第七章 特殊領(lǐng)域的信息檢測系統(tǒng)

第七章特殊領(lǐng)域的信息檢測系統(tǒng)第1頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月7．1取樣積分器

取樣積分器(Boxcar)，是一種微弱信號檢測系統(tǒng)。它在原理上是很古老的，它利用周期性信號的重復特性，在每個周期內(nèi)對信號的一部分取樣一次，然后經(jīng)過積分器算出平均值，于是各個周期內(nèi)取樣平均信號的總體便展現(xiàn)了待測信號的真實波形。因為信號提取(取樣)是經(jīng)過多次重復的，而噪聲多次重復的統(tǒng)計平均值為零，所以可大大提高信噪比，再現(xiàn)被噪聲淹沒的信號波形。第2頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月一、取樣積分器的工作原理1、取樣門及積分器

取樣點的值，應(yīng)是信號和噪聲的和，我們以信號和噪聲功率平均值來看積分前后信噪比的變化。若輸入信號為Vsi，經(jīng)過積分器M次積累后所得到的輸出電壓為第3頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月取樣門及積分器第4頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月噪聲電壓是隨機量Vni，經(jīng)過m次積累以后，相加所得值Vn仍為隨機變量第5頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月通過累積以后獲得的倍噪比為通過累積以后信號噪聲幅值比(SNIR)為第6頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月一個取樣積分器的核心組件是取樣門和積分器，通常采用取樣脈沖控制RC積分器來實現(xiàn)，使在取樣時間內(nèi)被取樣的波形作同步積累，并將所積累的結(jié)果(輸出)保持到下一次取樣第7頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月第8頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月取樣積分器通常有兩種工作模式，即定點式和掃描式。定點式取樣積分器是測量周期信號的某一瞬態(tài)平均值；掃描式取樣積分器則可以恢復和記錄被測信號的波形。下面分別討論這兩種模式。第9頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月2．定點式取樣積分器第10頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月定點式取樣是對被噪聲淹沒的信號在固定點取樣、平均，所以經(jīng)m次取樣平均后，其幅值倍噪比改善為定點式取樣積分器僅能在噪聲中提取信號瞬時值，其功能與鎖定放大器相同，不同的定點可通過手控延時電路來實現(xiàn)。第11頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月3．掃描式取樣積分器掃描式取樣積分器利用取樣脈沖在信號波形上延時取樣，可以恢復被測信號波形。它主要包括可變時延的取樣脈沖和在取樣脈沖控制下作同步積累這兩個過程。

掃描式取樣積分器可得到形狀與輸入的被測信號相同，而在時間上大大放慢了的輸出波形，故掃描式取樣積分器能在噪聲中提取信號并恢復波形。第12頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月第13頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月第14頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月第15頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月定點式取樣積分器按照定點取樣m次的法則，不難理解幅值信噪比改善為的結(jié)論。對掃描式取樣積分器由于可變時延的取樣脈沖在取樣過程中取樣點是逐漸變化的，所以它的取樣過程受到門脈沖寬度的限制，只有在門寬范圍內(nèi)才能被取樣。信噪比改善第16頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月由于慢掃描電壓相對于時基電壓變化十分緩慢，因而取樣脈沖相對于觸發(fā)脈沖的移動也是十分緩慢的，以至在輸入的被測信號波形上每一“點”依次可以掠過多個門寬的取樣脈沖，從而對波形每個取樣“點”進行多次積累平均。第17頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月7．2鎖相放大器鎖相放大器又稱鎖定放大器．它也是一種微弱信號的檢測儀器。它起到了一個極窄的帶通濾波器的作用，而不是普通濾波器。它的原理也是基于信號和噪聲在相關(guān)特性方面的差別。第18頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月鎖定（鎖相）放大器（lock-inamplifier）就是利用互相關(guān)原理設(shè)計的一種同步相關(guān)檢測儀，利用參考信號與被測信號的互相關(guān)特性，提取出與參考信號同頻率和同相位的被測信號。鎖定放大器可在比被測光信號強100dB的外來干擾中檢測出目的信號。從鎖定放大器問世以來，由于其在微弱信號檢測方面的優(yōu)越性能，在科學研究的各個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

第19頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月鎖定放大器有三個特點：用調(diào)制器將直流或漸變信號調(diào)制到處，進行交流放大，可以避免噪聲的不利影響；利用相敏檢測器實現(xiàn)對調(diào)制信號的解調(diào)，同時檢測頻率和相位，噪聲與信號同頻又同相的概率很??；利用低通濾波器來抑制噪聲，低通濾波器的頻帶可以做的較窄，而且其頻帶寬度不受調(diào)制頻率的影響，穩(wěn)定性也大大地提高。第20頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月檢相器是一個相位比較裝置，它把輸人信號和參考信號進行比較。當兩個信號的相位完全相同時，經(jīng)低通濾波器后，輸出信號的直流分量達到最大。第21頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月第22頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月相敏檢測器是鎖定放大器的核心部件，它實現(xiàn)了被測信號與參考信號的互相關(guān)運算。相敏檢測器有模擬乘法器式和電子開關(guān)式，其中電子開關(guān)式相敏檢測器由于受到參考信號幅度波動的影響較小，所以得到更廣泛的應(yīng)用。電子開關(guān)式相敏檢測器的輸出等效為被測信號與幅度為、占空比為50％的方波信號r(t)的乘積。第23頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)輸入信號為：根據(jù)傅立葉變換，r(t)可用三角函數(shù)的形式表示。

第24頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月r(t)與相乘的結(jié)果為：式右邊的第一項為差頻項，第二項為和頻項。經(jīng)過低通濾波器（LPF），所有的和頻項與的差頻項都被慮除，最后濾波器的輸出為：第25頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月說明被測信號通過相敏檢測器(PSD)和低通濾波器(LPF)后，輸出正比于被測信號的幅度、同時正比于參考信號與被測信號的相位差的余弦函數(shù)，此時，輸出最大，從而實現(xiàn)鑒幅和鑒相。第26頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月第27頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月適合于鎖相放大器檢測的信號應(yīng)該是單頻率的，或者說傳導頻譜所占寬度是較窄的，也就是要求信號所攜帶的檢測量(信息)的變化是很緩慢的，否則檢出的信息就會因丟失高額分量而畸變。第28頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月AD630S第29頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月AD630由兩個運算放大器A和B、切換開關(guān)S、輸出積分放大器、比較器COMP(含三極管T)、片內(nèi)電阻、片內(nèi)補償電容組成。由COMP驅(qū)動開關(guān)S置A或B。通道A和B之間隔離度超過100dB,分時工作。片內(nèi)電阻均是高穩(wěn)定度的SiCr薄膜電阻。片內(nèi)補償電容經(jīng)外管腳連接,不需外接電容即可穩(wěn)定工作在閉環(huán)增益上。第30頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月通道A和B屬高精度、高速集成運放，其開環(huán)電壓增益Avd≥100dB，輸入失調(diào)電壓VOS