微弱信号检测

微弱信号检测 课程 题目微弱信号检测中的噪声与直流误差分析 学生姓名 学号 院系 专业电子信息工程 任课教师 二O一六年六月十二日 在实际的数据采集和信号处理系统中,由于信号的幅值较小,测量时又受到信号端、传输器件及变换器件等本身存在的本底噪声的影响,表现出的总体效果是有用信号被大量的噪声和干扰所淹没。如何检测这种强噪声干扰情况下的微弱信号,是信号处理中的重要研究内容。许多科研工作者已提出了一些有效的处理方法,如基于高增益的宽带波束形成的微弱信号检测方法及微弱信号的相干检测法等,但都存在灵敏度不高或适应性不强的问题。要提高灵敏度,就需要对面电路及过程进行误差分析。 In the actual data acquisition and signal processing system, due to the small amplitude signals, measured by signal terminal, transmission device and transform device itself has the background noise effects showed the overall effect is the useful signal is flooded with a lot of noise and interference. How to detect the weak signal under the condition of strong noise interference is an important research content in signal processing. Some effective approaches have been proposed by many researchers, such as those based on the broadband and high gain beam formation of weak signal detection method and the weak signal of the coherent detection method, but there are sensitivity is not high or do not have a strong adaptability. In order to improve the sensitivity, we need to analyze the error of the circuit and process. 关键字直流误差分析热噪声设计误差 在几乎所有的微弱信号测量领域 微弱的物理量信号最终都是转变为微弱的电信 号再进行放大处理。微弱信号不仅表现为其幅值极其微弱 更表现在其可能被各种噪声信号所严重淹没。在广泛意义上 可以认为噪声就是扰乱或干扰被测信号的某种不期望的假信号。噪声可以来自检测系统内部 也可以来自系统外部 而且噪声源的种类可以有很多 并且可以具有不同的特点 对信号检测的影响可以不同。噪声的大小决定了检测系统的分辨率和可检测的最小信号幅度。因此分析微弱信号检测系统存在的噪声及其特点 研究和分析相应的抑制噪声的手段对微弱信号检测相当重要。很多情况下 微弱信号是直流信号 微弱直流信号的测量除了受噪声的影响外 还会受到诸如接触电势、温差电势、电化学电势、放大电路偏置电流与失调电压等直流误差信号的严重影响 因此 研究和分析微弱信号检测系统的存在的直流误差源及其特点 寻求降低或减小此类误差信号的方法显得同样重要。 1 微弱信号检测中的噪声 27k 4TRB E = 1.1 电阻的热噪声 电阻器如果不外加电动势,那么用普通的电表去测量它的电流或端电压时 读数 为零。但事实上,电阻两端时刻都存在着瞬时噪声电压,如果把它接到一个放大量足 够大的理想放大器输入端,并用示波器观察它的输出时,可以看到一片“茅草”状的 无规则杂波。这说明即使没有外加电动势,电阻R 也会在其两端呈现噪声电压起伏 这就是电阻的热噪声 也称为约翰逊噪声。这是由于在任何一个处于绝对零度以上的 导体中 内部的载流子做无规则的热运动。由于运动会随温度的升高而加剧,因此 热噪声的幅度会随温度的上升而提高。我们可将热噪声视为组件(如电阻器)电压的 不规则变化。下图 2-1显示了标准示波器测得的一定时域中热噪声波形从图中 还可看到如果从统计学的角度来分析随机信号的话,那么它可表现为高斯分布曲 线。 可见 电阻的热噪声是频谱很平的白噪声 不可预见 呈高斯分布。一个电阻产 生的噪声电压由下式决定: (2-1) 式中 k 波尔兹曼常数(KJ/1038.123?×) T 绝对温度(K) B 测量带宽(Hz) R 电阻阻值(?)一个阻值为1M ?的电阻在27°C 温度下100KHz 带宽时的均方根为7.40 uV 一个阻值为10k ?的电阻在27°C 温度下1HZ 带宽时的均方根为9.12。可见 对于检 测uV 级甚至nV 级信号 电阻的噪声是不容忽视的。 任何测量仪器都有其测量的理论极限 这一测量灵敏度的理论极限取决于信号源 TRB E k 4 = 的内阻所产生的噪声(约翰逊噪声)显示了任何仪器电压测量的理论极限灵敏度。 图2-2表明信号源内阻为1?时 电压的检测极限为1nV 如果该信号源的内阻变为1T ?, 则毫伏级以下的电压测量就会变得几乎不可能。 显然,在电子测量系统其它噪声和误差完全被消除的情况下,能够分辨的微弱信 号极限值为信号源内阻的热噪声。根据式(2-1)为了能够有效地测量微弱信号 ,必须 尽可能地减小测量带宽,即增加仪器的响应时间,比如增加仪器的积分时间,同时也 可以降低检测系统的温度,并尽可能减小放大电路前端的电阻阻值。 在不少情况下,电阻的阻值不可能选得很小,为此可在电阻两端并联一个电容 ,如图2-3所示。图中,是电阻R 的热噪声电压 则电容两端的噪声电压为 (2-2) 等效热噪声带宽为B=1/RC4 (2-3)代入(2-1)得电容两端的热噪声电压有效值为(2-4)式。 (2-4)证明,阻容并联电路的热噪声的输出有效值与电阻阻值无关,只取决于电容和 绝对温度,热噪声带宽取决于电阻电容的乘积,增大电容量可以减小热噪声电压,减 小热噪声带宽。例如 一个阻值为1M ?的电阻和1000pF 的电容并联在27°C 温度 下的噪声电压为3.2uV 比没有并联电容时的噪声电压小了20倍。 1.2 1/F 噪声 t e )/21/(RC j t t e e π==kT/C t = E