第5章 特種測量技術(shù)

1、第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室第5章 特種測量技術(shù) 5.1 數(shù)據(jù)采樣與保持?jǐn)?shù)據(jù)采樣與保持 5.2 峰值測量峰值測量 5.3 有效值測量有效值測量 5.4 微弱信號檢測微弱信號檢測 5.5 利用噪聲進行信號檢測利用噪聲進行信號檢測 5.6 反饋測量技術(shù)反饋測量技術(shù) 思考與練習(xí)題思考與練習(xí)題 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室5.1 數(shù)據(jù)采樣與保持?jǐn)?shù)據(jù)采樣與保持 1. 采樣過程采樣過程采樣過程就是抽取連續(xù)變化信號瞬時值的過程，允許以固采樣過程就是抽取連續(xù)變化信號瞬時值的過程，允許以固定的頻率進行，也允許以變化的頻率或隨機進行，通常是以固定的頻率進行，也允許以變化

2、的頻率或隨機進行，通常是以固定的頻率進行的。定的頻率進行的。采樣過程如圖5-1所示。采樣器（見圖5-1(a)）的輸入為圖5-1(b)所示的連續(xù)變化信號x(t)；控制信號為圖5-1(c)所示的周期為T、采樣時間為的矩形脈沖信號T(t)?？蓪⒉蓸悠骺醋鲆粋€開關(guān)，當(dāng)控制脈沖到來時開關(guān)閉合，采樣器的輸出y(t)=x(t)，其他時間開關(guān)斷開，y(t)=0。因此，y(t)的波形如圖5-1(d)所示。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室通常，采樣周期T比采樣時間大得多，即可以認(rèn)為 0，而采樣器的輸出信號可認(rèn)為是一非常窄的脈沖序列，其包絡(luò)線與輸入信號相吻合。亦即可以將控制信號T(t)看做周期為

3、T的單位脈沖序列，即 )()()(15nTnTtt而將輸出信號看作是輸入信號與控制信號的乘積，即 )()()()()()()()(25nnTnTtnTxnTttxttxty第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室圖51 采樣過程 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室模擬信號模擬信號采樣采樣量化量化編碼編碼數(shù)字信號數(shù)字信號( )x t( )x n( )p t( )sx t( )x tRt()x nt 11011101數(shù)據(jù)采樣的數(shù)據(jù)采樣的A/DA/D轉(zhuǎn)換過程轉(zhuǎn)換過程第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室信號輸入和數(shù)據(jù)采集卡件傳感器和信號傳感器和信號 熱電偶熱電偶

4、 RTDsRTDs 熱敏電阻熱敏電阻 應(yīng)變儀應(yīng)變儀 電壓信號電壓信號微伏，毫伏，伏微伏，毫伏，伏 電流信號電流信號4 20 mA, 0 20 mA4 20 mA, 0 20 mA 數(shù)字信號數(shù)字信號信號調(diào)理信號調(diào)理多路復(fù)用多路復(fù)用放大放大隔離隔離濾波濾波傳感器激勵傳感器激勵冷端補償冷端補償?shù)?章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室A/D 分辨率Code width = smallest detectable change in voltage =AD的輸入范圍的輸入范圍增益增益 * 2nn = # of ADC bits 16-bit ADC3-bit ADCAmplitudecode

5、widthTime02010012014040608010.009.757.506.255.003.752.501.250111110100011010001000第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室A/D 采樣率Nyquist Nyquist 原理原理 采樣率采樣率 2 2倍的最高頻率倍的最高頻率Adequately sampledAliased due to undersampling第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室多通道采集采集模式采集模式通道設(shè)置通道設(shè)置掃描順序掃描順序增益增益范圍范圍單端單端/ /差分輸入差分輸入單極單極/ /雙極雙極連續(xù)掃描連續(xù)掃描同

6、步采樣同步采樣間隔掃描間隔掃描Straingauge 1Straingauge 2Battery 1Battery 2TempPressureDemo第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室信號采樣與系統(tǒng)還原信號采樣與系統(tǒng)還原模擬輸入模擬輸入采樣采樣/量化量化1101數(shù)字輸入數(shù)字輸入數(shù)字信號數(shù)字信號處理處理1101數(shù)字輸出數(shù)字輸出模擬重建模擬重建模擬輸出模擬輸出第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室2.采樣定理 將采樣器的輸出信號y(t)與輸入信號x(t)進行比較可以看出，當(dāng)x(t)隨時間變化很快，而采樣周期T較長時，在采樣過程中某些信息可能丟失。采樣定理指出，對于一個頻

7、帶寬度為有限寬(0wc)的連續(xù)信號進行采樣，當(dāng)采樣角頻率ws2wc時，由采樣后得到的輸出函數(shù)才可能無失真地恢復(fù)到原始信號。 下面證明這條定理。因為控制信號T(t)為周期函數(shù)，故可展開成傅氏級數(shù)的形式，即 )( )(35esjmtmmTCtw第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室式中： Cm為傅氏系數(shù)，其表達式為 )()(/45de122jsTTtmTmttTCw把式(5-1)代入式(5-4)， 并考慮到脈沖函數(shù)的性質(zhì)， 得 )( )()(/551de1de122j22jssTTtmTTtmnmTttTtnTtTCww所以 )( )()(65e1sjmtmtxTtyw第5章 特種測量

8、技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室假設(shè)輸入信號x(t)的傅氏變換為X(j)，根據(jù)傅氏變換的頻域平移定理，可得輸出信號y(t)的傅氏變換為 )()()(65e1sjmtmtxTtyw假設(shè)輸入信號x(t)的傅氏變換為X(jw)，根據(jù)傅氏變換的頻域平移定理，可得輸出信號y(t)的傅氏變換為 msmtmtmXTttxTttyY)()()()()(wwwwwwj1de1dejsjj（5-7） 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室 式(57)表明，若x(t)的頻譜為圖52(a)所示的有限帶寬(最高角頻率為wc)的連續(xù)譜信號，則y(t)的頻譜是x(t)的頻譜在wmws(m0，1，2，)處的無限

9、次重復(fù)，只不過每次重復(fù)時幅度皆為原來的1/T。當(dāng)ws2wc時，如圖52(b)和圖52(c)所示，各重復(fù)譜之間不產(chǎn)生重疊，將采樣器的輸出經(jīng)過截止角頻率為wc的理想低通濾波器，可得到原始信號的頻譜，也就能恢復(fù)原始信號。當(dāng)ws2wc時，如圖52(d)所示，各重復(fù)譜之間產(chǎn)生重疊，無法用低通濾波器得到原始信號的頻譜，也就無法恢復(fù)原始信號。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室圖圖52輸入信號輸入信號x(t)的頻譜和采樣輸出信號的頻譜和采樣輸出信號y(t)的頻譜的頻譜第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室所以，為了使m=0處的原始信號頻譜不發(fā)生畸變，必須使采樣頻率足夠高，以拉開各

10、重復(fù)譜之間的距離，使相鄰兩重復(fù)譜之間不產(chǎn)生重疊。顯然，不產(chǎn)生重疊的條件是 )(852csww這就是采樣定理所闡述的內(nèi)容。 以上討論的是理想情況，但實際上不可能得到理想的低通濾波器，所以實際應(yīng)用時采樣頻率要比輸入信號的頻率上限高許多倍，如高45倍甚至1012倍。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室5.1.2 采樣保持器的工作原理1.使用采樣保持器的必要性 假設(shè)A/D轉(zhuǎn)換器為12位的，滿量程輸入電壓為10V，則其分辨力為E10V/2122.4mV。為簡化分析，再設(shè)其輸入信號為正弦信號，即Ui(t)Umsin(2pft)。此信號的最大變化率發(fā)生在電壓過零處，其值為 )( )(952d

11、dm0ifUttUt第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室 若A/D轉(zhuǎn)換器每進行一次轉(zhuǎn)換需要的時間為t，則要求在t時間內(nèi)輸入信號的最大改變量不能超過其分辨力E，否則將產(chǎn)生較大誤差。特別是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，若轉(zhuǎn)換期間輸入信號發(fā)生變化，不僅可能造成很大誤差，甚至無法工作。所以，為保證在每次A/D轉(zhuǎn)換期間數(shù)字量輸出的精度和穩(wěn)定性，要求E滿足 )()(1052ddm0itfUttUtEt第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室根據(jù)式(510)可得出直接將正弦電壓輸入A/D轉(zhuǎn)換器時所允許的最高頻率為 )(1152mmaxtUEf對于12位的高速A/D轉(zhuǎn)換器可取t20ms，代入

12、Um10V，E2.4mV，可得到fmax1.9Hz?？梢?，A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，對既定的轉(zhuǎn)換時間而言，轉(zhuǎn)換器所能直接處理的正弦輸入信號的頻率越低。因此，將模擬信號直接輸入到A/D轉(zhuǎn)換器是不合適的。 將模擬信號先輸入給采樣保持器，經(jīng)采樣保持器后再輸入給A/D轉(zhuǎn)換器，則可解決上述矛盾。這樣做，既充分發(fā)揮了A/D轉(zhuǎn)換器的變換精度，又能處理變化速度較快的模擬信號。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室2. 2. 采樣采樣保持器的工作原理保持器的工作原理采樣保持器是指在邏輯電平控制信號作用下處于“采樣”或“保持”兩種工作狀態(tài)的電路。圖5-3所示是其電路符號。 它有如下兩種穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

13、 1) 采樣跟蹤狀態(tài) 在此期間，采樣保持器盡可能快地接收輸入信號，并盡可能精確地跟蹤輸入信號的變化，直到接到保持指令為止。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室圖圖5-3 5-3 采樣采樣保持器保持器第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室 2) )保持狀態(tài)保持狀態(tài) 對接到保持指令前一瞬間的輸入信號值進行保持，直到接到下一個采樣指令為止。 圖54為開環(huán)式采樣保持器的典型框圖，它由輸入緩沖放大器A1、模擬開關(guān)K、保持電容C和輸出緩沖放大器A2組成。在理想情況下，K只在采樣期間閉合，由于C與A1的輸出電阻R的乘積很小，C上的電壓被迅速充電到與輸入信號相同，并跟蹤輸入信號的變

14、化。一旦接到保持指令，K斷開，C上所寄存的電壓經(jīng)A2緩沖后輸出。理想情況下，保持期間C上的電荷泄漏非常緩慢，可認(rèn)為輸出電壓不變。圖55為理想采樣保持器的波形。各種形式的采樣保持器一般都是由模擬門及集成運放組成。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室圖圖5-4 開環(huán)式采樣開環(huán)式采樣保持器典型框圖保持器典型框圖 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室圖圖55 采樣采樣保持波形圖保持波形圖第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室5.1.3 5.1.3 采樣采樣保持器的工作過程分析保持器的工作過程分析1. 1. 采樣期間采樣期間 理想情況下，采樣期間采樣保持器的輸出

15、電壓與輸入電壓時刻相等，但實際上并非如此，還存在著下列非理想指標(biāo)。 1) 建起時間建起時間表示當(dāng)輸入從零到滿刻度的階躍信號時，輸出信號進入并穩(wěn)定在允許的誤差帶內(nèi)所經(jīng)歷的時間，如圖5-6所示。 影響建起時間的主要因素是充電時間常數(shù)，其他分布參數(shù)如分布電容、 分布電感等也有一定影響。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室圖圖5-6 采樣期間的跟蹤誤差采樣期間的跟蹤誤差 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室2) 失調(diào)電壓失調(diào)電壓表示在零輸入時輸出對零的偏離程度，是時間和溫度的函數(shù)。圖5-6中也給出了失調(diào)電壓。 3) 非線性非線性表示實際輸出輸入特性偏離線性特性的程度。 第

16、5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室2.采樣到保持的渡越 圖57給出了由采樣到保持的渡越過程中所出現(xiàn)的誤差。由于模擬開關(guān)有一定的動作滯后，從發(fā)出保持指令到模擬開關(guān)完全斷開，這中間有一段時間延遲，通常稱為孔徑時間，用tA表示。由于孔徑時間的存在，采樣時間被額外地延遲了，使得采樣保持器的穩(wěn)定輸出代表的是保持指令到達以后又經(jīng)歷了tA時輸入信號的瞬時值。為此，可提前tA發(fā)出保持指令。但是，由于模擬開關(guān)的截止時間在連續(xù)多次切換時存在某種漲落現(xiàn)象，以及電路中其他因素的影響，tA存在一定的不確定性，所以很難完全消除tA的影響。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室圖圖5-7 從采樣

17、到保持的渡越過程曲線從采樣到保持的渡越過程曲線 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室另一種誤差是由于模擬開關(guān)的瞬態(tài)響應(yīng)造成的。對于結(jié)型場效應(yīng)管模擬開關(guān)，當(dāng)控制信號將開關(guān)斷開時，模擬開關(guān)的極間(柵漏間或柵源間)電容將引起對控制電壓的微分而形成開關(guān)尖峰電壓，它對保持電容C充電而形成幅度為Us的誤差電壓。Us的大小為 )(125sssUCCU式中：Cs為開關(guān)的極間電容；U為控制信號邏輯電平轉(zhuǎn)換時的電壓改變量；s為比例系數(shù)，它是通過尖峰補償后得到的衰減系數(shù)。此誤差電壓將與采樣期間記憶在保持電容上的電壓相加或相減，從而造成誤差。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室3.保持期

18、間 由于泄漏電流的存在，實際的采樣保持器在保持期間的輸出電壓并不是一成不變，而是以指數(shù)規(guī)律衰減。假設(shè)模擬開關(guān)的斷開電阻為Roff、保持電容的泄漏電阻為Ra、輸出緩沖放大器的輸入電阻為Ri，則保持期間保持電容C上的電壓UC(t)按如下規(guī)律變化 )()()(/135e0CCtUtU式中：UC(0)是進入保持狀態(tài)時保持電容上的電壓；RC，RRoff/Ra/Ri。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室由式(513)可得UC(t)的變化率為 )()()(/145e0ddCCtUttU為使輸出電壓不至于衰減過大，應(yīng)使 遠大于保持時間。此時，et/1，UC(t)的變化率近似為常數(shù)(定義為下垂速

19、度，用d表示)，即 )( )()(1550ddCCCIUttUd式中：IUC(0)/R為保持期間流經(jīng)保持電容的總泄漏電流。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室4.保持到采樣的渡越1) )探測時間探測時間 它是指當(dāng)控制信號由“保持”電平變?yōu)椤安蓸印彪娖胶?，采樣保持器的輸出電壓由原來的保持值過渡到與輸入信號的差別小于給定誤差所需要的時間，用tg表示。它包括模擬開關(guān)的導(dǎo)通延遲時間和保持電容的充電時間兩部分。顯然，采樣時間必須大于探測時間，才能保證在采樣階段采集到所需的輸入信號。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室2) 保持到采樣的瞬態(tài)響應(yīng)控制信號從“保持”電平轉(zhuǎn)變?yōu)椤?/p>

20、采樣”電平時，模擬開關(guān)的極間電容同樣會引起對控制電壓的微分而形成開關(guān)尖峰電壓， 此尖峰電壓同樣對保持電容進行充電(圖5-8中未畫出)。如果輸入信號的變化比較小， 可能會造成比較嚴(yán)重的影響。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室圖5-8 從保持到采樣的渡越過程曲線 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室5.1.4 采樣保持器的構(gòu)成原理1.模擬式開環(huán)采樣保持器 模擬式開環(huán)采樣保持器的電路原理如圖59所示。采樣期間控制信號為高電平，三極管T1、T2截止，電阻R1上無電流，場效應(yīng)管T3柵、漏之間無電壓即零偏置，所以T3導(dǎo)通；輸入緩沖器A1的輸出信號經(jīng)電阻R2向保持電容C充電，

21、在探測時間內(nèi)充電到所需精度，然后跟蹤輸入信號的變化?？刂菩盘枮榈碗娖綍r轉(zhuǎn)入保持狀態(tài)，T1、T2導(dǎo)通，T3截止；輸出緩沖器A2對記憶在C上的電壓進行緩沖和電壓跟隨。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室圖圖59 模擬式開環(huán)采樣模擬式開環(huán)采樣保持器電路原理圖保持器電路原理圖第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室采用高上升速率的結(jié)型場效應(yīng)管輸入級集成運放及高質(zhì)量的保持電容，可使保持期間輸出電壓的漂移率主要由T3的截止漏電流所決定。設(shè)T3的截止漏電流為0.1nA，則對于0.01mF的保持電容，下垂速度為10mV/s。溫度每升高10，下垂速度約增加1倍。 開環(huán)式采樣保持器的主要

22、優(yōu)點是探測時間和建起時間較短，適于對快變信號的采樣和保持。主要缺點是A1獨立工作，會引入一定的誤差。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室 2.模擬式閉環(huán)采樣保持器 模擬式閉環(huán)采樣保持器的實現(xiàn)方案有下列三種。1) )方案方案1。如圖510所示，將兩個集成運放包容在一個反饋回路中，形成閉環(huán)。此方案的優(yōu)點是輸入阻抗高，缺點是會引入共模干擾誤差。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室圖圖510 兩個運放包容在一個反饋回路中兩個運放包容在一個反饋回路中第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室2) )方案方案2。如圖511所示，將保持電容置于運算放大器的反饋回路中。

23、此方案的優(yōu)點也是輸入阻抗高，缺點仍然是會引入共模干擾誤差。 圖圖511 保持電容置于運算放大器的反饋回路中保持電容置于運算放大器的反饋回路中 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室(3) 方案3：如圖5-12所示，為反相組態(tài)的閉環(huán)采樣保持器。它的優(yōu)點是模擬開關(guān)工作于地電位，因此可以使漏電流及開關(guān)時間盡可能??； 缺點是輸入阻抗小， 被限制為R。 圖5-12 反相組態(tài)的閉環(huán)采樣保持器 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室使用補償電容可改善模擬式采樣保持器的性能。如圖513所示，引入與C1相等的電容C2，可使電路的下垂速度減小約一個數(shù)量級，因為此時C1漏電流的影響大體上可被

24、C2的漏電流所補償。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室圖圖513 用補償電容改善采樣用補償電容改善采樣保持器性能保持器性能 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室圖514所示是利用補償電容改善模擬式閉環(huán)采樣保持器性能的實際電路原理圖。采樣期間，控制信號為高電平，使得二極管D1導(dǎo)通、D2截止。D2截止導(dǎo)致電阻R3上無電流，使場效應(yīng)管T2處于零偏狀態(tài)而導(dǎo)通。T2導(dǎo)通又使得場效應(yīng)管T3的柵漏電壓等于輸出緩沖器A2的輸入失調(diào)電壓(理想情況下等于零)，因此T3也處于零偏狀態(tài)而導(dǎo)通。T3導(dǎo)通時，電容C2通過電阻R1迅速放電，直至C2上電壓等于零。D1導(dǎo)通導(dǎo)致電阻R2上有壓降，

25、從而使場效應(yīng)管T1的柵源電壓為正而截止。輸入緩沖器A1通過T2、T3處于電壓跟隨狀態(tài)，輸出緩沖器A2則通過T3處于電壓跟隨狀態(tài)，從而使整個電路處于對輸入信號的采樣跟蹤狀態(tài)。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室圖圖5-14 用補償電容改善采樣用補償電容改善采樣保持器性能的實際電路原理圖保持器性能的實際電路原理圖 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室保持期間，各二極管和場效應(yīng)管的導(dǎo)通截止?fàn)顟B(tài)正好相反。此時，A1通過T1繼續(xù)處于電壓跟隨狀態(tài)，A2則由于C2兩端電壓不變而保持輸出Uo等于C1上所記憶的電壓值。事實上C2兩端電壓在緩慢變化，采用高質(zhì)量的電容時，主要是由于T3

26、漏電流Ioff3和A2反相端偏置電流IB的影響?？墒牵躎2漏電流Ioff2、A2同相端偏置電流IB的影響，C1兩端電壓也在改變。若T2和T3兩管匹配，則因它們的工作狀態(tài)相同而有Ioff3和Ioff2大小相等、方向相同(即要么都符合圖中假設(shè)方向，要么都與圖中假設(shè)方向相反)，若再有A2輸入失調(diào)電流為零(即IB和IB大小相等、方向相同)，則不考慮電容漏電時C1兩端電壓的改變率與C2兩端電壓的改變率大小相等。注意到UoUC1UC2，則可使Uo保持不變。由于一般UC1UC2，所以電容本身漏電流的影響難以補償，故須采用高質(zhì)量的電容器。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室3.數(shù)字式采樣保持

27、器 圖515所示是數(shù)字式采樣保持器的框圖。保持期間，控制信號為“0”，與門電路輸出始終為“0”，可逆計數(shù)器的輸出不變，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后的輸出電壓Uo也不變。采樣期間，控制信號為“1”，若Uo小于輸入電壓Ui，則比較器輸出高電平，有升計數(shù)脈沖信號，無降計數(shù)脈沖信號，可逆計數(shù)器輸出增加，反之，可逆計數(shù)器輸出減小；直到Uo等于Ui，實現(xiàn)了對輸入信號的跟蹤。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室數(shù)字式采樣保持器的突出優(yōu)點是可實現(xiàn)任意長的保持周期，沒有下垂現(xiàn)象。另外，它沒有采樣和保持瞬態(tài)干擾，可兼有模擬和數(shù)字輸出等。其缺點是初始探測時間比模擬式采樣保持器要長得多。因為時鐘周期的選擇受可逆計數(shù)

28、器計數(shù)速率的影響，不能太小。對零到滿刻度的階躍輸入信號，由于計數(shù)器的位數(shù)應(yīng)等于D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)n，故可知道探測時間為(2n1)。所以數(shù)字式采樣保持器適合跟蹤較慢、較小的輸入變化。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室圖圖5-15 數(shù)字式采樣數(shù)字式采樣保持器框圖保持器框圖 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室5.2 峰峰 值值 測測 量量 5.2.1 5.2.1 峰值測量的意義峰值測量的意義在軋鋼過程中，軋機斷輥事故絕大多數(shù)出現(xiàn)在“咬鋼”的一瞬間，原因是什么呢？通過實驗發(fā)現(xiàn)，鋼坯在進入軋輥的短暫過程中，軋制力F隨時間t的變化曲線如圖5-16所示?？梢?， 軋機在“咬鋼

29、”過程中承受的是沖擊負(fù)荷。盡管沖擊負(fù)荷的持續(xù)時間很短，但是它的最大值Fp卻比正常負(fù)荷Fc高得多，若超過軋機的允許負(fù)荷，就很容易出現(xiàn)斷輥事故。為保證軋鋼生產(chǎn)的順利進行，應(yīng)及時而準(zhǔn)確地將軋制力峰值Fp測量出來，為安全生產(chǎn)提供可靠數(shù)據(jù)。其他像冶金生產(chǎn)中的掃描式輻射表面溫度測量、核工程中的高強度沖擊力的測量等最后都?xì)w結(jié)為峰值測量技術(shù)問題。對于周期信號，還可通過測量峰值得到其有效值的大小。因此峰值測量技術(shù)在工程中占有很重要的地位。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室圖圖516 軋制力隨時間的變化軋制力隨時間的變化 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室由于一般的自動檢測儀表都

30、具有一定的慣性，跟不上被測參數(shù)的快速變化，難以用來直接對隨時間迅速變化的參數(shù)的峰值進行精確的測量。為此，工程中常采用如圖5-17所示的峰值測量方法。它需要用動態(tài)響應(yīng)良好的傳感器將迅速變化的物理參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，并用峰值保持器將放大后的信號的峰值保持下來，最后由自動檢測儀表對被測量的峰值進行指示和記錄?？梢姺逯禍y量的關(guān)鍵是要有動態(tài)響應(yīng)良好的傳感器和峰值保持器。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室圖圖5-17 峰值測量方法框圖峰值測量方法框圖 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室5.2.2 峰值保持器的工作原理峰值保持器的工作原理 峰值保持器是一種特殊的采樣保持器。它

31、的輸出信號Uo跟蹤輸入信號Ui到峰值，并自動保持下來，以后只有當(dāng)輸入信號超過先前所保持的峰值時，輸出才繼續(xù)跟蹤輸入信號，一直到新的峰值。因此，峰值保持器的輸出最終是輸入信號的最大值。峰值保持器的波形如圖518所示。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室圖圖518 峰值保持器波形圖峰值保持器波形圖第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室1.同相型峰值保持器 圖519為同相型峰值保持器的電路原理圖。圖中A2為電壓跟隨器，起緩沖作用。假設(shè)二極管D的導(dǎo)通電壓為UD，其導(dǎo)通條件可寫成 )(165DC1oUUU由圖可知 )()(1751odCi1oAUUU式中：Aod1為集成運放A

32、1的開環(huán)增益。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室將式(517)代入式(516)得 )(1851odD1odCCiAUAUUU忽略式(518)左邊的UC/Aod1項，得 )(195DCiUUU式中：UDUD/Aod1稱為二極管的等效導(dǎo)通電壓。對硅二極管，UD0.6V，而Aod1通常在105左右，可見UD的數(shù)值很小，可認(rèn)為UD0。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室因此可以說，二極管D的導(dǎo)通或截止取決于Ui和UC的差值。當(dāng)UiUC0時D導(dǎo)通，A1工作在電壓跟隨狀態(tài)，A1的輸出經(jīng)D對保持電容C充電，UC跟蹤Ui的變化；反之則D截止，Ui的變化不影響UC。即UC跟蹤U

33、i到峰值后便自動保持下來。保持電壓的漂移率（即下垂速度）d可表示為 )( 漏205oCItUd式中：I漏IBIDIC；IB為A1和A2的偏置電流之和；ID為二極管D的反向飽和漏電流；IC為保持電容C的漏電流。這些漏電流的方向可正可負(fù)，因此Uo的斜率可正可負(fù)。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室根據(jù)式(520)可知，要減小下垂速度可加大C值。但加大C值會使跟蹤期間A1的負(fù)載增加，從而使跟蹤Ui快速變化的能力有所下降。因此C值的選擇應(yīng)綜合考慮輸入信號的變化速度和對下垂速度的要求。減小下垂速度最有效的方法是降低漏電流I漏，可通過選用結(jié)型場效應(yīng)管輸入級集成運放及高質(zhì)量的保持電容來實現(xiàn)。

34、 將圖519中的二極管D之正、負(fù)極對調(diào)，則可得到同相型負(fù)峰值保持器。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室圖圖519同相型峰值保持器原理圖同相型峰值保持器原理圖第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室2.反相型峰值保持器 圖520為反相型峰值保持器的電路原理圖。圖中A2為電壓跟隨器，起緩沖作用。當(dāng)二極管D導(dǎo)通時集成運放A1的輸出經(jīng)D對保持電容C充電，UC反相跟蹤輸入電壓Ui的變化。當(dāng)D截止時Ui的變化不影響UC，因此UC跟蹤Ui到峰值便自動保持下來。D的導(dǎo)通和截止取決于Ui和UC的差值，當(dāng)(UiUC)UD時導(dǎo)通，反之則截止，UD0仍為二極管的等效導(dǎo)通電壓。其功能可等效為

35、一個同相型峰值保持器加一個反相器。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室圖圖520 反相型峰值保持器原理圖反相型峰值保持器原理圖 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室5.2.3 峰值保持器舉例 1.低漂移率峰值保持器 如圖521所示，是一個同相型低漂移率峰值保持器的實用電路原理圖。A2選用場效應(yīng)管輸入級集成運放，并置于總反饋回路里以提高跟蹤精度。A1選用具有高共模抑制比、高驅(qū)動容性負(fù)載能力的集成運放。當(dāng)二極管D2導(dǎo)通時場效應(yīng)管T1的柵源電壓約0.6V，故T1也導(dǎo)通；當(dāng)D2截止時A1輸出端亦即T1柵極為負(fù)電位，T1的源極由于C1的緩慢放電始終為正電位，因此T1柵源電壓

36、為負(fù)而截止。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室圖521 同相型低漂移率峰值保持器第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室2.高速峰值保持器 如圖522所示，是一個高速峰值保持器的實用電路原理圖。圖中A1選用高速集成比較器，具有響應(yīng)快、滯后小的特點。A2采用場效應(yīng)管輸入級高速集成運放，有利于提高整個電路的工作速度和減小下垂速度。場效應(yīng)管T1與電阻R3組成恒流源，以實現(xiàn)對保持電容C的恒流充電。充電電流的大小可根據(jù)需要調(diào)整。由于是恒流充電，所以充電速度比較快。場效應(yīng)管T2、T3皆接成二極管形式。當(dāng)Uo小于Ui時，A1輸出高電平，使得T2截止，T3導(dǎo)通，T1經(jīng)T3用恒定電流

37、對C充電。一旦Uo超過Ui，A1輸出由高變低，使T2導(dǎo)通，T3截止，T1的輸出電流為A1所吸收，電路把輸入信號的峰值保持住。場效應(yīng)管T4用于復(fù)位，當(dāng)復(fù)位指令出現(xiàn)時，T4導(dǎo)通，C通過T4放電，清除以前保持的峰值。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室圖522 高速峰值保持器 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室.數(shù)字式峰值保持器數(shù)字式峰值保持器 圖523為數(shù)字式峰值保持器電路框圖，虛線框內(nèi)所示是由現(xiàn)場可編程門陣列FPGA組成的功能模塊，其功能由VerilogHDL(HDL即硬件描述語言)來實現(xiàn)。由A/D轉(zhuǎn)換器(帶采樣保持電路)得到的數(shù)字信號送入數(shù)據(jù)緩沖模塊。數(shù)據(jù)緩沖模

38、塊中的數(shù)據(jù)與來自數(shù)據(jù)存儲模塊中的數(shù)據(jù)一起送入數(shù)據(jù)比較模塊進行比較。如果數(shù)據(jù)緩沖模塊中的數(shù)據(jù)大于數(shù)據(jù)存儲模塊中的數(shù)據(jù)，比較標(biāo)志模塊產(chǎn)生標(biāo)志信號，該信號將數(shù)據(jù)緩沖模塊中的數(shù)據(jù)打入數(shù)據(jù)存儲模塊(來自接口電路的控制信號在開始測量前將數(shù)據(jù)存儲模塊中的數(shù)據(jù)置0)，反之，數(shù)據(jù)存儲模塊中的數(shù)據(jù)保持不變。這種峰值保持器沒有下垂現(xiàn)象，但對A/D轉(zhuǎn)換速度要求較高。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室圖523 數(shù)字式峰值保持器 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室5.3 有效值測量有效值測量 5.3.1 5.3.1 有效值測量的意義有效值測量的意義在電工學(xué)中電壓有效值的定義(其他如電流、

39、功率、振動有效值等量的定義類似)為 )( 215d102TtuTU式中：u為隨時間周期變化或任意變化的電壓的瞬時值；T為信號變化周期或信號從加入到穩(wěn)定指示所需要的時間。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室5.3.2 有效值檢測電路的工作原理 1.有效值檢測電路的硬件實現(xiàn) 一種通用性較強的硬件實現(xiàn)方法是，用晶體三極管作為對數(shù)元件，通過對數(shù)反對數(shù)運算完成均方根變換。圖524為有效值檢測電路的原理圖，圖中求絕對值的電路可用第4章介紹的精密整流電路實現(xiàn)，不再贅述。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室圖圖524 有效值檢測電路原理圖有效值檢測電路原理圖 第5章 特種測量技

40、術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室從圖524可知，對數(shù)元件V1、V2和V3都滿足集電結(jié)電壓等于零的條件，盡管V4不滿足此條件，但其電流是已經(jīng)放大了的電流，且其集電結(jié)反偏，集電結(jié)電壓不等于零對其對數(shù)特性的影響可忽略。四只三極管的發(fā)射結(jié)電壓滿足ube1ube3ube2ube4。根據(jù)式(443)得 Es4F444Es2F222Es3F333Es1F111lnlnlnlnIiqkTIiqkTIiqkTIiqkT（5-22）式中各量的物理意義同前。設(shè)四只晶體管處于相同溫度，且完全匹配，則上式可簡化為 )( 2354231 iii i第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室 由于晶體管作為對數(shù)元件

41、使用時只允許電流單向流動，所以需要采用絕對值電路以提供單極性信號電流。若忽略A1的輸入偏置電流和失調(diào)電壓，則i1|ui|/R1，而i3(3/1)i1，其中1、3為V1、V3的共基極電流增益(定義為集電極電流與發(fā)射極電流之比)。若忽略A2、A3的輸入偏置電流和失調(diào)電壓，則i2uo/R2，i4Cduo/dt。將i1、i2、i3、i4的表達式代入式(523)，得 )( |245ddoo2212i13tuuRCRu第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室亦即 )(2552dd2i112132ouCRRRtu由式(525)可解得輸出信號uo(t)在tT時刻的值uo(T)滿足 )( )()()(

42、2650d22o02i112132outtuCRRRTuT式中：uo(0)是uo(t)在t0時刻的值。通過調(diào)整R2可實現(xiàn)(3/1)(R2/R1)1，通過在t0時刻短路積分電容C，可實現(xiàn)uo(0)0。因此式(526)可簡化為 )()()(275d202i1oTttuCRTu第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室若取積分時間間隔TR1C/2，則有 )()()(285d102ioTttuTTu即可完成固定時間間隔內(nèi)任意波形信號的均方根值測量。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室為實現(xiàn)上述目的，需要在積分電容C兩端并聯(lián)一個開關(guān)K1，在V4集電極與地之間接入另一個開關(guān)K2，如

43、圖524所示。測量方法是，在t0時刻，同時將K1和K2由閉合狀態(tài)轉(zhuǎn)換為斷開狀態(tài)，i4開始對C充電。在tTR1C/2時刻，將K2由斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)換為閉合狀態(tài)，停止對C充電，輸出進入保持狀態(tài)。對輸出采樣測量后，再將K1由斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)換為閉合狀態(tài)，清除C上的電荷，以便進行下一次測量。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室 2.有效值檢測電路的軟件實現(xiàn) 軟件實現(xiàn)有效值測量的思路是，將被測信號放大后用A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，用軟件實現(xiàn)均方根運算。為了方便，先假設(shè)被測信號是周期信號，周期為T；采樣也是周期性的，采樣時間間隔為tT/k，k為整數(shù)，每次采樣值記作um，m1，2，k。當(dāng)k足夠大時，可

44、以證明，按下式求得的U值，即為被測信號的有效值。 )( 295112kmmukU第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室其證明非常簡單，因為 )( 305111121212kmmkmmkmmtuTtutkuk當(dāng)k時，t0，求和變成積分，即為有效值的定義式。這也就要求必須根據(jù)被測信號，選擇合適的t，一方面使T為t的整數(shù)倍，另一方面使k足夠大，才能獲得所需精度。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室5.4 微弱信號檢測微弱信號檢測 5.4.1 元器件固有噪聲及其規(guī)律1.信噪比改善系數(shù) 有用信號與噪聲總是疊加在一起的，任何時候都不可能完全沒有噪聲，所以用信噪比來評價信號的品質(zhì)

45、優(yōu)劣，信噪比S/N定義為有用信號功率與噪聲功率之比(也有用電壓比來表示的，但本節(jié)皆用功率比來表示)。但是，如何評價一個放大器或者一個測試系統(tǒng)對信號的影響呢？當(dāng)信號通過一個放大器或者一個測試系統(tǒng)后，信噪比可能提高，也可能降低。為此，引入信噪比改善系數(shù)SNIR來描述放大器或測試系統(tǒng)對信噪比的改善作用，定義為 )( )/()/(輸入信噪比輸出信噪比315ioNSNSSNIR式中：u為隨時間周期變化或任意變化的電壓的瞬時值；T為信號變化周期或信號從加入到穩(wěn)定指示所需要的時間。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室2.固有噪聲的產(chǎn)生與規(guī)律1) )熱噪聲熱噪聲 任何電阻或?qū)w，即使沒有連接到

46、信號源或電源，其兩端也會出現(xiàn)很微弱的電壓波動，這就是電阻的熱噪聲。電阻的熱噪聲起源于電阻中自由電子的隨機熱運動，導(dǎo)致電阻兩端電荷的瞬時堆積，形成噪聲電壓。熱噪聲電壓的瞬時幅值服從正態(tài)分布，均值為零。根據(jù)量子理論得出的熱噪聲電壓的功率譜密度函數(shù)為)/HzV(1e42u)/()(kThfhfRfS（5-32）第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室式中：h6.621034Js為普朗克常數(shù)；f為頻率；R為電阻值；k1.381023J/K為波爾茲曼常數(shù)；T為絕對溫度。 根據(jù)式(532)可以看出，當(dāng)f高到一定程度，Su(f)會逐漸減小。但是在室溫下(T300K)，當(dāng)f0.1kT/h1012Hz

47、時，有ehf/(kT)1hf/(kT),代入式(532)得 )()(3354u kTRfS即Su(f)與f無關(guān)。一般檢測裝置的工作頻率要比1012Hz低得多，所以可認(rèn)為熱噪聲是白噪聲，即熱噪聲電壓的有效值在各頻率分量上皆相等。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室 由于白噪聲的功率P等于帶寬與功率譜密度函數(shù)的乘積，所以，對于帶寬為B的測量裝置，其測量電路中阻值為R的電阻上熱噪聲電壓的有效值可根據(jù)式(533)得出，為 )( )(3454unkTRBBfSPU例如，對于輸入電阻Ri500kW，帶寬B10kHz的放大器，設(shè)環(huán)境溫度T300K，可求出熱噪聲電壓的有效值為9.1mV。若輸入

48、被測信號為微伏量級，將被熱噪聲所淹沒。 根據(jù)式(534)可知，降低熱噪聲的主要途徑是減小R和B。盡管降低溫度也有助于降低熱噪聲，但效果不明顯，例如，將電阻浸在液態(tài)氮(77K)中，熱噪聲電壓有效值也僅僅減小約50%。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室 2) )散粒噪聲散粒噪聲 散粒噪聲存在于電子管和半導(dǎo)體器件中。在電子管里，散粒噪聲來自陰極電子的隨機發(fā)射。在半導(dǎo)體器件中，散粒噪聲是越過PN結(jié)的載流子的隨機擴散和電子孔穴對的隨機產(chǎn)生與復(fù)合造成的。凡是具有PN結(jié)的元件均存在這種散粒噪聲。散粒噪聲使得流過電子管和PN結(jié)的電流出現(xiàn)小幅度的隨機波動。散粒噪聲電流的有效值在各頻率分量上皆相

49、等，也屬于白噪聲。散粒噪聲電流的瞬時幅值也服從正態(tài)分布，均值也為零。研究表明，在平均電流不太大、頻率不太高的條件下，散粒噪聲電流的功率譜密度函數(shù)為 )(355()/HzA(22dci qIfS式中：q1.6021019C為電子電荷量；Idc為平均直流電流。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室類似于推導(dǎo)式(534)，對于帶寬為B的測量裝置，流過其測量電路中的電子管或PN結(jié)的散粒噪聲電流的有效值可根據(jù)式(535)求出，為 )( )(3652dcinBqIBfSPI顯然，為了減小散粒噪聲的影響，Idc越小越好，尤其對于放大器的前置級。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究

50、室3) )接觸噪聲接觸噪聲 接觸噪聲發(fā)生在兩導(dǎo)體相連接的地方，是由于接觸點電導(dǎo)的隨機漲落引起的。凡是有導(dǎo)體接觸不理想的元器件，都存在接觸噪聲。接觸噪聲最早是在電子管的極板電流中發(fā)現(xiàn)的，稱為閃爍噪聲。后來在各種半導(dǎo)體器件中也發(fā)現(xiàn)了接觸噪聲。另外，導(dǎo)電材料的不連續(xù)也會產(chǎn)生接觸噪聲，如碳電阻，電流必須流過許多碳粒之間的接觸點，接觸噪聲就很嚴(yán)重，金屬膜電阻的接觸噪聲就要小得多，金屬絲線繞電阻則最小。接觸噪聲電流的有效值在各頻率分量上不相等，不屬于白噪聲。但接觸噪聲電流的瞬時幅值仍服從正態(tài)分布，均值仍為零。接觸噪聲電流的功率譜密度函數(shù)為 )( /Hz)(A)(23752dcifKIfS第5章 特種測量技

51、術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室式中：K為取決于接觸面材料類型和幾何形狀的系數(shù)。由于接觸噪聲電流的功率譜密度正比于1/f，所以接觸噪聲又稱為1/f噪聲。 根據(jù)式(537)可得，在f1和f2之間的頻段中，接觸噪聲電流的有效值為 12dc122dc2dcinlnlndd2121ffIKffKIffKIffSPIffff)()(385式中：，仍然由接觸面材料類型和幾何形狀決定?？梢?，接觸噪聲不像熱噪聲和散粒噪聲那樣取決于帶寬，而是取決于通頻帶的上、下限。 KK 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室由于接觸噪聲電流的功率譜密度函數(shù)正比于1/f，頻率越低，這種噪聲的功率譜密度越大，在低頻段

52、幅度可能很大，所以接觸噪聲又稱為低頻噪聲。當(dāng)頻率f趨于零時，由式(537)計算出的Si(f)趨于無窮大，這在實際中是不可能的。有人預(yù)計，當(dāng)頻率低到一定程度，如0.001Hz時，接觸噪聲的幅度趨于常數(shù)。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室3.電子器件的固有噪聲 實際的電子器件，往往是個綜合的噪聲源，也就是說，它們的內(nèi)部同時具有以上兩種或更多種噪聲。要確切地分析一個晶體三極管內(nèi)部噪聲的組合情況都十分困難(主要包括基區(qū)電阻的熱噪聲、基極電流和集電極電流的散粒噪聲、內(nèi)部電路與引腳之間的接觸噪聲等)，更何況對于包含成百上千個電阻、二極管、三極管等元件的集成電路，幾乎就不可能。所以在工程上

53、衡量電子器件的噪聲往往是測量綜合噪聲效果，不再區(qū)分具體的噪聲根源。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室例如圖525(a)所示的接信號源的放大器，其綜合噪聲等效電路可用圖525(b)表示。圖中，us為待放大的電壓信號，另外也給出了因信號源電阻Rs0而產(chǎn)生的熱噪聲電壓unt。類似于運算放大器的失調(diào)指標(biāo)，放大器的噪聲也要折算到輸入端。圖中uni和ini分別為折算到輸入端的噪聲電壓和噪聲電流。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室圖525 連接到信號源的放大器 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室一般電子器件的uni和ini可根據(jù)產(chǎn)品手冊計算出來。例如，集成

54、運放mA741輸入端的噪聲電壓、噪聲電流功率譜密度函數(shù)Su(f)、Si(f)的曲線如圖526所示，給定通頻帶時可用積分法求出uni和ini的有效值。圖中曲線左邊彎曲部分對應(yīng)1/f噪聲，右邊平坦部分對應(yīng)白噪聲(包括熱噪聲和散粒噪聲)。也有給出一組特定頻率下的典型噪聲值的，如給出1Hz或10Hz下1/f噪聲的大小供參考。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室圖526 mA741的噪聲特性 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室5.4.2 低噪聲放大器1.放大器的噪聲系數(shù)及最佳源電阻 通常用噪聲系數(shù)F來衡量放大器的噪聲特性，其定義為 )( )/()/(395oiNSNSF即

55、輸入信噪比與輸出信噪比的比值。顯然，F(xiàn)越小越接近于1越好。 對于圖525(b)所示的放大器綜合噪聲等效電路，可求出其噪聲系數(shù)為 )( 40541s2s2ni2ni2nt2s2ni2ni2ntBkTRRIUURIUUF式中：Unt、Uni、Ini分別為unt、uni、ini的有效值。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室根據(jù)式(540)可知，噪聲系數(shù)與信號源電阻Rs有關(guān)，Rs太大或太小，都會導(dǎo)致F過大，只有取一個合適的值，即所謂的最佳源電阻，才能獲得最佳的噪聲系數(shù)，此時稱為實現(xiàn)了噪聲匹配。令F/Rs0，可得最佳源電阻為 )(415ninioptIUR將式(541)代入式(540)可

56、得，在最佳源電阻下的噪聲系數(shù)為 )( 42521niniminkTBIUF第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室2.有源器件的選擇 根據(jù)前面介紹可知，選擇有源器件時，應(yīng)使最佳源電阻Ropt約等于信號源電阻Rs，以便在直接耦合方式下達到噪聲匹配，使電路的噪聲系數(shù)最小。一般來說，雙極型晶體管的Uni較小，比較適合Rs較小的情況，而場效應(yīng)管的Ini較小，比較適合Rs較大的情況。圖527為各種有源器件適用的源電阻范圍。 當(dāng)源電阻很小時，應(yīng)該考慮使用變壓器耦合，以實現(xiàn)噪聲匹配，這將在后面介紹。 目前也出現(xiàn)了一些低噪聲的集成運算放大器，如采用超b管作輸入級的高精度集成運算放大器mA725。其他

57、低噪聲集成運算放大器還有OP27，OP37等。可根據(jù)情況選用。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室圖527 各種有源器件適用的源電阻范圍 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室3.偏置電路低噪聲設(shè)計 通常的電阻分壓式直流偏置電路會產(chǎn)生較大的熱噪聲和1/f噪聲。為此，除了采用1/f噪聲比較低的電阻外，還可采用圖528所示的低噪聲偏置電路。偏置電阻中只有R5的噪聲有影響，R1和R2產(chǎn)生的噪聲被旁路電容C2所吸收。而流經(jīng)R5的電流比較小，R5產(chǎn)生的1/f噪聲比直接將R5短路(當(dāng)然也就沒有C2，即通常的電阻分壓式直流偏置電路)時R1和R2共同產(chǎn)生的1/f噪聲要小。為了較好的

58、吸收R1和R2產(chǎn)生的噪聲，C2要足夠大。另外，對低噪聲放大器來說，C1和C3僅滿足電路頻率響應(yīng)的要求是很不夠的，須進一步增大。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室圖圖528 低噪聲偏置電路低噪聲偏置電路第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室圖529 通過信號源進行偏置 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室圖530 射頻電路偏置 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室4.直流工作點低噪聲設(shè)計對于直接與信號源連接的直接耦合式放大器，在選定有源器件后，還必須選擇合適的工作點，才能使放大器的噪聲系數(shù)達到最小值。通過調(diào)整放大器的工作點來減小噪聲系數(shù)的

59、依據(jù)是式(541)，因為放大器輸入端的噪聲電壓和噪聲電流的有效值Uni和Ini不僅與通頻帶有關(guān)，還與直流工作點有關(guān)。 如圖531所示，是在頻率f1kHz的條件下，晶體管2N4250的噪聲系數(shù)隨集電極電流IC變化的曲線。可以看出，對每個特定的Rs，都有一個使噪聲系數(shù)最小的IC。所以，當(dāng)信號源電阻一定時，可通過改變直流工作點來實現(xiàn)噪聲匹配。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室圖圖531 2N4250的的F- -IC曲線曲線第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室 5.利用變壓器實現(xiàn)噪聲匹配 當(dāng)信號源電阻與放大器的最佳源電阻存在較大差異，想通過在信號源的輸出端串、并聯(lián)電阻來

60、改變信號源電阻，從而實現(xiàn)噪聲匹配，是根本行不通的。信號源輸出端的串、并聯(lián)電阻對有用信號和信號源電阻熱噪聲的衰減量相同，但有用信號與放大器噪聲之比也衰減了，而且串、并聯(lián)電阻本身還要產(chǎn)生噪聲，所以只會使噪聲系數(shù)增大。 而根據(jù)圖531可知，通過改變直流工作點實現(xiàn)噪聲匹配有一定的局限性，因為盡管對特定的信號源電阻可實現(xiàn)噪聲系數(shù)最小，但未必就是該放大器能夠?qū)崿F(xiàn)的最小噪聲系數(shù)。此外，在檢測系統(tǒng)中經(jīng)常使用源電阻很低的傳感器，如熱電偶，這時通過改變直流工作點實現(xiàn)噪聲匹配就可能非常困難。還有一些傳感器源電阻很大，也會給噪聲匹配帶來困難。 第5章 特種測量技術(shù) 西電科大信息處理所測控研究室此時，可考慮利用變壓器進