1、 1 毕业论文文献综述 电子信息工程 微弱信号检测与锁定放大器 摘要： 本文简单论述了微弱信号检测技术的产生背景、原理和分类，以及应用，并针对最重要的检测仪器之一，锁定放大器作了进一步介绍。 关键词： 原理；电噪声；微弱信号检测；相关检测；锁定放大器；应用 0.引言 噪声是一种在自然界中普遍存在的现象，关于它的定义在不同的学科领域会有不同的理解。传统意义上的声学噪声是指自然界中所有嘈杂刺耳、不和谐的声音；而电噪声，又称电子电路噪声，是指在物理学和电子学研究中，所有器件、电路、设备或通信信道中存在不附带任何有用信心的不规则信号或者随机波动，简称为噪声 1。 确切的说，在电子学中噪声是一种信号，有
2、内部噪声和外部噪声之分。内部噪声是设备内部各种器件、设备产生的热噪声、散弹噪声和闪烁噪声等；外部噪声则是环境噪声以及各种人为噪声 2。总之，噪声能够对于实际的电子系统功能构成影响，并且会干扰信号通过网络的传输，或使网络输出端所输出地信号失真，这不是所期望的输出，却总是与信号共存。 当今科学技术的进步和测量技术的日益完善使得测量强噪声下的信号成为可能。微弱信号检测是测量技术中的综合技术且多用于尖端领域，因为它能测量传统观念认为检 测不到的微弱量，而且这些微弱量内可能含有巨大的信息量，所以该领域在近现代获得了普遍重视与迅速发展 3。 1.微弱信号检测概述 微弱信号检测技术是一门理论和技术相结合的科
3、学，针对淹没在强背景噪声中的微弱信号，来分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点、相关性以及噪声的统计特性，以寻找出从背景噪声中检测出有用信号的方法 4。 为了表征噪声对信号的覆盖程度，人们引入了信噪比 SNR 的概念：信号的有效值 S 与噪声的有效值 N 之比，即 SNR=S/N（信噪比可以是电压比值，也可以是功率比值）；判断微弱信号检测方法优劣的指标则是信噪改善比 SNIR5：系统输入端的信噪比 SNRo 和系统输出端的信噪比 SNRi 之比，即SNIR=SNRo/SNRi。 SNIR 越大，表明系统抑制噪声的能力越强。 由此可见，微弱信号检测技术异于一般的检测技术，注重的不是传感器的
4、物理模型和传感原理、相应的信号转化电路和仪表实现方法，而是如何抑制噪声和提高信噪比。 2.微弱信号检测的方法 2 在现实生活中，需要检测的信号千差万别，我们必须根据各种信号的特性针对性地采用合适的检测方法，才能高效地获得结果。因此，微弱信号的检测方法也是花样繁多，各有特色。下面 列举几种基础的常见检测方法。 2.1 窄带滤波法 窄带滤波器的原理是，利用信号的功率谱密度较窄而噪声的功率谱相对很宽的特点，用一个带宽较窄的带通滤波器将有用信号的功率提取出来。 优点：此法能减少部分噪声对有用信号的影响，滤除掉同频带以外的噪声以提高信号的信噪比，实现方法简单、可操作性强。比如晶体窄带滤波器， LC 调谐
5、等。缺点：但是，由于一般的窄带滤波器中心频率很难做到十分稳定 6，因此会极大程度地影响精度，并且对一些更高的滤除噪声要求，比如面对深埋在噪声的信号，窄带滤波器能做到的最窄带宽还嫌太宽，不能完全发 挥作用。 2.2 双路消噪声 此法的原理是利用两个通道，对输入信号进行不同的处理，使得两路信号相加时消去极性相反的噪声，得到有用信号，从而达到提高信噪比的目的。 图 1.双路消噪法原理图 假使输入信号是伴随强噪声的频率为 fo 的正弦波，输入上下两个信号通道。在上通道中，信号经过低噪声放大器放大后再经过窄带通滤波器，得到正弦波和窄带通的噪声，再通过正向检波积分器输出一个正极性直流电压，并叠加了随机起伏
6、的成分。在下通道中，信号经过放大，再经过中心频率为 fo 的 带阻滤波器，从而滤掉了正弦波信号保留了噪声。噪声再通过负向检波积分器后，与上通道的“信号 +正噪声”通过加法器相加，抵消掉了噪声。 提高信噪比后的信号由加法器输出，进入比较器，在一定的时间 T 内（ T 通过实验测出。正弦波存在，则固定时间 T 内本底计数的次数也是大致不变的），假如某个电压值大于阀值电平则计数器计数一次。因此，这种方法的初衷只是检测微弱的正弦波信号是否存在，并不能恢复波形 7。 2.3 取样积分法 此法适用的前提条件是，微弱周期信号的周期已知，并且被检测的微弱信号的周期和信号源发低噪声放大器 带阻滤波器（ fo）
7、低噪声放大器 窄带通滤波器（ fo） 积分 积分 + 比较器 计数 正弦波加噪声 信号 +噪声 噪声 3 出的周期性信号的周期存 在一定的关系（相等或者某种函数关系）。 原理：准确地找到周期信号的某一点，并且在每个周期的这一时刻，都对信号进行取样，并把取样值保存在积分器中；经过 N 次取样后，信号得到了增强，而噪声由于随机性，相互抵消了一部分，所以信号在噪声中显现出来 7。如果对周期信号的没一点都这样处理，就完全有可能将被噪声淹没的信号恢复波形。 这种取样积分法只适用于特定环境（满足上诉的前提条件），时间利用率低，并且只能恢复周期性信号某一点的幅值，如果要恢复周期信号的波形，还必须在定点取样积
8、分器的基础上，对周期信号一周期内的各点进行扫 描，把周期信号每一点的幅值都恢复出来。 2.4 相关检测 在研究各种信号和噪声的规律时，人们发现信号和信号的延时相乘后累加的结果可以区别于信号和噪声的延时相乘后累加的结果，从而诞生了“相关”的概念。 原理：信号在时间上相关，而噪声在时间上不相关，根据两种完全不同的相关特性，我们可以把深埋于噪声中的周期信号提取出来。 相关函数的算法及实现有诸多种方式，现在只介绍两种最基本最常用的计算方法。根据待测信号频率是否已知，可以分别采用自相关（待测频率未知）和互相关（存在和待测信号同频的参考信号）算法。 图 2.自相关的电路原理图 自相关器原理：输入信号频率未
9、知时，将输入信号延时，并与原信号通过乘法器，再经过积分器输出。随机信号 )(x 的自相关函数 )()()( txtxER ，因为数据计算量过大，所以在实际应用中采用它的时间平均值，即 dttxtxTtxtxR TTx 0 )()(1lim)()()( 。只要延时足够大，便可提取出信号。 自相关器的优点：（ 1）方法简单；（ 2）实现起来容易。 缺点：（ 1）它不可能完全消除噪声的影响，除非时间足够长；（ 2）时间必须很长，即延时处于无穷大，用有限的时间代替不理想 8。 延时 乘法器 积分器 输入信号 )(tx )(xR )( tx 4 图 3.互相关的电路原理图 互相关器原理：输入信号频率已知
10、，选定参考信号延时后与输入信号相乘，再通过积分器输出，根据互相关函数 dttytxTRTTxy 0 )()(1lim)( 可以提取信号。 互相关器的优点是提取信号效果优于自相关器，提取信号能力越强，对噪声抑制越彻底 8。但是同 时，互相关器对参考信号的要求为和输入信号中的有用信号相关。 在众多微弱信号检测方法中，相关检测是最为常用和有效的检测手段之一。采用相关检测原理设计出的相敏检波器得到了广泛的应用，其中最有名的是市场上我们常说的，以相敏检波器为核心的锁定放大器。 2.5 其他方法 除了上述的几种方法，微弱信号检测还有其他几种常见的方法，如同步累计法，锁定接收法，光子计数法，以及可以分别通过
11、硬件和软件实现的计算机处理方法等等，随着科技的进步和研究的加深，必定会有更多高效可靠的方法出现。 3.锁定放大器 3.1 概述和分类 广义地 说，锁定放大器是指一种能测量湮没在噪声中的信号振幅和相位的电压表。一般的放大器，在放大信号的同时也将噪声放大，因而不能检出湮没在噪声中的信号，而锁定放大器则能在检测放大信号的同时，将噪声抑制掉。 市场上除了上面提到的以相敏检波器为核心的锁定放大器之外，还存在以同步积分器为核心的锁定放大器，同步积分器和相关器联用的锁定放大器，外差式锁定放大器，双相锁定放大器等等 9。使用最为广泛，最为人所熟知的还是以相敏检波器为核心的锁定放大器，一般情况下提到的锁定放大器
12、不加细分时就默认为以相敏检波器为核心的锁定放大器（又 称为锁定放大器）。下面我们来介绍基于相敏检波器的锁定放大器的工作原理。 3.2 原理 锁定放大器的基本结构图如下，包括信号通道、参考通道、相敏检波器（ PSD）和低通滤波器（ LPF）等。 延时 乘法器 积分器 输入信号 )(tx )/(xyR 参考信号 )(ty )( ty5 图 4.锁定放大器工作原理图 锁定放大器的工作原理是将伴有噪声的输入信号与一同频率的参考信号通过相敏检波器（即模拟乘法器）相乘以后积分，便可取出信号的振幅和相位，而噪声在此过程中只要积分时间足够长，便可被抑制掉。 信号通道对调制正弦信号输入进行交流放大，将微弱信号放
13、大到 足以推动相敏检测器工作的电平，并且要滤除部分干扰和噪声，以提高相敏检测器的动态范围。参考输入一般是等幅正弦信号或方波开关信号，它可以是从外部输入的某种周期信号，也可以是系统内原先用于调制的载波信号或用于斩波的信号。参考通道对参考输入进行放大或衰减，以适应相敏检测器对幅度的要求。相敏检测器是锁定放大器的核心部件，它鉴幅又鉴相，输出不但取决于输入信号的幅度，而且取决于输入信号与参考信号的相位差。积分器一般由 RC 低通滤波器或有源滤波器等组成，可增大积分时间常数，即压缩等效噪声带宽，因而 Q 值可达 102 108,噪声 几乎抑制殆尽 9。因此，锁定放大器是以时间为代价来获得良好的信噪比。
14、3.3 锁定放大器的应用 锁定放大器在实际应用中需要注意以下几个方面： 1.输入信号的选择。锁定放大器的功能相当于一种抑制噪声能力很强的交流电压表，其输入是正弦波或方波交流信号，输出时正比于输入波形幅值的直流信号；如果被测信号不是交流信号，则需要用调制或斩波的方式将其变换成交流信号。并且，参考信号输入必须是与被测信号相关的同频信号。 2.测量系统良好的屏蔽与接地是锁定放大器发挥其效用的必要条件。 3.信号输入前置级放大器的工作参数必须认真选 择，在给定的工作频率下进行输入电阻匹配，以获得最佳噪声特性等。 由于锁定放大器在微弱信号检测方面显示出优秀的性能，在近代科学研究的各个领域得到了广泛的应用
15、，例如，分子束质谱仪、扫描电镜（ SEM）、软 X 射线激发点位能谱仪（ SXAPS）、俄歇（ Auger）电子谱仪等仪器中都采用了锁定放大器 10。在将来，随着对锁定放大器研究的不断加深和改善，势必将会出现越来越多锁定放大器的应用，让我们拭目以待。 4.微弱信号检测的现状与发展趋势 微弱信号检测自 1962 年第一台锁定放大器（ lock-in Amplifier， LIA）的问世以来发展迅猛，极大地推动了各个学科领域的发展。如今频繁应用于如表面科学、生物医学、弱电磁领域，激光研究、输入信号 信号通道 低通滤波器 相敏检波器 参考输入 参考通道 输出 6 激光与物质的相互作用等。而可供选用的
16、微弱信号检测仪器也是品种繁多，功能齐全，目前有如下几种：低噪声前放；各种锁定放大器（ L/A）；各种取样积分器（ Boxcar）；多点信号平均器；光子计数器；光多通道分析仪（ OMA）等等。 可见，微弱信号检测技术在这四十几年来取得了长远、喜人的进步。然而，微弱信号检测仍然不算是一个趋于成熟的学科，它未来研究和突破的方向，将主要有以下几个方面：解决弱单次信号的捕获 ；少量的累积平均而极大改善信噪比；将锁定、平均、光子计数于一体的高性能多功能弱检仪器的研究；单一的专门化的弱检仪器的研究；实时在线的生产检测仪器的研究（即微弱信号检测的计算机处理方法）等等 10。微弱信号检测已然成为现代化科学研究中
17、不可或缺的手段，未来科技的发展也必将对弱信号检测技术提出更高的要求。 参考文献 1 微弱信号检测（ detection of weak signal） EB/OL， 2011-3-15. http:/ 2 周求湛，胡封晔，张利平 .弱信号检测与估计 M.北京：航空航天大学出版社 ,2007， 4. 3 Fabrizio Barone,Enrico Calloni, Luciano DiFiorek, Aniello Grado, Leopoldo Milano, and Guido Russo. High-performance modular digital lock-in amplifie
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