论文总字数：28710字

摘 要

pA级微弱电流检测是研究新型绝缘材料性能的关键技术之一。常规基于GΩ级大反馈电阻的电流采样并比例放大技术因存在信噪比低、失调大、易受温湿度影响等缺点而难以定量分析。为此，本学位论文基于微弱信号检测技术对微弱电流信号的宽量程高精度检测方法与实现技术进行深入研究，提出可实现pA~mA级的电流检测实用技术。

在本学位论文中，首先对微电流检测噪声来源进行分析，在此基础上， 根据信号流向深入研究了电流信号的高精度I/V转换与实现、直流电流信号调制、锁定放大器原理与实现、相敏检波器设计等。采用Multisim电路设计与仿真软件实现了电路系统，并对微弱直流电流、微弱交流电流、叠加噪声的交直流电流信号进行仿真分析。

本学位论文仿真得到的实验数据经过最小二乘法算法处理后具有如下结果：，对于未加入噪声的pA~mA微弱电流，相对误差小于1%，对于加入噪声电平1.17mV，白噪声的微弱电流，uA级直流信号的相对误差约为5%， mA级直流信号的相对误差约3.5%，uA级交流信号的相对误差约2.5%，mA级的交流信号的相对误差约2%。仿真结果表明，本学位论文研究的方法可采用一档IV转换档位，即可较好的将被噪声深埋的有用电流信号检测出来，具有一定的实际应用价值。

关键词：微弱信号检测，锁定放大器，Multisim，相敏检波

Abstract

The pA-level weak current detection is one of the key technologies for studying the performance of new insulating materials. Conventional current sampling and proportional amplification techniques based on GΩ large feedback resistors are difficult to quantify due to their low signal-to-noise ratio, large misadjustment, and their vulnerability to temperature and humidity. To this end, this dissertation based on the weak signal detection technology to conduct a deep research on the wide-range high-precision detection method and implementation technology of the weak current signal, put forward to achieve pA ~ mA-class current detection technology.

In this dissertation, the source of micro current detection noise is first analyzed. Based on this, the high-precision I/V conversion and realization of the current signal, the modulation of the DC current signal, and the principle and implementation of the lock-in amplifier are thoroughly studied according to the signal flow direction. Phase sensitive detector design. The circuit system was implemented using Multisim circuit design and simulation software, and the simulation analysis was made on the weak DC current, weak AC current, superimposed noise AC and DC current signals.

 The experimental data obtained from the simulation of this dissertation has the following results after being processed by the least-squares algorithm. The relative error is less than 1% for the pA~mA weak current without noise, and the weak current of white noise is 1.17mV for the added noise level. The relative error of the uA-level DC signal is about 5%, the relative error of the mA-level DC signal is about 3.5%, the relative error of the uA-level AC signal is about 2.5%, and the relative error of the mA-level AC signal is about 2%. The simulation results show that the method proposed in this dissertation can be used as a IV shift gear, which can be used to detect the useful current signal buried deep in the noise. It has a certain practical value.

KEY WORDS: Weak-signal detection, Lock-in amplifier, Multisim, Phase sensitive detection

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 微弱信号检测的现状 2

1.3 微弱信号检测的方法介绍 2

1.3.1 调制解调 2

1.3.2 斩波放大 3

1.3.3 锁定放大 4

1.4 研究的主要内容 5

第二章 噪声分析 6

2.1 噪声的分类 6

2.2 噪声的特性 7

2.2.1 噪声的统计特性 7

2.2.2 噪声的频谱分析 8

2.3 内部噪声分析 8

2.3.1 热噪声 8

2.3.2 PN结的散弹噪声 9

2.3.3 1/f噪声 10

2.4 放大器的噪声 10

2.4.1 检测系统的噪声系数 10

2.4.2 级联放大器的噪声系数 10

第三章 微弱电流信号检测的系统方案研究 12

3.1 总体方案设计 12

3.2 滤波器介绍 12

3.3 放大器的噪声模型 13

3.4 锁定放大器原理 15

3.4.1 相干检测原理 15

3.4.2 锁定放大器 16

第四章 电路设计及实现 19

4.1 信号通道模块 19

4.1.1 IV转换模块 19

4.1.2 直流调制模块 20

4.1.3 带通滤波器模块 23

4.2 参考通道模块 25

4.3 相敏检波模块 27

4.3.1 模拟开关方法 27

4.3.2 相敏检波器 29

4.3.3 低通滤波器 29

4.3.4 开关型相敏检波 31

4.4 实验结果及分析 32

4.4.1 直流输入信号 36

4.4.2 交流输入信号 41

4.5 总结与展望 45

致 谢 46

参考文献 47

绪论

研究背景及意义

从人类诞生之日开始，人们对于这个世界的探索就从未停止过，而现如今，随着科技的不断进步，人类的探寻已不再局限于地球，开始向太空迈进。而在探索的过程中，对于宇宙空间的探测器进行通信是必不可少的。例如在中国天宫二号探测的过程中，就采用新型的光通信模块来进行通信、控制、遥测等，保证在飞行过程中飞行轨道的准确，传回信息的精确性。而在这个过程中，微弱信号检测技术是必不可少的，在对探测器进行通信的过程中，复杂的太空以及遥远的距离很容易将有效信号埋没在噪声之中，而微弱信号检测技术就是需要从中提取出正确的信息，进行准确无误的信息传递，以保障科学实验的准确性以及飞行器的安全性。

对于微弱电流信号检测来说，常见的方法有采样电阻法、反馈电阻法和积分电容法。对于测量回路中的采样电阻的方法来说，具体的电路实现非常简单，缺点是测量精度不高，只能用于mA级及以上信号的测量。对于反馈电阻法和积分电容法都是基于静电计的原理来实现的。基于反馈电阻的测量方法，是通过分析运放反馈端电阻电压的大小来对于微弱信号进行检测，这种检测方法能够实现nA级及以上的信号检测。而积分电容法，利用反馈电容曲线的斜率正比于电流大小的原理来进行测量。这种方法可以实现pA级及以上的信号检测，是现如今最为精密的检测方法。但是这些检测方法都有一个共同的局限性，就是它们在信号采样的过程中，所选定的每一采样电阻只能够用于测量某一段微弱信号。对此通常的解决方法是采用增益切换电路来进行采样电阻的匹配，但是由于电路在切换增益的过程中会对信号源造成瞬态干扰，就不能够用于一些特殊应用之中。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：28710字