微弱信号期末考试资料整理(仅供参考)

干扰：把来自外部（人为或者自然）的扰动称为干扰，往往有一定的规律性和途径，可以减少或消除。

广义噪声：就是扰乱或者干扰有用信号的某种不期望有的扰动。

有用信号与噪声总是叠加在一起的，任何时候都不可能完全没有噪声，用信噪比来评价信号的品质优劣，信噪比S/N定义为有用信号的有效值与噪声有效值之比。

信噪比改善系数SNIR来描述放大器或测试系统对信噪比的改善作用

一般来说,能改变信号中各个频率分量的相对大小、或者抑制甚至全部滤除某些频率分量的过程称为滤波。

将一个在时域表示的信号，一般可以表示为y=f(t)，通过傅立叶变换，变换到频域，得到该信号在各个频率上的分布信息。

然后选择变换后信号在某些频率上的信息作为输出，去除该信号其他频率上的信息。

将滤波处理的频域信号，反变换到时域，得到结果。

低通滤波器与高通滤波器的串联为带通滤波器，低通滤波器与高通滤波器的并联为带阻滤波器

调制：要传送的信息装载到某一高频载频信号上去的过程。有调幅(AM)、调频(FM)和调相(PM)三种方式。调幅调制：用低频调制信号去控制（高频正弦波）载波的振幅,使其随调制信号波形的变化而变化。

对于直流、低频信号，避免1/f噪声和缓慢漂移

各态历经性

平稳随机过程在满足一定条件下有一个有趣而又非常有用的特性，称为“各态历经性”。这种平稳随机过程，它的数字特征（均为统计平均）完全可由随机过程中的任一实现的数字特征（均为时间平均）来替代。

也就是说，假设x(t)是平稳随机过程ξ(t)的任意一个实现，它的时间均值和时间相关函数分别为

•具有各态历经性的随机过程必定是平稳随机过程

•但平稳随机过程不一定是各态历经的

•随机信号和噪声，一般均能满足各态历经条件。

互相关函数具有以下性质：

①两周期信号具有相同的频率，才有互相关函数，即两个非同频的周期信号是不相关的。

②两个相同周期的信号的互相关函数仍是周期函数，其周期与原信号的周期相同，并不丢失相位信息。

③两信号错开一个时间间隔0处相关程度有可能最高，它反映两信号x(t)、y（t)之间主传输通道的滞后时间。

（1）小信号处理方法：滤波：频率可分调制解调：改变频率零位：间接方式，消除干扰

•反馈：反馈稳定

（2）随机过程

•平稳随机过程 各态历经特性 各个统计量

平移指定时间差然后相乘，得到相关函数上的一点

维纳-辛钦关系，是联系平稳随机过程的频域和时域两种分析方法的基本关系式

白噪声只是一种理想化的模型，是不存在的。    白噪声的均方值为无限大

按功率谱度函数形式来区别随机过程，我们将把除了白噪声以外的所有噪声都称为有色噪声或简称色噪声。

电子噪声定义广义:污染和干扰有用信号的不期望的信号，包括：外部干扰、电路内部噪声。

可是确定的也可是随机。

狭义:电荷载体的随机运动导致的电压、电流的随机波动。

试计算５１０kΩ电阻的噪声均方值电压和均方值电流各是多少？设Ｔ＝２９０K,Ｂ＝１００kＨｚ。

解:

U2n=4k·T·R·B=4×1.38×10-23×290×510×103×105≈8.16×10-10Ｖ2

I2n=4k·T·BW／R=4×1.38×10-23×290×105／510×103)≈3.14×10-21Ａ2

例如，对于输入电阻Ri=500kW，带宽B=10kHz的放大器，设环境温度T=300K，可求出热噪声电压的有效值为9.1mV。若输入被测信号为微伏量级，将被热噪声所淹没。

降低热噪声的主要途径是减小R和B。尽管降低温度也有助于降低热噪声，但效果不明显，例如，将电阻浸在液态氮(77K)中，热噪声电压有效值也仅仅减小约50%。

接触噪声发生在两导体相连接的地方，是由于接触点电导的随机涨落引起的。

凡是有导体接触不理想的元器件，都存在接触噪声。

接触噪声电流的有效值在各频率分量上不相等，不属于白噪声。

接触噪声不像热噪声和散粒噪声那样取决于带宽，而是取决于通频带的上、下限。

噪声系数：放大电路整体电路的本身噪声特性指标，衡量电路噪声特性的优劣。

噪声系数定义一：线性四端网络（放大器）中，

F=输出总噪声功率/放大器无噪声时的输出噪声功率(可以仅仅依靠噪声进行计算）

噪声系数定义二：线性四端网络输入端的信噪比与输出端的信噪比之比值。（对定义1变换可以得到）

（1）当线性网络本身不产生噪声，即F＝1时为无噪声的理性网络

（2）线性网络本身产生的噪声P越大，噪声系数F越大

前级噪声会被后继放大，越是前级放大器，影响越大

多级放大器总的噪声系数主要取决于前面两级。

问题提出：

1、偏置电路提供了放大器所需要的静态工作电压和电流，提高静态工作点的稳定性。－－存在必要性

2、当需要分析微弱信号时，引入电阻等器件，增加系统的噪声系数。----------------------带来噪声

工作点选择的局限性

（1）不同Rs所能达到最小噪声系数不同Fmin＝f（Rs），调节电流虽然能达到对应Rs的最小噪声系数Fmin，但是对于放大器而言，只是工作在指定Rs下的优化，并不是工作在最佳环境下。

（2）既然Fmin＝f（Rs），那么必然存在一个和min(Fmin)对应的Rs，最好是让放大器工作在具有最小Fmin环境下。

（3）显然调节工作点，只能是使得在指定Rs下最优，而无法得到该器件最佳噪声性能。

工作点选择应用-------（1）输入Rs已知。（2）放大器件已经选定。(3)调节直流工作点，使得在指定Rs下最优Rso=Rs。

利用反馈电路实现噪声匹配

什么是正反馈和负反馈:

在放大电路中，若引入反馈，削弱净输入信号使电路中的放大倍数下降，输出信号变小，称为负反馈。反之，若引入反馈后，使电路放大倍数提高，输出信号变化增大，称为正反馈

为什么是负反馈：不是增益的需要，是稳定的需要

利用反馈电路实现噪声匹配

（1）根据反馈所采样的信号不同，可以分为电压反馈和电流反馈。

电压反馈：反馈信号取自输出电压信号。

电流反馈：反馈信号取自输出电流信号。

（2）根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式的不同，可以分为串联反馈和并联反馈。

串联反馈：反馈信号与输入信号串联，即反馈电压信号与输入信号电压比较。

并联反馈：反馈信号与输入信号并联，即反馈信号电流与输入信号电流比较

干扰是指对系统的正常工作产生不良影响的内部或外部因素。从广义上讲，机电一体化系统的干扰因素包括电磁干扰、温度干扰、湿度干扰、声波干扰和振动干扰等等。

电磁干扰是指在工作过程中受环境因素的影响，出现的一些与有用信号无关的，并且对系统性能或信号传输有害的电气变化现象。

形成干扰的三个要素

1.干扰源

产生干扰信号的设备被称为干扰源，如变压器、继电器、微波设备、电机、无绳电话和高压电线等都可以产生干扰。 

2.传播途径

传播途径是指干扰信号的传播路径。

3.接收载体

接收载体是指受影响的设备的某个环节，该环节吸收了干扰信号，并转化为对系统造成影响的电器参数

常见的共模干扰耦合有下面几种：

（1）在测量系统附近有大功率电气设备，因绝缘不良漏电，或三相动力电网负载不平衡，零线有较大电流时，都存在着较大的地电流和地电位差。这时，若测量系统有两个以上接地点，则地电位差就会造成共模干扰。

（2）当电气设备的绝缘性能不良时，动力电源会通过漏电阻耦合到测量系统的信号回路，形成干扰。

（3）在交流供电的电子测量仪表中，动力电源会通过电源变压器的原边、副边绕组间的杂散电容，整流滤波电路，信号电路与地之间的杂散电容与地构成回路，形成工频共模干扰。

噪声耦合途径概述

（1）传导耦合

（2）共同阻抗耦合

（3）场耦合

电场耦合  磁场耦合  电磁场耦合

干扰通过导线进入电路，称为传导耦合。电源线、输入输出线等都有可能将干扰引入仪器。

方法：远离。多数场合不得不和可能产生的噪声源连接。滤波和去耦

公共阻抗耦合就是多个电路通过共有阻抗造成的耦合。

介绍：集肤效应（高频的影响）

1、定义：集肤效应－电流或电压以频率较高的电子在导体中传导时，电流密度逐渐向导体表明集中，会聚集于总导体表层,而非平均分布于整个导体的截面积中。电磁波衰减为原始强度的1/e或37%时所传播的距离称为趋肤深度。频率越高，趋肤效用越显著。2、原理：当导线流过交变电流时，在导线内部将产生与电流方向相反的电动势。在导线中心处产生电动势比在导线表面附近处产生的电动势大。导致电流在表面流动，中心则无电流，其实就是导线本身电流产生之磁场使导线电流在表面流动。

3、高频电路中可以采用空心导线代替实心导线。

4、为了削弱趋肤效应，在高频电路中也往往使用多股相互绝缘细导线编织成束来代替同样截面积的粗导线。

5、导致电阻增加。交流和直流电阻之比：

场耦合

•非常普遍的非接触式耦合方式。

•原理：麦克斯韦方程。电路产生电场、磁场

•根据距离和波长分为近场和远场。近场：电场（电压）和磁场（电流），远场：辐射电磁场

电场耦合

静电耦合又称电容耦合，噪声源与被干扰电路之间存在着电容通路。显然，这种电容一般不是人为加上的，而是二者之间的分布电容。干扰脉冲或其他高频干扰会经过分布电容耦合到电子线路中。

磁场耦合，又称电磁耦合、互感耦合，它是由于两电路之间存在互感而产生的，一个电路中电流的改变引起磁交链而耦合到另一电路。若某一电路有干扰，则同样可以通过互感而耦合到另一电路中。

1、电流产生磁场，导线有电流就产生磁场

2、电磁感应耦合。接受导体磁通变化导致电流，感生电动势

3、互感耦合。电路A电流变化导致电路B产生感生电动势

任何两个电路的任何两条导线之间，必定存在互感，只是互感系数的大小不同而已。

磁场耦合干扰的抑制

•远离时变磁场

•预防和降噪措施。*

双绞线是由两根互相绝缘的导线扭绞缠绕组成，为了增强抗干扰能力，可在双绞线的外面加金属编织物或护套形成屏蔽双绞线，

干扰接收者：双绞线在外界的干扰磁通中，每根导线均被感应出干扰电流，同一根导线在相邻两个环的两段上流过的感应电流大小相等，方向相反，因而被抵消，故在总的效果上，导线并没有被感应干扰电流。

干扰发送者：相邻结产生的磁场相互抵消。

••采用双绞线作信号线的目的，就是因为外界电磁场会在双绞线相邻的小环路上形成相反方向的感应电势，从而互相抵消减弱干扰作用。双绞线相邻的扭绞处之间为双绞线的节距，双绞线不同节距会对串模干扰起到不同的的抑制效果，见表。双绞线可用来传输模拟信号和数字信号，用于点对点连接和多点连接应用场合，传输距离为几公里，数据传输速率可达2Mbps。

同轴电缆:

为防止信号在传输过程中受到电磁干扰，在电缆线中设置了屏蔽层。

提醒：必须合理的接点才有好效果

电磁辐射耦合

•交变电流电路向远场辐射电磁波

•高频情况下该现象更明显

•在远场兼有电场和磁场特点

总结：

•频率高，强度大

•高频电流导线就是发射源

•检测电路任何导体是接受者

•场传播中同时有电场作用和磁场作用；两者作用力不同。

•场的性质确定因素：

干扰源性质、传播介质、距离

•电磁波中的电场分量与磁场分量的比值称为：波阻抗，定义如下：ZW=E/H

近场和远场：根据观测点到辐射源的距离不同，划分近场和远场区，距离小于/时称近场区，大于/时称远场区。

波阻抗的值：近场区中波阻抗值取决于辐射源性质、距离、介质特性。若辐射源为大电流、低电压（辐射源电路的阻抗较低），则电磁波的波阻抗小于377，称为低阻抗波，或磁场波。若辐射源为高电压，小电流（辐射源电路的阻抗较高），则波阻抗大于377，称为高阻抗波，或电场波。在远场区，波阻抗仅与电场波传播介质有关，其数值等于介质的特性阻抗，空气为377。

波阻抗的变化：在近场区内波阻抗随距离而变化。如果是电场波，随着距离的增加，波阻抗降低，如果是磁场波，随着距离增加，波阻抗升高。在远场区，波阻抗保持不变（特征阻抗）。

注意：近场区和远场区的分界面随频率的不同而不同，不是一个定数。如，在考虑机箱屏蔽时，机箱相对与线路板上的高速时钟信号而言，可能处于远场区，而对于开关电源（较低工作频率），可能是近场区。后面会看到，在近场区设计屏蔽时，要分别考虑电场屏蔽和磁场屏蔽。

开孔和接缝的影响

影响因素：

1、干扰场的波阻抗

2、干扰场的频率

3、开孔的最大直线尺寸，不是面积

频率高的电磁波能通过波导管，频率低的电磁波损耗很大！工作在截止区的波导管叫截止波导。

接地的概念和目的

一是代表系统或电路的等电位参考点，接地的目的是为系统或电路的各部分提供一个稳定的基准电位，并以低的阻抗为信号电流回流到信号源提供通路。这种地又称为信号地。显然，没有信号地，系统或电路是无法工作的。

二是指地球的大地。系统或电路的某些部分需要与该地连接，接地的目的是为电气设备提供一个保护接地，或者是满足静电屏蔽的需要。

接地点选择

•放大器与信号源间接地点的选择。宜单点接地，并选择放大器的共同参考点作为接地点，而将信号源与地隔离，这样做可以抑制噪声干扰

•多级电路接地点的选择。一般地说，电子设备中的低电平级电路是受干扰电路，因此接地点选择在低电平级电路的输入端

•高增益放大器屏蔽体接地点的选择。高增益放大器常以金属外壳作屏蔽，以防外来电场的干扰屏蔽与接地须相互为用才能使干扰降至最低为了这个目的及电路的稳定性，屏蔽体必须接于放大器的共同参考线上

•低频电缆屏蔽体接地点的选择。低频电路使用的电缆之外屏蔽导体也要单点接地。可行的办法是将未接地屏蔽层直接接于放大器的共同参考点

•同轴电缆与屏蔽绞线接地点的选择。宜选择单端接地，若两端接地，则因两端地电位不可能相同使干扰的抑制效果较差，若技术上要求两端都接地，则应使一部分的地回路电流经由低阻抗的屏蔽层，而不经由同轴电缆的中心导体或信号绞线。若要得到更好的抗干扰能力，则可使用隔离变压器、光电耦合装置等以达到要求

检测系统接地的三个目的

•减少公共电阻产生的噪声电压

•减少信号回路感应磁场噪声的面积

•消除地电位差对信号回路的影响

串行单点接地

•优点：布线简单，适应噪声要求不高场合，如脉冲数字电路

•缺点：相互线路有影响，对于微弱信号不适用

并行单点接地

•优点：各个支路

•缺点：布线复杂，地线长，高频时各个电路耦合

多点并行接地

地电位不等

多点接板地

•优点：用于高频，导线短，接地阻抗小

•缺点：肌肤效应，表面积要大；大电流时，各个支路影响，低频大电流时比并行单点接地效果差

混合接地板

•利用电容的频率特性，用于高低频混合情况，布线复杂

隔离技术

•1、变压器：

•2、光电耦合：非线性，数字电路

•3、隔离放大器：模拟可用

•4、继电器

变压器隔离

阻断交流信号中的直流干扰和抑制低频干扰信号的强度。

缺点：低频时要求电感大，导致体积大。对高频地电位差噪声不能起到很好隔离效果。

干扰耦合：传导耦合  公共阻抗  电源耦合  电场耦合  磁场耦合  电磁辐射耦合

2、屏蔽

•波阻抗，远场、近场（磁场为主、电场为主）

•吸收：导磁、导电好，层厚，有利

•反射：介质特性阻抗和材料波阻抗

1、远场反射：电导高，导磁低，频率低，发射损耗大

2、近场，电场为主：电导高，导磁低，频率低，距离近，发射损耗大

3、近场，磁场为主：电导高，导磁低，频率高，距离远，发射损耗大

屏蔽总效果：

1、电导大，有利于屏蔽

2、磁导大，反射大，不利于吸收

3、频率高，反射损耗大，磁场吸收损耗大，电场小

4、电场可以依靠反射屏蔽实现，可以使用薄良导体做屏蔽层。

5、磁场需要吸收屏蔽，低频可以用一定厚度磁性材料

6、铁磁导磁率随频率下降

7、开孔：直线尺寸，波导管

1、屏蔽层接地

•改变磁场感应面积

•低电位差

2、电路接地

锁定放大器概述

•锁定放大器属于利用互相关原理设计的一种同步相干检测仪，是对被测信号和参考信号进行相关运算的电子设备。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。

锁定放大器有三个特点：

•用调制器将直流或渐变信号调制，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。

信号通道

•信号通道位于相关器之前，由输入放大器、低噪声前置放大器、各种有源滤波器和放大器组成。

•作用：放大弱信号到足以推动相关器工作的电平，并兼有抑制和滤除部分噪声和干扰的功能，扩大仪器的动态范围。

直流放大器的主要问题是零漂的影响，考虑到前级相关器的输出可能很小，因此应选择低漂移的运算放大器作为直流放大器的前置级，同时要有尽量小的1/f噪声。

•锁定放大器继承了调制放大器使用交流放大而不使用直流放大的原理，从而避开了幅度较大的1/f噪声；

•用相敏检波器实现解调，用稳定性更高的低通滤波器实现窄带化过程，从而使检测系统的性能大为改善。

根据式(1)还可知道，参考信号为正弦信号时，对其幅度D的稳定性要求很高，否则将影响输出信号的稳定性。为此，在实际电路中常采用方波作为相敏检波器的参考信号，这时的相敏检波器称为开关型相敏检波器。但也有其不足之处，即存在奇次谐波响应。

取样积分器

原理上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。

对象：具有周期的快速变化的信号。不重复出现的信号是不行的。

核心：门积分器。

方法：对于多个周期内采集的同一时刻点的数据进行积分，经过多个周期后就可以通过积分滤除干扰。