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1、相关器,同步积分器,旋转电容滤波器,第三章 周期性微弱信号检测方法,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,1,干扰,F1引入噪声,信号,能量信号/功率信号,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,3,归一化能量,定义：信号电压（电流）加到一欧姆电阻上所消耗的能量,实函数,能量有限信号：,一般的非周期信号,能量信号/功率信号,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,4,周期信号，阶跃函数，随机信号,平均功率,定义：信号电压（电流）加到一欧姆电阻上所消耗的功率,归一化能量积分为无穷大,实函数,功率有限信号：,相关函数,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,5,能量有限信号，互相关函数定
2、义：,相关函数,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,6,相关函数,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,7,功率有限信号相关函数定义：,相关函数定义也适用于实函数的情况,相关函数,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,8,相关函数的性质：,实函数的情况：,相关检测,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,9,两相互独立的随机过程的互相关函数为常数，等于两个随机函数的平均值的乘积,相关检测器（相关接收机）,自动计算相关函数的仪器,自相关检测,互相关检测,相关检测,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,10,自相关检测,相关检测,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,11,
3、相关检测,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,12,相关检测,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,13,发送信号的周期已知,在接收端发出与发送信号同频的“干净”的本地信号,输入信号,本地信号,相关,提高电路抗干扰性能,互相关检测,相关检测,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,14,理论上：互相关接收比自相关接收更有效实际上：两者检测能力相差不大,相敏检波,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,15,相敏检波器,乘法器,PSD,输入两同频信号,两信号同相,两信号反相,相差90或270,输出最大,输出负最大,输出为0,相敏检波,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,16,
4、和频项，用低通滤波器滤除,相乘：,差频项,两信号同频：直流输出,正比于相位差的余弦值相敏,两正弦波输入：,相敏检波,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,17,信号频率,噪声频率,信号中有噪声：,相敏检波,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,18,通过相敏检波器后输出：,只有体现相差的直流输出,加低通滤波器,相敏检波,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,19,方波做参考信号：,参考信号：1V方波,方波的基波频率,傅氏级数展开：,相敏检波,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,20,包含参考信号所有奇次谐波所产生的相敏直流输出：PSD谐波响应,输出：,相敏检波,苏州大学物理科
5、学与技术学院,微弱信号检测,21,锁定放大器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,22,锁定放大器,被测信号与参考信号严格同步,放大倍数很高,交流输入，直流输出,锁定放大器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,23,相关器,大幅度压缩等效噪声带宽,需要的特性,动态范围大,漂移小,时间常数可调,线性好,增益稳定,频率范围宽,方波,直流：斩波为交流方波,正弦,互相关运算电路,乘法器,积分器,开关乘法器,线性好,动态范围大,电路简单,运算放大器构成的近似积分器,锁定放大器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,24,信号通道,相关器之前,输入变压器,低噪声前置放大器,主放大器,增益开
6、关,放大倍数、共模抑制、动态范围等,提高信噪比,增大动态范围,前级放大倍数不够时用,不能放在输入级,组成,低噪声,高增益,有源滤波器,锁定放大器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,25,参考通道,触发电路,倍频电路,相移电路,方波形成电路,驱动电路,触发电平宽,工作频率宽,使输出方波与被测信号的二次谐波同步,改变输出方波相位,0-100连续可调,每90跳变,形成占空比1：1的方波,同步脉冲,一对相位相反幅度一定的对称方波,相关器,同步积分器,旋转电容滤波器,第三章 周期性微弱信号检测方法,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,26,相关器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,
7、27,相关器,理论上,实际应用,乘法器,积分器,模拟乘法器,无限积分时间积分器,电路结构复杂,信号失真,开关乘法器,近似积分器,低通滤波器,相关器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,28,待定常数,相关器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,29,相关器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,30,相关器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,31,相关器输出,输入信号的基波振幅,被测信号和参考信号之间的相位差的余弦,直流电压,正比于,相位差,输出幅度,0,负值最大,最大,相关器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,32,相关器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号
8、检测,33,相关器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,34,相关器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,35,相关器能抑制偶次谐波,相关器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,36,相关器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,37,相关器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,38,相关器奇次谐波输出频率响应,相关器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,39,相关器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,40,相关器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,41,相关器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,42,5.输入信号为与参考信号同频的方波
9、,相关器输出直流电压：信号幅度乘以积分器的直流放大倍数，且与两方波的相位差成线性关系,当输入信号幅值恒定时，相关器成为相敏检波器，即输出幅度和相位成线性关系,相关器的等效噪声带宽,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,43,基波：,奇次谐波附近：,相关器的等效噪声带宽,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,44,相关器的积分常数选择,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,45,输出信噪比,对快速信号的响应,积分时间常数,积分时间下限,输出电路过载电平的限制,谐波衰减对时间常数的限制,要求二次谐波小于1/100,相关器的积分常数选择,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,46,积
10、分时间上限,需求：不失真在全频谱内，各频率分量按原来的比例恢复,最高频率失真50%（6dB）,最高频率失真3dB,载波频率需远大于缓慢变化信号的最高频率,相关器电路举例,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,47,相关器,同步积分器,旋转电容滤波器,第三章 周期性微弱信号检测方法,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,48,同步积分器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,49,同步积分器,又称相干滤波器,原理图,等效电路,同步积分器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,50,两者同步受开关控制,同步积分器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,51,两个积分器,同步积分
11、器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,52,同步积分器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,53,同步积分器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,54,对比相关器输出：,同步积分器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,55,同步积分器,输出方波幅度，正比于：1）输入信号幅度2）相位差余弦3）放大倍数,可测量输入信号幅度和相位（需要定标移相器）,同步积分器,同步积分器能抑制偶次谐波,正半周对电容器充电的电荷等于在负半周释放的电荷，相互抵消,同步积分器,输出幅度正比于该谐波输入振幅的1/(2n+1)、相位差的余弦、同步积分器的放大倍数,同步积分器,同步积分器,各奇次谐波附
12、近是带通滤波器，带宽由RC决定。RC越大，通带越窄，积分时间越长,同步积分器,同步积分器是随参考信号频率而变化的方波匹配滤波器，积分长度越长，带宽越窄，抑制噪声能力越强,同步积分器,输出方波幅度正比于输入方波幅度，且是相位差的线性函数,方波鉴相器,同步积分器,同步积分器,同步积分器,6.输入信号为调幅方波,同步积分器,与参考信号相关的正弦、方波,全部通过,被滤除,物理过程：采用同步开关控制的积分器，同频信号同相的分别对两电容充电。而噪声以及其他干扰由于频率、相位随机，在电容上的充、放电会相互抵消,输入：正弦或方波，输出：方波,同步积分器,两者同相,同步积分器,两者有相位差,同步积分器,输入信号
13、为参考信号偶次谐波,同步积分器,输入信号为参考信号奇次谐波,同步积分器,同步积分器是随参考信号频率而变化的方波匹配滤波器，积分长度越长，带宽越窄，抑制噪声能力越强,两级串联，抑制噪声能力如何？,二,同步积分器串联,第一级同步积分器输出电压幅值稳态解：,同步积分器串联,输出方波幅值稳态解：,同步积分器串联,基波频率的输出方波电压幅度：,同步积分器串联,3dB/倍频程,6dB/倍频程,两级同步积分器串联使用，比一级积分器具有更强的噪声抑制能力,同步积分器串联,同步积分器等效噪声带宽,同步积分器等效噪声带宽,结论：,二级同步积分器串联的等效噪声带宽是一级同步积分器等效噪声带宽的一半,同步积分器前加选
14、频放大器，对输入是正弦波的情况，对总的性能有利,同步积分器等效噪声带宽,同步积分器电路举例,相关器,同步积分器,旋转电容滤波器,第三章 周期性微弱信号检测方法,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,80,开关频率为f0的方波控制双刀双掷开关,等效电路,旋转电容滤波器,旋转电容滤波器,旋转电容滤波器,交流方波,旋转电容滤波器,正负半周性能对称：只讨论正半周,为使噪声带宽较窄，积分时间常数一般取较大（低通），因此和频项可忽略,输入电压振幅,旋转电容滤波器,输出信号振幅正比于输入信号的振幅以及信号与开关信号之间相位差的余弦,旋转电容滤波器,旋转电容滤波器抑制偶次谐波,旋转电容滤波器,旋转电容滤波
15、器,输出为调幅方波,旋转电容滤波器,梳状滤波器允许基波及奇次谐波通过，抑制偶次谐波。时间常数越大，越接近理想方波匹配滤波器,与同步积分器性能类似,旋转电容滤波器,增加时间常数RC，可以使噪声带宽减小，从而提高抑制噪声的能力,旋转电容滤波器,旋转电容滤波器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,94,数字化滤波器看书，做整理,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,95,几种典型的锁定放大器简介,相关器为核心：,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,96,相关器为核心的LIA,改善信号通道信噪比：混频器+晶体滤波器,需要滤波特性,需要平坦特性,2fi+1MHz1MHz,fr+2MHzf
16、r,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,97,同步积分器为核心的LIA,输入：正弦波或方波输出：同频方波,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,98,两级联用的LIA,同步积分器+相关器,等效电路：,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,99,两级联用的LIA,两次抑制,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,100,两级联用的LIA,对不等于参考频率的信号，以12dB/倍频程衰减,同步积分器：抑制噪声相关器：交流变直流解调,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,101,两级联用的LIA,相关器：抑制噪声同步积分器：窄带跟踪滤波器,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,
17、102,外差式LIA,相关器前的滤波器截止频率附近相位特性不稳定,相关器为相敏输出,频率不稳会造成输出不稳,外差法实现自动频率跟踪,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,103,外差式LIA,输出0,负输出,正输出,锁定状态,VCO频率上升,VCO频率下降,锁相环：,苏州大学物理科学与技术学院,双相LIA,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,105,同步外差LIA,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,106,锁定放大器的动态范围及动态协调,满刻度信号输入电平FS(Full-Scale),最小可检测信号电平MDS（Minimum Discernable Signal）,过载电平O
18、VL（overload）,最小可检测信号=锁定放大器输出漂移/K总,测试方法：信号反相,系统最大输出指示的满刻度相干输入信号电平,一般10V，或1V可从说明书查到,输出稳定度乘以输出满刻度所需的相关信号峰值的输入电平,输出反转：信号响应,输出不变：漂移,仪器各组成部分中有一电路过载,干扰或噪声使噪声产生某种程度的非线性误差,输入动态范围,输出动态范围,动态储备,苏州大学物理科学与技术学院,临界电平动态范围定义,极限指标,过载首先出现在峰值出不用均方根、有效值来度量,在给定的灵敏度条件下，允许的最大不相干输入信号的峰值过载电平与最小可检测的相干输入信号峰值电平之比,苏州大学物理科学与技术学院,临
19、界电平动态范围定义,抑制能力,在给定的灵敏度条件下，允许的最大不相干输入信号的峰值电平与输出满刻度所需的相干输入信号峰值电平之比,苏州大学物理科学与技术学院,临界电平动态范围定义,内部噪声特性,在给定的灵敏度条件下，给出满刻度输出的相干输入信号峰值电平与最小可检测的相干输入信号峰值电平之比,苏州大学物理科学与技术学院,临界电平动态范围定义,输入总动态范围=动态储备+输出动态范围,比值：一般用对数表示（dB）,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,111,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,112,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,113,固定,交流增益上升,高稳定状态,适用于
20、高输入信噪比,锁定放大器的动态协调,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,114,锁定放大器的动态协调,固定,交流增益下降,高储备状态,适用于高噪声,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,115,锁定放大器的动态协调,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,116,宽带锁定放大器（第一类）,限带锁定放大器（第二类）,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,117,信号通道内插入滤波器或同步积分器，可以扩大动态范围,苏州大学物理科学与技术学院,微弱信号检测,118,动态范围与频率的关系,频率轴：信号频率与参考频率比值,宽带锁定放大器：,不能抑制同频干扰、噪声,相关器：交流输入、直流输
21、出,锁定放大器,交流电压表,信号振幅,相位差余弦,总增益,可检测交流信号,直流信号需调制成交流信号,锁定放大器应用,锁定放大器的输入信号：来自传感器,传感器参数,(或),增益,前放,增加动态储备,减小动态储备,大,小,噪声匹配,锁放源阻抗,工作频率,灵敏度（响应度）,输出阻抗,等效噪声功率,响应时间,前置放大器的工作参数选择,最佳源电阻,最佳工作频率,噪声匹配,最佳源电阻,最佳工作频率,锁定放大器：相关检测同频参考信号,动态协调,噪声大,噪声小,减小AC增益,增大动态储备,增加AC增益,提高准确性,屏蔽、接地,阻抗微小变化的测量交流电桥+锁放,应用举例：,阻抗微小变化的测量交流电桥+锁放,正交
22、矢量型锁定放大器,实部,虚部,电桥的分布电容、分布电感对检测结果有较大影响,阻抗微小变化的测量变压器桥（20世纪70年代之后）,Zx为被测阻抗，Zr为同类型的已知参考阻抗，两者近似相等,电流/电压转换模块，输入阻抗近似为0，增益为K,参考输入：-u,调节相位,检测结果,优质低损耗铁芯,阻抗微小变化的测量运放桥（20世纪80年代之后）,避免绕制变压器的麻烦,两运放最好来源于同一块芯片中的两个独立运放,测量放大器噪声系数,K接A,K接B,E 2=2,调整f0、Rs,噪声因数等值图,微分电导测量,某些待检测信号近似于直流量,直流放大器零点漂移,直流背景噪声,直流放大器难以完成检测,转换为交流量,锁定放大器,斩波调制,克服零点漂移,消除直流背景,避开1/f噪声,斩波频率：远高于信号最高频率,信号的斩波调制：,光学斩波调制器：斩光盘,信号的斩波调制：,信号的斩波调制：,典型的锁定放大器光谱测量系统,信号的斩波调制：,源补偿测试系统,LIA调制检测法：,双探测器双光束检测系统,LIA调制检测法：,双频双光束检测系统,LIA调制检测法：,
