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1、第七章 特殊领域的信息检测系统第1页，本讲稿共32页71 取样积分器取样积分器 取样积分器取样积分器(Boxcar)，是一种微弱信号检测系统。它在是一种微弱信号检测系统。它在原理上是很古老的，它利用周期性信号的重复特性，原理上是很古老的，它利用周期性信号的重复特性，在每个周期内对信号的一部分取样一次，然后经过积在每个周期内对信号的一部分取样一次，然后经过积分器算出平均值，于是各个周期内取样平均信号的总分器算出平均值，于是各个周期内取样平均信号的总体便展现了待测信号的真实波形。因为信号提取体便展现了待测信号的真实波形。因为信号提取(取样取样)是经过多次重复的，而噪声多次重复的统计平均值为是经过多
2、次重复的，而噪声多次重复的统计平均值为零，所以可大大提高信噪比，再现被噪声淹没的信号零，所以可大大提高信噪比，再现被噪声淹没的信号波形。波形。第2页，本讲稿共32页一、取样积分器的工作原理一、取样积分器的工作原理1、取样门及积分器、取样门及积分器 取样点的值，应是信号和噪声的和，我们以信号和取样点的值，应是信号和噪声的和，我们以信号和噪声功率平均值来看积分前后信噪比的变化。若输入信噪声功率平均值来看积分前后信噪比的变化。若输入信号为号为Vsi，经过积分器，经过积分器M次积累后所得到的输出电压次积累后所得到的输出电压为为第3页，本讲稿共32页取样门及积分器取样门及积分器第4页，本讲稿共32页噪声
3、电压是随机量噪声电压是随机量Vni，经过，经过m次积累以后，次积累以后，相加所得值相加所得值Vn仍为随机变量仍为随机变量第5页，本讲稿共32页通过累积以后获得的倍噪比为通过累积以后获得的倍噪比为通过累积以后信号噪声幅值比通过累积以后信号噪声幅值比(SNIR)为为第6页，本讲稿共32页 一个取样积分器的核心组件是取样门和积分一个取样积分器的核心组件是取样门和积分器，通常采用取样脉冲控制器，通常采用取样脉冲控制RC积分器来实积分器来实现，使在取样时间内被取样的波形作同步现，使在取样时间内被取样的波形作同步积累，并将所积累的结果积累，并将所积累的结果(输出输出)保持到下保持到下一次取样一次取样第7页
4、，本讲稿共32页第8页，本讲稿共32页 取样积分器通常有两种工作模式，即取样积分器通常有两种工作模式，即定点式和扫描式。定点式取样积分器是测定点式和扫描式。定点式取样积分器是测量周期信号的某一瞬态平均值；量周期信号的某一瞬态平均值；扫描式取样积分器则可以恢复和记录被扫描式取样积分器则可以恢复和记录被测信号的波形。下面分别讨论这两种模式。测信号的波形。下面分别讨论这两种模式。第9页，本讲稿共32页2定点式取样积分器定点式取样积分器第10页，本讲稿共32页 定点式取样是对被噪声淹没的信号在定点式取样是对被噪声淹没的信号在固定点取样、平均，所以经固定点取样、平均，所以经m次取样平均次取样平均后，其幅
5、值倍噪比改善为后，其幅值倍噪比改善为 定点式取样积分器仅能在噪声中提取定点式取样积分器仅能在噪声中提取信号瞬时值，其功能与锁定放大器相同，信号瞬时值，其功能与锁定放大器相同，不同的定点可通过手控延时电路来实现。不同的定点可通过手控延时电路来实现。第11页，本讲稿共32页3扫描式取样积分器扫描式取样积分器 扫描式取样积分器利用取样脉冲在信扫描式取样积分器利用取样脉冲在信号波形上延时取样，可以恢复被测信号波号波形上延时取样，可以恢复被测信号波形。它主要包括可变时延的取样脉冲和在形。它主要包括可变时延的取样脉冲和在取样脉冲控制下作同步积累这两个过程。取样脉冲控制下作同步积累这两个过程。扫描式取样积分
6、器可得到形状与输入的扫描式取样积分器可得到形状与输入的被测信号相同，而在时间上大大放慢了的被测信号相同，而在时间上大大放慢了的输出波形，故扫描式取样积分器能在噪声输出波形，故扫描式取样积分器能在噪声中提取信号并恢复波形。中提取信号并恢复波形。第12页，本讲稿共32页第13页，本讲稿共32页第14页，本讲稿共32页第15页，本讲稿共32页 定点式取样积分器按照定点取样定点式取样积分器按照定点取样m次的法则，次的法则，不难理解幅值信噪比改善为不难理解幅值信噪比改善为 的结论。的结论。对扫描式取样积分器由于可变时延的对扫描式取样积分器由于可变时延的取样脉冲在取样过程中取样点是逐渐变化取样脉冲在取样过
7、程中取样点是逐渐变化的，所以它的取样过程受到门脉冲宽度的的，所以它的取样过程受到门脉冲宽度的限制，只有在门宽范围内才能被取样。限制，只有在门宽范围内才能被取样。信噪比改善信噪比改善第16页，本讲稿共32页由于慢扫描电压相对于时基电压变化十分缓慢，因而取由于慢扫描电压相对于时基电压变化十分缓慢，因而取样脉冲相对于触发脉冲的移动也是十分缓慢的，以至在样脉冲相对于触发脉冲的移动也是十分缓慢的，以至在输入的被测信号波形上每一输入的被测信号波形上每一“点点”依次可以掠过多个门宽依次可以掠过多个门宽的取样脉冲，从而对波形每个取样的取样脉冲，从而对波形每个取样“点点”进行多次积累平进行多次积累平均。均。第1
8、7页，本讲稿共32页 72 锁相放大器锁相放大器 锁相放大器又称锁定放大器它也是锁相放大器又称锁定放大器它也是一种微弱信号的检测仪器。它起到了一个一种微弱信号的检测仪器。它起到了一个极窄的带通滤波器的作用，而不是普通滤极窄的带通滤波器的作用，而不是普通滤波器。它的原理也是基于信号和噪声在相波器。它的原理也是基于信号和噪声在相关特性方面的差别。关特性方面的差别。第18页，本讲稿共32页n锁定（锁相）放大器（lock-in amplifier）就是利用互相关原理设计的一种同步相关检测仪，利用参考信号与被测信号的互相关特性，提取出与参考信号同频率和同相位的被测信号。锁定放大器可在比被测光信号强100
9、dB 的外来干扰中检测出目的信号。从锁定放大器问世以来，由于其在微弱信号检测方面的优越性能，在科学研究的各个领域得到广泛的应用。n第19页，本讲稿共32页n锁定放大器有三个特点：用调制器将直流或渐变信号调制到处，进行交流放大，可以避免噪声的不利影响；利用相敏检测器实现对调制信号的解调，同时检测频率和相位，噪声与信号同频又同相的概率很小；利用低通滤波器来抑制噪声，低通滤波器的频带可以做的较窄，而且其频带宽度不受调制频率的影响，稳定性也大大地提高。第20页，本讲稿共32页检相器是一个相位比较装置，它把输人信号和参考检相器是一个相位比较装置，它把输人信号和参考信号进行比较。当两个信号的相位完全相同时
10、，经信号进行比较。当两个信号的相位完全相同时，经低通滤波器后，输出信号的直流分量达到最大。低通滤波器后，输出信号的直流分量达到最大。第21页，本讲稿共32页第22页，本讲稿共32页n相敏检测器是锁定放大器的核心部件，它实现了被测信号与参考信号的互相关运算。相敏检测器有模拟乘法器式和电子开关式，其中电子开关式相敏检测器由于受到参考信号幅度波动的影响较小，所以得到更广泛的应用。n电子开关式相敏检测器的输出等效为被测信号与幅度为、占空比为50的方波信号r(t)的乘积。第23页，本讲稿共32页n设输入信号为：n根据傅立叶变换，r(t)可用三角函数的形式表示。n 第24页，本讲稿共32页nr(t)与 相
11、乘的结果为：n式右边的第一项为差频项，第二项为和频项。经过低通滤波器（LPF），所有的和频项与的差频项都被虑除，最后滤波器的输出为：第25页，本讲稿共32页n说明被测信号通过相敏检测器(PSD)和低通滤波器(LPF)后，输出正比于被测信号的幅度、同时正比于参考信号与被测信号的相位差的余弦函数，此时，输出最大，从而实现鉴幅和鉴相。第26页，本讲稿共32页第27页，本讲稿共32页 适合于锁相放大器检测的信号应该适合于锁相放大器检测的信号应该是单频率的，或者说传导频谱所占宽度是单频率的，或者说传导频谱所占宽度是较窄的，也就是要求信号所携带的检是较窄的，也就是要求信号所携带的检测量测量(信息信息)的变
12、化是很缓慢的，否则检的变化是很缓慢的，否则检出的信息就会因丢失高额分量而畸变。出的信息就会因丢失高额分量而畸变。第28页，本讲稿共32页nAD630S第29页，本讲稿共32页nAD630n由两个运算放大器A和B、切换开关S、输出积分放大器、比较器COMP(含三极管T)、片内电阻、片内补偿电容组成。由COMP驱动开关S置A或B。通道A和B之间隔离度超过100dB,分时工作。片内电阻均是高稳定度的SiCr薄膜电阻。片内补偿电容经外管脚连接,不需外接电容即可稳定工作在闭环增益上。第30页，本讲稿共32页n通道A和B属高精度、高速集成运放，其n开环电压增益Avd100dB，n输入失调电压VOS100V，n输入失调电流IOS10nA，n输入偏置电流IIB100nA，n共模抑制比KCMR110dB，n电源电压抑制比KSVR100dB，n转换速率SR45V/s，n开环带宽积BXG2MHz。第31页，本讲稿共32页第32页，本讲稿共32页