第5章 特種測(cè)量技術(shù)

1、第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室第5章 特種測(cè)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(cè)量峰值測(cè)量 5.3 有效值測(cè)量有效值測(cè)量 5.4 微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) 5.5 利用噪聲進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)利用噪聲進(jìn)行信號(hào)檢測(cè) 5.6 反饋測(cè)量技術(shù)反饋測(cè)量技術(shù) 思考與練習(xí)題思考與練習(xí)題 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)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(guò)程采樣過(guò)程采樣過(guò)程就是抽取連續(xù)變化信號(hào)瞬時(shí)值的過(guò)程，允許以固采樣過(guò)程就是抽取連續(xù)變化信號(hào)瞬時(shí)值的過(guò)程，允許以固定的頻率進(jìn)行，也允許以變化的頻率或隨機(jī)進(jìn)行，通常是以固定的頻率進(jìn)行，也允許以變化

2、的頻率或隨機(jī)進(jìn)行，通常是以固定的頻率進(jìn)行的。定的頻率進(jìn)行的。采樣過(guò)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(hào)x(t)；控制信號(hào)為圖5-1(c)所示的周期為T、采樣時(shí)間為的矩形脈沖信號(hào)T(t)。可將采樣器看做一個(gè)開關(guān)，當(dāng)控制脈沖到來(lái)時(shí)開關(guān)閉合，采樣器的輸出y(t)=x(t)，其他時(shí)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(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室通常，采樣周期T比采樣時(shí)間大得多，即可以認(rèn)為 0，而采樣器的輸出信號(hào)可認(rèn)為是一非常窄的脈沖序列，其包絡(luò)線與輸入信號(hào)相吻合。亦即可以將控制信號(hào)T(t)看做周期為

3、T的單位脈沖序列，即 )()()(15nTnTtt而將輸出信號(hào)看作是輸入信號(hào)與控制信號(hào)的乘積，即 )()()()()()()()(25nnTnTtnTxnTttxttxty第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室圖51 采樣過(guò)程 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室模擬信號(hào)模擬信號(hào)采樣采樣量化量化編碼編碼數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)( )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(guò)程轉(zhuǎn)換過(guò)程第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室信號(hào)輸入和數(shù)據(jù)采集卡件傳感器和信號(hào)傳感器和信號(hào) 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(hào)電壓信號(hào)微伏，毫伏，伏微伏，毫伏，伏 電流信號(hào)電流信號(hào)4 20 mA, 0 20 mA4 20 mA, 0 20 mA 數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)信號(hào)調(diào)理信號(hào)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(lì)傳感器激勵(lì)冷端補(bǔ)償冷端補(bǔ)償?shù)?章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)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(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)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(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)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(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室信號(hào)采樣與系統(tǒng)還原信號(hào)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(hào)數(shù)字信號(hào)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(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室2.采樣定理 將采樣器的輸出信號(hào)y(t)與輸入信號(hào)x(t)進(jìn)行比較可以看出，當(dāng)x(t)隨時(shí)間變化很快，而采樣周期T較長(zhǎng)時(shí)，在采樣過(guò)程中某些信息可能丟失。采樣定理指出，對(duì)于一個(gè)頻

7、帶寬度為有限寬(0wc)的連續(xù)信號(hào)進(jìn)行采樣，當(dāng)采樣角頻率ws2wc時(shí)，由采樣后得到的輸出函數(shù)才可能無(wú)失真地恢復(fù)到原始信號(hào)。 下面證明這條定理。因?yàn)榭刂菩盘?hào)T(t)為周期函數(shù)，故可展開成傅氏級(jí)數(shù)的形式，即 )( )(35esjmtmmTCtw第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室式中： Cm為傅氏系數(shù)，其表達(dá)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(cè)量

8、技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室假設(shè)輸入信號(hào)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(hào)y(t)的傅氏變換為 )()()(65e1sjmtmtxTtyw假設(shè)輸入信號(hào)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(hào)y(t)的傅氏變換為 msmtmtmXTttxTttyY)()()()()(wwwwwwj1de1dejsjj（5-7） 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)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(hào)，則y(t)的頻譜是x(t)的頻譜在wmws(m0，1，2，)處的無(wú)限

9、次重復(fù)，只不過(guò)每次重復(fù)時(shí)幅度皆為原來(lái)的1/T。當(dāng)ws2wc時(shí)，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(guò)截止角頻率為wc的理想低通濾波器，可得到原始信號(hào)的頻譜，也就能恢復(fù)原始信號(hào)。當(dāng)ws2wc時(shí)，如圖52(d)所示，各重復(fù)譜之間產(chǎn)生重疊，無(wú)法用低通濾波器得到原始信號(hào)的頻譜，也就無(wú)法恢復(fù)原始信號(hào)。 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室圖圖52輸入信號(hào)輸入信號(hào)x(t)的頻譜和采樣輸出信號(hào)的頻譜和采樣輸出信號(hào)y(t)的頻譜的頻譜第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室所以，為了使m=0處的原始信號(hào)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(shí)際上不可能得到理想的低通濾波器，所以實(shí)際應(yīng)用時(shí)采樣頻率要比輸入信號(hào)的頻率上限高許多倍，如高45倍甚至1012倍。 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)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(jiǎn)化分析，再設(shè)其輸入信號(hào)為正弦信號(hào)，即Ui(t)Umsin(2pft)。此信號(hào)的最大變化率發(fā)生在電壓過(guò)零處，其值為 )( )(952d

11、dm0ifUttUt第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室 若A/D轉(zhuǎn)換器每進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換需要的時(shí)間為t，則要求在t時(shí)間內(nèi)輸入信號(hào)的最大改變量不能超過(guò)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(hào)發(fā)生變化，不僅可能造成很大誤差，甚至無(wú)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(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)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(shí)所允許的最高頻率為 )(1152mmaxtUEf對(duì)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。可見，A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，對(duì)既定的轉(zhuǎn)換時(shí)間而言，轉(zhuǎn)換器所能直接處理的正弦輸入信號(hào)的頻率越低。因此，將模擬信號(hào)直接輸入到A/D轉(zhuǎn)換器是不合適的。 將模擬信號(hào)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(hào)。 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)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(hào)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(hào)。 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(hào)，并盡可能精確地跟蹤輸入信號(hào)的變化，直到接到保持指令為止。 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)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(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室 2) )保持狀態(tài)保持狀態(tài) 對(duì)接到保持指令前一瞬間的輸入信號(hào)值進(jìn)行保持，直到接到下一個(gè)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(hào)相同，并跟蹤輸入信號(hào)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(yùn)放組成。 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)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(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)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(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室5.1.3 5.1.3 采樣采樣保持器的工作過(guò)程分析保持器的工作過(guò)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(shí)刻相等，但實(shí)際上并非如此，還存在著下列非理想指標(biāo)。 1) 建起時(shí)間建起時(shí)間表示當(dāng)輸入從零到滿刻度的階躍信號(hào)時(shí)，輸出信號(hào)進(jìn)入并穩(wěn)定在允許的誤差帶內(nèi)所經(jīng)歷的時(shí)間，如圖5-6所示。 影響建起時(shí)間的主要因素是充電時(shí)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(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)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(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室2) 失調(diào)電壓失調(diào)電壓表示在零輸入時(shí)輸出對(duì)零的偏離程度，是時(shí)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(shí)際輸出輸入特性偏離線性特性的程度。 第

16、5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)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(guò)程中所出現(xiàn)的誤差。由于模擬開關(guān)有一定的動(dòng)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(shí)間延遲，通常稱為孔徑時(shí)間，用tA表示。由于孔徑時(shí)間的存在，采樣時(shí)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(dá)以后又經(jīng)歷了tA時(shí)輸入信號(hào)的瞬時(shí)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(shí)間在連續(xù)多次切換時(shí)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(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室圖圖5-7 從采樣

17、到保持的渡越過(guò)程曲線從采樣到保持的渡越過(guò)程曲線 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)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(duì)于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管模擬開關(guān)，當(dāng)控制信號(hào)將開關(guān)斷開時(shí)，模擬開關(guān)的極間(柵漏間或柵源間)電容將引起對(duì)控制電壓的微分而形成開關(guān)尖峰電壓，它對(duì)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(hào)邏輯電平轉(zhuǎn)換時(shí)的電壓改變量；s為比例系數(shù)，它是通過(guò)尖峰補(bǔ)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(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室3.保持期

18、間 由于泄漏電流的存在，實(shí)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(jìn)入保持狀態(tài)時(shí)保持電容上的電壓；RC，RRoff/Ra/Ri。 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)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(guò)大，應(yīng)使 遠(yuǎn)大于保持時(shí)間。此時(shí)，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(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室4.保持到采樣的渡越1) )探測(cè)時(shí)間探測(cè)時(shí)間 它是指當(dāng)控制信號(hào)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?lái)的保持值過(guò)渡到與輸入信號(hào)的差別小于給定誤差所需要的時(shí)間，用tg表示。它包括模擬開關(guān)的導(dǎo)通延遲時(shí)間和保持電容的充電時(shí)間兩部分。顯然，采樣時(shí)間必須大于探測(cè)時(shí)間，才能保證在采樣階段采集到所需的輸入信號(hào)。 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室2) 保持到采樣的瞬態(tài)響應(yīng)控制信號(hào)從“保持”電平轉(zhuǎn)變?yōu)椤?/p>

20、采樣”電平時(shí)，模擬開關(guān)的極間電容同樣會(huì)引起對(duì)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(duì)保持電容進(jìn)行充電(圖5-8中未畫出)。如果輸入信號(hào)的變化比較小， 可能會(huì)造成比較嚴(yán)重的影響。 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室圖5-8 從保持到采樣的渡越過(guò)程曲線 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)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(hào)為高電平，三極管T1、T2截止，電阻R1上無(wú)電流，場(chǎng)效應(yīng)管T3柵、漏之間無(wú)電壓即零偏置，所以T3導(dǎo)通；輸入緩沖器A1的輸出信號(hào)經(jīng)電阻R2向保持電容C充電，

21、在探測(cè)時(shí)間內(nèi)充電到所需精度，然后跟蹤輸入信號(hào)的變化。控制信號(hào)為低電平時(shí)轉(zhuǎn)入保持狀態(tài)，T1、T2導(dǎo)通，T3截止；輸出緩沖器A2對(duì)記憶在C上的電壓進(jìn)行緩沖和電壓跟隨。 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)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(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室采用高上升速率的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管輸入級(jí)集成運(yùn)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(duì)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(diǎn)是探測(cè)時(shí)間和建起時(shí)間較短，適于對(duì)快變信號(hào)的采樣和保持。主要缺點(diǎn)是A1獨(dú)立工作，會(huì)引入一定的誤差。 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)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(shí)現(xiàn)方案有下列三種。1) )方案方案1。如圖510所示，將兩個(gè)集成運(yùn)放包容在一個(gè)反饋回路中，形成閉環(huán)。此方案的優(yōu)點(diǎn)是輸入阻抗高，缺點(diǎn)是會(huì)引入共模干擾誤差。 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室圖圖510 兩個(gè)運(yùn)放包容在一個(gè)反饋回路中兩個(gè)運(yùn)放包容在一個(gè)反饋回路中第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室2) )方案方案2。如圖511所示，將保持電容置于運(yùn)算放大器的反饋回路中。

23、此方案的優(yōu)點(diǎn)也是輸入阻抗高，缺點(diǎn)仍然是會(huì)引入共模干擾誤差。 圖圖511 保持電容置于運(yùn)算放大器的反饋回路中保持電容置于運(yùn)算放大器的反饋回路中 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)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(diǎn)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(shí)間盡可能?。?缺點(diǎn)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(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室使用補(bǔ)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(gè)數(shù)量級(jí)，因?yàn)榇藭r(shí)C1漏電流的影響大體上可被

24、C2的漏電流所補(bǔ)償。 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室圖圖513 用補(bǔ)償電容改善采樣用補(bǔ)償電容改善采樣保持器性能保持器性能 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室圖514所示是利用補(bǔ)償電容改善模擬式閉環(huán)采樣保持器性能的實(shí)際電路原理圖。采樣期間，控制信號(hào)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(wú)電流，使場(chǎng)效應(yīng)管T2處于零偏狀態(tài)而導(dǎo)通。T2導(dǎo)通又使得場(chǎng)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(shí)，電容C2通過(guò)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(chǎng)效應(yīng)管T1的柵源電壓為正而截止。輸入緩沖器A1通過(guò)T2、T3處于電壓跟隨狀態(tài)，輸出緩沖器A2則通過(guò)T3處于電壓跟隨狀態(tài)，從而使整個(gè)電路處于對(duì)輸入信號(hào)的采樣跟蹤狀態(tài)。 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室圖圖5-14 用補(bǔ)償電容改善采樣用補(bǔ)償電容改善采樣保持器性能的實(shí)際電路原理圖保持器性能的實(shí)際電路原理圖 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室保持期間，各二極管和場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通截止?fàn)顟B(tài)正好相反。此時(shí)，A1通過(guò)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(shí)上C2兩端電壓在緩慢變化，采用高質(zhì)量的電容時(shí)，主要是由于T3

26、漏電流Ioff3和A2反相端偏置電流IB的影響。可是，受T2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(shí)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(bǔ)償，故須采用高質(zhì)量的電容器。 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)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(hào)為“0”，與門電路輸出始終為“0”，可逆計(jì)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(hào)為“1”，若Uo小于輸入電壓Ui，則比較器輸出高電平，有升計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)，無(wú)降計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)，可逆計(jì)數(shù)器輸出增加，反之，可逆計(jì)數(shù)器輸出減??；直到Uo等于Ui，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入信號(hào)的跟蹤。 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室數(shù)字式采樣保持器的突出優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)任意長(zhǎng)的保持周期，沒(méi)有下垂現(xiàn)象。另外，它沒(méi)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(diǎn)是初始探測(cè)時(shí)間比模擬式采樣保持器要長(zhǎng)得多。因?yàn)闀r(shí)鐘周期的選擇受可逆計(jì)數(shù)

28、器計(jì)數(shù)速率的影響，不能太小。對(duì)零到滿刻度的階躍輸入信號(hào)，由于計(jì)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(cè)時(shí)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(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)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(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室5.2 峰峰 值值 測(cè)測(cè) 量量 5.2.1 5.2.1 峰值測(cè)量的意義峰值測(cè)量的意義在軋鋼過(guò)程中，軋機(jī)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(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鋼坯在進(jìn)入軋輥的短暫過(guò)程中，軋制力F隨時(shí)間t的變化曲線如圖5-16所示?？梢?， 軋機(jī)在“咬鋼

29、”過(guò)程中承受的是沖擊負(fù)荷。盡管沖擊負(fù)荷的持續(xù)時(shí)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(guò)軋機(jī)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(jìn)行，應(yīng)及時(shí)而準(zhǔn)確地將軋制力峰值Fp測(cè)量出來(lái)，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(cè)量、核工程中的高強(qiáng)度沖擊力的測(cè)量等最后都?xì)w結(jié)為峰值測(cè)量技術(shù)問(wèn)題。對(duì)于周期信號(hào)，還可通過(guò)測(cè)量峰值得到其有效值的大小。因此峰值測(cè)量技術(shù)在工程中占有很重要的地位。 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室圖圖516 軋制力隨時(shí)間的變化軋制力隨時(shí)間的變化 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室由于一般的自動(dòng)檢測(cè)儀表都

30、具有一定的慣性，跟不上被測(cè)參數(shù)的快速變化，難以用來(lái)直接對(duì)隨時(shí)間迅速變化的參數(shù)的峰值進(jìn)行精確的測(cè)量。為此，工程中常采用如圖5-17所示的峰值測(cè)量方法。它需要用動(dòng)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?hào)，并用峰值保持器將放大后的信號(hào)的峰值保持下來(lái)，最后由自動(dòng)檢測(cè)儀表對(duì)被測(cè)量的峰值進(jìn)行指示和記錄?？梢姺逯禍y(cè)量的關(guān)鍵是要有動(dòng)態(tài)響應(yīng)良好的傳感器和峰值保持器。 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室圖圖5-17 峰值測(cè)量方法框圖峰值測(cè)量方法框圖 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)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(hào)Uo跟蹤輸入信號(hào)Ui到峰值，并自動(dòng)保持下來(lái)，以后只有當(dāng)輸入信號(hào)超過(guò)先前所保持的峰值時(shí)，輸出才繼續(xù)跟蹤輸入信號(hào)，一直到新的峰值。因此，峰值保持器的輸出最終是輸入信號(hào)的最大值。峰值保持器的波形如圖518所示。 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)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(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)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(yùn)放A

32、1的開環(huán)增益。 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室將式(517)代入式(516)得 )(1851odD1odCCiAUAUUU忽略式(518)左邊的UC/Aod1項(xiàng)，得 )(195DCiUUU式中：UDUD/Aod1稱為二極管的等效導(dǎo)通電壓。對(duì)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(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室因此可以說(shuō)，二極管D的導(dǎo)通或截止取決于Ui和UC的差值。當(dāng)UiUC0時(shí)D導(dǎo)通，A1工作在電壓跟隨狀態(tài)，A1的輸出經(jīng)D對(duì)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(dòng)保持下來(lái)。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(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)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(huì)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(hào)的變化速度和對(duì)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(guò)選用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管輸入級(jí)集成運(yùn)放及高質(zhì)量的保持電容來(lái)實(shí)現(xiàn)。

34、 將圖519中的二極管D之正、負(fù)極對(duì)調(diào)，則可得到同相型負(fù)峰值保持器。 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)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(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)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(shí)集成運(yùn)放A1的輸出經(jīng)D對(duì)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(shí)Ui的變化不影響UC，因此UC跟蹤Ui到峰值便自動(dòng)保持下來(lái)。D的導(dǎo)通和截止取決于Ui和UC的差值，當(dāng)(UiUC)UD時(shí)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(gè)同相型峰值保持器加一個(gè)反相器。 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)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(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)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(gè)同相型低漂移率峰值保持器的實(shí)用電路原理圖。A2選用場(chǎng)效應(yīng)管輸入級(jí)集成運(yùn)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(dòng)容性負(fù)載能力的集成運(yùn)放。當(dāng)二極管D2導(dǎo)通時(shí)場(chǎng)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(shí)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(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室圖521 同相型低漂移率峰值保持器第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室2.高速峰值保持器 如圖522所示，是一個(gè)高速峰值保持器的實(shí)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(diǎn)。A2采用場(chǎng)效應(yīng)管輸入級(jí)高速集成運(yùn)放，有利于提高整個(gè)電路的工作速度和減小下垂速度。場(chǎng)效應(yīng)管T1與電阻R3組成恒流源，以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(chǎng)效應(yīng)管T2、T3皆接成二極管形式。當(dāng)Uo小于Ui時(shí)，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(duì)C充電。一旦Uo超過(guò)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(hào)的峰值保持住。場(chǎng)效應(yīng)管T4用于復(fù)位，當(dāng)復(fù)位指令出現(xiàn)時(shí)，T4導(dǎo)通，C通過(guò)T4放電，清除以前保持的峰值。 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室圖522 高速峰值保持器 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)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(chǎng)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(yǔ)言)來(lái)實(shí)現(xiàn)。由A/D轉(zhuǎn)換器(帶采樣保持電路)得到的數(shù)字信號(hào)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(lái)自數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中的數(shù)據(jù)一起送入數(shù)據(jù)比較模塊進(jìn)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(chǔ)模塊中的數(shù)據(jù)，比較標(biāo)志模塊產(chǎn)生標(biāo)志信號(hào)，該信號(hào)將數(shù)據(jù)緩沖模塊中的數(shù)據(jù)打入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊(來(lái)自接口電路的控制信號(hào)在開始測(cè)量前將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中的數(shù)據(jù)置0)，反之，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中的數(shù)據(jù)保持不變。這種峰值保持器沒(méi)有下垂現(xiàn)象，但對(duì)A/D轉(zhuǎn)換速度要求較高。 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室圖523 數(shù)字式峰值保持器 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室5.3 有效值測(cè)量有效值測(cè)量 5.3.1 5.3.1 有效值測(cè)量的意義有效值測(cè)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(dòng)有效值等量的定義類似)為 )( 215d102TtuTU式中：u為隨時(shí)間周期變化或任意變化的電壓的瞬時(shí)值；T為信號(hào)變化周期或信號(hào)從加入到穩(wěn)定指示所需要的時(shí)間。 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室5.3.2 有效值檢測(cè)電路的工作原理 1.有效值檢測(cè)電路的硬件實(shí)現(xiàn) 一種通用性較強(qiáng)的硬件實(shí)現(xiàn)方法是，用晶體三極管作為對(duì)數(shù)元件，通過(guò)對(duì)數(shù)反對(duì)數(shù)運(yùn)算完成均方根變換。圖524為有效值檢測(cè)電路的原理圖，圖中求絕對(duì)值的電路可用第4章介紹的精密整流電路實(shí)現(xiàn)，不再贅述。 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室圖圖524 有效值檢測(cè)電路原理圖有效值檢測(cè)電路原理圖 第5章 特種測(cè)量技

40、術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室從圖524可知，對(duì)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(duì)其對(duì)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(jiǎn)化為 )( 2354231 iii i第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室 由于晶體管作為對(duì)數(shù)元件

41、使用時(shí)只允許電流單向流動(dòng)，所以需要采用絕對(duì)值電路以提供單極性信號(hào)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(dá)式代入式(523)，得 )( |245ddoo2212i13tuuRCRu第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室亦即 )(2552dd2i112132ouCRRRtu由式(525)可解得輸出信號(hào)uo(t)在tT時(shí)刻的值uo(T)滿足 )( )()()(

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

43、圖524所示。測(cè)量方法是，在t0時(shí)刻，同時(shí)將K1和K2由閉合狀態(tài)轉(zhuǎn)換為斷開狀態(tài)，i4開始對(duì)C充電。在tTR1C/2時(shí)刻，將K2由斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)換為閉合狀態(tài)，停止對(duì)C充電，輸出進(jìn)入保持狀態(tài)。對(duì)輸出采樣測(cè)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(jìn)行下一次測(cè)量。 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室 2.有效值檢測(cè)電路的軟件實(shí)現(xiàn) 軟件實(shí)現(xiàn)有效值測(cè)量的思路是，將被測(cè)信號(hào)放大后用A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，用軟件實(shí)現(xiàn)均方根運(yùn)算。為了方便，先假設(shè)被測(cè)信號(hào)是周期信號(hào)，周期為T；采樣也是周期性的，采樣時(shí)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(shí)，可

44、以證明，按下式求得的U值，即為被測(cè)信號(hào)的有效值。 )( 295112kmmukU第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室其證明非常簡(jiǎn)單，因?yàn)?)( 305111121212kmmkmmkmmtuTtutkuk當(dāng)k時(shí)，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(cè)信號(hào)，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(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室5.4 微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) 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(hào)與噪聲總是疊加在一起的，任何時(shí)候都不可能完全沒(méi)有噪聲，所以用信噪比來(lái)評(píng)價(jià)信號(hào)的品質(zhì)

45、優(yōu)劣，信噪比S/N定義為有用信號(hào)功率與噪聲功率之比(也有用電壓比來(lái)表示的，但本節(jié)皆用功率比來(lái)表示)。但是，如何評(píng)價(jià)一個(gè)放大器或者一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的影響呢？當(dāng)信號(hào)通過(guò)一個(gè)放大器或者一個(gè)測(cè)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(lái)描述放大器或測(cè)試系統(tǒng)對(duì)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(shí)間周期變化或任意變化的電壓的瞬時(shí)值；T為信號(hào)變化周期或信號(hào)從加入到穩(wěn)定指示所需要的時(shí)間。 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)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(méi)有連接到

46、信號(hào)源或電源，其兩端也會(huì)出現(xiàn)很微弱的電壓波動(dòng)，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(jī)熱運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致電阻兩端電荷的瞬時(shí)堆積，形成噪聲電壓。熱噪聲電壓的瞬時(shí)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(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)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(duì)溫度。 根據(jù)式(532)可以看出，當(dāng)f高到一定程度，Su(f)會(huì)逐漸減小。但是在室溫下(T300K)，當(dāng)f0.1kT/h1012Hz

47、時(shí)，有ehf/(kT)1hf/(kT),代入式(532)得 )()(3354u kTRfS即Su(f)與f無(wú)關(guān)。一般檢測(cè)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(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)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(duì)于帶寬為B的測(cè)量裝置，其測(cè)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(duì)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(cè)信號(hào)為微伏量級(jí)，將被熱噪聲所淹沒(méi)。 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(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)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(lái)自陰極電子的隨機(jī)發(fā)射。在半導(dǎo)體器件中，散粒噪聲是越過(guò)PN結(jié)的載流子的隨機(jī)擴(kuò)散和電子孔穴對(duì)的隨機(jī)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(guò)電子管和PN結(jié)的電流出現(xiàn)小幅度的隨機(jī)波動(dòng)。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(shí)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(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室類似于推導(dǎo)式(534)，對(duì)于帶寬為B的測(cè)量裝置，流過(guò)其測(cè)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(duì)于放大器的前置級(jí)。 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)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(diǎn)電導(dǎo)的隨機(jī)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(lái)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(huì)產(chǎn)生接觸噪聲，如碳電阻，電流必須流過(guò)許多碳粒之間的接觸點(diǎn)，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(shí)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(cè)量技

51、術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)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(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)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(shí)，由式(537)計(jì)算出的Si(f)趨于無(wú)窮大，這在實(shí)際中是不可能的。有人預(yù)計(jì)，當(dāng)頻率低到一定程度，如0.001Hz時(shí)，接觸噪聲的幅度趨于常數(shù)。 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室3.電子器件的固有噪聲 實(shí)際的電子器件，往往是個(gè)綜合的噪聲源，也就是說(shuō)，它們的內(nèi)部同時(shí)具有以上兩種或更多種噪聲。要確切地分析一個(gè)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(duì)于包含成百上千個(gè)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(cè)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(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室例如圖525(a)所示的接信號(hào)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(hào)，另外也給出了因信號(hào)源電阻Rs0而產(chǎn)生的熱噪聲電壓unt。類似于運(yùn)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(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室圖525 連接到信號(hào)源的放大器 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室一般電子器件的uni和ini可根據(jù)產(chǎn)品手冊(cè)計(jì)算出來(lái)。例如，集成

54、運(yùn)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(shí)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(duì)應(yīng)1/f噪聲，右邊平坦部分對(duì)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(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室圖526 mA741的噪聲特性 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)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(lái)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(duì)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(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室根據(jù)式(540)可知，噪聲系數(shù)與信號(hào)源電阻Rs有關(guān)，Rs太大或太小，都會(huì)導(dǎo)致F過(guò)大，只有取一個(gè)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(shí)稱為實(shí)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(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)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(shí)，應(yīng)使最佳源電阻Ropt約等于信號(hào)源電阻Rs，以便在直接耦合方式下達(dá)到噪聲匹配，使電路的噪聲系數(shù)最小。一般來(lái)說(shuō)，雙極型晶體管的Uni較小，比較適合Rs較小的情況，而場(chǎng)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(shí)，應(yīng)該考慮使用變壓器耦合，以實(shí)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(yùn)算放大器，如采用超b管作輸入級(jí)的高精度集成運(yùn)算放大器mA725。其他

57、低噪聲集成運(yùn)算放大器還有OP27，OP37等?？筛鶕?jù)情況選用。 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)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(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室3.偏置電路低噪聲設(shè)計(jì) 通常的電阻分壓式直流偏置電路會(huì)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(méi)有C2，即通常的電阻分壓式直流偏置電路)時(shí)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(duì)低噪聲放大器來(lái)說(shuō)，C1和C3僅滿足電路頻率響應(yīng)的要求是很不夠的，須進(jìn)一步增大。 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)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(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室圖529 通過(guò)信號(hào)源進(jìn)行偏置 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室圖530 射頻電路偏置 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室4.直流工作點(diǎn)低噪聲設(shè)計(jì)對(duì)于直接與信號(hào)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(diǎn)，才能使放大器的噪聲系數(shù)達(dá)到最小值。通過(guò)調(diào)整放大器的工作點(diǎn)來(lái)減小噪聲系數(shù)的

59、依據(jù)是式(541)，因?yàn)榉糯笃鬏斎攵说脑肼曤妷汉驮肼曤娏鞯挠行е礥ni和Ini不僅與通頻帶有關(guān)，還與直流工作點(diǎn)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?？梢钥闯?，對(duì)每個(gè)特定的Rs，都有一個(gè)使噪聲系數(shù)最小的IC。所以，當(dāng)信號(hào)源電阻一定時(shí)，可通過(guò)改變直流工作點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)噪聲匹配。 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室圖圖531 2N4250的的F- -IC曲線曲線第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室 5.利用變壓器實(shí)現(xiàn)噪聲匹配 當(dāng)信號(hào)源電阻與放大器的最佳源電阻存在較大差異，想通過(guò)在信號(hào)源的輸出端串、并聯(lián)電阻來(lái)

60、改變信號(hào)源電阻，從而實(shí)現(xiàn)噪聲匹配，是根本行不通的。信號(hào)源輸出端的串、并聯(lián)電阻對(duì)有用信號(hào)和信號(hào)源電阻熱噪聲的衰減量相同，但有用信號(hào)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(huì)使噪聲系數(shù)增大。 而根據(jù)圖531可知，通過(guò)改變直流工作點(diǎn)實(shí)現(xiàn)噪聲匹配有一定的局限性，因?yàn)楸M管對(duì)特定的信號(hào)源電阻可實(shí)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(cè)系統(tǒng)中經(jīng)常使用源電阻很低的傳感器，如熱電偶，這時(shí)通過(guò)改變直流工作點(diǎn)實(shí)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(huì)給噪聲匹配帶來(lái)困難。 第5章 特種測(cè)量技術(shù) 西電科大信息處理所測(cè)控研究室此時(shí)，可考慮利用變壓器進(jìn)