取樣積分與鎖相放大

第一節(jié)頻域微弱信號的檢測相關(guān)檢測原理鎖定放大器組成電路第二節(jié)時域微弱信號的檢測采樣積分檢測原理多點信號采樣積分平均器主要內(nèi)容介紹第一節(jié)頻域微弱信號檢測

一關(guān)于相關(guān)檢測相關(guān)檢測技術(shù)：利用信號的周期性和噪聲的隨機性的差別，通過自相關(guān)或互相關(guān)運算，達到去除噪聲的一種技術(shù)。自相關(guān)或互相關(guān)運算功能可利用現(xiàn)代計算技術(shù)和微機系統(tǒng)來實現(xiàn)，也可以由電子電路來完成，在檢測儀器中，常采用后一種技術(shù)。自相關(guān)和互相關(guān)函數(shù)1自相關(guān)函數(shù)的定義Rxx（τ）=lim

∫T2T21T?(t)?(t-τ)dtT→∞它表示隨機信號?(t)與延時了時間間隔τ之后的同一信號的相關(guān)性。當(dāng)隨機函數(shù)不包含有周期性分量時，Rxx（τ）在τ=0時最大，隨τ的增加而單調(diào)下降，τ→∞時，Rxx（τ）趨近于?(t)的平均值的平方，若?(t)的平均值為0，則Rxx（τ）隨τ的增大而趨近于0。由于噪聲的平均值為0，利用此性質(zhì)，得出噪聲的自相關(guān)函數(shù)接近于0的結(jié)果2互相關(guān)函數(shù)的定義Rxy（τ）=lim

∫T2T21T?1(t)?2(t-τ)dtT→∞它表示兩個不同的隨機變量(如信號與噪聲)互相獨立,則互相關(guān)函數(shù)將是個常數(shù),它等于二隨機函數(shù)的平均值的乘積,若一個平均值為0(如噪聲)則互相關(guān)函數(shù)處處為0。互相關(guān)接收法延遲τ∫?1(t)=Si(t)+n(t)輸入信號參考信號?2(t)=SR(t)乘法器積分器輸出R12(τ)Si(t):有用信號n(t):隨機噪聲信號R12（τ）=lim

∫T2T21T?1(t)?2(t-τ)dtT→∞T2T2T21TSi(t)SR(t-τ)dt+T→∞=lim

[∫T21Tn(t)SR(t-τ)dt

]∫=RsisR(τ)+RnsR(τ)≈RsisR(τ)RnsR(τ)表示參考信號SR(t)與噪聲n(t)之間的相關(guān)函數(shù),二者無依附性,互不相關(guān),積分時間較長時為0。在輸入有用信號Si(t)和參考信號SR(t)的周期一致時,它們有互相關(guān)輸出四自相關(guān)接收系統(tǒng)激勵正弦波發(fā)生器傳感器∫延遲τSi（t）n（t）乘法器?1(t)=Si（t）+n（t）?1(t)?2(t)=SR（t-τ）SR（t）R12(τ)設(shè)Si(t)=VsmCOSωt,SR(t)=VRmCOS(ωt+ωτ)=[(VsmVRm)/2]COS(ωτ）這是一個不衰減的周期函數(shù)，是可測的。說明相關(guān)接收法能有效去除隨機噪聲，使輸出信噪比提高許多。實際的相關(guān)接收電路是相敏檢波器與低通濾波器的結(jié)合RsisR(τ)=limT→∞1/TT2T2

VsmCOS(ωt)VRmCOS(ωt+ωτ)dt∫－五相敏檢波器

（PhaseSansitive

Delecter）-1+1Vs輸入信號開關(guān)驅(qū)動電路參考電壓VRLPFVO低通VP-1+1Vs輸入信號開關(guān)驅(qū)動電路參考電壓VRLPFVO低通VPVRtVstVptVO同相VO＞0VRtVstVptVO反相VO＜0VRtVstVpt相位差φ=900，VO=0當(dāng)相位差為任意φ，VO=VSCOSφ六相敏檢波器抑制低頻干擾VRt參考電壓低頻干擾VNPSD輸出VPttVP經(jīng)過低通濾波器后，不產(chǎn)生輸出，說明能夠抑制低頻干擾信號七相敏檢波器對高頻干擾的抑制f3f參考平均值f4f參考平均值=0八結(jié)論相關(guān)接收能有效抑制噪聲，提取有用信號相關(guān)接收是一種高Q值帶通濾波器相關(guān)接收的輸出是直流信號相關(guān)接收不僅可鑒頻，還可以鑒相5相關(guān)接收對齊次諧波不能完全去除，但已大大減小鎖定放大器（Lock-inAmplifier）電路鎖定放大器是以相關(guān)檢測原理為基礎(chǔ)的信號處理電路，它能檢測出極其微弱的有用信號，可低于1nVA1低噪聲前置放大器帶通濾波器與衰減器A2交流放大器積分器與直流放大器觸發(fā)電路Φ可調(diào)移相器方波發(fā)生器參考輸入信號輸入直流輸出1結(jié)構(gòu)圖2原理圖例R730kΩAACA2A1A3交流放大器C133uFC20.01uFR110kΩR220kΩR36.8kΩC333uFC40.01uF+++---R430kΩR530kΩR615kΩR8100kΩD1D2T1T2R9100kΩ100kΩ

100kΩ1MΩ1uF參考輸入2倍反相放大器低通濾波器相敏檢波器第二節(jié)時域微弱信號檢測利用相關(guān)檢測技術(shù)解決頻域信號的高靈敏度和窄帶化接收問題，起到去除噪聲的作用。但有時需要了解真實信號的波形形狀，比如，在調(diào)試放大器時，我們不但用電壓表測輸入輸出信號的大小，求出其放大倍數(shù)，還要用示波器看波形的形狀，判斷是否有飽和或截止失真。這就是時域分析重要意義。一采樣積分檢測原理123N設(shè)信號是周期的2用一個采樣時間極短的采樣/保持器周期地對其采樣若信號是無噪聲的穩(wěn)定的周期信號，則每次采到的數(shù)值不變，亦即它的積分平均值仍為該信號此時刻的瞬時值；若信號混雜有隨機噪聲，則各次采樣值有可能偏離有用信號的瞬時值，但如果將保持電容CH取得足夠大，起積分平均做用，則噪聲的影響就會減弱，且采集的次數(shù)越多，噪聲的平均值越小，N足夠大，噪聲為0，但穩(wěn)定的有用信號不會受到積分平均的影響。N值取得越大，一次檢測需要的波形個數(shù)越多，即要花費更長的時間，提取有用信號波形的效果是以延長測量時間為代價的。對周期性波形固定位置采樣一采樣積分檢測原理（續(xù)）另外，應(yīng)在一個周期內(nèi)采集多個點，比如沿波形采集M點,點數(shù)越多，其復(fù)現(xiàn)的越好，但增加了系統(tǒng)復(fù)雜性。測量波形上的一個點要一個積分器。對于N次積累后，采樣積分器的信噪比改善系數(shù)為：

SNIR=（S/N)o/（S/N)i=√N（S/N)o：輸出信號信噪比（S/N)i：輸入信號信噪比也就是說，積分器對N次采集信號（包括噪聲n和有用信號s），進行線性積分累積過程中，對s的累積結(jié)果為N×s，對噪聲的累積結(jié)果為√×n，因為n次的噪聲求和應(yīng)當(dāng)服從于均方根和法則，故積分器的輸出信噪比（S/N)O=N×s/√×n=√×s/n=√(S/N)NNNN多點信號采樣積分平均器原理圖將一個波形分成M個點,用M個積分器對信號進行積分平均，在輸入觸發(fā)脈沖作用下，邏輯電路發(fā)出t1，t2，t3，……tM順序控制脈沖，通過模擬開關(guān)S1，S2，S3,…..SM,順序?qū)1，C2，C3，……CM接通，則C1，C2，C3，……CM上存儲了一個波形上M個點一次檢測的瞬時電壓值。繼續(xù)進行對N個波形的類似的檢測與積分平均，C1—CM上的各電壓值就十分接近有用信號波形的各點瞬時值了，而噪聲卻被抑制掉了。隨著電子器件的發(fā)展，多點信號平均器的采樣點數(shù)可達2048點。這種抑制噪聲的方案適用于處理頻率較低的信號。觸發(fā)采樣時間邏輯控制電路123MRS1S2S3SMC1C2C3CM…..t1t2t3tMA1A2輸出輸入觸發(fā)輸入(與輸入信號同頻)○○多點信號采樣積分平均器電路組成結(jié)構(gòu)圖由觸發(fā)器、M倍頻器、二進制計數(shù)器以及M路譯碼器等數(shù)字電路組成采樣時序控制電路，產(chǎn)生1，2，3，……,M各點的順序門控脈沖,它們使S1,S2,S3……SM在一個輸入信號周期內(nèi)均勻地掃描一遍,將M點波形瞬時值分別存儲在C1，C2，C3，……CM中,進行累積平均.只要掃描觸發(fā)信號與有用信號同步好,顯示的波形就穩(wěn)定和清晰A1A2A3觸發(fā)M倍頻器二進制計數(shù)器...C1C2C3CM模擬多路選通器R1R2M路門控信號譯碼電路1,2,3,….,M觸發(fā)輸入信號輸入輸出放大器通用示波器同步掃描觸發(fā)信號輸入放大器+_·用CD4046組成的鎖相倍頻器這是一個倍頻系數(shù)為4的倍頻器，倍頻系數(shù)等于分頻系數(shù)CD404667VDD16輸入fi14VDDEnR21647811/2CD4520二進計數(shù)器（分頻器）56pF913118341MΩ1μF10KΩ輸出fO4分頻8點信號平均器實驗電路圖A1A2A3CD40516V16..C1C2C3C8012713141548*2.2μFVDDOUT3VEE-6VQ1Q2Q3711109345+6V16278CKCD4046100P6716431MΩ1μF10KΩ1158139168A4A5141N414810KΩ+_+_+_100KΩ10KΩ1.1KΩ10KΩ_+1μF過零比較器參考通道放大器參考輸入信號輸入人為噪聲輸入5.1KΩ5.1KΩ10KΩ3.6KΩ1/2LF3531/2LF35310KΩ10KΩ10KΩ10KΩ5.1KΩ1/2LF353前置放大器積分平均器輸出放大器BACINHVSS+_輸出CD4051:八選一多路模擬開關(guān)內(nèi)部配置有3/8譯碼器CD4520:二進制計數(shù)器1N4148:起負(fù)電壓限幅作用本圖參數(shù)適合于測量100Hz---1kHz的信號CD4520○○○○··BOXCAR積分器（單點采樣積分器）A1S1RC輸出VO步進采樣脈沖發(fā)生器T參考輸入信號輸入放大器積分器tGVC1模擬開關(guān)S1控制著RC積分網(wǎng)絡(luò)對輸入信號Vi的采樣。

S1導(dǎo)通時間由采樣脈沖tG的寬度決定，tG是可選定的2步進采樣脈沖發(fā)生器在采樣信號觸發(fā)下，產(chǎn)生門控信號VC3設(shè)計時，一方面要滿足選定門控信號寬度tG，另一方面還要使tG相對參考脈沖或輸入信號Vi能發(fā)生線性的移動4參考輸入的脈沖周期和輸入信號的周期相同采樣脈沖步進移動示意圖123tGΔt2ΔtVi輸入信號VC門控信號ttAA’A”在第一個輸入波形第一次觸發(fā)后，產(chǎn)生1號采樣脈沖；在第二個輸入波形第二次觸發(fā)后，產(chǎn)生2號采樣脈沖；兩采樣脈沖間隔T+Δt，以后每一個采樣脈沖推后Δt形成了tG周期地掃描輸入波形Vi效果。???ViΔttGABC設(shè)計電路時，Δt比tG小很多，設(shè)NS=tG/Δt

，

tG是采樣門每次開通的時間，在此期間積分器對輸入信號Vi進行積分累積。由于這個窗口比較寬，而窗口的移動速度又比較慢（每次Δt），所以由這個窗口觀察到的波形有相當(dāng)多的部分是多次重疊的，采樣門的前沿從A點移動到B點，Vi上B點將被重復(fù)觀察到NS=tG/Δt

次，即積分器對輸入波形B點的瞬時值將進行NS次的積分平均，意味著隨機噪聲成分大為減少，而SNIR=√=√tG/Δt

NSBOXCAR積分器測試一個完整波形的時間123tGΔt2ΔtVi輸入信號VC門控信號ttAA’A”實際上，Δt

一個接一個發(fā)生，被檢測的波形Vi上任何一點都受到了上述這種積分平均處理，積分器的輸出波形對應(yīng)輸入的有用信號，而隨機噪聲信號則被積分平均作用抑制掉了。BOXCAR積分器測量完一個完整的波形周期T所需時間Tt:設(shè)一個周期波形被分割成M個點,,每一個點所屬的區(qū)域?qū)挾葘?yīng)一個窗口寬度tG,每一個點的積分平均次數(shù)為NS,而每輸入一個被測波形只產(chǎn)生一次步進,tG窗口移動Δt,則Tt=MNST如:被測信號1KHz,分成100個點,每點積分平均100次,那么:Tt=100*100*1/1000=10(S),說明用10S時間才能測完一個1KHz的周期波形,其SNIR=10,是以時間為代價,換