微弱信号检测2综述.ppt

微弱信号检测 2 微弱信号 检测方法 微弱信号检测的关键在于抑制噪声，恢复、 增强和提取有用信号，即提高信噪改善比 SNIR越大，表示处理噪声的能力越强，检测 水平越高 处理系统的信噪改善比等于输入噪声带宽与系统的 噪声等效带宽之比因此，减小系统的噪声等效带宽 可以提高系统的输出信噪比 对于信噪比小于1的被噪声淹没的信号，只要处理 系统的等效噪声带宽做得很小，就可以将信号提取出 来，这是微弱信号检测的指导思想之一 信号处 理系统 Vsi Vni Vso Vno 2.1 2.1 常规小信号检测方法常规小信号检测方法 2.1.1 滤波 滤波的主要作用： （1）隔离直流分量 （2）改善信号波形 （3）防止离散化时的频率混叠 （4）克服噪声不利影响，提高信噪比 滤波消噪只适用于信号与噪声频谱不重叠的情况， 利用滤波器的频率选择特性，可将滤波器通带设置得 能够覆盖有用信号的频谱 根据信号和噪声的不同特性，常用抑制噪声的滤波 器为低通滤波器LPF和带通滤波器BPF 低通滤波器能有效抑制高频噪声，常用于有 用信号缓慢变化的场合； 如果信号为固有频率f 0的正弦信号，则利用 带通滤波器能有效抑制通带为f 0 ⊿f 之外各种频率 的噪声。

带通滤波器的带宽2⊿f 越小，Q值越高，滤波效果 越好，但Q值太高的滤波器往往不稳定，因此，⊿f很 难做得很小使滤波效果受到影响 带通滤波器对于频率与信号频率f 0同频率的干扰噪 声无能为力 为了抑制特定频率的干扰噪声，如工频干扰，需要 使用带阻滤波器，即陷波器 2.1.2 调制放大与解调 对于变化缓慢的信号或直流信号，如果不经 变换处理而直接利用直流放大器放大，则传感 器和前级放大器的1/f 噪声及缓慢漂移经放大后以很 大的幅度出现，当有用信号很小时，无法检测出来 简单的电容隔直方法能有效抑制漂移和低频噪声， 但对有用信号的低频分量也具有衰减作用 利用调制放大器可解决这一问题，通常采用幅度调 制方法，在无线广播和接收中常用 设载波振荡器为调制载波源，输出高频载波 信号 设被测低频信号为单一频率的余弦信号 实际应用中，ωc与ωs 至少相差20倍以上 调制过程通常用变增量放大器或非线性放大器实现 两个信号相乘，输出信号频率与调制载波相同，幅度 随被测低频信号瞬时值变化，可得调制信号为： 利用三角函数公式，上式可变为： 可见，调制过程得到两个信号的和频分量和 差频分量。

被测信号Vs(t)可能包括很多频率分量，如下 图(a)所示调制过程中每一频率成分都形成其和频 分量和差频分量，它们组合成调制输出信号的频， 形成载波频率ωc两边的两个边带如下图(c)所示 可见调制输出信号 Vm(t) 的频谱集中在ωc两边边， 可以对对其进进行交流放大因为载为载 波频频率较较高，各级级 放大器间间可以用隔直电电容耦合，所以前级级放大器的 漂移和1/f 噪声不会传输传输 到后级级 解调过程可以用检波器或相敏检测器实现，其过 程是将放大后的调制信号再和载波信号相乘一次 (a)被测信号Vs(ω)；(b)载载波信号Vc(ω)； (c)调调制信号Vm(ω)；(d)解调调信号Vd(ω)；(e)滤滤波输输出Vo(ω) 设交流放大倍数为A，被测信号 解调器输出为： 上式说明：解调过程实现了第二次频谱迁移，解 调器输出Vd(t)的频谱分量包含原被测信号频谱ωs， 另一部分频谱集中在2ωcωs 利用低通滤波器滤除Vd(t)中的高频分量和附加噪 声，可得到放大的被测信号Vo(t) 对于由多种频率成分组成的被测信号，解调 器输出信号和滤波器输出信号的频谱分别如上 图(d)和(e)所示。

调制信号的放大和解调广泛应用于通信领域，例如 无限广播和收音机，这种情况下调制和解调分别由不 通的设备完成，因此要求接收设备能产生解调用的载 波信号为了解调方便，多数广播系统在发送包含有 用信号边带的同时，还发送频率为ωc的载载波信号 对于小信号检测，还可以利用斩波器替代调制器， 利用电子开关实现斩波和斩波信号的解调过程有些 传感器的输出信号就是调制信号或斩波信号，目的是 为了减小漂移的影响 2.1.3 零位法 一般的直接指示仪表测量的方法是将被测信号 放大到一定幅度，以驱动表头指针的偏转，指示 被测量的大小；或经模数转换和数据处理后由数码管 显示被测量的数值 零位法是调整对比量的大小使其尽量接近被测量， 由对比量指示被测量的大小 下图零位法测量原理中，零位表指针只用来指示被 测量和对比量的差异值，当指针近似为零时，对比量 的大小就表征了被测量的大小对比量的调整可以手 动实现，也可闭环自动实现，如下图虚线所示测量 分辨率取决于对比量调整和指示的分辨率 下图被测量和对比两在传输过程中分别附加了 干扰噪声n1(t)和n2(t)，但在对比相减的过程中， 两者将相互抵消，两路信号的传输过程越相似， n1(t)和n2(t)的抵消作用越好。

与直接指示测量方法相比， 零位法测量结果信噪比高， 测量精度更高 零位法测量的典型例子是平衡电桥和电位差计 2.1.4 反馈补偿法 为了将某种幅度较小的被测量检测出来，要对 其进行变换和放大，从而呈现出来，变换和放大 过程将引入干扰噪声，影响输出的信噪比和精确度 下图(a)为开环检测系统，图(b)为增加放大器A和反 馈环节KF构成的闭环检测系统 图(a)中，H1、H2为两个变换环节的传递函数， n1、n2为引入的干扰噪声，x为被测有用信号， 则系统输出y为： 图(b) 构成的闭环检测系统的输出为： 当A足够大时，AH1H2KF>>1，则上式可简化为： 可见，只要放大倍数A足够大，干扰噪声的影响就可 得到有效抑制输出和输入主要取决于反馈环节的传 递函数KF，设计稳定可靠的反馈环节要容易得多 2.2 2.2 低噪声前置放大器低噪声前置放大器 低噪声前置放大器是微弱信号检测的第一级， 是关键部件之一，承担着微弱信号的放大任务 微弱信号检测的关键措施之一，就是减小测量过程 中引入的噪声，由于信号十分微弱，要求前置放大器 具有优良的低噪声性能。

前置放大器不具有噪声抑制能力，当其他部分确定 后，前置放大器成为决定整机最高灵敏度的关键，应 精心挑选有源和无源器件，设计最佳性能的低噪声放 大器，使其工作在最佳条件下，得到最佳噪声性能 目前市场上已有性能优良的低噪声放大器出售，如 PARC的113型、116型、118型低噪声前置放大器 2.2.1 低噪声电子设计的基本原则 最理想的减小放大器噪声的方法是采用低温 工作状态，但不具有一般性目前电子电路的 低噪声设计，主要从低噪声器件选择及放大电路来考 虑，同时还应考虑前置放大器的结构设计 微弱信号检测仪器的设计不仅要求噪声小，同时要 求满足通频带、输入阻抗、输出阻抗、电路工作稳定 性等多种要求 (1) 设计方法 ① 从低噪声要求来选择半导体器件及其工作点 ② 考虑电路的组态、级联方式和负反馈类型，以满足 对放大器的增益、频带、输入阻抗等要求 ③ 进行放大器噪声性能指标计算和校核 ④ 条件具备时对放大器的噪声指标进行测量 (2) 主要设计内容 低噪声设计的主要目标是在给定信号源的条件下， 使放大器在信号工作频率范围内有最小的噪声 ①半导体器件及其工作点选择，同时满足噪声匹配和 级联电路设计。

② 低噪声设计应根据信号源的不同性质，确定不同的 要求和设计方法 ③ 要得到良好的低噪声性能，必须尽量避免外来的各 种干扰 低噪声设计目的追求尽量小的噪声系数和尽量好的 噪声性能 2.2.2 直接耦合方式的有源器件及工作点选择 直接耦合方式是指放大器直接与信号源连接， 中间不加任何网络，必须选择器件及其工作点 (1) 有源器件选择原则 ① 从低噪声要求来选择半导体器件及其工作点 ② 考虑电路的组态、级联方式和负反馈类型，以满足 对放大器的增益、频带、输入阻抗等要求 信号源阻抗Zs=Rs+jXs, 当放大器的源阻抗满足： Rs=Rs0，Xs=Xs0时，放大 器具有最小的噪声系数， 最佳的噪声性能 要满足Rs=Rs0，不能采用串联电阻的方式，以 免引入电阻热噪声，使噪声性能变坏 ①低噪声放大器在信号工作频率范围内，应选用EnIn 尽量小的器件 ②根据源电阻Rs的大小，选用不同类型的器件，满足 Rs=Rs0 通常晶体管的En较小，故Rs0较小，可用于源电阻较 小的情况；结型场效应管In较小，故Rs0较大，可用于 高源电阻的情况 选择原则： 晶体管：100Ω~数MΩ；运算放大器：数百Ω~10 MΩ；结结型场场效应应管：1kΩ~数十MΩ；MOS场场效应应 管：数MΩ~数十GΩ。

要使半导体器件噪声尽量小，低噪声晶体管 要求直流放大系数 β0 大，基极电阻rbb小及特 征频率 fT大的器件；低噪声结型场效应管要求 器件gm大，Cgs小，Ig小 有源器件的最佳源电阻Rs0是频率的函数，当频率增 加时，双极晶体管的Rs0迅速增加，结型场效应管的 Rs0迅速减小，二者差别逐渐减小 在中频范围应用时，场效应管有较低的噪声系数， 对于低频和高频时，场效应管的噪声系数较大，特别 是MOS场效应管，低频噪声很大，不宜用于前置级 PNP晶体管基极电阻小，故电压噪声 En 小，Rs0 较 低，适用于低源电阻情况；NPN晶体管的 Rs0 较大， 适用于源电阻较大的情况 (2) 有源器件的直流工作点选择 当有源器件选定后，必须选择合适的工作点， 使最佳源电阻Rs0=Rs 晶体管在中频范围内忽略低频及高频噪声，可以得 到最佳源电阻为： ，调整晶体管直 流工作点IE，可使式 满足，称为噪声匹配 此时噪声系数达到最小 在不同的Rs下改变Ie均可得到一个最小的噪声系数 ，对应的Ie0称为最佳工作点 一般情况下，晶体管放大器工作在源电阻Rs为几千 Ω至几万Ω，因此最佳工作电电流Ie0Rs0时，由于N不可能小于1，故不能采 用并联方式。

由上式计算N过大时，电路连接、供电 均有困难为了达到噪声匹配，可采用噪声匹配网络 ，以实现最小噪声系数 2.2.3 噪声匹配网络及其设计 (1) 噪声匹配原理 放大器低噪声设计的最佳方法是： ① 选择晶体管，使其工作在最佳工作点Ie0min上 ② 根据对应Ie0min时的最佳源阻抗Rs0、Xs0，应满足噪 声匹配，即Rs0=Rs，Xs0=Xs 对于给定的信号源，其源阻抗Zs与Rs0、Xs0不可能 是一致的，必须引入噪声匹配网络，该网络必须由L 、C组成，否则网络中将引入附加热噪声 调节网络中的参数，使Z’s串联电抗X0，使得 R’s=Rs0，X’s＋X0=Xs0，从而达到噪声匹配，此时放 大器具有最小噪声系数 放大器噪声匹配和功率匹配是完全不同的概念 (2) 噪声匹配网络设计 设计噪声匹配网络，必须先确定放大器的最佳 工作点对于晶体管，Ie0一般选择小的集电极电流， 即Ie0<1mA；对于JFET，则选择沟道电流为IDSS相 应的最佳源电阻Rs0和源电抗Xs0通过测量得到，然后 根据信号源阻抗Rs及Xs来设计噪声匹配网络 ① 变压器匹配方式 变压器耦合是一种常用的噪声匹配方式，特别是对 于源电阻Rs很小时，无法用直接耦合方式实现噪声匹 配，可采用变压器来改变源电阻，达到噪声匹配。

变压器噪声匹配电路如右图 设变比为n，则 即 要满足噪声匹配，要求n及X0满足： 变压器耦合方式在一定频率范围工作时，是一种理 想的噪。