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微弱信号检测课件5(高晋占_--清华大学出版)

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哈工大课件-微弱信号检测-1

哈工大课件-微弱信号检测-1

采用高导磁材料作屏蔽层，以便让低频干扰磁力线从
磁阻很小的磁屏蔽层中通过，使内部电路免受低频磁
场耦合干扰的影响。
干扰噪声及其抑制技术
为了有效地进行低频磁屏蔽，屏蔽层材料要选
用诸如坡莫合金之类对低磁通密度有高导磁率的铁
磁材料，同时要有一定的厚度以减小磁阻。
由铁氧体压制成的罐形磁芯可作为磁屏蔽使用，
并可以把它和电磁屏蔽导体一同使用。为提高屏蔽
VN
V1 1 R SC2 g 1 SC12 R 1 SC2 g
1 R SC2 g 1 R SC2 g
当
R
1 j (C12 C2 g )
时，
当
N R
1 C12 RV V j 1 j (C12 C2 g )
时，
V1 RSC12 RS (C12 C2 g ) 1
干扰噪声及其抑制技术
第一讲
干扰噪声及其抑制技术
工业现场干扰会造成检测电路失去测量精度甚至测量结
果失常。将讨论常见的干扰类型、干扰传输途径以及干扰抑 制方法。 把那些不需要的电压和电流，并在一定条件下形成危害电 路正常工作的电量信号（干扰电压和干扰电流），称为“噪声”， 或者“干扰”。 通常，以干扰电量为对象进行研究时，多使用“噪声”这 个词；以干扰电量所造成的危害作用为对象进行研究时，多使用 “干扰”这个词。 我们把设备或系统中除去有用信号以外的所有电磁信号称 为电磁噪声（简称噪声）。由电磁噪声引发不期望得到的结果， 称为电磁干扰（简称干扰）。 噪声是原因，干扰是后果。
干扰噪声及其抑制技术 2、公共阻抗耦合
共阻抗耦合 等效电路
用合适的接地措施可以有效地 电源内阻引起的共阻抗干扰 克服公共阻抗耦合噪声。

微弱信号检测课件1(高晋占_--清华大学出版)

微弱信号检测课件1(高晋占_--清华大学出版)

微弱信号检测 方法
吉时利公司 （Keithley）
103 nV 108 nA 106 K
1.2 常规小信号检测方法
一、滤波

������
功能： 压缩频带，以提高信噪比；


������
������ ������
适用范围：信号与噪声频谱不重叠；
常用滤波器：低通、带通、带阻； ……
二、调制放大
1 x Lim T 2T


xt px dx
噪声普遍具有各态遍历性质，其统计平均可以用时间平均来 计算： T
T
xt dt
N i 1
1 对于离散随机噪声： x N
xi
均值 x 表示的是随机噪声的直流分量。
平稳随机过程

在数学中，平稳随机过程（Stationary random process）或者严平稳随机
变量，只能表示其在某一
工作点的灵敏度。
dx
dx x
（2）精确度(精度)
与精确度有关指标：精密度、准确度和精确度(精度)。
精密度 ：随机误差 准确度：系统误差 精确度： ---是精密度与准确度两者的总和， 精确度高表示精密度和准确度都比较高。 在最简单的情况下，可取两者的代数和。
精密度：随机误差 准确度：系统误差

特点：∵微弱，∴淹没在噪声中，WSD是抑制噪声的技术 ； 发展：近40年迅速发展，能测<1nV的信号，SNR 提高 106 ； 推动了物理、化学、天文、地学、生物医学等学科的发展。
2．WSD方法

物理学方法（检测原理与方法，传感器）；
电子学方法（模拟与数字信号处理电路）；
信息论方法（DSP，模式识别、人工智能、

微弱信号检测课件5(高晋占 --清华大学出版)

微弱信号检测课件5(高晋占 --清华大学出版)
1. 门宽Tg 的选择
设需要恢复的最高频率 分量为f c ,
令 H fc 0.707 3dB拐点 ，得fcTg 0.42,
Tg 0.42 f c
说明fC与Tg 成反比。
欲恢复信号的频率越高 Tg 须越小。 ，
2.
积分器时间常数 C RC的选择： T
SNIR 2TC Tg TC
只要取样间隔 t足够大，则 ij i 1,2,, N 互不相关， n
N 1 2 2 n E nij N n i 0
2 ij 2 2 no nij N n N n
带P 带入上式得
sin n sin n jRCU0 U 0 ns X ns n n n n
A sin n sin n U 0 n U 0 ns jRC n n X ns jRC n
2. 扫描模式的SNIR
门宽Tg 每次移动t。
对于被测信号的任一点，被采样 次数为：
N Tg t
根据 N 法则，SNIR N Tg t
3. 扫描模式的传输特性
设xt 的频率为的分量为 xi t Vm exp jt
时刻t的积分平均结果为
1 u0 t Tg
du0 t Re t C u0 t xt dt du0 t u0 t xt dt Re t C Re t C
du0 t u0 t p t xt p t dt RC RC
作傅里叶变换，得:
jRCU0 U 0 P X P
SNIR2 Tg
2
3.
慢扫描时间 S 选择 T Tg TBT N t t TS

第1章 微弱信号检测与随机噪声1

第1章 微弱信号检测与随机噪声1

Carrier wave vc , c
振荡器
6
被测信号 载波信号
vs cos st vc cos ct
调制
交放
1 vm vs vc [cos(c s )t cos(c s )t ] 2
Avm
各级产生的低频慢漂信号均可滤除
解调 vd Avmvc
1 A[cos(2c s )t cos(2c s )t 2cos st ] 4
类似道理，自协方差函数也含有同周期的周期分量
22
当
时，噪声自相关函数反映其直流分量的功率
（前提：噪声中不含周期成分）
理解：时间间隔无限远，噪声的交流部分不再有任何
相关性，自相关结果只剩下直流的作用 类似道理： 当
时，自协方差等于0（前提：噪声中不含周期
成分）
23
2. 互相关函数
非常困难 增加反馈环节可削弱变换环节干扰噪声的影响，此时要 求反馈环节稳定可靠，而设计与制作稳定可靠的反馈环 节相对比较容易 通过增加环节，将困难问题转化为简单问题
9
噪声n（变换环节噪声折合到输入端）
被测量x
+
+
变换H
噪声n
y
y Hx Hn
+
被测量x + -
放大 A
+
变换 H
y
反馈 F
AH H 1 1 AHF 1 y x n x n 1 AHF 1 AHF F AF
1 lim T 2T Rx ( )

T T
[ x( t ) x( t )]dt
改变起点
类似道理，自协方差函数也是偶函数

哈工大21系鞠教授《微弱信号与噪声》PPT课件

哈工大21系鞠教授《微弱信号与噪声》PPT课件

课程内容
1. 微弱信号与噪声 2. 光辐射探测器 3. 光电信号的探测 4. 频域信号检测技术 5. 时域信号检测技术 6. 相关检测技术 7. 自适应噪声抵消技术 8. 微弱光电信号检测技术应用 9. 高灵敏度APD、光纤锁相环、光
学锁相、单光子APD、条纹管 APD、探测方法、环境控制
第一章 微弱信号与噪声
噪声功率谱曲线S(f)所覆盖的面积在数值上等于噪声
的总功率
PN
f2 S ( f )df
f1
白噪声
限带白噪声
窄带噪声
红噪声
蓝噪声
平稳随机过程的相关函数 相关函数的特点：
lim R( )
1
T
x(t)x(t )dt
T 2T T
1. 只与时间差有关，与计算的起点无关 2. 由于绝大多数噪声相互独立，相关函数随时间差的增加而
噪声：由于材料或器件本身的物理原因所产生的扰动 干扰：可以减少或消除的外部扰动 。
2、信号与噪声 信号与噪声是相对的概念、定义
3、噪声的分类
噪声
干扰噪声 内部噪声
人为造成的：无线电发射、电火花 自然造成的：大气扰动、宇宙射线、雷电 人为造成的：50Hz干扰、系统寄生反馈、自激干扰 固有噪声：元器件固有噪声，热噪声、
电压 /nV 1e3 0.1
1e-3
检测量 电流 温度 /nA /K 0.1 1e-4 1e-5 5e-7
电容 /pF 0.1 1e-5
SNIR
10 1e5
1e-8 1e-6
3、常规小信号检测方法
滤波：窄带滤光片 调制放大与解调：无线电广播 零位法：欧姆表 反馈补偿法
第二节 噪声及其功率谱密度 一、噪声的引入 1、干扰与噪声

《微弱信号检测》PPT课件

《微弱信号检测》PPT课件

电子器件的固有噪声
工程上常用测量综合噪声效果衡量电子器件的噪声， 不再区分具体噪声源。 图(a)所示接信号源的放大器，其 综合噪声等效电路可用图(b)表示。
(a)实际电路
(b)等效噪声电路
图 -2 连接到信号源的放大器 us—待放大信号；Rs—ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ号源电阻；unt— Rs≠0引起的热噪声； uni—折算到输入端的噪声电压；ini—折算到输入端的噪声电流
Eni：位于信号源处放大系统的等效输入噪声， 假定Eni是白噪声，其功率谱密度为常数。
SNIR
f in 可等效为：SNIR f n
Δfin为输入噪声的带宽；
Δfn为系统的等效噪声带宽。
减小系统的等效噪声带宽，可提高SNIR。
SNIR越高，系统检测微弱信号的能力越强。
使用微弱信号检测技术，SNIR可达103～105，甚 至107。
举例： A741 的输入端的噪声电压、噪声电流功 率谱密度函数Su(f)、Si(f)的曲线如下图所示 。
图-3 A741的噪声特性
3.低噪声放大器
为放大微弱信号，必然要用放大器。放大器 本身不可避免地产生噪声，对信噪比本来就比较 低的微弱信号造成进一步影响。
因此，微弱信号检测的首要问题是尽量地降
几种常见电子噪声
噪声种类 热噪声 特点 降低途径 减小输入电阻和带宽 减小平均直流电流和带宽
属于白噪声，功率 谱密度在很宽的频 散粒噪声 率范围内恒定。 属有色噪声，频率 接触噪声 增加，功率谱减小。
减小平均直流电流
微弱信号检测中要处理的绝大多数是随机噪声。
源头：电子自由运动-热噪声；越过PN结的载流子扩散和电 子空穴对的产生复合；接触噪声-导体连接处点到的随机涨落。

微弱信号检测课件(高晋占清华大学出版)_图文


。
特点：（1）跟踪时变的
；
（2）一阶低通特性，时常
个
采样周期；
（3） 越小，跟踪能力越强，但
方差越大；
（4）指数加权平均。
6. 3. 2 Relay算法
1. 模拟积分算法
（1）算法
其中：
可用过零检测器得到
（2）实现方法 单路：
多路：
时延可用Shift Register or Circular RAM
6. 5 相关检测应用
6. 5. 1 噪声中信号的恢复
1. 自相关法
例：
2．互相关法
互相关法检测周期信号：
3．用相关法恢复谐波分量
4. 互相关法检测非周期信号
例：火焰监视器
6. 5. 2 延时测量
讨论：频带宽度对测量结果的影响。
6. 5. 3 Leak Detection
泄漏产生管道振动，频率500—1000Hz，传播距离可 达数百米；水对土壤的冲击及漏水在空腔中的回旋产生 低频噪声，传播距离较短。
6. 2 相关函数实际运算及误差
6. 2.1 相关函数实际运算 1．模拟积分
2．数字累加
6. 2. 2 实际运算误差 1.估计值的方差
式中： T―积分时间； B―信号带宽；
上式常用于计算积分所需时间。
5． 数字相关量化噪声导致的SNR退化比 D是量化级别数、采样频率的函数。
6．3 相关函数算法及实现
2．数字累加式
实现方法： 3．估计值的偏差
6. 3. 3 极性相关算法(Polarity Correlation)
1. 模拟积分式 （1）算法： （2）实现：
相乘结果：
实现电路 ：
2．数字累加式
（1）算法：

微弱信号检测-5


The Wiener-hopf equation is


0
h ( ) Rx ( )d R y0 x ( )

2 min
R y0 (0) R y0 x ( )h ( )d
0



0
h ( ) Rx ( )d R y0 x ( )
2.Integral form of Wiener filter solution
The aim is to get the best frequency response and impulse response for the filter to make it with the minimal mean square.
y (t ) real output.
waveform recovery; smoothing； prediction
The difference between ideal output and practical output: (t ) y(t ) y0 (t )
(t ) is random function.The filtering quality can be judged by mean square error.


y(t ) x(t )h( )d



x(t )h( )d y0 (t )
2
2




y (t ) 2 y0 (t ) x(t )h( )d
2 0



x(t ) x(t )h( )h( )dd
E( y0 (t ) y(t )) x(t1 ) 0

微弱信号课件


上式经傅立叶逆变换，和的时域关系为：
举例：图示RC低通滤波器，输入为零均值高斯分布的白噪声，其功率 谱密度，求滤波器输出的功率谱密度和功率。 解：
令，则，得 说明：电路的时间常数越大，低通滤波器带宽越小，输出的功率越小。
六、放大器及线性网络的（等效）噪声带宽
微弱信号检测中，关心输出噪声功率的大小，等效噪声带宽概念方 便输出噪声功率计算。 定义：功率增益曲线对频率的积分除以功率增益曲线的最大幅度。 式中，—等效噪声带宽，—电压增益频率函数，—功率增益频率函数— 最大电压增益，—最大功率增益。 说明：
五、随机噪声通过（线性）电路系统的响应
信号检测装置中，被测信号机噪声均要通过各种电路进行处理（包 括放大器、滤波器及检波、鉴频等电路）。通过电路系统后，信号与噪 声将产生一定变化。这里主要研究随机噪声信号通过线性电路系统的计 算方法及其响应的特点。
图示线性系统中，单位冲激响应与系统函数构成傅立叶变换对： 输入与输出的关系为： 1、为确定性信号 如果输入为确定性信号，则输出也为确定性信号，此时和的傅立叶 变换和满足一下关系： 2、为随机噪声 如果输入为随机噪声，则输出也为随机噪声，随机噪声的不确定性 导致无法得到输入与输出傅立叶变换，上面关系不再有效，这时只能采 用分析统计特性的方法来确定它们之间的关系。 设和的功率谱密度函数分别为和，经理论推导，和满足以下关系：
2、随机噪声的功率谱密度：单位频带内噪声功率随频率的变化，反映 噪声功率在不同频率点上的分布情况。
信号的频域特征描述—频谱（幅度谱和相位谱）、能量谱和 功率谱。随机噪声信号不能用确定时间函数描述，只能用功 率谱描述频域特性。 噪声电压的功率为，在之间的功率为， 噪声的功率谱为： 噪声功率（即噪声电压均方值）为： 通常情况下，系统带宽受限，上面积分限改为和。 按照功率谱密度函数分类： 白噪声：很宽的频率范围内具有恒定的功率谱密度。没有严 格的白噪声，因为意味着无限大的噪声功率。热电阻噪声在 0—1013~1014Hz内具有白噪声的性质。 有色噪声： *电子器件中的噪声，，很强的低频噪声，称为低频噪声或红 噪声。 *晶体管中的噪声，，很强的高频噪声，称为高频噪声或蓝噪 声。

微弱信号检测课件2(高晋占_--清华大学出版)


例：用三个放大器串级联接来放大微小信号，其功率增 益和噪声系数如下表：
放大器 功率增益 K A 10dB A K B 12dB B C
K C 20dB
噪声系数F1
FA 1.6
FB 2.0
FC 4.0
如何联接才能使总的噪声系数最小？ 解：三个放大器中F最小的放大器A应该用作第一级。两 种联接排列：(a) A、B、C 或 (b) A、C、B增益换算为 倍数： K A 10倍，K B 15.849 倍，K C 100 倍。
S sh f 2qIdc
式中：
q 电子电荷；
I dc 流过PN结的平均直流电流。
3．散弹噪声电流的功率 P sh
Psh 2qIdc df 2qIdc B
B
4．散弹噪声电流的有效值（均方根值）为
I sh 2qIdcB
上式表明，单位带宽方根的
I sh
只是 I dc 的函数。

2 F B b1

12
K F I B f iN 2qI B f
当频率足够高时,忽略 1 f 噪声


12
2qIC eN 4kTrbb 2 gm iN 2qIB
12
（2）等效输入电压噪声随 I C 变化曲线
2 S ni f I n f 2 n
V Hz A 2 Hz
f f V A Hz Hz
2
2. 平方根谱密度 eN S nv f En
iN S ni f I n
2.3.2 放大器噪声性能分析
1．放大器的等效输入噪声
输入电路的总噪声功率：
2 2 2 2 2 Eni Vt 2 En I n Rs2 4 KTRs f En I n Rs2
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5.4.1 取样积分器参数选择
1. 门宽Tg 的选择
设需要恢复的最高频率 分量为fc ,
令 H fc 0.7073dB拐点，得fcTg 0.42,
Tg 0.42 fc
说明 f C 与Tg 成反比。
欲恢复信号的频率越高 ，Tg须越小。
2. 积分器时间常数 TC RC的选择：
将被测量与标准量对 比，以消除误差。
功能插件可选： A输出、B输出、A B、A B、logA B等；
对光强、漂移、温度进行补偿；
若选A B功能，B通道加可变 Td，则为相关器。
5.4.3 多点取样积分器系统
5.4.4 取样积分器应用
1 ．材料的光学特性检测
用基线取样法以消除杂散光、暗电流的影响。
pt



n

sinn exp
n

jnst
其频谱为
P




n

s
inn
n



ns

取样信号
xs
t


xt
pt



xt
n

sinn
n
exp

jnst

其频谱为
X
s


X

P



n
sinn
n
1
1 ns RC 2
5.2.3 指数式门积分器的输出特性
1. 传输特性 幅度响应
H sinn
n n
1
1 ns RC 2
0.2时的H f
（1）在取样频率fs的各次谐波处的带宽取决于 2RC，随RC

E
n0 j
n1 j

nN 1 j
2

E
N
1
ni2j


2E

N
2
N 1

nij nmj
i0
i0 mi1

只要取样间隔 t足够大，则 nij i 1,2, , N 互不相关，
ni2j

E
N
1
ni2j


N
2 n
2．超声波检测材料特性
3. 霍尔效应测量
VH RH IB d with RH ―霍尔常数
d―厚度
I 和B 已知任一项就可以测另一项。
5．5 数式字平均
Boxcar积分器分辨率高，但每个信号周期只采样一次， 信号利用率低，低频信号不宜。处理时间太长，漂移失 真。 例如： 10Hz信号，Tg 0.1ms,要求SNIR 100,TB 0.1s；
各次谐波处的幅度按 sin c 函数分布，在
f fs 1 Tg 处，幅度响应 Hn f 0 。
5. 2. 4 指数式门积分的信噪改善比
有效积分时间： NTg 5TC SNIR N 5TC Tg
∵指数式积分，∴接近饱和时积分效果差，
对白噪： SNIR 2TC Tg
SNIR 2TC Tg
TC

SNIR2Tg
2
3. 慢扫描时间 TS 选择
N Tg t
t TBT TS
得：N TgTS TBT
为使电容充电充分，须 NTg 5TC ,代入上式，得
Tg2TS 5T TBT
TC RC为时间常数
TS

5TBTCT Tg2
将TC

SNIR2Tg
设信号为： xt st nt
采样道数：j 1,2, , M ,间隔为t;重复次数：i 1,2, , N
1.
xij s j nij
N 时的SNIR
累加平均：x j

1 N
N 1
xij
i0
设nt
的rms
值为

，则对单次取样：
n
SNRi

Sj
n
N 时，平均结果为数学期望值E xij E s j E nij 对零均值噪声，E nij 0,E xij s j , no 0
SNR0

Sj 0

SNIR SNR0 SNRi
通过增加N 可使SNIR 达到任意值。
2. N有限时的SNIR
（1） 对高斯白噪
设其rms
值为
，则对单次取样：
n
SNRi

Sj
n
N 1
N 1
N 1
N次累加后：
xij S j nij
i0
i0
i0
ni2j
阶跃响应近似为：
u0t Vi t RtC Vit RC
Vi t Tg TRC 特点：受电路线性范围限制，适于小信号。
5.1.2 指数平均门积分
1. 如果开关K始终闭合：
xt


RC
du0 t
dt


u0
t

阶跃响应：u0
t


Vi
1


e
t RC

2. 如果rt 周期为T， 采样门闭合时间宽度为Tg ：
i0
no
ni2j
N
2 n

N n
SNR0
NS j
N n
NSj
n
SNIR SNR0 N SNRi
（2） 对高斯有色噪声
取样累加后的均方值为：
E ninik


Rn
k
,
Rn
0


2 n
ni2j

E
n0 j
n1 j

nN 1 j
2

E

N
1
ni2j


2E

N

2
N 1

nij nmj
i0
i0 mi1

N 1
NRn 0 2 N k Rn k k 1
平均后的均方值为：
2 no

n2
N 2 Rn 0
N 1
2 N
N 1
N
k 1

k n k

其中：n k Rn k Rn 0
SNRi S j n SNR0 S j no
SNIR SNR0 N
SNRi
1
2 N
N 1
N
k 1
kn k
5.5.3 数字式平均的频域描述
1．用傅立叶变换方法分析
取样过程： xt iT xt* t iT
et
RC
1）指数项说明,输出沿指数曲线逐渐积累, 时间常
数Te RC
2）当 从0逐渐变化到T时，输出显示出一个完整周
期的正弦波。这正是扫描式取样积分器的工作原理。
3）稳态输出时的衰减系数为 sin ，若要求衰
减系数小于3dB，则
sin 1

2
解得 1.392，即 Tg 0.4431T
t 0
xtdt


vo0
若xt 为幅度为Vi的阶跃电压，
而且初始电压uo0 0时：
积分器输出为: u0 t Vit RC
2. 如果rt周期为T，采样门闭合时间宽度 为Tg
占空系数： Tg T
TC RC
Rt


R，门接通时 ，门断开时
平均阻值：Rt R RT Tg 等效时间常数：Te RtC RCT Tg
的增加而减少，随占空比的减少而减少。
(2)在f
的各次谐波处，通带幅
s
度服从
sin n
n的规律。
2. 输出特性分析
考虑 xt X m cost
1 当xt的频率 s 2 T 时
u0t

Xm
s
in


coss
1
考虑到TS TB , 简化为
t TBT TS
位T置B 和起宽始度点。可控，斜率可控，便于选择恢复波形的
2. 扫描模式的SNIR
门宽Tg每次移动 t。
对于被测信号的任一点，被采样 次数为：
N Tg t
根据 N法则，SNIR N Tg t
3. 扫描模式的传输特性
设xt 的频率为的分量为 xi t Vm exp jt
测量这类信号的有效方法是取样积分与数字式平 均。
工作方式： 单点式和多点式; 单点式又分为定点式和扫描式。 定点式：反复采样信号波形上某个特定时刻点的幅
度； 扫描式：采样点沿着波形从前向后逐次移动，用于
恢复和记录信号波形。
5. 1. 1 线性门积分
1. 如果开关K始终闭合：
u0 t

1 RC
2
代入得：
TS

2.5TBT SNIR2
Tg
4． 指数式取样积分器参数选择流程
5.4.2 基线取样与双通道系统
方法：信号与基线分别采样、积分，相减补偿漂移。 作用：可以补偿抵消暗电流、漏电流、漂移造成的测量误差。 要求：信号选通与基线选通的时间关系必须与斩波信号同步。
2．双通道取样积分系统
对有色噪声：SNIR 2TC Tg 1 2eT
其中， 1 RC为有色噪声相关函数指 数因子。
5．3 取样积分器的工作方式
5.3.1 定点工作方式
（1）原理