微弱信号检测——第六讲-ppt

26.05.2020-1第六讲：取样积分与数字平均主讲：孙士平1、取样积分的基本原理2、指数式门积分器分析3、取样积分器的工作方式4、取样积分器的参数选择及应用5、数字式平均26.05.2020-2简介：1、锁定放大器可以测量淹没在噪声中的正弦信号的幅度和相位。2、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，因为脉冲波形或脉动波形的快速上升沿和快速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些高频分量，导致脉冲波形的畸变。3、对于要恢复淹没在噪声中的脉冲波形测量，使用取样积分与数字式平均的方法。26.05.2020-3应用简述：取样积分在物理、化学、生物医学、核磁共振等领域得到了广泛的应用，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，生物医学中的血流、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人为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。26.05.2020-41、取样积分的基本原理基本原理如图5－l：取样积分包括取样和积分两个连续的过程触发电路根据参考信号波形的情况(例如幅度或上升速率)形成触发脉冲信号，触发脉冲信号再经过延时后，生成一定宽度Tg的取样脉冲，控制取样开关K的开闭，完成对输入信号x(t)的取样。26.05.2020-5取样积分的工作方式分为：单点式和多点式两大类。单点式取样在每个信号周期内只取样和积分一次，电路相对简单，对被测信号的利用率低，需要经过很多信号周期才能得到测量结果；多点式取样在每个信号周期内对信号取样多次，利用多个积分器对各点取样分别进行积分。与此相反，多点式电路相对复杂一些，对被测信号的利用率高，经过不太多的信号周期就可以得到测量结果。26.05.2020-6单点式取样：单点式取样又可以分为定点式和扫描式两种工作方式。定点式工作方式是反复取样被测信号波形上某个特定时刻点的幅度，例如被测波形的最大点或距离过零点某个固定延时点的幅度，检测功能与锁定放大器有些类似。扫描工作方式虽然也是每个周期取样一次，但是取样点沿着被测波形周期从前向后逐次移动，这可以用于恢复和记录被测信号的波形。26.05.2020-7门积分器：门积分器是取样积分器的核心，它的特性对于系统的整体特性具有决定性的作用。门积分器不同于一般的积分器，由于取样门的作用，在开关K的控制下，积分仅在取样时间内进行，其余时间积分结果处于保持状态。根据实现电路的不同，图5—1中的积分器可以分为线性门积分器和指数式门积分器。26.05.2020-81．1、线性门积分普通线性积分电路的工作过程如图5—2所示因为放大器的负输入端为虚地，而且放大器输入端的输人阻抗可近似为无穷大，当输入电压为ui（t）时，通过计算可得输出电压u0（t）：Vi为输入电压，且初始电压u0（0）＝026.05.2020-91）线性门积分电路如图5－3图中，x(t)为被测信号，它包含有用信号s(t)和噪声n(t)，s(t)是周期或似周期信号。r(t)是参考信号，由它触发取样脉冲产生电路，在被测信号周期中的指定部位产生宽度为tg的取样脉冲，在tg期间使电子开关K闭合，以对被测信号取样。26.05.2020-102）线性门积分电路的阶跃响应设r(t)的周期为T，取样门闭合时间宽度为Tg，在取样门K的控制下，在r(t)的每个周期内开关K只在Tg时段内闭合，这时输入电压x(t)经电阻R对C进行积分；其余时段开关断开，相当于输入电阻R＝∞，电容C两端的电压保持不变。这时的阶跃响应如图5—4中的折线所示，该折线可以用一条斜率取决于t／T的虚线来近似。可以看出，由于取样开关K的作用，积分的有效时间常数TeTc。26.05.2020-1126.05.2020-123）电路分析：由于开关K的开闭作用，门积分器的等效积分电阻为：设开关闭合的占空因子为△＝Tg／T，则平均积分电阻可以近似为R／△，幅度为Vi的阶跃响应近似值以及门积分的等效时间常数分别为：26.05.2020-134）特点由于线性门积分电路的输出幅度受到运算放大器线性工作范围的限制，所以比较适用于信号幅度较小的场合。如果信号幅度较大，为数不多的若干次取样积分就有可能使运算放大器进入非线性区，导致测量误差，在这种情况下只能使用指数式门积分器。26.05.2020-141．2、指数式门积分指数式门积分电路由普通的RC指数式积分器和采样电子开关K串联而成，如图5－5(a)所示；图5—5(b)指数式门积分器电路的阶跃响应曲线。开关K始终闭合情况下的阶跃响应曲线当开关K以周期T、闭合时间宽度Tg周期性地通断时，电路的阶跃响应折线，这是一种台阶式的指数曲线，其平均值用虚线示出。26.05.2020-151）积分时间常数由上图可知输出电压u0(t)由0上升到0.63Vi所需的等效时间常数Te为：可见，取样门开关的作用使得积分的时间常数加长了很多。26.05.2020-162）与线性门积分相比，指数式门积分的利弊A）随着取样次数的增加，每个取样使积分输出上升的值逐渐减少。经过5倍的t后接近稳定值，此后的取样对积分输出影响很小，因此不会因为积分时间太长而过载。另一方面，当积分时间大于2Te后，每次取样使得积分结果变化很小，而且会越来越小，即积分作用降低。这意味着太长地增加测量时间是没有意义的，因为在2Te之后，继续采样积分对提高信噪比作用不大。26.05.2020-17B）相比之下，对于线性门积分，信噪比的改善会随着积分时间的增加而增加，它不受电路等效时间常数的限制，只受电路工作线性范围的制约。所以在信号幅度较小的情况下，采用线性门积分更为有利。而在信号幅度较大时，为了防止电路进入非线性区导致测量误差，必须采用指数式门积分器。所以，在具体的门积分应用中，要根据实际检测情况和要求选择合适的门积分方式。26.05.2020-182、指数式门积分器分析（不作要求）取样积分的关键部件是门积分器，取样积分抑制噪声的能力及其他一些重要的性能指标也主要取决于门积分器的性能。26.05.2020-192．1、取样过程频域分析取样过程就是利用取样脉冲序列P(t)从被测连续信号x(t)中“抽取”一系列的离散样值，如图5—6所示，取样电路输出xs(t)可以看作是取样脉冲序列P(t)与连续信号x(t)的乘积，即：详见P.205－207不作要求26.05.2020-202．2、指数式门积分器电路频域分析(P.206-207)2．3、指数式门积分器的输出特性(P.207-209)2．4、指数式门积分的信噪改善比(P.210)（不作要求，可参考了解）26.05.2020-213、取样积分器的工作方式取样积分器的工作方式可分为定点式和扫描式两种，一般将这两种工作方式组合在同一仪器中，由用户选择使用哪种工作方式。定点工作方式用于检测信号波形上某一特定位置的幅度，而扫描工作方式用于恢复和记录被测信号的波形。26.05.2020-221）、定点工作方式在定点工作方式中，参考触发信号与输入被测信号保持同步，经过延时后产生固定宽度为t的门控信号，这样取样积分就总是在被测信号周期的固定部位进行。定点工作方式比较简单，适用于检测处理周期信号或似周期信号固定部位的幅度，例如接收斩波光的光电倍增管(PMT)的输出电流，心电图一定部位的幅度等。26.05.2020-23A）定点取样积分电路原理如图5—11所示它由信号通道、参考通道和门积分器组成。前置放大器为宽带低噪声放大，用于将叠加了噪声的微弱被测信号x(t)放大到合适的幅度。参考通道由触发电路、延时电路和取样脉冲宽度形成电路组成。参考信号可以是与被测信号相关的信号，也可以是被测信号本身。当参考信号的一定特征达到一定数值时，产生触发信号，触发信号经过延时后触发门控电路，以形成宽度为Tg的取样脉冲，在被测信号周期中的固定部位进行取样和积分。延时电路的延时量可调，以便调整取样的部位。26.05.2020-24B）定点工作方式中的各点波形如图5—12参考触发信号经过一定时间的延迟信号周期取样脉冲脉宽26.05.2020-25C）定点取样特点在定点工作方式中，因为取样点相对于信号起始时刻的延时是固定的，取样脉冲宽度Tg也保持不变，所以取样总是在被测信号距离原点为固定延时的某个小时段重复进行，积分得到的结果是该时段的多次累加积分值。利用信号的确定性和噪声的随机性，重复取样积分的结果将使信噪比得以改善。26.05.2020-26D）定点差值取样积分如图5－1326.05.2020-27电阻R、电容C和A2组成积分器，A1和A3组成差值积分电路。被测信号经前置放大与上次取样积分结果的分压值相比较，在A1的输出端得到差值信号，该差值信号被送到取样门进行定点取样，再经积分器积分得到输出信号。在电子开关K接通期间，积分器对A1输出进行积分；在电子开关K打开期间，由于运算放大器A2的输入阻抗很高，积分器保持上次的积分结果。R1、R2以及A3组成反馈支路，A1将当前的前置放大输出与上次取样积分的输出进行比较，输出给取样门K的电压为：26.05.2020-283．2、扫描工作方式定点式取样积分器只能用于测量周期或似周期信号固定部位的电压，却不能用于恢复被测信号的整个波形。在取样积分器的扫描工作方式中，取样点距离波形原点的延时量被逐渐延长。随着一个个信号周期的到来，取样点沿着信号周期波形从前向后进行扫描，从而恢复被噪声污染的波形。26.05.2020-291）、扫描式取样积分器的结构方框图如图5—14慢扫描电路用于产生覆盖很多个信号周期的锯齿波，其宽度为Ts时基电路用于产生覆盖被测信号周期中需要测量部分的锯齿波，其宽度为TB比较器电路对两个锯齿波进行比较，从而产生逐渐增加的延时，这样就可以在被测信号的逐个周期中从前向后延时取样，以便实现对原信号的逐点恢复。门控电路用于产生宽度为Tg的取样脉冲26.05.2020-302）扫描式取样积分器的各点波形26.05.2020-313）取样脉冲相对于信号原点的延迟量在每个信号周期中增加△t设：信号周期为T，时基锯齿波宽度为TB，慢扫描锯齿波宽度为ts，时基锯齿波与慢扫描锯齿波的幅度相同，则根据图5—15(c)中的几何关系，可得：TsTB，所以可得：26.05.2020-324）扫描式取样积分的工作过程描述如图图中，x(t)是被测信号波形，取样积分器对Tg时段内(虚线框内)的x(t)进行积分，得到一个u0(t)输出值，在信号的下一个周期虚线框向右移动一个小小的时段△t，再次进行积分。重复上述过程直到扫描完要测量的时段，就像积分框沿着信号周期向前移动一样，所以这种积分方式又叫作Boxcar积分。26.05.2020-335）时基电路产生的TB锯齿波的起始点及斜率的可调性如图5－18TB覆盖了被测波形的大部分TB覆盖了被测波形的中间部分26.05.2020-346）同时具有定点和扫描工作方式的取样积分器26.05.2020-354、取样积分器的参数选择及应用1）取样积分器的参数选择A）取样脉冲宽度Tg的选择：取样脉冲宽度Tg不能选得太宽，否则会造成信号中高频分量的损失，使得恢复的信号失真。26.05.2020-36B）时基锯齿波宽度TB的选择时基锯齿波的起始点及斜率都可以根据需要进行调节，TB的范围取决于被测信号周期中需要恢复的区段长度，考虑到各种不确定因素，选择TB时，要在测量区段的两端都留有一定的余地。26.05.2020-37C）积分器时间常数TC=RC的选择指数式取样积分器：在每个取样脉冲作用期间，取样开关闭合对积分电容充电，充电时间为Tg；而在两次取样脉冲间隔期问，电容电压保持不变，对于指数式门积分器，当N次取样总的积分时间NTg接近5倍的积分器时间常数时，信号累积速度减