基于虚拟仪器技术的弱信号测试系统研究

《基于虚拟仪器技术的弱信号测试系统研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、西南交通大学硕士研究生学位论文第3页微弱信号检测中心是我国最早开展微弱信号检测技术研究工作的单位之一。但是专用的微弱信号检测设备因造价昂贵而大大限制了它的应用范围。目前常见的微弱信号检测设备有低噪声放大器、锁相放大器、取样积分器等。低噪声放大器对于微弱信号检测仪器或设备，前置放大器是引入噪声的主要部件之一【2】。根据多年的经验和公式推导，整个测试系统的噪声系数主要取决于前置放大器的噪声系数。因此，仪器可检测的最小信号也主要取决于前置放大器的噪声。低噪声前置放大器是任何一个微弱信号检测仪器及装置中的关键部件之一。随着半导体工艺与技术的发

2、展，低噪声放大器的性能得到了极大的提升。锁定放大器(Lock．inamplifier，LIA)完成正弦信号幅度及相位检测的相关检测装置，自1962年第一台仪器问世后，在科学研究的各个领域有很广泛的用途。目前，这种仪器是微弱信号检测仪器中一个十分重要的品种。已经有很多厂家生产这种仪器，并在世界各地得到广泛应用。取样积分器是在50年代初由英国的神经专家德尔森(Dawson)提出，并最早于1962年出现，它同样在各个领域中获得了广泛的应用。1．3本文研究的主要内容针对在生物与医学诊断方面需要检测己知周期的微弱信号波形的需求，本文首先分析和论

3、述了噪声的统计特性及常用的微弱信号检测理论，接着对数字平均法检测微弱信号波形的方法进行了较为深入的探讨，分析了传统的数字平均法的检测理论。由于传统的数字平均法在实现时，均需要外部触发信号的支持，以保证在对微弱信号采样时，每个信号周期具有相同的采样点，文中通过设定适当的参数，模拟产生类似的离散样点，以此来对传统的数字平均法进行仿真研究。然后，针对传统数字平均法的局限性，提出了不需要外部触发信号支持的样点筛选算法，并做了仿真研究。最后，设计了利用样点筛选法进行数字平均的微弱信号检测系统，设计了必需的信号调理电路，使用LabVIEW实现了数

4、据采集模块与数据处理模块程序的编写，并对系统进行了测试实验。西南交通大学硕士研究生学位论文第4页第二章噪声的特点及常用微弱信号检测理论2．1噪声的统计特性由于电路中电子及其它载流子的随机扰动，电路内部的噪声无处不在。电路外部的各种干扰也会在电路中感应出不同频率分布的噪声。无论是内部噪声或外部干扰，相对信号来讲都是噪声n-”。噪声随时间变化，其瞬时值是不确定的，无论对它的过去观测多长时间，仍然不能确切预测其未来的瞬时值。对于随机噪声，因为其取值不可预测，更不能用一个解析函数来定义，所以只能用概率和统计的方法来描述。统计方法侧重的是样本总

5、体的定量性质，而不是个体元素的性质。就随机噪声而言，样本可由其波形的大量连续取值组成。常用的概率和统计描述方法有概率密度以及均值、方差、均方值、相关函数等特征值u’5，。2．1．1噪声的概率分布电路中噪声是一种连续型随机变量，即它在某一时刻可能出现各种可能数值。噪声电压在t时刻的大小，只能用概率分布密度p(x)表示，它表示噪声电压x(f)在t时刻取值为X的概率。知道p0)后，就可以知道t时刻噪声电压取值在X，和X，之间的概率。工2尸(一

6、布，自然发生的许多随机量属于高斯分布。如果噪声是由很多相互独立的噪声源产生的综合结果，则根据中心极限定理，该噪声服从高斯分布。一种典型的信号处理问题是消除信号中的噪声，或者把噪声从信号中分离开来，这时经常假设干扰噪声为高斯分布，这种假设具有一定的合理性“1。高斯分布的概率分布密度函数可以表示为贴，=壶唧[一等]式中，以为X的均值；仃，2为z的方差。(2．2)西南交通大学硕士研究生学位论文第5页高斯分布的噪声不一定是白噪声，白噪声的幅度分布也不一定是高斯分布。式(2．2)说明，高斯分布的噪声电压瞬时值的幅度理论上可以取任何值，但幅度越大

7、则概率越低。当x偏离以较大时，p(工)迅速减少。满足Ix-ju，I>‰的概率为刊X--]．1xl>Xo)=1q丽1H一譬卜㈦3，考虑零均值噪声，在不同‰／吒情况下，H的取值超过‰的概率如表2·1所示。表2—1零均值高斯噪声幅值超过‰的概率X0／O"x1．6452．5763．2913．8904．417e(IxI>Xo)0．10．010．0010．00010．00001由表2一l可以看出，高斯分布的电路噪声瞬时取值超过从±3．3仃，的概率小于0．1％，因此在处理一些实际问题时，可以假设p(x)的取值在以±3．3仃，之内。对于高斯分布的随机

8、噪声，在普通示波器上观测到的将是杂乱无章的一个亮带，可以用这个亮带的峰峰值VH除以6．6来粗略估算其仃。，对于零均值噪声，仃，可以看作其有效值⋯【s“。2．1．2噪声的概率分布均值、方差和均方值噪声属于一种随机过程，根据