微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)演示文稿

微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)演示文稿當(dāng)前第1頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)當(dāng)前第2頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)第六章微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)§6.1隨機(jī)信號(hào)分析主要概念回顧§6.2噪聲的基本知識(shí)§6.3窄帶濾波法（了解）§6.4同步累積法（了解）§6.5同步相干檢測(cè)（重點(diǎn)內(nèi)容）§6.6取樣積分（重點(diǎn)內(nèi)容）§6.7屏蔽與接地技術(shù)（自學(xué)）當(dāng)前第3頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)概述微弱信號(hào)的定義有用信號(hào)的幅度，相對(duì)于噪聲顯得很微弱。如輸入信號(hào)的信噪比為10-2或者更小，即信號(hào)完全淹沒在噪聲之中。有用信號(hào)的幅度絕對(duì)值很小，如檢測(cè)v、nV乃至pV量級(jí)的電壓信號(hào)；檢測(cè)每秒鐘多少個(gè)光子的弱光信號(hào)與圖象。當(dāng)前第4頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)概述科學(xué)研究中經(jīng)常常需要檢測(cè)極微弱的信號(hào)，例如：生物學(xué)中細(xì)胞發(fā)光特性、光合作用、生物電天文學(xué)中的星體光譜化學(xué)反映中的物質(zhì)生成過程物理學(xué)中表面物理特性光學(xué)中的拉曼光譜、光聲光譜、脈沖瞬態(tài)光譜微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的微位移、微力、微電流、電壓等當(dāng)前第5頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)概述微弱信號(hào)檢測(cè)任務(wù)：提高檢測(cè)系統(tǒng)輸出信號(hào)的信噪比，檢測(cè)被噪聲淹沒的微弱有用信號(hào)。途徑：隔離噪聲源，降低傳感器噪聲采用先進(jìn)的信息提取方法（本章重點(diǎn)）方法：分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律（如噪聲幅度、頻率、相位等）研究被測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)（頻譜與相關(guān)性等）采用信息論、電子學(xué)和計(jì)算機(jī)分析等方法進(jìn)行信息處理當(dāng)前第6頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)微弱信號(hào)檢測(cè)的進(jìn)展美國(guó)吉時(shí)利(KEITHLEY)儀器公司是當(dāng)前世界上微弱信號(hào)檢測(cè)的先驅(qū)，水平如下物理量檢測(cè)靈敏度電流1×10-17A電壓1×10-12V電阻1×10-10Ω電容1×10-17F電荷1×10-17C溫差1×10-6℃當(dāng)前第7頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)§6.1隨機(jī)信號(hào)分析回顧一、能量有限信號(hào)和功率有限信號(hào)能量有限信號(hào)功率有限信號(hào)一般非周期信號(hào)屬于能量有限信號(hào)如周期信號(hào)、階躍信號(hào)等當(dāng)前第8頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)二、均值、均方值、方差均值：信號(hào)的常值分量均方值：信號(hào)的平均功率，正平方根為均方根值(有效值)方差：信號(hào)的波動(dòng)分量正平方根為標(biāo)準(zhǔn)差σx三者關(guān)系：當(dāng)前第9頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)三、概率密度函數(shù)定義：信號(hào)幅值落在指定區(qū)間內(nèi)的概率意義：提供了隨機(jī)信號(hào)沿幅值域分布的曲線當(dāng)前第10頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)隨機(jī)噪聲概率密度函數(shù)的特點(diǎn)大多數(shù)噪聲瞬時(shí)幅度的概率分布屬正態(tài)分布當(dāng)前第11頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)四、相關(guān)函數(shù)自相關(guān)函數(shù)：互相關(guān)函數(shù)：用途：度量信號(hào)波形的相似程度， 提取信號(hào)中的周期成份信號(hào)平均功率其它性質(zhì)在相關(guān)檢測(cè)中具體討論當(dāng)前第12頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)五、功率譜密度特性：S(f)與R()是一對(duì)傅立葉變換對(duì)，滿足

Wiener-Khintchine定理自譜密度：互譜密度：功率譜密度的物理意義Sx(f)曲線下的面積即為信號(hào)x(t)的平均功率，即Sx(f)表示信號(hào)功率密度沿頻率軸的分布，故稱功率密度函數(shù)。當(dāng)前第13頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)六、放大器及線性網(wǎng)絡(luò)的帶寬式中：G(f)——功率增益的頻譜函數(shù)G0——最大功率增益

f——系統(tǒng)帶寬

使矩形面積等于頻譜函數(shù)下面積的頻率值當(dāng)前第14頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)§6.2噪聲基本知識(shí)一、干擾和噪聲干擾：可以消除或減小的外部擾動(dòng)。如50HZ工頻干擾、電臺(tái)廣播、電視信號(hào)、宇宙射線等，可以通過采取適當(dāng)?shù)钠帘?、濾波或元件合理配置等措施，來減小和消除干擾。噪聲：由于材料或器件的物理原因所產(chǎn)生的擾動(dòng)。如導(dǎo)電阻內(nèi)的熱噪聲、晶體管內(nèi)的散粒噪聲。由大量的短尖脈沖組成，其幅度和相位都是隨機(jī)的，大多屬于隨機(jī)噪聲。當(dāng)前第15頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)二、信噪比和信噪改善比1.信噪比SNR2.信噪改善比SNIRSNR越高，測(cè)量誤差越小。微弱信號(hào)檢測(cè)的目的就是使SNR1或SNR1SNIR越高，測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)微弱信號(hào)的能力越強(qiáng)當(dāng)前第16頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)三、幾種常見的電子噪聲

噪聲種類特點(diǎn)熱噪聲功率譜密度在很寬的頻率范圍內(nèi)恒定，為白噪聲散粒噪聲低頻噪聲頻率增加，功率譜減小。由于功率譜密度與頻率有關(guān)，所以也叫色噪聲接觸噪聲微弱信號(hào)檢測(cè)中需要處理的絕大多數(shù)是隨機(jī)噪聲。當(dāng)前第17頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)1.電阻中的熱噪聲(約翰遜噪聲，1928年發(fā)現(xiàn))溫度處于絕對(duì)溫度以上時(shí)，即使不接電源，任何電阻兩端都會(huì)有噪聲電壓。原因：電阻中載流子的隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)引起特點(diǎn)：由于電阻中載流子的熱運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性，熱噪聲電壓是隨機(jī)的奈奎斯特利用熱力學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)，得到熱噪聲電壓的有效值：k:波爾茲曼常數(shù)1.38×10－23J/K，T:絕對(duì)溫度(K)R:電阻值(Ω)，Δf:系統(tǒng)帶寬（Hz）當(dāng)前第18頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)在微弱信號(hào)檢測(cè)中，需要考慮熱噪聲噪聲功率（有效值的平方－均方值）P正比于△f，則功率譜密度為常數(shù)，所以熱噪聲是一種白噪聲。降低措施：可以通過減小T、Δf降低熱噪聲電壓例如：R=1kΩ,

Δf=105Hz，T=300K，則

Et=1.12μV電阻中的熱噪聲當(dāng)前第19頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)電阻熱噪聲等效電路當(dāng)前第20頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)2.散粒噪聲由于陰極發(fā)射電子的無規(guī)律性或PN結(jié)載流子的起伏所造成的，僅存在于有源器件中。使器件中流動(dòng)的電流不再平滑、連續(xù)，而是隨機(jī)變化。散粒噪聲的電流有效值：q:電子電荷，q=1.6×10-19CIdc:平均直流電流(A)Δf:系統(tǒng)帶寬(Hz)噪聲功率正比于△f，則功率譜密度為常數(shù)，屬白噪聲?？赏ㄟ^測(cè)量流經(jīng)該器件的直流電流Idc來測(cè)量散粒噪聲每赫茲帶寬的電流有效值。減小散粒噪聲的方法是降低平均直流電流和系統(tǒng)帶寬當(dāng)前第21頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)3、低頻噪聲（又稱1/f噪聲）原因：材料的表面特性造成，如載流子的產(chǎn)生和復(fù)合、表面態(tài)的密度等。廣泛存在于有源和無源器件中，如：晶體管、電子管、電阻等噪聲的功率譜密度1/f，低頻時(shí)噪聲功率密度大，故稱低頻噪聲。K:比例系數(shù)fh、fl是系統(tǒng)帶寬的上下限則fl～fh頻段低頻噪聲電壓的均方值為若△f不變，則工作頻率越低，噪聲越大，也叫色噪聲。當(dāng)前第22頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)4、接觸噪聲兩種不同性質(zhì)的材料相接觸時(shí)，會(huì)造成其導(dǎo)電率起伏變化，從而產(chǎn)生噪聲。例如：晶體管焊接處接觸不良、開關(guān)、繼電器的接觸點(diǎn)處。單位帶寬的噪聲電流有效值為：B:

以中心頻率表示的帶寬；K:

與材料的幾何特性有關(guān)的常數(shù)接觸噪聲的功率譜密度1/f，所以低頻段影響大，是低頻電子電路的主要噪聲源。當(dāng)前第23頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)四、噪聲電路的計(jì)算信號(hào)的疊加設(shè)x1、x2為兩個(gè)噪聲信號(hào)，它們疊加時(shí)，其均方值可以表示為：式中，ρ為相關(guān)系數(shù)當(dāng)ρ＝0時(shí)，完全不相關(guān)當(dāng)|ρ|=1時(shí)，同一噪聲源當(dāng)前第24頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)四、噪聲電路的計(jì)算疊加法的應(yīng)用對(duì)于線性網(wǎng)絡(luò)的噪聲電路，可以應(yīng)用疊加法進(jìn)行多源網(wǎng)絡(luò)噪聲分析E1、E2為兩個(gè)不相關(guān)的噪聲源當(dāng)前第25頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)§6.3窄帶濾波法一、基本原理設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)：噪聲功率譜密度比較寬，信號(hào)功率譜密度比較窄。工作原理：用一個(gè)窄的帶通濾波器，將有用信號(hào)的功率提取出來；由于窄帶濾波器只讓噪聲功率的很小一部分通過，而濾掉了大部分的噪聲功率，所以輸出信噪比能得到很大改善。降噪效果，見LabView演示－autocorr.vi。特點(diǎn)：濾波器帶寬B越窄，信噪比提高越好缺點(diǎn)：帶寬B與f0、Q有關(guān)，B很窄的濾波器無法實(shí)現(xiàn)。無法檢測(cè)深埋在噪聲中的信號(hào)，只適用于對(duì)噪聲特性要求不高的場(chǎng)合當(dāng)前第26頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)§6.4——同步累積法一、工作原理設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)：信號(hào)的重復(fù)性，噪聲的隨機(jī)性原理：重復(fù)n次測(cè)量，使信號(hào)同相地累積起來，而噪聲確由于其隨機(jī)性相互抵消，從而達(dá)到降噪目的。信噪改善比SNIR≈n（推導(dǎo)見課本p157）降噪效果，見LabView演示－cumulate.vi結(jié)論：n越大，信噪比的改善越明顯，但測(cè)量時(shí)間也越長(zhǎng)可根據(jù)輸入信噪比的大小和對(duì)輸出信噪比的要求，決定所需的測(cè)量次數(shù)n。（舉例）當(dāng)前第27頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)二、同步累積法應(yīng)用條件信號(hào)可重復(fù)有合適的累積器能做到同步累積（同相累積）三、電路原理框圖當(dāng)前第28頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)四、同步積分器——同步累積器的實(shí)現(xiàn)適用周期信號(hào)：正弦波、方波結(jié)構(gòu)正、負(fù)兩個(gè)半周期分別采用兩個(gè)積分器進(jìn)行累積累積器轉(zhuǎn)換開關(guān)S：受US(t)控制積分器輸出正弦波：半周期內(nèi)的平均值方波：方波幅度電路：積分電路時(shí)間常數(shù)比輸入信號(hào)的周期大很多

五、應(yīng)用：信噪比<0.1的微弱信號(hào)，電壓信噪改善比可達(dá)40dB。當(dāng)前第29頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)§6.5同步相干檢測(cè)(重點(diǎn))一、相關(guān)函數(shù)的重要性質(zhì)相關(guān)函數(shù)的定義與計(jì)算相關(guān)函數(shù)基本性質(zhì)周期信號(hào)相關(guān)函數(shù)的特點(diǎn)隨機(jī)噪聲信號(hào)的相關(guān)函數(shù)二、自相關(guān)檢測(cè)三、互相關(guān)檢測(cè)當(dāng)前第30頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)一、相關(guān)函數(shù)的定義與計(jì)算能量有限信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)功率有限信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)兩個(gè)功率有限信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)兩個(gè)能量有限信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)當(dāng)前第31頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)2、相關(guān)函數(shù)的基本性質(zhì)=0時(shí)，R()取最大值。對(duì)實(shí)函數(shù)，R()為偶函數(shù)對(duì)復(fù)函數(shù)當(dāng)前第32頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)2、周期信號(hào)相關(guān)函數(shù)特征正弦信號(hào)自相關(guān)函數(shù)見LabView演示程序autocorr.vi，設(shè)置噪聲幅值為0討論，波形的衰減現(xiàn)象當(dāng)前第33頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)3、噪聲的相關(guān)函數(shù)隨機(jī)噪聲是一種前后獨(dú)立的平穩(wěn)隨機(jī)過程，其相關(guān)函數(shù)隨τ的增加而減小，如紅色曲線所示。對(duì)于白噪聲，其相關(guān)性很小。相關(guān)函數(shù)函數(shù)隨τ的增加而迅速減小如藍(lán)色曲線所示。)(tRt0見LabView演示程序autocorr.vi，設(shè)置信號(hào)幅值為0當(dāng)前第34頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)二、自相關(guān)檢測(cè)基本原理利用信號(hào)周期性和噪聲隨機(jī)性的特點(diǎn)，通過自相關(guān)或互相關(guān)運(yùn)算，達(dá)到去除噪聲的目的基本原理是從強(qiáng)噪聲中提取弱信號(hào)的重要手段。實(shí)現(xiàn)方法混有噪聲的信號(hào)送入相關(guān)接收機(jī)兩個(gè)通道（不延時(shí)和延時(shí)）相乘器積分器當(dāng)前第35頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)自相關(guān)檢測(cè)理論推導(dǎo)信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)在一般情況下，噪聲和信號(hào)不相關(guān)，有所以時(shí)延足夠大時(shí)，只輸出信號(hào)自身的相關(guān)函數(shù)此外，若時(shí)延足夠大，則當(dāng)前第36頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)例：已知正弦弦信號(hào)，混合有 隨機(jī)噪聲n(t),求自相關(guān)檢測(cè)輸出信號(hào)。解：根據(jù)自相關(guān)檢測(cè)的特點(diǎn)，有由以前推導(dǎo)可知：見LabView演示程序autocorr.vi，設(shè)置信號(hào)幅值為0當(dāng)前第37頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)三、互相關(guān)檢測(cè)1、基本原理：若已知發(fā)送信號(hào)的重復(fù)周期或頻率，就可在接收端發(fā)出一個(gè)與發(fā)送信號(hào)周期相同的“干凈的”重復(fù)周期信號(hào)，稱為本地信號(hào)，將它與混有噪聲的輸入信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)，即可除去噪聲的影響，提高電路的抗干擾能力。當(dāng)前第38頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)2、互相關(guān)檢測(cè)實(shí)現(xiàn)方法輸入信號(hào)與本地信號(hào)送入相關(guān)接收機(jī)的兩個(gè)通道（輸入信號(hào)不延時(shí)、本地信號(hào)延時(shí)）相乘器積分器當(dāng)前第39頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)3、互相關(guān)檢測(cè)理論推導(dǎo)若噪聲與信號(hào)不相關(guān)，則所以互相關(guān)接收機(jī)只有信號(hào)與本地信號(hào)的相關(guān)輸出， 去掉了噪聲項(xiàng)，因此提高了輸出的信噪比當(dāng)前第40頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)4、互相關(guān)檢測(cè)應(yīng)用

－鎖定放大器利用互相關(guān)原理設(shè)計(jì)的一種同步相干檢測(cè)儀，對(duì)檢測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算的電子設(shè)備。工作原理當(dāng)前第41頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)鎖定放大器理論推導(dǎo)

則鎖定放大器的輸出為(參考信號(hào)不進(jìn)行時(shí)移－鎖定)其中為系統(tǒng)輸出增益其中設(shè)討論：輸出信號(hào)特點(diǎn)見LabView演示程序crosscorr.vi，設(shè)置信號(hào)幅值為0當(dāng)前第42頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)鎖定放大器的特點(diǎn)把待測(cè)信號(hào)中與參考信號(hào)同步的信號(hào)放大并檢測(cè)出來。交流輸入，直流輸出：輸出電壓正比于輸入信號(hào)幅度和被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)相位差的余弦。極高的放大倍數(shù)：若有前置放大器，總增益可達(dá)1011。能檢測(cè)極微弱的信號(hào)。靈敏度：滿刻度靈敏度v、nv、pv信噪改善比：可達(dá)104噪聲大于信號(hào)數(shù)千倍仍能正常檢測(cè)，具有極強(qiáng)的抗干擾能力。當(dāng)前第43頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)鎖定放大器的構(gòu)造基本構(gòu)成：信號(hào)通道、參考通道、相關(guān)器當(dāng)前第44頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)鎖定放大器各部分功能說明信號(hào)通道：將弱信號(hào)放大到足以推動(dòng)相關(guān)器工作前置放大器：要求低噪聲、高增益，放大倍數(shù)一般為100～1000倍。有源濾波與衰減：提高信號(hào)進(jìn)入相關(guān)器前的信噪比；抑制和慮除部分干擾及噪聲，擴(kuò)大儀器動(dòng)態(tài)范圍。當(dāng)前第45頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)鎖定放大器各部分功能說明參考信號(hào)通道：將輸入的正弦波、方波、三角波、脈沖波等周期信號(hào)轉(zhuǎn)化成與之同頻的對(duì)稱方波。過零觸發(fā)電路：將各種波形的輸入信號(hào)變換成同步脈沖。倍頻電路：將觸發(fā)器輸出的脈沖信號(hào)倍頻。移相電路：改變參考通道輸出方波的相位，要求在0～360度范圍內(nèi)可調(diào)當(dāng)前第46頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)鎖定放大器各部分功能說明相關(guān)器：完成被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)的互相關(guān)運(yùn)算。乘法器：一般由相敏檢波器組成積分器：由運(yùn)放構(gòu)成當(dāng)前第47頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)作業(yè)已知：混有噪聲n(t)的脈沖信號(hào)f(t)，f(t)=s(t)+n(t)，其中求：用Matlab編程，計(jì)算自相關(guān)檢測(cè) 輸出信號(hào)，并作圖。采樣點(diǎn)數(shù)2048，采頻自定。n(t)為幅值在[-1,1]區(qū)間的白噪聲。發(fā)Word版作業(yè)，含源程序代碼當(dāng)前第48頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)t=[0:0.02:2047*0.02];st=(square(2*pi*10*(t+0.01),20)+1)/2;nt=2*rand(1,2048)-1;ft=st+nt;dt=0.02;x=ft;[a,b]=xcorr(x,'biased');subplot(211);plot(t,ft);gridonsubplot(212);plot(b*dt,a);gridon已知：混有噪聲n(t)的脈沖信號(hào)f(t)，f(t)=s(t)+n(t)，其中n(t)為幅值在[-1,1]區(qū)間的白噪聲。計(jì)算自相關(guān)檢測(cè)輸出信號(hào)，并作圖。采樣點(diǎn)數(shù)2048，采頻自定。當(dāng)前第49頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)上節(jié)課內(nèi)容回顧噪聲分為白噪聲和低頻噪聲兩類。噪聲一般是隨機(jī)信號(hào)，噪聲樣本之間不具有相關(guān)性。有用信號(hào)是可以重復(fù)的，信號(hào)樣本具有相關(guān)性。通過窄帶濾波或相關(guān)檢測(cè)（主要是互相關(guān)檢測(cè)的鎖定放大器）可以提高信噪比，從被噪聲淹沒的測(cè)試信號(hào)中提取出有用信號(hào)。當(dāng)前第50頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)窄帶濾波法和鎖定放大器

的特點(diǎn)和不足窄帶濾波法帶寬太窄：將噪聲濾去的同時(shí)也造成信號(hào)的失真。帶寬太寬：帶寬內(nèi)的強(qiáng)干擾信號(hào)無法去除，噪聲抑制作用不明顯。鎖定放大器只適用于正弦波、方波等周期信號(hào)輸出為直流信號(hào)，無法得到被測(cè)信號(hào)的波形取樣積分器可以克服上述缺點(diǎn)，將深埋在噪聲中的信號(hào)波形恢復(fù)出來。當(dāng)前第51頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)第六章微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)§6.1隨機(jī)信號(hào)分析主要概念回顧§6.2噪聲的基本知識(shí)§6.3窄帶濾波法（了解）§6.4同步累積法（了解）§6.5同步相干檢測(cè)（重點(diǎn)內(nèi)容）§6.6取樣積分（重點(diǎn)內(nèi)容）§6.7屏蔽與接地技術(shù)（自學(xué)）當(dāng)前第52頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)§6.6取樣積分方法利用取樣積分器（也稱信號(hào)平均器），將待測(cè)的重復(fù)信號(hào)逐點(diǎn)多次取樣平均并進(jìn)行同步累積，從而達(dá)到從噪聲中恢復(fù)信號(hào)波形的儀器設(shè)備。應(yīng)用：檢測(cè)某一復(fù)雜的寬帶周期信號(hào)的波形分類：?jiǎn)吸c(diǎn)信號(hào)平均器：對(duì)信號(hào)每周取樣并積分一次，經(jīng)過多次取樣積分得到該信號(hào)的波形或特定點(diǎn)的幅值。采用變換取樣的工作方式。又叫單點(diǎn)取樣積分器或Boxcar積分器，多點(diǎn)信號(hào)平均器：在信號(hào)的每個(gè)周期內(nèi)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行多點(diǎn)取樣和平均，經(jīng)過多次取樣和平均獲得整個(gè)被測(cè)信號(hào)的波形，它采用實(shí)時(shí)取樣的工作方式。類似與同步累積法。當(dāng)前第53頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)§6.6取樣積分一、實(shí)時(shí)取樣與變換取樣二、單點(diǎn)信號(hào)平均器（重點(diǎn)）1、工作原理2、實(shí)現(xiàn)電路及工作方式（定點(diǎn)式和掃描式）3、應(yīng)用舉例三、多點(diǎn)信號(hào)平均器當(dāng)前第54頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)一、實(shí)時(shí)取樣和變換取樣1、實(shí)時(shí)取樣在取樣信號(hào)的一次有效持續(xù)時(shí)間內(nèi)，不失真地取出復(fù)現(xiàn)原信號(hào)所必需地全部樣品。取樣脈沖序列p(t)從連續(xù)信號(hào)f(t)中抽取一系列的離散樣值，得到取樣信號(hào)：取樣頻率大于或等于信號(hào)最高頻率的2倍當(dāng)前第55頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)2、變換取樣在被測(cè)信號(hào)Ui的每個(gè)信號(hào)周期取出一個(gè)樣品點(diǎn)。取樣間隔為T＋t。將取出的樣品重新組成一個(gè)新信號(hào)Uo，Uo和Ui相似，但在時(shí)間刻度上比原來信號(hào)增長(zhǎng)了6倍。變換取樣后信號(hào)復(fù)現(xiàn)時(shí)間為：n(T＋t),n=0,1,2,…樣本點(diǎn)序號(hào)當(dāng)前第56頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)2、變換取樣：若每Nf個(gè)周期取一個(gè)樣本點(diǎn)，則變換取樣后的復(fù)現(xiàn)時(shí)間：Nf是被取樣信號(hào)與取樣脈沖頻率之比，稱為分頻比。樣本組成的復(fù)現(xiàn)信號(hào)與原信號(hào)相比，時(shí)間刻度發(fā)生了變換，復(fù)現(xiàn)信號(hào)周期加長(zhǎng)：一個(gè)或多個(gè)信號(hào)周期上，只能取一個(gè)樣本，所以要取出完整的波形，必須對(duì)重復(fù)出現(xiàn)的信號(hào)進(jìn)行多次取樣。為使信號(hào)保持原來的形狀，樣品的取出方法還必須均勻散布在整個(gè)信號(hào)周期內(nèi)的各個(gè)部位，即需要取樣點(diǎn)在整個(gè)周期內(nèi)移動(dòng)（靠步進(jìn)值t>0完成）當(dāng)前第57頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)變換取樣特點(diǎn)：變換取樣過程是一個(gè)同步累積的過程，可提高信噪比。僅在取樣的局部裝置要求寬頻帶，而在樣本處理部分則是低頻信號(hào)，大大降低了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的頻率特性要求。變換取樣的應(yīng)用范圍：可重復(fù)信號(hào)檢測(cè)：由于要在多個(gè)周期內(nèi)采樣，所以不適合非重復(fù)性的單次信號(hào)。高頻信號(hào)檢測(cè)：若用于低頻信號(hào)，則累積時(shí)間很長(zhǎng)。當(dāng)前第58頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)二、單點(diǎn)取樣積分器1、工作原理如果信號(hào)是重復(fù)的，產(chǎn)生時(shí)刻是已知的，就可采樣取樣積分器來恢復(fù)、記錄深埋在噪聲中的微弱信號(hào)下面是一個(gè)簡(jiǎn)單取樣積分器的基本原理框圖：當(dāng)前第59頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)1、工作原理組成：信號(hào)通道：寬帶低噪聲放大器參考通道：提供寬度為Tg（門寬）與信號(hào)同步的步進(jìn)取樣脈沖門積分器：包括用作乘法器的取樣門開關(guān)K和對(duì)乘法器的結(jié)果進(jìn)行積分和平均的積分器。工作過程在取樣脈沖期間，K打開，信號(hào)被引入積分器對(duì)電容充電，電容電壓上升。其它時(shí)間，K斷開，信號(hào)保持在電容器上。輸出波形階梯上升。對(duì)某固定點(diǎn)（變換取樣步進(jìn)值t為零——定點(diǎn)工作方式），經(jīng)過多次取樣和積分，輸出最終趨近于信號(hào)在該點(diǎn)的穩(wěn)定值。當(dāng)前第60頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)1、工作原理與鎖定放大器的對(duì)比：二者都采用同步相干檢測(cè)原理，具有很強(qiáng)的抑制噪聲的能力。參考信號(hào)僅在取樣門脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)與被測(cè)信號(hào)相關(guān)，每周期的相乘時(shí)間很短，而鎖定放大器則是在整個(gè)測(cè)試時(shí)間內(nèi)進(jìn)行相關(guān)。取樣積分器被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)的相移可以緩慢變化，而鎖相放大器相移固定。當(dāng)前第61頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)2、實(shí)現(xiàn)電路及工作方式取樣門由場(chǎng)效應(yīng)管模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)；電阻R、電容C和放大器A2構(gòu)成積分器；放大器A1、A2、A3組成差值取樣環(huán)路門寬控制決定取樣脈沖的寬度Tg比較與延時(shí)器通過比較時(shí)基電壓和掃描電壓，產(chǎn)生定點(diǎn)采樣脈沖（t＝0）或延時(shí)采樣脈沖（t>0）。工作方式：定點(diǎn)式和掃描式（下面具體介紹）當(dāng)前第62頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)(1)定點(diǎn)工作方式被測(cè)信號(hào)(圖a)通過觸發(fā)整形，產(chǎn)生周期為T的觸發(fā)脈沖，圖b觸發(fā)脈沖通過時(shí)基發(fā)生器產(chǎn)生周期為Tb的鋸齒波時(shí)基電壓，圖c實(shí)線。Tb＝T通過比較時(shí)基電壓和定點(diǎn)延遲電壓(圖c虛線)，比較器輸出方波，圖d圖d方波上升沿觸發(fā)產(chǎn)生取樣脈沖(圖e)，其周期為T，寬度Tg由門寬控制器決定。取樣位置Td由延時(shí)電壓而定，以獲取感興趣的信號(hào)點(diǎn)的幅值。當(dāng)前第63頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)(1)定點(diǎn)工作方式門脈沖到來時(shí)，取樣門接通，對(duì)輸入信號(hào)的某一瞬時(shí)值進(jìn)行取樣，并通過積分器進(jìn)行累積平均。門脈沖結(jié)束，取樣門關(guān)閉，積分電容C上的電壓保持到下一個(gè)門脈沖再次取樣。經(jīng)過多次累積，直到輸出信號(hào)等于被測(cè)信號(hào)某一瞬時(shí)值為止。和相關(guān)檢測(cè)類似，利用了信號(hào)的相關(guān)性和噪聲的隨機(jī)性。與鎖定放大器不同，定點(diǎn)工作方式下的取樣積分器測(cè)量重復(fù)信號(hào)任意一點(diǎn)的振幅，而不是基波振幅。當(dāng)前第64頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)取樣積分器的信號(hào)平均方式信號(hào)平均方式按照硬件電路的不同可分為：線性平均：m次信號(hào)值線性累加，再平均指數(shù)平均：m次信號(hào)值按指數(shù)規(guī)律累加前面原理圖中為指數(shù)規(guī)律平均，為了簡(jiǎn)化，我們將指數(shù)平均近似為線性平均來討論信噪改善比。當(dāng)前第65頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)定點(diǎn)取樣積分的輸出信號(hào)（線性平均方式）設(shè)周期為T的信號(hào)和噪聲組成的混合信號(hào)為：若以Tk為起點(diǎn)，每個(gè)T秒對(duì)信號(hào)的一個(gè)特定點(diǎn)取樣一次，則第i次樣品值為：經(jīng)過m次取樣，信號(hào)按照線性規(guī)律累加，噪聲按照均方和累加：為每次取樣噪聲有效值的均值當(dāng)前第66頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)經(jīng)過m次取樣后，信號(hào)的信噪比為：信噪改善比為：累積次數(shù)m越大，信號(hào)改善比提高定點(diǎn)取樣積分信噪改善比（線性平均方式）當(dāng)前第67頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)(2)掃描工作方式圖a、b、c含義與定點(diǎn)工作方式相同圖d中慢掃描電壓從0到時(shí)基峰值緩慢變化圖e比較器輸出矩形脈沖寬度隨掃描電壓增加而增大以圖e矩形脈沖下降沿觸發(fā)，生成寬度為Tg，周期為T+t的取樣脈沖，圖f當(dāng)前第68頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)掃描方式主要參數(shù)：當(dāng)Tg=Δt，如果在一個(gè)周期內(nèi)取樣，表示每隔Δt取樣一次，取樣時(shí)間為Tg

=Δt，取樣脈沖一個(gè)挨著一個(gè)，取樣門全通。當(dāng)Tg=nsΔt，也表示每隔Δt取樣一次，但取樣時(shí)間為Tg

=nsΔt，如果仍在一個(gè)周期內(nèi)表示取樣，則取樣脈沖互相重疊，相當(dāng)于每個(gè)取樣點(diǎn)在整個(gè)掃描過程中共取樣ns次采樣脈沖門寬Tg、脈沖步進(jìn)值Δt與信噪改善比當(dāng)前第69頁\共有76頁\編于星期二\7點(diǎn)掃描方式主要參數(shù)：目前儀器掃描時(shí)間一般為0.01s～105s，掃描電壓變化緩慢，則Δt非常小，所以ns