
RsisR(τ)=lim
1/T∫ T→∞ －
VsmCOS(ωt) VRmCOS(ωt+ ωτ)dt
=[(VsmVRm)/2] COS(ωτ）
这是一个不衰减的周期函数，是可测的。说明相关接 收法能有效去除随机噪声，使输出信噪比提高许多。 实际的相关接收电路是相敏检波器与低通滤波器的结合
二
自相关和互相关函数
1 自相关函数的定义
1 Rxx（τ）= lim ∫ T T→∞
T 2 T 2
ƒ(t) ƒ(t - τ) dt
它表示随机信号ƒ(t)与延时了时间间隔τ之后的 同一信号的相关性。当随机函数不包含有周期性 分量时， Rxx（τ）在τ= 0时最大，随τ的增加 而单调下降， τ→∞时， Rxx（τ）趋近于 ƒ(t) 的平均值的平方，若ƒ(t)的平均值为0，则Rxx（τ） 随 τ 的增大而趋近于0。由于噪声的平均值为0， 利用此性质，得出噪声的自相关函数接近于0的结果
第六章 微弱信号检测电路
ƒ1(t)=Si(t)+n(t)
乘法器
输出
输入信号 参考信号
∫
延迟τ
T 2 T 2
ƒ2(t)=SR(t)
1 R12（τ）= lim ∫ T T→∞ 1 = lim [ T T→∞
积分器 Si(t):有用信号 n(t):随机噪声信号
R12(τ )
ƒ1(t) ƒ2(t - τ) dt
T 2 T 2
∫
T 2 T 2
Si(t) SR(t - τ) dt +
1 T∫
n(t) SR(t - τ) dt ]
= RsisR(τ) +RnsR(τ) ≈ RsisR(τ)
第六章 微弱信号检测电路
Si（ t ） n（ t ）
传感器
激励正弦 波发生器
ƒ1(t)
乘法器
∫
R12(τ )
ƒ1(t)=Si（t）+n（t）
第六章 微弱信号检测电路
6.4 频域微弱信号检测
一 关于相关检测
相关检测技术：利用信号的周期性和噪声的随机性的差别， 通过自相关或互相关运算，达到去除噪声的一种技术。 自相关或互相关运算功能可利用现代计算技 术和微机系统来实现，也可以由电子电路来 完成，在检测仪器中，常采用后一种技术。
第六章 微弱信号检测电路
第六章 微弱信号检测电路
第六章 微弱信号检测电路
第六章 微弱信号检测电路
电阻热噪声的有效电压
En 4kTRf
• • • • R:电阻值 f：系统带宽 k:波尔兹曼常数（1.38×10-23J/K)； T:绝对温度（室温下T=290K）；
第六章 微弱信号检测电路
• 例题 放大器的工作带宽为2MHZ，信号源电阻为200Ω。 当工作温度为27oC，电压增益为200，输入信号有效值为 5μV时，试该系统的性能，假定放大器的其它噪声可以忽 略。
第六章 微弱信号检测电路
一 采样积分检测原理
对于N次积累后，采样积分器的信噪比改善系数为： SNIR=（S/N)o/（S/N)i=√ N （S/N)o：输出信号信噪比 （S/N)i：输入信号信噪比 也就是说，积分器对N次采集信号（包括噪声n和有用信号s）， 进行线性积分累积过程中，对s的累积结果为N×s，对噪声的 累积结果为√ N ×n，因为n次的噪声求和应当服从于均方根 和法则，故积分器的输出信噪比（S/N)O=N×s/ √ N ×n = √ N ×s/n= √ N(S/N) 另外，应在一个周期内采集多个点，比如沿波形采集M点,点 数越多，其复现的越好，但增加了系统复杂性。测量波形上 的一个点要一个积分器。
第六章 微弱信号检测电路
A” BOXCAR积分器测试一个完整波形的时间
输入 信号
Vi
A
A’
t
tG
VC
门控 信号
Δt
2Δt
t
1 2 3
实际上， Δt 一个接一个发生，被检测的波形Vi上任何一点 都受到了上述这种积分平均处理，积分器的输出波形对应输 入的有用信号，而随机噪声信号则被积分平均作用抑制掉了。
第六章 微弱信号检测电路
• 输入放大器噪声
En 4kTRf
• 放大器输出
4 1.38 10 300 2 10 200 2.57 V
23 6
输出信号： 5 V 200 1mV
输出噪声： 2.57V 200 0.514mV
第六章 微弱信号检测电路
第六章 微弱信号检测电路
第六章 微弱信号检测电路
相敏检波器
第六章 微弱信号检测电路
第六章 微弱信号检测电路
第六章 微弱信号检测电路
输入信号
+1 -1
VR
Vs
参考电压 VR
VP
LPF
低通
VO
Vs
t t
开关驱动电路
Vp 同相VO＞0
VO
t
VR
Vs Vp 反相VO＜0微弱信号检测电路
2 互相关函数的定义
1 Rxy（τ）= lim ∫ T T→∞
T 2 T 2
ƒ1(t) ƒ2(t - τ) dt
它表示两个不同的随机变量(如信号与噪声)互相独立,则 互相关函数将是个常数,它等于二随机函数的平均值的乘 积,若一个平均值为 0 (如噪声) 则互相关函数处处为0。
第六章 微弱信号检测电路
A’ Vi A” A 采样脉冲步进移动示意图
输入 信号
C
B
t
tG Δt 2Δt
Vi
A
•
•
VC
门控 信号
•
tG
Δt
t
1 2 3
在第一个输入波形第一次 触发后，产生1号采样脉 冲；在第二个输入波形第 二次触发后，产生2号采 样脉冲；两采样脉冲间隔 T+Δt，以后每一个采样脉 冲推后Δt形成了tG周期地 扫描输入波形Vi效果。
BOXCAR 积分器测量完一个完整的波形周期 T 所需时间 T t : 设一个周期波形被分割成 M 个点 ,, 每一个点所属的区域宽度 对应一个窗口宽度 t G , 每一个点的积分平均次数为 N S , 而每输 入一个被测波形只产生一次步进 ,t G 窗口移动 Δt, 则 T t =MN S T 如 : 被测信号 1KHz, 分成 100 个点 , 每点积分平均 100 次 , 那么 : Tt=100*100*1/1000=10(S) ,说明用10S时间才能测完一个1KHz 的周期波形,其SNIR=10,是以时间为代价,换取积分平均的效果.
t t
t
相位差φ=900 ，VO=0
当相位差为任意φ，VO=VSCOSφ
第六章 微弱信号检测电路
六 相敏检波器抑制低频干扰
VR 参考电压
t VP经过低通 滤波器后， 不产生输出， 说明能够抑 制低频干扰 信号
VN
低频干扰
t
VP PSD输出
t
第六章 微弱信号检测电路
6.5
时域微弱信号检测
利用相关检测技术解决频域信号的高灵敏度和窄带 化接收问题，起到去除噪声的作用。但有时需要了 解真实信号的波形形状，比如，在调试放大器时， 我们不但用电压表测输入输出信号的大小，求出其 放大倍数，还要用示波器看波形的形状，判断是否 有饱和或截止失真。这就是时域分析重要意义。
第六章 微弱信号检测电路
一 采样积分检测原理
1
2
3
N
对周期性波形固定位置采样 1 设信号是周期的 2 用一个采样时间极短的采样/保持器周期地对其采样
若信号是无噪声的稳定的周期信号，则每次采到的数值不变，亦即它 的积分平均值仍为该信号此时刻的瞬时值； 若信号混杂有随机噪声，则各次采样值有可能偏离有用信号的瞬时值， 但如果将保持电容CH取得足够大，起积分平均做用，则噪声的影响 就会减弱，且采集的次数越多，噪声的平均值越小，N足够大，噪声 为0，但稳定的有用信号不会受到积分平均的影响。N值取得越大， 一次检测需要的波形个数越多，即要花费更长的时间，提取有用信号 波形的效果是以延长测量时间为代价的。
参考 信号
过零触发器
-
定点 W
时基信号 发生器 Vt
延时电路
t0
tG脉冲周期性线性移动工作原理 (TS=8T 第六章 微弱信号检测电路 O)
输入 信号Vi 过零同步 触发脉冲 TO 时基 信号 慢扫描 信号VS 电压比 较器输出 采样 脉冲tG 复现 波形
. . .
. . . . . . .
t
t
. . . .
第六章 微弱信号检测电路
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第六章 微弱信号检测电路
第六章 微弱信号检测电路
第六章 微弱信号检测电路
第六章 微弱信号检测电路
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第六章 微弱信号检测电路
第六章 微弱信号检测电路
第六章 微弱信号检测电路
第六章 微弱信号检测电路
• 热噪声是一种最普遍的噪声，由于导体内部自由电子做无规则的热运 动而产生的，是杂乱无章的，温度越高越激烈。 • 随机性：自由电子的无规则的碰撞运动，在导体内部形成许多小的窄 脉冲电流波动，其幅度、持续时间和方向都是随机的，在导体两端产 生小的波动电势 • 噪声电压振幅平均值为0 • 概率谱密度函数呈正态分布（平稳随机过程）可以用功率谱密度（单 位频带的噪声功率）函数描述。 • 功率谱密度在整个频域内均匀分布的噪声。 • 所有频率具有相同能量的随机噪声。
第六章 微弱信号检测电路
二
多点信号采样积分平均器原理图 输入
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