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1、毕业设计（论文）前放电路的专用测试设备摘 要本设计为前放电路专用测试设备，前放电路是指对初始信号进行选择，放大，以及优化修饰的电路，特别是对初始信号的选择和放大。前放电路是信号进入后续的功率放大，处理，分析的关键，所以对前放电路的相关参数的测试是非常必要和有意义的。对于前放电路的许多参数中，我选择了它的四项最基本的参数进行测试：放大倍数，频率特性，通频带，信噪比。另外，作为模拟域和数字域的桥梁，我还对模数转换芯片的有效位数进行了测试。此测试项目可以抽象为：测试信号发生，信号采集和送入计算机进行分析三个部分。为了使此设备具有更好的通用型和扩展性，我使用了NI公司的NI PXI-5422卡作为测试
2、信号发生设备，通过前放电路后，由同样为NI公司的NI PXI-5761数据采集卡作为信号采集设备，然后将测试源信号和通过前放电路后的信号送入计算机进行处理和分析，从而完成相关测试。实际的测试是在NI公司的LabVIEW中模拟完成的，使用巴特沃斯低通滤波器加白噪声来模拟前放电路，使用信号发生器和示波器模拟NI PXI-5422和NI PXI-5761。通过对经过“前放电路”的前后测试信号的峰峰值的比求得放大倍数；通过对输出信号进行FFT变换，转换到频域，由示波器显示其幅频特性和相频特性，即频域特性；通过在幅频特性中定位-3dB截止频率测出通频带；最后由MATLAB编程实现求输出信号的功率谱，从而
3、得出其信噪比；在此基础上由ADC有效位与SNR的关系算出模数转换的有效位数。关键词：前放电路，放大倍数，频域特性，信噪比，LabVIEWSPECIAL TEST EQUIPMENT OF PREAMPLIFIERABSTRACTThis design project as a preamplifier dedicated test equipment, preamplifier refers to an initial signal to select, zoom in, modification and optimization of circuits, in particular for
4、the initial selection and amplification of the signal. Pre- amplifier is the key of power amplifier the follow-up of signal, processing, and analysis, so on the parameter test of preamplifier is very necessary and meaningful. For a preamplifier in many of the arguments, I have chosen to test its fou
5、r basic parameters: amplification, frequency characteristics, band pass, SNR. In addition, bridge the gap as the analog domain and digital domain, I also tested the number of significant digits of the analog to digital conversion chip. This test project can be abstracted in three parts: test signal
6、generator, signal acquisition and analysis into a computer. In order to make the device more universal and scalable, I am used the NI PXI-5422 of NI company cards as a test signal generation device, after passing the preamplifier, by the same data acquisition card which NI PXI-5761 of NI company as
7、a data acquisition device, and then take the source signal and after passing the preamplifier signal into the computer for processing and analysis, in order to complete the test.Practical tests are simulate in NIs LabVIEW, use Butterworth low-pass filter plus white noise to simulate a preamplifier,
8、using a signal generator and oscilloscope simulate NI PXI-5422,and NI PXI-5761. By on preamplifier of before and after test signal peak-peak value obtained zoom multiples; by on output signal for FFT transform, conversion to frequency domain, by oscilloscope displayed its site frequency characterist
9、ics and phase frequency characteristics, is frequency domain characteristics; by in site frequency characteristics in the positioning -3dB as stop frequency measured pass band; last by MATLAB programming seeking output signal of power spectrum, then get the SNR; on this foundation, by the relationsh
10、ip of ADC effective bit and SNR ,we will get the effective bit number of ADC conversion.KEY WORDS：Preamplifier, Amplification, Frequency domain characteristics, SNR, LabVIEW13目录前言1第1章 引 论31.1 测试中的信号分析31.1.1 信号分析31.1.2 信号处理41.1.3 弱信号检测41.1.4 信噪比51.2 前放电路的噪声源和噪声特性61.2.1 电阻的热噪声71.2.2 PN结的散射噪声81.2.3 1/f
11、噪声91.2.4 爆裂噪声101.3 各种有用信号的现代提取技术101.3.1 锁相放大111.3.2 取样积分与数字式平均111.3.3 相关检测121.3.4 自适应噪声抵消13第2章 前放电路142.1 前放电路简介142.2 前放电路技术指标142.2.1 电压放大倍数152.2.2 频率特性(通频带BW的逐点式)152.2.3 信噪比的测量15第3章 测试系统硬件实现173.1 基于信号处理的PXI卡选择173.1.1 PXI简介173.1.2 用于信号发生的PXI卡183.1.3 用于信号信号采集的PXI卡193.2 选型后基于PXI的前放电路测试仪器硬件实现21第4章 测试系统软
12、件设计234.1 虚拟仪器简介234.2 总体思路244.3 放大倍数的测试254.4 带宽的测试264.5 频域特性的测试274.6 基于功率谱的信噪比测定284.7 ADC的有效位测定314.7.1 影响ADC信噪比因素的理论分析314.7.2 ADC有效位测量32第5章 可编程电源335.1 可编程电源简介335.2 可编程电源的作用345.2.1 跟踪功能345.2.2 感应（SENSE）模式补偿导线本身电阻345.2.3 任意波形电源355.2.4 调制355.3 实验用简易可编程电源实现35结论37参考文献38致谢40附录41前言前放电路是指把音频信号放大至功率放大器所能接受的输入
13、范围。前放电路功能有两个：一是要选择所需要的音源信号，并放大到额定电平；二是要进行各种音质控制，以美化声音。组成前放电路的基本组成有：音源选择、输入放大和音质控制等电路。音源选择电路的作用是选择所需的音源信号送入后级，同时关闭其他音源通道。输入放大器的作用是将音源信号放大到额定电平，通常是1V左右。音质控制的作用是使音响系统的频率特性可以控制，以达到高保真的音质；或者根据聆听者的爱好，修饰与美化声音。广义地说，前放电路包括一切对初始信号进行选择，放大，以及优化修饰的电路，特别是对初始信号的选择和放大。结合本专业的所学以及工业控制现场，很多初始信号都需要先进行滤波放大处理以后才适于后续的传输使用
14、，例如传感器输出信号，所以对于信号进行初加工的前放电路，其性能的优劣将直接影响到整个系统的综合性能，那么对前放电路的进行相关指标进行测试就显得极其重要，不但可以使使用者清楚地了解设备的适用范围，避免出现不符合技术要求的数据进入后续的信息处理电路，产生误动作，甚至出现事故；也可以为器材生产商提供必要的产品开发所需的相关器材性能指标信息，方便于有的放矢的优化后续产品的相关性能指标，有利于产品进化；还可以为理论科学家以及广大学者进行电子信息材料的理论和实验研究提供必要的工具，有利于理论革新；而对于工业控制系统的组建者来说，前放电路的性能指标也是至关重要的参数，是需要优先考虑的问题，它将影响到整个系统
15、是否有效，性能是否卓越，是否能满足相关技术要求的核心因素。一个性能良好的前放电路对于系统至关重要，那么拥有一套行之有效的前放电路专用检测设备对于每一个从事前放电路相关的研究开发，以及使用的技术人员来说都显得极其重要，就此设备的设计本身而言，对我自己的理论联系实际，以及动手能力，综合运用相关工具的能力提高也具有深远意义。说起测试技术，它既是集成电路产业链中的一环，也是集成电路产品验证出厂的关键，由于测试技术含量高、知识密集，一直是我国集成电路产业发展的制约因素。近几年来，对于刚刚提速的国内半导体业来说，其测试能力相对IC设计、制造、封装，这却是最薄弱的一环。芯片测试是集成电路产业不可或缺的一个重
16、要环节，而测试时间和测试效能是制约集成电路产业发展的两个重要因素。与迅速发展的设计业相比之下，我国测试业的发展相对滞后，目前能够独立承担专业测试服务的公司寥寥无几，不能满足众多IC设计公司的验证分析和产业化测试需求，已日益成为我国集成电路产业发展的一个瓶颈。目前，对于高端集成电路产品，主要还是送到国外去测试，国内的测试能力远远满足不了市场的需求。面对当前我国的测试行业现状，一种基于虚拟仪器的测试技术不断发展，这充分的利用了计算机硬件资源的超高性价比，以及通用性强的特点，使得测试工作变得相对容易。本次测试虽然是面对前放电路的，由于使用了以虚拟仪器技术为基础了测试平台，它具有极好的扩展性，只需在软
17、件上进行极少，甚至不需做任何修改就能直接用于其他产品的测试。本研究对象的前置放大电路也有不少人从事相关的测试，但是就我所见，有些测试设备有些混乱，有些可以精简，而且模块化不强。考虑到自己当下的知识和技术水平，设计出极其完备的测试系统是不太可能的，我将尽我所能完善以前的前放电路测试设备中所出现的问题。第1章 引 论1.1 测试中的信号分析随着科学技术的发展，信息获取、处理和利用为目的的测试技术在生产和科学研究中的应用越来越广泛，测试技术已经成为信息领域的支柱技术之一。测试过程就是针对被测对象的特点，利用相应的传感器，将被测物理量转变成电信号（随着时间变化的电压或者电流），然后，按一定的目的对信号
18、进行分析和处理，从而探明被测对象内在的规律的过程。因此信号的分析与处理是测试技术的重要研究。信号的分析和处理技术可以分为模拟信号分析与处理技术和数字信号分析与处理技术。尽管信号的模拟处理具有实时性强的特点，但信号的数字处理与之相比具有精度高，性能稳定，可靠性好，易于编程实现、处理手段灵活的特点，从而在信号处理领域得到广泛应用。另一方面，由于近20年来电子技术、计算机技术的飞速发展，数字信号处理的硬件和软件产品已经非常丰富，在计算机速度上也可以满足实时性的要求。因此，目前绝大多数的测试信号分析与处理系统都采用数字信号处理技术。1.1.1 信号分析简单地说，信号分析就是研究信号本身的特征。正如自然
19、界各种各样的物质千差万别一样，信号也是千差万别的。研究物质必须研究分析物质的分子结构或者原子结构，不同的分子或者原子结构将组成不同的物质。同样地，随时间变化规律不同的信号，具有不同的外部特征，他们携带着不同的信息。但是仅凭外部特征很难分辨相近的信号。在寻找能够识别这些信号的基本方法中，函数的正交分解提供了一种有效地途径。在满足一定条件下，将信号分解成某种基本函数的线性组合，不同信号的某些不同特征就十分清楚了。例如，我们可以将信号分解成傅里叶级数，傅里叶变换以频谱密度概念清楚地展示了信号的频谱，物理概念十分明确。这正如不同的原子组合成不同的物质类似，不同的频谱将对应不同的信号。信号分析就是将复杂
20、信号分解为若干简单信号分量的叠加，并以这些分量的组成情况去考察信号的特征。这样的分解，可以抓住信号的主要成分进行分析、处理和传输，使复杂问题简单化，实际上这也是解决所有问题最基本，最简单的方法。信号分析中一种最基本的方法是：将频率作为信号的自变量，在频域里进行信号的频谱分析。在工程测试领域，信号分析技术有着广泛的应用。例如在动态测试过程中，首先要解决传感器的频率响应的正确选择问题，为此必须通过对被测信号的频谱分析，掌握其频谱特性，才能较好地解决这个问题。而传感器本身动态频率响应的标定，也需要用到频率的分析和计算。1.1.2 信号处理只有在充分认识信号的基础上，才能对信号进行加工与变换。信号的分
21、析是信号的处理的基础。信号处理是指对信号进行某种变换或运算（如滤波、变换、增强、压缩、估计、识别等），广义的信号处理可把信号分析也包括在内。信号处理包括时域和频域处理，时域处理中最典型的是波形分析，示波器就是一种最通用的波形分析和测量仪器。将信号从时域变换到频域进行分析和处理，可以获得在时域得不到的信息。因而频域处理更为重要。信号处理另一个重要内容就是滤波，将信号中感兴趣的部分（有效信号）提取出来，抑制（衰减或滤波）不感兴趣的部分（干扰或噪声）。1.1.3 弱信号检测“微弱信号”不仅意味着信号的幅度很小，而且主要指的是被噪声淹没的信号，“微弱”是相对于噪声而言的。为了检测被背景噪声覆盖着的微弱
22、信号，人们进行了长期的研究工作，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点、相关性以及噪声的统计特性，以寻找出从背景噪声中检测出有用信号的方法。微弱信号检测技术的首要任务是提高信噪比，这就需要采用电子学、信息论、计算机和物理学的方法，以便从强噪声中检测出有用的微弱信号，从而满足现代科学研究和技术开发的需要。微弱信号检测技术不同于一般的检测技术，它注重的不是传感器的物理模型和传感器原理、相应的信号转换电路和仪器实现方法，而是如何抑制噪声和提高信噪比，因此可以说，微弱信号检测是一门专门抑制噪声的技术。对于各种微弱的被测量，例如弱光、弱磁、弱声、小位移、小电容、微流量、微压力、微振动、微温差等，一
23、般都是通过相应的传感器将其转换为弱电流或低电压，再经放大器放大其幅度以期指示被测量的大小。但是，由于被测量的信号微弱，传感器的本底噪声、放大器电路以及测量仪器的固有噪声以及外界的干扰噪声往往比有用信号的幅度大的多，放大被测信号的过程同时也放大了噪声，而且必然还会附加一些额外的噪声，例如放大器的内部固有噪声和各种外部干扰的影响，因此只靠放大时不能把微弱信号检测出来的。只有在有效地抑制噪声的条件下增大微弱信号的幅度，才能提取出有用信号。为了达到这样的目的，必须研究微弱信号检测的理论、方法和设备。1.1.4 信噪比为了表征噪声对信号覆盖程度，人们引入了信号比SNR的概念，信噪比指的是信号的有效值S与
24、噪声的有效值N之比，即SNR=S/N信噪比可以是电压比值，一般表示为SNRv；也可以是功率比值，一般表示为SNRp。微弱信号检测的关键是提高信噪比。评价一种微弱信号检测方法的优劣，经常采用两种指标：一种是信噪改善比SNIR（signal noise improvement ratio），另一种是有效的检测分辨率。信噪改善比定义为SNIR=SNRo/SNRi式中，SNRo是系统输出端的信噪比，SNRi是系统输入端的信噪比。SNIR越大，表明系统抑制噪声的能力越强。微弱信号检测的另一个指标是检测分辨率，它的定义是检测仪器示值可以响应与分辨的最小输入量的变化值。检测分辨率不同于检测灵敏度，后者定义为
25、输出变化量y与引起y的输入变化量x之比，即灵敏度等于y/x。也就是说，灵敏度表示的是检测系统标曲线的斜率。一般情况下，灵敏度越高，分辨率越好。但是，提高系统的放大倍数可以提高灵敏度，但却不一定能提高分辨率，因为分辨率要受噪声和误差的制约。表1-1对比了常规检测仪器与微弱信号检测方法所能达到的最高分辨率和SNIR，表中的最后一行是专门从事微弱信号检测仪器生产的吉时利（Keithley）公司的产品近年能够达到的指标。从这些指标中可以看出微弱信号检测技术发展的大致水平。表1-1 检测的最高分辨率检测方法检测量电压/nV电流/nA温度/K电容/pF微量分析/克分子SNIR常规检测方法0.1100.11
26、010微弱信号检测方法0.110510101010吉时利公司101010自从1962年第一台锁相放大器问世四十多年来，经过很多科学工作者的不懈努力，微弱信号检测技术得到了长足的发展，信噪改善比SNIR得到不断提高。到了20世纪80年代末，微弱信号检测的SNIR可达10，近年在一些专门检测领域（例如微弱电流）SNIR已经达到10，从而推动了物理、化学、电化学、天文、生物、医学等科学领域的发展。目前，微弱信号检测的原理、方法和设备已经成为很多领域中进行现代科学研究不可缺少的手段，而未来科技的发展也必将对微弱信号检测技术提出更高的要求。1.2 前放电路的噪声源和噪声特性对于电子噪声，通常有两种定义：
27、一种是由于电荷载体的随机运动所导致的电压或电流的随机波动，另一种是污染或者干扰有用信号的不期望的信号。第二种噪声的定义的范围更广，它既包括电路内部产生的噪声，也包括来自电路外部的干扰噪声。这种叠加在有用信号上的外部干扰噪声可能是随机的，也可能是确定的。外部干扰噪声的种类很多，例如，音频系统中的50Hz及其谐波交流声，就是经过电源线和音频线之间的互感或分布电容引入到音频通道的，这是一种确定的干扰噪声。另一个例子是部分电路可能扮演天线的角色，从而接收广播信号。在这两个例子中，在一个电路中有用的信号，如果引入到其他电路中就成为干扰信号。由组成检测电路的元件产生的内部噪声称之为固有噪声，它是由电荷载体
28、的随机运动引起的。例如，散弹噪声就是流过势垒（如半导体PN结）的电流的随机成分，它是由载流子随机越过势垒所引起的。热力引起的载流子的随机运动是热噪声的根源，其幅度取决于温度，也与导体的电阻值有关，即使没有电流流过导体，热噪声依然存在。为了把微弱信号幅度放大到人们可以感知的幅度，必须使用放大器和其他电路对其进行处理。但是，电子系统内部几乎所有的器件本身往往就是噪声源，在放大微弱信号的同时，这些声源产生的噪声同样会被放大。即使电子系统外部的所有干扰噪声都被有效地抑制掉，放大器也会输出一定幅值的噪声。在各种测试系统中，固有噪声的大小决定了系统的分辨率和可检测的最小信号幅度。电子系统内部的固有噪声具有
29、随机的性质，其瞬时幅度不可预测，只能用概率和统计的方法来表述其大小和特性，例如用均方值、概率密度函数、功率谱密度函数等进行描述。1.2.1 电阻的热噪声任何电阻或导体，即使没有连接到任何信号源或电源，也没有任何电流流过该电阻，其两端也会呈现噪声电压起伏，这就是电阻的热噪声。电阻的热噪声起源于电阻中电子的随机热运动，导致电阻两端电荷的瞬时堆积，形成噪声电压。约翰逊（J.B.Johnson）于1928年首先发现热噪声，因此热噪声又称为Johnson噪声。之后奈奎斯特（Nyquist）利用热动力学推理的方法，以数学方式描述了热噪声的统计特性，他证明了热噪声et的功率谱密度函数为St（f）=4kTR（
30、V/Hz）式中，k为波尔兹曼（Boltzmann）常数，k=1.3810J/K；T为电阻的绝对温度，K；R为电阻的阻值，。在室温下（17或2900K），4kT1.610V/(Hz)。根据公式得到的功率谱密度为常数。实际上，在很高频率及很低温度时，St（f）将发生变化。在一般检测系统的工作频率范围内，可以认为热噪声是白噪声。因为实际的检测电路都具有一定的频带宽度，工作于电路系统中的电阻R的热噪声Pt=Eet=4kTRB式中，B为系统的等效噪声带宽，单位为Hz，et为热噪声电压值，得出的Pt的单位为V。此公式是由经典的热力学推导出来的近似结果，当频率很高时，由量子理论可得如下更精确的热噪声功率谱密
31、度函数表达式St（f）=4hfR/（exp(hf/(kT)-1）式中，h为普朗克常量（h=6.6210Js），f为频率。当fkT/h时，St（f）会逐渐减少。在室温下（T=300K），当f0.1kT/h10Hz时，将式中分母中的指数函数展开为泰勒级数，并取其前两项来近似，即Exphf/(kT)1+hf/(kT)一般检测系统的工作频率要比10Hz低得多，所以此式被广泛应用。1.2.2 PN结的散射噪声PN结的散射噪声（shot noise）又叫做散粒噪声。它与越过势垒的电流有关。电子或空穴的随机发射导致流过势垒的电流在其平均值附近随机起伏，从而引起散弹噪声。在电子管中，阴极发射电子为一个随机过程
32、，它们造成电子管电流的散弹噪声。在半导体器件中，越过PN结的载流子的随机扩散以及空穴电子对的随机产生和组合导致散弹噪声。凡是具有PN结的器件均存在这种散弹噪声，因此实际流过PN结的电流为Idc+Ish，其中，Idc为平均电流，Ish为散弹噪声电流。肖特基（W.Schottky）于1918年在热阴极电子管中发现了散弹噪声，并对其进行了理论研究，他证明散弹噪声电流Ish是一种白噪声，其功率谱密度函数为Sch（f）=2qIdc（A/Hz）式中，q为电子电荷，q=1.610C;Idc为平均直流电流，A。电流流过半导体PN结产生的散弹噪声也服从上述规律，散弹噪声表现为流过PN结电流的小幅度随机波动。若总
33、电流为i=Idc+Ish，因为散弹噪声是大量独立随机事件的综合结果，所以Ish的幅度分布为高斯分布。近年的研究表明，此式仅适用于小注入，低频工作情况。对于工作于高频区或大注入的情况，应当对其做适当修正。实际的检测电路都具有一定的频带宽度，工作于电路系统中的PN结的散弹噪声电流的功率Psh为Psh=EIsh=2qIdcB式中，Ish为随机的散弹噪声电流值；B为系统的等效噪声带宽，单位为Hz。散弹噪声电流的有效值（均方根值）为ish= =除以B得单位带宽方根的散弹噪声有效值，也就是平方谱密度值Ish=ish/=5.6610此式表明，散弹噪声的平方根谱密度值只是流过PN结的平均电流Idc的函数，只要
34、测出Idc，就能确定散弹噪声电流的大小。因此，为了减少散弹噪声的不利影响，流过PN结的平均直流电流应该越小越好，对于放大器的前置级尤其是这样。1.2.3 1/f噪声1/f噪声是由两种导体的接触点电导的随机涨落引起的，凡是有导体接触不理想的器件都存在1/f噪声，所以1/f噪声又叫做接触噪声。在电子管中观测到的1/f噪声被称为闪烁（flicker）噪声。因为其功率谱密度正比于1/f，频率越低1/f噪声越严重，所以通常又称1/f噪声为低频噪声。1/f噪声由约翰逊于1925年在电子管板极电流中首先发现，之后在各种半导体器件中也发现了这种噪声。几十年来1/f噪声的物理机理一直是国际上研究的热点，已经有多
35、种模型被提出，它们分别适用于不同的器件或工作环境。1.2.4 爆裂噪声爆裂噪声（burst noise）是一种流过半导体PN结电流的突然变化。20世纪70年代初期，首先在半导体二极管中发现了爆裂噪声，之后在三极管和集成电路中也发现了爆裂噪声。引起爆裂噪声的原因是半导体材料中的杂质（通常是金属杂质），这些杂质能随机发射或捕获载流子。爆裂噪声通常由一系列宽度不同，而幅度基本相同的随机电流脉冲组成，脉冲的宽度可在几微秒到0.1s量级之间变化，脉冲的幅度约为0.01A0.001A量级。因为脉冲的幅度只是PN结杂质特性的函数，对于某个特定的半导体器件样品，爆裂噪声的幅度是固定的，所以通常的爆裂噪声电流只
36、在两种电流值之间切换。取决于半导体制作工艺和材料中杂质的情况，爆裂噪声脉冲出现的几率可以在每秒几百个到几分钟一个之间变化。如果将爆裂噪声放大并送到扬声器中，可听到类似于爆玉米花的爆裂声，背景炒声是散弹噪声和热噪声。因此，爆裂噪声又叫爆米花（popcorn）噪声。理论分析证明，爆裂噪声Ib的功率谱密度可表示为Sb（f）=KbIb/（1+（f/fo）(A/Hz)式中，Ib为直流电流；Kb为取决于半导体材料中杂质情况的常数；fo为转折频率，当ffo时，功率谱密度曲线趋于平坦。爆裂噪声是电流型噪声，在高阻电路中影响更大。通过改善半导体制作工艺，可使半导体材料的纯度提高，杂质含量减少，爆裂噪声得以改善。
37、目前，只在半导体器件的少数样品中可以发现爆裂噪声，通过对器件的挑选能够避免爆裂噪声。1.3 各种有用信号的现代提取技术从噪声里提取有用的信号的技术从物理学应用于解决工程问题的开始便一直存在，而且随着现代信息技术的发展，信号提取技术也越来越重要，而且出现了一些前所未有的新方式。但是，无论使用了怎样的新技术，都是利用了有用信号和噪声之间的差别来将他们区分开来，例如淹没在噪声里面的孤立脉冲信号，我们可以利用有用信号和噪声的相关函数的不同来区分它们，而对于工程上的实现，却是需要无数人的努力。前放电路从某种意义上来说也是一种信号提取的硬件实现技术，他可以在一定程度上提高信噪比，抑制噪声在信号中所占的分量
38、。而对于信号的处理和分析技术，无论是在前放电路的性能分析还是在硬件设计等领域里都起着举足轻重的地位。1.3.1 锁相放大对于幅度较小的直流信号或慢变信号，为了防止1/f噪声和直流放大的直流漂移（例如运算放大器输入失调电压的温度漂移）的不利影响，一般都是用调制器或斩波器将其变换成交流信号后，再进行放大和处理，用带通滤波器抑制宽带噪声，提高信噪比，之后再进行解调和低通滤波，以得到放大了的被测信号。设混有噪声的正弦调制信号为x(t)=s(t)+n(t)=Vscos(+)+n(t)式中，s(t)是正弦调制信号，Vs是被测信号，n(t)是污染噪声。对于微弱的直流或慢变信号，调制后的正弦信号也必然微弱。要
39、达到足够的信噪比，用于提高信噪比的带通滤波器（BPF）的带宽必须非常窄，Q值（Q=，B为带宽）必须非常高，这在实际上往往很难实现。而且Q值太高的带通滤波器往往不稳定，温度、电源电压的波动均会使滤波器的中心频率发生变化，从而导致其通频带不能覆盖信号频率，使得测量系统无法平稳可靠地进行测量。在这种情况下，利用锁定放大器可以很好地解决上述问题。1.3.2 取样积分与数字式平均对于淹没在噪声中的正弦信号的幅度和相位，可以利用锁定放大器进行检测。但是如果需要恢复淹没在噪声中的脉冲波形，则锁定放大器是无能为力的。脉冲波形或脉动波形的上升沿和下降沿包含丰富的高次谐波分量，锁定放大器输出级的低通滤波器会滤除这
40、些高频分量，导致脉冲波形的畸形。对于这类信号的测量，必须使用其他的有效方法，取样积分和数字式平均就是这样的方法。早在20世纪50年代，国外的科学家就提出了取样积分的概念和原理。1962年，加利福尼亚大学劳伦茨实验室的Klein用电子技术实现了取样积分，并命名为BOXCAER积分器。为了恢复淹没于噪声中的快速变化的微弱信号，必须把每个信号周期分成若干个时间间隔，间隔的大小取决于恢复信号所要求的精度。然后对这些时间间隔的信号进行取样，并将各周期中处于相同位置（对于信号周期起点具有相同的延时）的取样进行积分或平均。积分过程常用模拟电路实现，称之为取样积分；平均过程常通过计算机以数字处理的方式实现，称
41、之为数字式平均。多年来，取样积分在物理、化学、生物医学、核磁共振等领域得到广泛的应用，对于恢复淹没在噪声中的周期或似周期脉冲波形卓有成效。例如，生物医学中的血液、脑电、或心电信号的波形测量，发光物质受激后所发出的荧光波形的测量，核磁共振信号测量等，并研制出多种测量仪器。对于非周期的慢变信号，常用调制或斩波的方式赋予其一定的周期性，之后再进行取样积分或数字式平均处理。随着集成电路技术和微型计算机技术的发展，以微型计算机为核心的数字式信号平均器应用得越来越广泛。1.3.3 相关检测相关函数和协方差函数用于描述不同随机过程之间或同一随机过程内不同时刻取值的相互关系。相关技术在信号和系统的分析和综合中
42、占有重要位置，能够用相关技术解决的工业问题范围很广，基于相关技术的检测系统也有很多。从本质上来说，相关检测技术是基于信号和噪声的统计特性进行检测的，相关函数是两个时域信号（有时是空间于信号）相似性的一种度量。人们认识到相关技术的重要性已经有很多年，近二十多年来。随着大规模集成电路技术和计算机技术的发展，硬件电路和软件程序的成本越来越低，在检测数据处理和微弱信号检测领域，更多地使用相关技术可使解决一些难于解决的问题成为可能，一些基于相关技术的实用系统也不断问世。相关检测技术和相敏检测器相比，相敏检测器把两路信号相乘，再进行低通滤波，从而检测出同一时刻两路信号的相关情况；而互相关器中的参考信号通道
43、增加了一个可变延时器件，并用积分器实现低通滤波的功能，这样就可以检测不同时刻两路信号的相关情况。从某种意义上来说，相敏检测器只是相关检测的一种特例。所以相关检测具有更广泛的应用领域。1.3.4 自适应噪声抵消自适应噪声抵消属于自适应信号处理的领域，他是以干扰噪声为处理对象利用噪声与被测信号不相关的特点，自适应地调整滤波器的传输特性，尽可能地抑制和衰减干扰噪声，以提高信号检测或信号传递的信噪比。自适应噪声抵消不需要预先知道干扰噪声的统计特性，它能在逐次迭代的过程中将自身的工作状态自适应地调整到最佳状态，对抑制宽带噪声或窄带噪声都有效，因此自适应噪声抵消在通信、雷达、声纳、生物医学工程等领域得到了
44、广泛的应用。例如，在胎儿心音检测中，母体心音往往要比胎儿心音更为明显，形成掩盖或淹没胎儿心音的干扰噪声。只有有效地抵消母体心音，才能使胎儿心音的检测结果信噪比较高。再如水底侦察系统中的发射器和接收器靠得很近，为了探测水下远程目标，发射信号的功率必须很强，这必然会串扰到接收器中，所以接收到的远程目标的发射波就被淹没在串扰信号中，必须采取有效的串扰抵消措施，才可能利用反射波的到达时间测出发射点到目标的距离。在长途电话通话中，由于接收端的反射作用，传出的话音会反向传输回来，使说话者又听到自己的话音，这就是讨厌的回声干扰。解决这个问题的一种方法就是利用自适用回波干扰抵消装置来消除这种回声干扰。上述这些
45、都是自适应噪声抵消应用的成功范例。第2章 前放电路2.1 前放电路简介作为音响组合系统中一个组成部分的前置放大器又称控制放大器，可以说它的历史是始自密纹唱片的诞生。在密纹唱片出现以前，固然也存在专业用的控制放大器，但只不过是以开关盒为中心的前置放大器而已，并不符合今天我们所理解的前置放大器的概念。密纹唱片的出现，从根本上改变了以往的放大器形态，拾音头输出电压很小和需要均衡电路这两点，曾构成了十分突出的两大难题。而且可以说，前置放大器的历史也就是一部追求改善信噪比和均衡电路特性的历史。前置放大器是指把音频信号放大至功率放大器所能接受的输入范围。前置放大器功能有两个：一是要选择所需要的音源信号，并
46、放大到额定电平；二是要进行各种音质控制，以美化声音。前置放大器的基本组成有：音源选择、输入放大和音质控制等电路。音源选择电路的作用是选择所需的音源信号送入后级，同时关闭其他音源通道。输入放大器的作用是将音源信号放大到额定电平，通常是1V左右。音质控制的作用是使音响系统的频率特性可以控制，以达到高保真的音质；或者根据聆听者的爱好，修饰与美化声音。广义地说，前放电路包括一切对初始信号进行选择，放大，以及优化修饰的电路，特别是对初始信号的选择和放大。很多初始信号，例如传感器输出信号等，都是需要先进行滤波放大处理以后才适于后续的传输，使用，所以对于信号进行初加工的前放电路，其性能的优劣将直接影响到整个
47、系统的综合性能。2.2 前放电路技术指标前放电路技术指标主要有静态工作点，电压放大倍数，输入电阻，输出电阻，幅频特性，最大不失真输出幅值，最大不失真输出功率，输出效率等。本次测试主要是对前放电路放大倍数，频域特性（通频带），信噪比的测量，另外还对模数转换芯片的有效位数进行了测量。2.2.1 电压放大倍数测量电压放大倍数，实际上是测量放大器的输入电压Vi与输出电压V0的值。必须在波形不失真的条件下，如果测出的Vi是有效值，Vo 也是有效值，才可以同时使用，都是峰峰值时才可比较使用。Av=Vo/Vi2.2.2 频率特性(通频带BW的逐点式)幅频特性可通过测量不同频率时的电压放大倍数AV来获得。通常采用“逐点法”测量放大器的幅频特性曲线。测量时，每改变一次信号源的频率（注意维持输入信号VS的值不变，且波形不失真），测量一个输出电压值。而对于通频带BW的测量，先测量一个放大器的中频增益，如1KHZ时的中频增益为基准，再改变信号源的输出频率（增高几百KHZ）将增益下降到中频增益的0.707倍时所对应的上限频率用fH表示，相反，改变信号源的输出频率（降低几十HZ）将增益下降到中频增益的0.707倍时所对应的上限频率用FL表示。通频带：BW=fH-fL图
