原创 微 弱 信 号 的 测 量

Measurement of Low Level Signal
Hu Dan-kang
(The Shanghai light industrial research institute , Shanghai 200031, China )
摘要： 为了测量微弱信号需要在系统设计、元器件挑选、屏蔽工艺等进行考虑，本文在这些方面进行了讨论。
关键词： 微弱信号 ; 噪声 ; 滤波器 ; 屏蔽
中图分类号： TN98 文献标识码 ： B 文章编号： 1003-0107 （ 2005 ） 05
Abstract: For measurement low level signal consideration must be made in system design, device selection as well as shield/technology etc. Discuss has been presented in this paper.
Key words: low level signal, noise, filter, shield
CLC number ： TN98 Document code:B Article ID: 1003-0107 （ 2005 ） 05

随着科学技术的发展 , 在各个领域遇到越来越多的微弱信号检测的问题，而限止微弱信号测量的主要因素是噪声，漂移和干扰。
　　噪 声；主要的三种噪声为：
　　热 噪 声： E t =(4KTR △ f) 1/2
　　散粒噪声： Is =(2qI DC △ f) 1/2
　　闪烁噪声： Ef =(K △ f ／ f) 1/2
　　此外还有种种自然界和人为的噪声。
　　干 扰；干扰也可以来自自然或人为的，其频率是在某一特定范围，如工频，也可以是宽频的。
　　漂 移；漂移可以是由元器件本身引起的，如老化，也可以是外界原因引起的如温度。
　　在微弱信号测量时需要将噪声、漂移、干扰的影响减少到最小。

一、从系统设计的角度考虑
　　由于噪声和干扰都是和频率相关的。因此在设计系统时可考虑系统仅在一个特定的频率区间，可大幅减少噪声和干扰。由于漂移主要是发生在直流情况。因此在许可的情况下将高信号调制成交流，然后再用交流放大器放大，可以避免测量系统所带来的漂移，当然对于微弱信号还要考虑调制器所引起的噪声和漂移，再决定是否采用调制的。在有些情况必须在直流情况下测量，如低电阻的测量 ( 避免器件感抗的影响，必须采用直流测量 ) 。为了使系统在一个频率范围内工作 , 可以采用带通滤波器或可以采用低通，高通滤波器，对于某一个特定频率的干扰（如工频）还可以采用带阻滤波器（但可能引起波形失真）这种滤波器在中低频频域可采用运放构成的有源滤波器在高频区可采用 LC 滤波器，有些问题的解决必须从系统设计这时考虑，如对于微弱直流信号的测量可考虑将它调制成交流信号，然后将它通过滤波器，这样就可以大幅度降低漂移、噪声和干扰。笔者曾利用此方法成功地解决微弱光电信号的测量。淹没在噪声、干扰中的信号通过光斩波器变成具有特定频率的交流信号，经带通滤波器，得到信噪比很高的信号 ① 。除了上述的有源滤波器， LC 滤波器外，还有数字滤波器、声表面滤波器等等，然而在微弱信号中用得最多的还是有源滤波器。下面我们将对这个问题进行详述。
㈠ 滤波器
　　 ⑴ 带通滤波器 （ 2 ）

图 1

　　图 1 是基本的带通滤波器，这种滤波器结构较简单，适用于 Q ＜ 10 的情况，用一个电阻 R 3 ，就能调节 Q 和增益 R 2 主要影响 fo ， R 1 影响通带 △ f 和增益 H 。
　　在这里 Q 为品质因素 Q ＝ fo ／ △ f ， fo 为滤波器的中心频率， △ f 为通带，H 为增益。
　　当 C 1 ＝ C 2 ＝ C 　　

　　在设计时可根据下式选择元件：

　　需要注意的是如果需要在通带内相当平坦而通带外迅速衰减，那末这种一级带通滤波器是很难达到这一需求，此时可用参差调谐放大器，即采用二级这种滤波器，其中心频率稍有不同，其总的性能达到通带内平坦，带外迅速衰减，由于这种放大器计算困难，单纯用实验方法也很麻烦，最好的方法是采用计算机辅助设计（可采用 SPICE ）可很方便地改变参数进行仿真以求得最佳设计，并且不仅可以知道频域响应，而且可以知道时域响应，实验值和仿真值有良好的符合，如一带通滤波器要求其中心频率为 5KHz ，带宽为 200Hz ，通带不平坦度小于 0.5 ％，通带外 10 倍频程衰减大于 40db。
　　笔者利用 SPICE 程序设计二级参差调谐放大器，第一级 fo 为 4.5KHz ，第二级 fo 为 5.5KHz ， Q 均为 5 ， H 均为10 ，二级之间有一同相放大器作为缓冲放大器并插入 RC 无源滤波器，实测结果为在通带内不平坦度小于 0.2 ％，而 10 倍频程衰减为 66 db 完全达到了设计要求，这种放大器能将淹没在干扰和噪声的信号提取出来，在信号为 5 毫伏频率为 5KHz 时，叠加一个幅度为 10 伏的工频干扰信号，其输出几乎无影响，该放大器已用于光电测试仪器中，性能十分稳定。 ①
（ 2 ）高通滤波器 （ 2 ）

图 2

　　对于高通滤波器，可以通过转折频率以上的信号而滤去低频、噪声、干扰。高通滤波器有二阶和三阶的滤波器，对于每阶的滤波器又有贝塞尔，巴特沃次，切尔雪夫等，对于二阶滤波器在通带内放大倍数基本为 1 ，在转折频率以下，衰减为 10 倍频程 40db 。关于这方面的设计可参阅文献②。
⑶ 低通滤波器 （ 2 ）

图 3

　　低通滤波器可以让转折频率以下的信号通过而去除转折频率以上的噪声和干扰，和高通滤波器相似有二阶滤波器和三阶滤波器，每阶滤波器又分为贝塞尔，巴特沃次和切比雪夫型对于二阶滤波器在通带内放大倍数基本为 1 ，在通带外衰减为 10 倍频程 40db 。关于这方面的设计可参阅文献②。
　　当噪声主要为热噪声和散粒噪声时选用滤波器后信噪比的提高大致和原来的频率 f 1 和加了滤波后的频带 f 2 之间的平方根成正比，即信噪比增加倍数为f1／f2 ，如原来频宽为20MHz ，而带通滤波器的带宽为 200Hz ，那末通过该滤器其信噪比增加 （ 20 × 10 6 ／ 200 ） 1/2 ＝ 320倍
㈡ 相关技术 （ 3 ）
　　对于测量更微弱的信号需要采用相关技术，其原理在于信号是有规则且相关的，噪声是随机且不的，噪声和信号也是不相关的，因此可以把信号和噪声分离出来。
　　⑴ 锁相放大器

图 4

　　如图所示信号通过放滤波后加至乘法器的一个输入端，参考信号（和被测信号相关）经相移电路，稳幅电路加至乘法的另一个输入端。其乘法电路输出经低通滤波，滤去交流分量其输出为 K 1 K 2 ABcos Ψ，其中 K 1 为乘法器的放大倍数， K 2 为低通滤波器的放大倍数， A 为被测信号加至乘法器输入端的振幅， B 为乘法器另一端的参考信号（经相移稳幅）的振幅，通过上述的噪声基本上被消除了。
⑵ 取样积分器

图 5

　　 图 5 是取样积分器的原理图，它以窄脉冲门对伴有噪声的信号取样，并对该取样积分平均以消除噪声，取样次数越多越精确，信噪比的提高和取样次数的平方根成正比，如取样次数为 M ，则信噪比的改善与 （M） 1/2 成正比。如将图 中的延时改成扫描延时，对信号波形每一点多次取样积分，就可以得到信号波形，在这里参考信号和被测信号是相关的。

二．从元件挑选角度的考虑
㈠ 无源元件
　　⑴ 电 阻
　　电阻在 1KHz 以上 , 热噪声占主要地位，在 1KHz 以下，闪烁噪声占主要地位以 10dB ／ 10 倍频程增加，金属膜电阻噪声较小而线绕电阻是噪声最小的一种。
　　⑵ 电 容
　　一个理想的电容器是没有噪声的，而实际电容器是有噪声的。主要在低频端，以闪烁噪声为主，对于电介电容器，钽电容的噪声较铝电容为小，当电介电容用于旁通时不会引起噪声。作为耦合电容有可能增加噪声，当电介电容反偏向过后在几分钟到几外小时会引起尖峰噪声，解决这个问题的方法有三个方法： a. 是设计电路使在任何时候不存在反偏向， b. 加一个二极管以防止反偏向， c. 采用无极性电介电容器。
　　⑶ 电 缆
　　电缆可采用低噪声电缆，这种电缆内层绝缘体涂以石墨绝缘体，可以减少电缆移动折叠时磨擦生电所产生的噪声。
　　⑷ 变 压 器
　　采用超屏蔽变压器，其原边和副边分别屏蔽，原边屏蔽层接机壳，副边屏蔽层接浮地屏蔽盒，详见第三章。
㈡ 有源元件
　 由于集成电路应用日益广泛，因此在这里主要讨论的是应用与微弱信号测量的集成电路。
　　⑴ 放 大 器
　　由于应用面和工艺的不同可分为：
　　a. 极低电压噪声放大器（4）
　　这种放大器绝大部分采用双极型晶体管作为输入，具有极低的电压噪声和较低电流噪声。
　　如： AD797 电压噪声密度为 0.9nv/(Hz) 1/2 , 在 0.1-10Hz 电压噪声为 40nvp-p ，电流噪声密度噪度这 2PA/(Hz) 1/2 ，失调电压为 10 μ v, 失调电压温漂为 0.2 μ s/ ℃ , 输入偏流为 250nA ，压摆率为 20V/ μ s 。
　　EL2125 电压噪声密度为 0.83nv/(Hz) 1/2 ，电流噪声密度为 2.4PA/(Hz) 1/2 ，失调电压为 200 μv ，输入偏流为 21nA ，压摆率为 225V/ μ s 。
　　b. 极低电流噪声放大器
　　这种放大器绝大部分采用场效应管用为输入具有极低的电流噪声和较低的电压噪声和漂移。
　　如： OPA111 电压噪声密度为 6nv/(Hz) 1/2 ，在 0.1-10Hz 电压噪声为 2.4nvp-p ， 电流噪声密度 1.6fA/(Hz) 1/2 ， 失调电压为 250 μ v, 失调电压为1μs/ ℃ 输入偏流为 1pA ， 压摆率为 2V/μs。
　 AD8610 电压噪声密度为 6nv/(Hz) 1/2 ， 在 0.1-10Hz 电压噪声为 1.8nvp-p ，电流噪声密度 5fA/(Hz) 1/2 ， 失调电压为 0.5 μ s/ ℃ , 输入偏流为 2pA ， 压摆率为 50V/ μs。
　　c. 极低漂移放大器
　　这种放大器具有极低的失调电压、漂移和较小的电压噪声和噪声。
　　如： MAX426 电压噪声密度为 8nv/(Hz) 1/2 ，失调电压为 0.5 μv, 失调电压温漂为 0.005μs/ ℃输入偏流为0.12pA ，压摆率为 12V/μs。
　　AD8551 电压噪声密度为 42nv/(Hz) 1/2 ， 电流噪声密度为 2fA/(Hz) 1/2 ， 失调电压为 1 μ v ， 失调电压温漂为 0.005 μ v/ ℃， 输入偏流为 10pA ， 压摆率为 0.4V/μs。
　　d. 用于通信的微弱信号放大器
　　用于通信的放大器具有宽的频带，这种放大器的负载为 50 欧，噪声系数也在 50 欧条件下给出的，其噪声特性可由噪声系数所描述。这种放大器绝大部分由锗－硅，砷化镓所构成的，广泛用于移动通信和光通信中。如 SG0 － 01 增益为 15db ， NF 为 1.1 ，频带为 800 － 1000MHz ， SG － 02 增益为 14db ， NF 为 1.3 ，频带为1900 －2400MHz。
　　e. 微弱信号放大器的挑选 （ 4 ）
　　挑选微弱信号放大器除了带宽；频响之外，主要考虑信号源的阻抗，因为放大器引起的噪声主要表现在电压噪声和电流噪声。当信号源阻抗较低时（如 1K Ω）可选用极低电压噪声放大顺。当源阻抗高时（如 1M Ω）可选用极低电流噪声放大器，放大器的噪声电压在带宽为 1Hz 时： e nt ＝ [e n 2 ＋ (i n R s ) 2 ] 1/2其中 e n 为电压噪声密度， in 为电流噪声密度， R s 为源阻抗， 当源阻抗为 1 千欧：对于 AD797 e n ＝ 0.9nv i n ＝ 2pA
　　代入计算：对于 AD797 e nt ＝2.2nv 而 OPA111 e nt ＝ 6nv。
　　显然此时宜选用 AD797
　　当Rs ＝ 1 兆欧时计算：对于 AD797en ＝ 2μv 而 OPA111 为 6.2μv
　　此时宜选用 OPA111
　　对于工控或其他不宜经常调零的应用情况可选择极低漂移放大器。
　　⑵ A／D 转换器
　　A／D 转换器的品种很多，如逐次比较，积分型等。其中以积分型抗干扰能力最强，因此在取样速度没有较高的情况下，一般采用积分型A／D 转换器。
　　a. 多斜率积分型
　　一般以双斜率积分型最为多见，当采样时间是干扰信号周期整数倍时其抗干扰能力最强，这种积分型的一个突出优点时在小信号抗干扰能力也很强，即使干扰信号（工频）大于被测信号时，干扰信号也会被抑制，这种转换器的缺点是速度较低。
　　b.V／F型
　　也称电压频率转换型上通过电压频率转换来实现，由于干扰信号在正半周时和被测信号叠加使频率增加而在受半周时和被测信号抵消使频率降低而最终转换成数字是对频率进行计数，因此当采样时间是干扰信号周期的整数倍时，对干扰有很强的抑制能力。由于频率不可能负数，所以不能抑制过零干扰。它的一个优点是采样率和分办率可调，当采样速度高时分办率低，采样速度低时分办率高，给使用者很大的灵活性，此外这种转换器的核心部件是计数器，因此使用者可以根据这个特点制成多功能表，即可测频率，周期和计数。

三．从屏蔽／工艺的角度考虑
　　干扰主要由：
　　⑴ 共地耦合
　　⑵ 静电耦合
　　⑶ 互感耦合
　　⑷ 电磁波干扰
　　⑸ 共电源干扰
　　解决共地耦合的方法是采用隔离器 （ 5 ） , 静电耦合是通过电容耦合，介绍这个问题是采用高电导率材料（如铜）进行屏蔽并需接地，互感耦合（电磁耦合）该干扰电压和闭合回路的面积成正比和频率成正比。减少接收和发射回路的面积可以大幅度减少这种干扰，采用双绞线是一种有效的方法 , 也可采用屏蔽，高频时可采用铜、铝 , 低频时可用采用铁磁性材料 , 介绍共电源耦合可采用 LC 构成的滤波器和交流稳压器 , 但反馈式电子交流稳压器对瞬变干扰的抑止能力很差。
　　也可分为差模干扰和共模干扰。
　　差模干扰是干扰和信号串联的，要去除干扰可以采用上述的滤波器等方法，共模干扰是信号对地的电位差。主要由电网串入，地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态电压叠加所形成的。共模电压一般较高，共模电压通过不对称电路可转换成差模电压直接影响测量信号甚至造成元器件损坏，为了避免共模干扰，一般微弱信号放大器的第一级均采用差分放大器。当差分放大器二端输入阻抗相等时共模干扰的抑制能力是很强的。但是信号源的二端输出阻抗不一定相等，因此需要放大器具有高的输入阻抗，这样即使信号二端输出阻抗不相等，对于总的输入阻抗（等于信号源的输出阻抗＋放大器的输入阻抗）影响也不大，一般可采用高输入阻抗的数据放大器，一般由二个差分放大器构成，其中二个连接成电压跟随器，其输入端分别接至信号源输出的正端和负端，电压跟随器的输出分别接至第三个差分放大器的二个输入端，这样的数据放大器共模抑制比可达 100db 或更高，输入阻抗可达几十兆欧或更高。
　　对于高速差分信号，可采用含有铁氧体的共模抑制线圈，这种线圈可以让差分信号，而抑制共模噪声，可降低共模峰值噪声约 10db ⑥，为了减少共模干扰可采用双层屏蔽浮地保护技术，如图所示： （ 7 ）

图 6

　　在图中利用设备的机壳作为一屏蔽层，在设备内再用一个屏蔽盒将转入和转换部分屏蔽起来，该屏蔽盒称为内屏蔽盒，并和设备机壳绝缘，内屏蔽盒和盒内电路的地也绝缘，内屏蔽盒的外壳连一根线接至信号线的屏蔽层，电源变压器的原边和副边分别屏蔽，原边屏蔽接到机壳，副边屏蔽接到浮地屏蔽盒，采用这种措施可使共态抑制比达到 120dB 以上。
　　半导体 PN 结的温漂约为 2mv ／ ℃ ，所以一般输入级均采用差分放大器这样温漂可以相互抵消，但只要输入级二个晶体管有千分之一度的温差也可以引起 2 微伏的漂移，这对微弱信号已经是不可忽略的误差，即使瞬时的温差也可引起噪声，所以输入级要远离发热元件（如变压器）必要时可将输入 用塑料屏蔽起来避免气流影响温度不平衡也称之“气流屏蔽”，实践证明采用这种措施可以降低噪声。
　　为了避免印刷电路板漏电引起的误差，印刷电路板必须用酒精擦洗，并吹干，再用环氧树脂或硅胶涂覆，在设计印刷电路板时要用屏蔽环对输入脚进行屏蔽，在必要时可将输入脚直接焊在以聚四氟乙烯做的支架上。
　　大电流地、数字地、模拟地应分开并在系统的总电源地汇合，特别是在输入级、毫安级电流流过厘米级的印刷电路所引起压降也会产生误差 , 由于导体存在电感因此当电流变化率很大时 , 即使电流绝对值不大也会引起较大的干扰。

四、小 结
　　在微弱信号测量时需从系统级、元器件和工艺级进行考虑，经这样研制成的装置能检测到微弱信号。

参考文献:
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