取樣積分與鎖相放大

第一節(jié)頻域微弱信號(hào)的檢測(cè)相關(guān)檢測(cè)原理鎖定放大器組成電路第二節(jié)時(shí)域微弱信號(hào)的檢測(cè)采樣積分檢測(cè)原理多點(diǎn)信號(hào)采樣積分平均器主要內(nèi)容介紹第一節(jié)頻域微弱信號(hào)檢測(cè)

一關(guān)于相關(guān)檢測(cè)相關(guān)檢測(cè)技術(shù)：利用信號(hào)的周期性和噪聲的隨機(jī)性的差別，通過自相關(guān)或互相關(guān)運(yùn)算，達(dá)到去除噪聲的一種技術(shù)。自相關(guān)或互相關(guān)運(yùn)算功能可利用現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)和微機(jī)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，也可以由電子電路來完成，在檢測(cè)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(jī)信號(hào)?(t)與延時(shí)了時(shí)間間隔τ之后的同一信號(hào)的相關(guān)性。當(dāng)隨機(jī)函數(shù)不包含有周期性分量時(shí)，Rxx（τ）在τ=0時(shí)最大，隨τ的增加而單調(diào)下降，τ→∞時(shí)，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(gè)不同的隨機(jī)變量(如信號(hào)與噪聲)互相獨(dú)立,則互相關(guān)函數(shù)將是個(gè)常數(shù),它等于二隨機(jī)函數(shù)的平均值的乘積,若一個(gè)平均值為0(如噪聲)則互相關(guān)函數(shù)處處為0?；ハ嚓P(guān)接收法延遲τ∫?1(t)=Si(t)+n(t)輸入信號(hào)參考信號(hào)?2(t)=SR(t)乘法器積分器輸出R12(τ)Si(t):有用信號(hào)n(t):隨機(jī)噪聲信號(hào)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(hào)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(shí)間較長(zhǎng)時(shí)為0。在輸入有用信號(hào)Si(t)和參考信號(hào)SR(t)的周期一致時(shí),它們有互相關(guān)輸出四自相關(guān)接收系統(tǒng)激勵(lì)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(gè)不衰減的周期函數(shù)，是可測(cè)的。說明相關(guān)接收法能有效去除隨機(jī)噪聲，使輸出信噪比提高許多。實(shí)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(hào)開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路參考電壓VRLPFVO低通VP-1+1Vs輸入信號(hào)開關(guān)驅(qū)動(dòng)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(hào)七相敏檢波器對(duì)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(hào)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(hào)相關(guān)接收不僅可鑒頻，還可以鑒相5相關(guān)接收對(duì)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(cè)原理為基礎(chǔ)的信號(hào)處理電路，它能檢測(cè)出極其微弱的有用信號(hào)，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(hào)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(shí)域微弱信號(hào)檢測(cè)利用相關(guān)檢測(cè)技術(shù)解決頻域信號(hào)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(shí)需要了解真實(shí)信號(hào)的波形形狀，比如，在調(diào)試放大器時(shí)，我們不但用電壓表測(cè)輸入輸出信號(hào)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(shí)域分析重要意義。一采樣積分檢測(cè)原理123N設(shè)信號(hào)是周期的2用一個(gè)采樣時(shí)間極短的采樣/保持器周期地對(duì)其采樣若信號(hào)是無噪聲的穩(wěn)定的周期信號(hào)，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(hào)此時(shí)刻的瞬時(shí)值；若信號(hào)混雜有隨機(jī)噪聲，則各次采樣值有可能偏離有用信號(hào)的瞬時(shí)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(huì)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(hào)不會(huì)受到積分平均的影響。N值取得越大，一次檢測(cè)需要的波形個(gè)數(shù)越多，即要花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間，提取有用信號(hào)波形的效果是以延長(zhǎng)測(cè)量時(shí)間為代價(jià)的。對(duì)周期性波形固定位置采樣一采樣積分檢測(cè)原理（續(xù)）另外，應(yīng)在一個(gè)周期內(nèi)采集多個(gè)點(diǎn)，比如沿波形采集M點(diǎn),點(diǎn)數(shù)越多，其復(fù)現(xiàn)的越好，但增加了系統(tǒng)復(fù)雜性。測(cè)量波形上的一個(gè)點(diǎn)要一個(gè)積分器。對(duì)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(yùn)（S/N)o：輸出信號(hào)信噪比（S/N)i：輸入信號(hào)信噪比也就是說，積分器對(duì)N次采集信號(hào)（包括噪聲n和有用信號(hào)s），進(jìn)行線性積分累積過程中，對(duì)s的累積結(jié)果為N×s，對(duì)噪聲的累積結(jié)果為√×n，因?yàn)閚次的噪聲求和應(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(diǎn)信號(hào)采樣積分平均器原理圖將一個(gè)波形分成M個(gè)點(diǎn),用M個(gè)積分器對(duì)信號(hào)進(jìn)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(chǔ)了一個(gè)波形上M個(gè)點(diǎn)一次檢測(cè)的瞬時(shí)電壓值。繼續(xù)進(jìn)行對(duì)N個(gè)波形的類似的檢測(cè)與積分平均，C1—CM上的各電壓值就十分接近有用信號(hào)波形的各點(diǎn)瞬時(shí)值了，而噪聲卻被抑制掉了。隨著電子器件的發(fā)展，多點(diǎn)信號(hào)平均器的采樣點(diǎn)數(shù)可達(dá)2048點(diǎn)。這種抑制噪聲的方案適用于處理頻率較低的信號(hào)。觸發(fā)采樣時(shí)間邏輯控制電路123MRS1S2S3SMC1C2C3CM…..t1t2t3tMA1A2輸出輸入觸發(fā)輸入(與輸入信號(hào)同頻)○○多點(diǎn)信號(hào)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(jìn)制計(jì)數(shù)器以及M路譯碼器等數(shù)字電路組成采樣時(shí)序控制電路，產(chǎn)生1，2，3，……,M各點(diǎn)的順序門控脈沖,它們使S1,S2,S3……SM在一個(gè)輸入信號(hào)周期內(nèi)均勻地掃描一遍,將M點(diǎn)波形瞬時(shí)值分別存儲(chǔ)在C1，C2，C3，……CM中,進(jìn)行累積平均.只要掃描觸發(fā)信號(hào)與有用信號(hào)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(jìn)制計(jì)數(shù)器...C1C2C3CM模擬多路選通器R1R2M路門控信號(hào)譯碼電路1,2,3,….,M觸發(fā)輸入信號(hào)輸入輸出放大器通用示波器同步掃描觸發(fā)信號(hào)輸入放大器+_·用CD4046組成的鎖相倍頻器這是一個(gè)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(jìn)計(jì)數(shù)器（分頻器）56pF913118341MΩ1μF10KΩ輸出fO4分頻8點(diǎn)信號(hào)平均器實(shí)驗(yàn)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(hào)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(jìn)制計(jì)數(shù)器1N4148:起負(fù)電壓限幅作用本圖參數(shù)適合于測(cè)量100Hz---1kHz的信號(hào)CD4520○○○○··BOXCAR積分器（單點(diǎn)采樣積分器）A1S1RC輸出VO步進(jìn)采樣脈沖發(fā)生器T參考輸入信號(hào)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(duì)輸入信號(hào)Vi的采樣。

S1導(dǎo)通時(shí)間由采樣脈沖tG的寬度決定，tG是可選定的2步進(jìn)采樣脈沖發(fā)生器在采樣信號(hào)觸發(fā)下，產(chǎn)生門控信號(hào)VC3設(shè)計(jì)時(shí)，一方面要滿足選定門控信號(hào)寬度tG，另一方面還要使tG相對(duì)參考脈沖或輸入信號(hào)Vi能發(fā)生線性的移動(dòng)4參考輸入的脈沖周期和輸入信號(hào)的周期相同采樣脈沖步進(jìn)移動(dòng)示意圖123tGΔt2ΔtVi輸入信號(hào)VC門控信號(hào)ttAA’A”在第一個(gè)輸入波形第一次觸發(fā)后，產(chǎn)生1號(hào)采樣脈沖；在第二個(gè)輸入波形第二次觸發(fā)后，產(chǎn)生2號(hào)采樣脈沖；兩采樣脈沖間隔T+Δt，以后每一個(gè)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(jì)電路時(shí)，Δt比tG小很多，設(shè)NS=tG/Δt

，

tG是采樣門每次開通的時(shí)間，在此期間積分器對(duì)輸入信號(hào)Vi進(jìn)行積分累積。由于這個(gè)窗口比較寬，而窗口的移動(dòng)速度又比較慢（每次Δt），所以由這個(gè)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(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)，Vi上B點(diǎn)將被重復(fù)觀察到NS=tG/Δt

次，即積分器對(duì)輸入波形B點(diǎn)的瞬時(shí)值將進(jìn)行NS次的積分平均，意味著隨機(jī)噪聲成分大為減少，而SNIR=√=√tG/Δt

NSBOXCAR積分器測(cè)試一個(gè)完整波形的時(shí)間123tGΔt2ΔtVi輸入信號(hào)VC門控信號(hào)ttAA’A”實(shí)際上，Δt

一個(gè)接一個(gè)發(fā)生，被檢測(cè)的波形Vi上任何一點(diǎn)都受到了上述這種積分平均處理，積分器的輸出波形對(duì)應(yīng)輸入的有用信號(hào)，而隨機(jī)噪聲信號(hào)則被積分平均作用抑制掉了。BOXCAR積分器測(cè)量完一個(gè)完整的波形周期T所需時(shí)間Tt:設(shè)一個(gè)周期波形被分割成M個(gè)點(diǎn),,每一個(gè)點(diǎn)所屬的區(qū)域?qū)挾葘?duì)應(yīng)一個(gè)窗口寬度tG,每一個(gè)點(diǎn)的積分平均次數(shù)為NS,而每輸入一個(gè)被測(cè)波形只產(chǎn)生一次步進(jìn),tG窗口移動(dòng)Δt,則Tt=MNST如:被測(cè)信號(hào)1KHz,分成100個(gè)點(diǎn),每點(diǎn)積分平均100次,那么:Tt=100*100*1/1000=10(S),說明用10S時(shí)間才能測(cè)完一個(gè)1KHz的周期波形,其SNIR=10,是以時(shí)間為代價(jià),換