[工学]微弱信号课件

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1、《微弱信号检测及处理》讲义参考教材：高晋占.微弱信号检测.清华大学出版社,2004戴逸松.微弱信号检测方法及仪器.国防工业出版社，1994曾庆勇.微弱信号检测（第二版）.浙江大学出版社,1994中国仪器仪表学会.全国微弱信号检测学术会议论文集顾洪涛.特殊电量测量.机械工业出版社,2000要求：撰写课程报告一份，课程结束进行综合考试11第一部分：微弱信号检测概述与随机噪声一、微弱信号检测概述1、研究的必要性科学研究成果需要完整可靠的实验数据证明，实验数据的获取涉及微弱信号检测技术。l微弱信号存在于宏观和微观世界中。例如生物学中生物电

2、和生物磁；光学中脉冲瞬态光谱；天文学中的星体光谱；l检测设备存在内部噪声和背景，信号往往被噪声淹没；l敌对干扰—电子干扰对抗；l大噪声情况下测试设备无法正常工作，必须加以解决。2、微弱信号检测技术任务l采用电子学、信息论、计算机及物理学方法；l分析噪声产生原因和规律；l研究被测信号的特点和相关性；l达到检测被噪声淹没的微弱有用信号的目的。研究从强噪声中提取有用信号的理论、方法和设备，达到抑制噪声、提高信噪比的目的。3、微弱信号的理解（两方面）l有用信号的幅度，相对于噪声显得很微弱。例如信噪比为10-1—10-4，有用信号完全淹没在

3、噪声中；l有用信号的幅度绝对值极小。例如μV、nV、pV量级电信号；几个光子/秒的弱光信号与图像。4、与常规方法比较l信噪比改善：常规方法为10；微弱信号检测方法为104—105。l检测灵敏度：电压≤0.1nV，电流≤10-14A，温度≤5*10-7K，电容≤10-5pF，微量分析≤10-8mol，位移≤10-3—10-4μm。比常规高3—4个数量级。二、常规小信号检测方法与微弱信号相比，小信号的信噪比要高得多。从提高信噪比，从而检测出被噪声污染的有用信号这一点看，小信号检测和微弱信号检测具有一定的共同之处。了解小信号检测的手段和

4、方法，对于微弱信号检测具有一定的参考价值。1、滤波作用：克服干扰噪声的不利影响，提高信噪比。适用范围：噪声与信号频谱不重叠情形。设计滤波器通带仅覆盖有用信号频谱范围，有用信号不衰减或衰减很少，通带外噪声信号大幅度衰减，提高信噪比。11常用滤波器：低通滤波器，抑制高频噪声，对低频噪声和缓慢漂移无能为力；带通滤波器，有效抑制通带外各种频率噪声，对有用信号同频率噪声无能为力，设计高Q值窄带滤波器较为困难且不稳定；带阻滤波器，抑制某一特定频率的干扰噪声，例如50Hz工频干扰。2、调制放大与解调原因：缓变或直流信号直接利用DC放大器放大，传

5、感器和前级放大器低频噪声和缓慢漂移也同样被放大，信噪比无法改善。原理：通过调制，缓变信号或直流信号名被搬移到高频区域；利用AC放大器实现放大，各级放大器间可利用隔直电容耦合，传感器和前级放大器低频噪声和缓慢漂移不会传输到后级放大器，消除了影响；通过解调和低通滤波器滤除高频分量和附加噪声，获得放大后的有用信号。器件：商品化斩波放大器，例如TI公司TLC2652高精度斩波稳零运算放大器，Intersil公司的ICL7650斩波稳零式高精度运算放大器。3、零位法原理：将被测量与对比量进行比较，调整对比量的大小使其尽量接近被测量，对比量的

6、大小就表征了被测量的大小；被测量和对比量在传输过程中分别叠加了干扰噪声和，被测量和对比量传输过程越相似，对比相减过程中，和相互抵消效果越好；与直接测量法比较，零位测量法测量结果的信噪比更高、测量精度也更高。典型应用：自动电位差计4、反馈补偿法作用：有效减小变换和放大过程中引入的干扰噪声。原理：H1和H2分别为两个变换环节的传递函数，和为两个变换环节引入的干扰噪声折合到其输入端的噪声。11开环检测时，闭环检测时，当足够大时，，上式简化为：可见，干扰噪声和的影响得到有效抑制，检测性能得以提高。应用实例：力平衡式压力变送器、其他检测设备

7、三、噪声的基本概念1、信号：带有消息的物理量，信号为消息的表现形式，消息为信号的具体内容。微弱信号举例：弱光、弱磁、弱声、小位移、小电容、微流量、微压力、微震动、微温差等。l生物学：细胞发光特性、光合作用、生物电、生物磁l天文学：星体光谱l化学：物质生成过程l物理：表面物理特征l光学：光学声谱、脉冲瞬态光谱2、干扰与噪声：讨嫌的扰动。l干扰—来自于非被测信号或非测量系统的外部扰动，有规律，可以减少或消除。例如：市电50Hz交流干扰；调幅广播信号；电源开关火花干扰；电路中高能脉冲引起的宽带干扰；元部件的机械振动产生的颤噪效应；宇宙射

8、线和雷电。措施：屏蔽、滤波、元器件合理配置。l狭义噪声—来自于被测对象、传感器、测量系统内部的扰动，不可能彻底排除，只能设法减少，具有不确定性。例如材料或器件的物理原因产生的扰动。具体一些，导电体的热噪声、器件中电子随机作用产生的散粒噪声，表现为大