微弱信號(hào)檢測(cè)

1、微弱信號(hào)檢測(cè)課程論文題目微弱信號(hào)檢測(cè)中的噪聲與直流誤差分析學(xué)生姓名學(xué)號(hào)院系專業(yè)電子信息工程任課教師二O一六年六月十二日在實(shí)際的數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理系統(tǒng)中,由于信號(hào)的幅值較小,測(cè)量時(shí)又受到信號(hào)端、傳輸器件及變換器件等本身存在的本底噪聲的影響,表現(xiàn)出的總體效果是有用信號(hào)被大量的噪聲和干擾所淹沒。如何檢測(cè)這種強(qiáng)噪聲干擾情況下的微弱信號(hào),是信號(hào)處理中的重要研究?jī)?nèi)容。許多科研工作者已提出了一些有效的處理方法,如基于高增益的寬帶波束形成的微弱信號(hào)檢測(cè)方法及微弱信號(hào)的相干檢測(cè)法等,但都存在靈敏度不高或適應(yīng)性不強(qiáng)的問題。要提高靈敏度,就需要對(duì)面電路及過程進(jìn)行誤差分析。In the actual data acq

2、uisition and signal processing system, due to the small amplitude signals, measured by signal terminal, transmission device and transform device itself has the background noise effects showed the overall effect is the useful signal is flooded with a lot of noise and interference. How to detect the w

3、eak signal under the condition of strong noise interference is an important research content in signal processing. Some effective approaches have been proposed by many researchers, such as those based on the broadband and high gain beam formation of weak signal detection method and the weak signal o

4、f the coherent detection method, but there are sensitivity is not high or do not have a strong adaptability. In order to improve the sensitivity, we need to analyze the error of the circuit and process.關(guān)鍵字直流誤差分析熱噪聲設(shè)計(jì)誤差在幾乎所有的微弱信號(hào)測(cè)量領(lǐng)域 微弱的物理量信號(hào)最終都是轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑷醯碾娦盘?hào)再進(jìn)行放大處理。微弱信號(hào)不僅表現(xiàn)為其幅值極其微弱 更表現(xiàn)在其可能被各種噪聲信號(hào)所嚴(yán)重淹沒。在

5、廣泛意義上 可以認(rèn)為噪聲就是擾亂或干擾被測(cè)信號(hào)的某種不期望的假信號(hào)。噪聲可以來自檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部 也可以來自系統(tǒng)外部 而且噪聲源的種類可以有很多 并且可以具有不同的特點(diǎn) 對(duì)信號(hào)檢測(cè)的影響可以不同。噪聲的大小決定了檢測(cè)系統(tǒng)的分辨率和可檢測(cè)的最小信號(hào)幅度。因此分析微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)存在的噪聲及其特點(diǎn) 研究和分析相應(yīng)的抑制噪聲的手段對(duì)微弱信號(hào)檢測(cè)相當(dāng)重要。很多情況下 微弱信號(hào)是直流信號(hào) 微弱直流信號(hào)的測(cè)量除了受噪聲的影響外 還會(huì)受到諸如接觸電勢(shì)、溫差電勢(shì)、電化學(xué)電勢(shì)、放大電路偏置電流與失調(diào)電壓等直流誤差信號(hào)的嚴(yán)重影響 因此 研究和分析微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的存在的直流誤差源及其特點(diǎn) 尋求降低或減小此類誤差信號(hào)的

6、方法顯得同樣重要。1 微弱信號(hào)檢測(cè)中的噪聲 27k 4TRB E =1.1 電阻的熱噪聲 電阻器如果不外加電動(dòng)勢(shì),那么用普通的電表去測(cè)量它的電流或端電壓時(shí) 讀數(shù) 為零。但事實(shí)上,電阻兩端時(shí)刻都存在著瞬時(shí)噪聲電壓,如果把它接到一個(gè)放大量足 夠大的理想放大器輸入端,并用示波器觀察它的輸出時(shí),可以看到一片“茅草”狀的 無規(guī)則雜波。這說明即使沒有外加電動(dòng)勢(shì),電阻R 也會(huì)在其兩端呈現(xiàn)噪聲電壓起伏 這就是電阻的熱噪聲 也稱為約翰遜噪聲。這是由于在任何一個(gè)處于絕對(duì)零度以上的 導(dǎo)體中 內(nèi)部的載流子做無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)。由于運(yùn)動(dòng)會(huì)隨溫度的升高而加劇,因此 熱噪聲的幅度會(huì)隨溫度的上升而提高。我們可將熱噪聲視為組件(如

7、電阻器電壓的 不規(guī)則變化。下圖 2-1顯示了標(biāo)準(zhǔn)示波器測(cè)得的一定時(shí)域中熱噪聲波形從圖中還可看到如果從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度來分析隨機(jī)信號(hào)的話,那么它可表現(xiàn)為高斯分布曲 線?？梢?電阻的熱噪聲是頻譜很平的白噪聲 不可預(yù)見 呈高斯分布。一個(gè)電阻產(chǎn) 生的噪聲電壓由下式?jīng)Q定: (2-1 式中k 波爾茲曼常數(shù)(KJ/1038.123×T 絕對(duì)溫度(KB 測(cè)量帶寬(HzR 電阻阻值(一個(gè)阻值為1M 的電阻在27°C 溫度下100KHz 帶寬時(shí)的均方根為7.40 uV 一個(gè)阻值為10k 的電阻在27°C 溫度下1HZ 帶寬時(shí)的均方根為9.12?？梢?對(duì)于檢 測(cè)uV 級(jí)甚至nV 級(jí)信號(hào) 電

8、阻的噪聲是不容忽視的。任何測(cè)量?jī)x器都有其測(cè)量的理論極限 這一測(cè)量靈敏度的理論極限取決于信號(hào)源TRB E k 4=的內(nèi)阻所產(chǎn)生的噪聲(約翰遜噪聲顯示了任何儀器電壓測(cè)量的理論極限靈敏度。圖2-2表明信號(hào)源內(nèi)阻為1時(shí) 電壓的檢測(cè)極限為1nV 如果該信號(hào)源的內(nèi)阻變?yōu)?T , 則毫伏級(jí)以下的電壓測(cè)量就會(huì)變得幾乎不可能。 顯然,在電子測(cè)量系統(tǒng)其它噪聲和誤差完全被消除的情況下,能夠分辨的微弱信號(hào)極限值為信號(hào)源內(nèi)阻的熱噪聲。根據(jù)式(2-1為了能夠有效地測(cè)量微弱信號(hào) ,必須 盡可能地減小測(cè)量帶寬,即增加儀器的響應(yīng)時(shí)間,比如增加儀器的積分時(shí)間,同時(shí)也可以降低檢測(cè)系統(tǒng)的溫度,并盡可能減小放大電路前端的電阻阻值。在不

9、少情況下,電阻的阻值不可能選得很小,為此可在電阻兩端并聯(lián)一個(gè)電容 ,如圖2-3所示。圖中,是電阻R 的熱噪聲電壓 則電容兩端的噪聲電壓為 (2-2 等效熱噪聲帶寬為B=1/RC4 (2-3代入(2-1得電容兩端的熱噪聲電壓有效值為(2-4式。(2-4證明,阻容并聯(lián)電路的熱噪聲的輸出有效值與電阻阻值無關(guān),只取決于電容和 絕對(duì)溫度,熱噪聲帶寬取決于電阻電容的乘積,增大電容量可以減小熱噪聲電壓,減 小熱噪聲帶寬。例如 一個(gè)阻值為1M 的電阻和1000pF 的電容并聯(lián)在27°C 溫度 下的噪聲電壓為3.2uV 比沒有并聯(lián)電容時(shí)的噪聲電壓小了20倍。 1.2 1/F 噪聲t e /21/(RC

10、 j tt e e =kT/C t =E不同的導(dǎo)體相互接觸時(shí),由于接觸面電導(dǎo)的隨機(jī)漲落引起的噪聲電壓,該噪聲電壓與頻率成反比 所以又稱1/F噪聲為接觸噪聲。相關(guān)研究表明接觸噪聲功率為(2-5 幾十年來 1/f噪聲產(chǎn)生的物理機(jī)理一直是國際上研究的一個(gè)熱點(diǎn) 分別提出了表面載流子數(shù)漲落模型、遷移漲落模型和量子1/f噪聲理論。需要指出的是 即使電阻內(nèi)部由于阻值的波動(dòng) 也會(huì)產(chǎn)生一種過量噪聲 這也是一種1/f噪聲。下面給出了幾種電阻的過量噪聲電壓有效值(以電阻兩端每1V電壓 10倍頻范圍內(nèi)測(cè)得。與電阻的熱噪聲處理一樣 為了能夠有效地測(cè)量微弱信號(hào) 應(yīng)盡可能地減小測(cè)量帶寬。1.3 工頻噪聲在工頻電網(wǎng)供電的地方

11、 工頻噪聲是存在普遍的。工頻噪聲會(huì)通過各種途經(jīng)進(jìn)入測(cè)量系統(tǒng) 與被測(cè)信號(hào)疊在一起 使測(cè)量值發(fā)生偏移 直接影響到精度 有時(shí)甚至造成無法測(cè)量 因此對(duì)微弱信號(hào)測(cè)量的影響尤為顯著。如果測(cè)量結(jié)果中出現(xiàn)異?，F(xiàn)象或有較大的誤差則很有可能是由于工頻噪聲的影響。工頻噪聲的影響可由圖2-5看出圖中(a為放大器輸入端短路輸出的工頻噪聲信號(hào) 其基波為50Hz(b為含有工頻噪聲的放大器輸出信號(hào) 顯然輸出波形疊加了工頻噪聲(信號(hào)頻率為工頻的4倍。常見的工頻干擾源有 高壓工頻電力線產(chǎn)生的工頻電場(chǎng) 大電流工頻電力線產(chǎn)生的工頻磁場(chǎng) 實(shí)際工頻電力線產(chǎn)生的工頻電磁場(chǎng) 電源變壓器的容性泄漏 電源變壓器產(chǎn)生的工頻磁場(chǎng) 工頻地電流 變頻器

12、、軟起動(dòng)器等變流、調(diào)速裝置產(chǎn)生的諧波干擾等?？梢?工頻噪聲的影響是廣泛的。工頻噪聲進(jìn)入檢測(cè)系統(tǒng)的途經(jīng)有多種 由于不存在徹底絕緣的材料 所以工頻電壓會(huì)通過泄漏電阻進(jìn)入檢測(cè)系統(tǒng) 例如380V交流電壓通過高達(dá)10000M的絕緣材料的電流為nA38。工頻噪聲還存在頻移。工頻電壓也會(huì)通過與檢測(cè)系統(tǒng)之間的分布電容耦合進(jìn)入檢測(cè)系統(tǒng)。兩根平行直導(dǎo)線間的分布電容為 式中 是空氣的介電常數(shù) D是導(dǎo)線的中心距 L是較短的一根導(dǎo)線的長(zhǎng)度 d是較細(xì)的一根導(dǎo)線的直徑。例如 空氣中兩根直徑mm長(zhǎng)10cm相距1m的導(dǎo)線間的分布電容約為0.pF366220V交流電壓通過其的耦合電流可達(dá)nA3.25?？諝庵兄睂?dǎo)線與金屬平面間的分

13、布電容為式中 h是導(dǎo)線中心與平面間距 單位mmL是導(dǎo)線的長(zhǎng)度 單位mmd是導(dǎo)線的直徑單位m。例如 一根直徑1mm長(zhǎng)10cm直徑的導(dǎo)線 與金屬平面相距m1.0其間的分布電容約為927.0pF220V交流電壓通過其的耦合電流可達(dá)nA1.64。工頻噪聲還會(huì)通過工頻磁場(chǎng)耦合進(jìn)入檢測(cè)系統(tǒng)。空氣中一根長(zhǎng)直導(dǎo)線通以電流 則在離導(dǎo)線中心距r處的磁感應(yīng)強(qiáng)度為(2-9則有顯然 對(duì)于檢測(cè)Vµ級(jí)和pA級(jí)以下的微弱信號(hào) 例如 本課題的微弱光電流信號(hào)可小到只有pA1.0以下 工頻噪聲對(duì)其檢測(cè)的影響是很大的。抑制工頻噪聲的通常方法是良好的屏蔽、正確的接地、設(shè)置保護(hù)環(huán)、采用高共模抑制比的輸入電路和陷波器或窄帶濾波器

14、。然而很多時(shí)候 即使采用了上述措施 也并不能徹底消除工頻噪聲。此外 工頻噪聲中還存在諧波噪聲 而且諧波噪聲的頻率較高 即使源噪聲分量很小 通過分布電容和電磁耦合進(jìn)入檢測(cè)系統(tǒng)的分量仍然較大。因此 只有同時(shí)采用合理的信號(hào)檢測(cè)技術(shù)才能有效地抑制和消除工頻噪聲。1.4 地線噪聲檢測(cè)系統(tǒng)工作時(shí)必然存在工作電流 由于系統(tǒng)的復(fù)雜性 地線回路難以做到足夠短 另外由于面積空間的限制 地線回路的寬度難以做到足夠?qū)?這樣 地線回路就存在一定的阻抗 工作電流流過地線 地線上必然產(chǎn)生壓降。如果系統(tǒng)的工作頻率較高 或存在頻率較高的數(shù)字電路 那么地線上除了直流壓降外 還會(huì)產(chǎn)生交流噪聲。數(shù)字電路產(chǎn)生的地線噪聲是很顯著的 不但

15、與其工作頻率有關(guān) 還與其開關(guān)速度密切相關(guān)。例如 一條長(zhǎng)2cm寬mm6.0的印刷地線的電感約有10nH流過10mA 1MHz正弦波電流時(shí)的地線壓降為1mV而如果一個(gè)普通數(shù)字集成電路的上升或下降沿時(shí)間為10nS電流的變化為10mA那么在該地線上產(chǎn)生的峰值噪聲電壓可達(dá)到16mV。地線除了存在直流電阻和分布電感引起地線壓降外 在頻率較高時(shí) 還存在集膚效應(yīng)引起的阻值變化 這同樣會(huì)產(chǎn)生一種地線噪聲。測(cè)量系統(tǒng)除了存在數(shù)字電路引起的地線噪聲外 還存在由于調(diào)制引起的信號(hào)幅度的變化導(dǎo)致模擬放大電路工作電流的變化而產(chǎn)生的地線噪聲 不僅于此 電源電壓本身的紋波噪聲也會(huì)引起工作電流的變化 從而產(chǎn)生又一種地線噪聲。由上可

16、見 地線噪聲對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)有著不可忽視的影響。地線噪聲的抑制措施通常有 盡量縮短地線長(zhǎng)度和增加地線寬度 設(shè)置就地高頻去耦電容 降低工作電源的紋波 采用低功耗電路 PCB分區(qū)布線 數(shù)字與模擬電路單點(diǎn)共地。2 微弱信號(hào)檢測(cè)中的直流誤差2.1 熱電勢(shì)熱電勢(shì)是影響微弱直流信號(hào)測(cè)量的主要因素之一。熱電勢(shì)是由接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)共同作用的結(jié)果。(1 接觸電勢(shì)接觸電勢(shì)又稱為帕爾帖效應(yīng):它是由兩種不同的導(dǎo)體內(nèi)部電子密度不同 在接觸面上擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)造成的 并且隨著溫度變化而變化。電子測(cè)量系統(tǒng)中 存在著多種導(dǎo)體 如銅、金、銀、錫、硅、鍺、碳、鉛、氧化銅等 必然存在接觸電勢(shì)。測(cè)量系統(tǒng)放大電路內(nèi)部的接觸電勢(shì)的影響可采用多

17、種技術(shù)消除 但信號(hào)輸入回路的接觸電勢(shì)的影響有時(shí)很難消除 這時(shí)應(yīng)盡可能的采用同質(zhì)材料連接。(2 溫差電勢(shì)溫差電勢(shì)是同一種導(dǎo)體當(dāng)其兩端溫度不同 高溫端電子向低溫端遷移運(yùn)動(dòng)造成 的 這一現(xiàn)象又稱為湯姆遜效應(yīng)。顯然 電子測(cè)量系統(tǒng)由于溫度場(chǎng)的分部不均 元 器件內(nèi)外溫度不同 不同的區(qū)域溫度不同 必然存在溫差電勢(shì)。雖然電子測(cè)量系統(tǒng)內(nèi) 部的溫差電勢(shì)的影響可以消除 但信號(hào)輸入回路的溫差電勢(shì)的影響有時(shí)難以消除 這 時(shí)應(yīng)盡可能的采用同質(zhì)材料連接 這樣回路中的溫差電勢(shì)會(huì)自動(dòng)抵消。同時(shí) 盡可能 地保持測(cè)量系統(tǒng)溫度場(chǎng)分布均勻。接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)的共同作用 叫做熱電勢(shì)。在微弱直流信號(hào)測(cè)量中最常見的 誤差源就是熱電勢(shì)(熱電E

18、MF。如前面所分析 熱電勢(shì)是由不同材料的導(dǎo)體接觸以及 導(dǎo)體結(jié)點(diǎn)溫度的差異造成的。 由上可見 雖然銅 銅接觸所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)很小 但如果銅質(zhì)材料連接不良 并且存在氧化時(shí) 熱電勢(shì)對(duì)微弱直流信號(hào)測(cè)量的影響是相當(dāng)大的。因此 為了減小微弱直流測(cè)量時(shí)的誤差 檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)盡可能選擇同質(zhì)測(cè)量導(dǎo)線 或盡可能減小測(cè)量端的接觸電勢(shì) 電路內(nèi)部導(dǎo)體間的接觸電勢(shì)也盡可能小。減小測(cè)量 電路內(nèi)部和測(cè)量環(huán)境的溫度差異 保持測(cè)試儀器內(nèi)部的通風(fēng) 盡可能實(shí)現(xiàn)溫度一致。 如果有可能 應(yīng)在測(cè)量前使儀器預(yù)熱一段時(shí)間 使測(cè)量?jī)x器內(nèi)部的溫度與環(huán)境溫度盡 可能接近。2.2 放大電路的失調(diào)集成運(yùn)算放大器的差分輸入級(jí)不可能完全匹配 必然存在失調(diào)電壓與

19、失調(diào)電流。 運(yùn)算放大器的失調(diào)信號(hào)很多時(shí)候要比被測(cè)微弱信號(hào)大得多。此外 運(yùn)算放大器的失調(diào) 信號(hào)還會(huì)隨著溫度和時(shí)間而變化。在直流微弱信號(hào)測(cè)量中 應(yīng)選用低失調(diào)、低溫漂的 運(yùn)放 但即使超精密運(yùn)放 輸入失調(diào)電壓也可達(dá)到1Vµ 失調(diào)電流可達(dá)1pA 普通 運(yùn)放則達(dá)到15mV 以上 失調(diào)電流可達(dá)Aµ級(jí)。2.3 共模誤差的影響通常 運(yùn)算放大器放大的是差模信號(hào) 但即使被測(cè)差分信號(hào)為零 如果差分信號(hào) 對(duì)地存在共模電壓 由于運(yùn)算放大器的共模抑制比CMRR 有限 放大電路的輸出并不 為零。衡量運(yùn)放對(duì)差模干擾和共模干擾抑制能力的指標(biāo)為差模抑制比(NMRR與共模 抑制比。共模抑制比表示對(duì)出現(xiàn)在運(yùn)放兩輸入

20、端與地之間共模干擾信號(hào)的抑制能力。 共模抑制比越高 抑制共模噪聲的能力就越強(qiáng) 然而共模抑制比是有限的 這就導(dǎo)致 共模電壓在運(yùn)算放大器的輸出中產(chǎn)生誤差。例如 假使一個(gè)超精密運(yùn)算放大器的共模抑制比為140dB 模電壓為10V 則即使差模輸入電壓為0 輸入失調(diào)電壓也為0輸出也會(huì)有1Vµ的誤差。由于反相運(yùn)算放大器的輸入共模電壓為零 所以采用反相運(yùn)算放大器的放大電路不存在共模誤差 但輸入電阻較同相放大器小很多。2.4 增益誤差設(shè)負(fù)反饋放大器的閉環(huán)增益為A,放大器的開環(huán)增益為 放大器輸入為iV則放大器輸出為 只有當(dāng)AK>>時(shí), 才有OiVAV即輸出與放大器的開環(huán)增益K無關(guān)。例如 某運(yùn)

21、算放大器的開環(huán)增益為dB100 如果閉環(huán)放大倍數(shù)為100則實(shí)際閉環(huán)放大倍數(shù)為99.9。放大器的開環(huán)增益有限引起的閉環(huán)放大倍數(shù)誤差是非線性的 而且開環(huán)增益隨著溫度、時(shí)間變化 特別是隨變化很大 并隨放大器內(nèi)部各種參數(shù)及信號(hào)大小作非線性變化。因此 每一級(jí)放大器的閉環(huán)增益不可很大 否則將會(huì)造成較大的誤差 而且存在無法消除的較大的非線性誤差。3 小結(jié)目前針對(duì)微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的噪聲特別是直流誤差的種類、性質(zhì)與影響的分析研究的成果和文獻(xiàn)比較零散。本文對(duì)微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)存在的各種噪聲和直流誤差進(jìn)行較全面系統(tǒng)的分析和研究 并對(duì)它們對(duì)微弱信號(hào)檢測(cè)的影響作了基本的評(píng)估。研究表明工頻噪聲和高頻輻射噪聲是最主要的噪聲 工頻噪聲不但頻率較低而且幅度較大對(duì)低頻和直流微弱信號(hào)影響很大 由于射頻噪聲會(huì)產(chǎn)生非線性的整流效應(yīng) 同樣會(huì)對(duì)低頻和直流微弱信號(hào)產(chǎn)生較大影響。熱電勢(shì)和電化學(xué)電勢(shì)是影響微弱直流信號(hào)檢測(cè)的主要因素 并且隨著溫度的變化而變化。要對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行有效的檢測(cè)