系列讲座1——信号特征

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1、高精度数据采集系列讲座——1信号与噪声陈凯2021/7/3中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院——陈凯ck@cugb.edu.cn82322329科研楼1201房间内容信号1噪声2测量极限3频带及动态范围42021/7/3中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院——陈凯ck@cugb.edu.cn82322329科研楼1201房间1信号概念一种可以觉察的物理量或脉冲(如电压、电流、磁场强度等),通过它们能传达消息或信息。对信号的分类方法很多，信号按数学关系、取值特征、能量功率、处理分析、所具有的时间函数特性、取值是否为实数等，可以分为确定性

2、信号和非确定性信号（又称随机信号）、连续信号和离散信号、能量信号和功率信号、时域信号和频域信号、时限信号和频限信号、实信号和复信号等。2021/7/3中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院——陈凯ck@cugb.edu.cn82322329科研楼1201房间磁场强度特征非确定性信号（又称随机信号）连续信号功率信号时域信号频限信号实信号2021/7/3中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院——陈凯ck@cugb.edu.cn82322329科研楼1201房间2噪声对于电子线路中所标称的噪声，可以概括地认为，它是对目的信号以外的所有信号的一个总

3、称。2021/7/3中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院——陈凯ck@cugb.edu.cn82322329科研楼1201房间2噪声频域看白噪声（宽频、限带、窄带）1/f噪声单频点多频点谐波2021/7/3中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院——陈凯ck@cugb.edu.cn82322329科研楼1201房间2021/7/3中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院——陈凯ck@cugb.edu.cn82322329科研楼1201房间2021/7/3中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院——陈凯ck@cugb.edu.cn8232

4、2329科研楼1201房间噪声与信号关系单频点噪声与宽频带信号单频点噪声与单频点信号宽频带噪声与单频点信号宽频带噪声与宽频带信号微弱信号不仅是幅值，主要是噪声幅值大，被淹没；2021/7/3中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院——陈凯ck@cugb.edu.cn82322329科研楼1201房间噪声来源外界空间（天线接收、50Hz）传感器测量电路自身（电阻热噪声、PN结散弹噪声、1/f、爆裂）电源2021/7/3中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院——陈凯ck@cugb.edu.cn82322329科研楼1201房间环境干扰噪声电力线电

5、气设备射频噪声地电位差雷电天体噪声机械起源的噪声2021/7/3中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院——陈凯ck@cugb.edu.cn82322329科研楼1201房间电子系统内部固有噪声源电阻噪声（Johnson1928）PN结散粒噪声（Schottky1918）1/f噪声（Johnson1928）(金银、金属膜电阻、炭电阻)爆裂噪声（半导体杂质）（少数样品）2021/7/3中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院——陈凯ck@cugb.edu.cn82322329科研楼1201房间抑制噪声措施屏蔽良好的接地隔离噪声的电路处理2021/

6、7/3中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院——陈凯ck@cugb.edu.cn82322329科研楼1201房间3测量极限——电阻噪声对测量的基本限制是源电阻中的约翰逊噪声。在任何电阻中，热能都会产生带电粒子的运动。这种电荷的运动产生了噪声，通常称为约翰逊噪声或热噪声。带电粒子运动的功率为：P=4kTB其中：k=波尔兹曼常数（1.38×10-23J/K）T=绝对温度，单位为KB=噪声带宽，单位为Hz金属导体接近此理论的噪声极限，而其它材料产生的噪声则更高一些。电阻器（R）上产生的约翰逊噪声电压（E）为：而电阻器（R）上产生的约翰逊噪声电流（I

7、）为：统计分析表明，在99%以上的时间内噪声的峰-峰值都在5倍的噪声的有效值范围内。所以通常将有效值噪声电平乘以5变成峰-峰值噪声。在室温下（300K），上述公式变为：所有真实的电压源和电流源都具有内阻，所以它们都表现出约翰逊噪声。对于电流测量来说，在不同带宽下，不同电阻产生的电流噪声。注意，当电阻增加时，电流噪声减小，而电压噪声增大。约翰逊噪声给出了可以达到的电压或电流测量分辨率的理论极限值。上述公式给出了降低约翰逊噪声的几种方法，即可以减小带宽、降低源的温度或者降低源电阻。2021/7/3中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院——陈凯ck@

8、cugb.edu.cn82322329科研楼1201房间温度将信号源的温度从室温降低到-270℃（3K），可以将噪声电压降