第689章作业参考答案.docx

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第689章作业参考答案

第689章作业参考答案

（此参考答案摘录了张露、林力、邬智翔、杨纯等同学的作业答案，特此声明）

第六章

1、主要的固有噪声源有哪些？

产生的原因、表达式和式中各项的意义是什么？

答：

主要的固有噪声源有热噪声、散弹噪声、产生-复合噪声、1/f噪声和温度噪声等。

下面分类叙述：

（1）、热噪声。

当某电阻处于环境温度高于绝对零度的条件下，内部杂乱无章的自由电子的热运动将形成起伏变化的噪声电流，其大小与极性均在随机变化着，且长时间的平均值等于零。

热噪声常用噪声电流的均方值InT表示，如下式：

2InT（24kTf）R式中R为所讨论元件的电阻值，k为玻尔兹曼常数，T为电阻所处环境的绝对温度，f为所用测量系统的频带宽度。

（2）、散弹噪声

元器件中有直流电流通过时微观的随机起伏（如光电倍增管光阴极的电子发射，光伏器件中穿过PN结的载流子涨落等）形成散弹噪声并叠加在直流电平上。

散弹噪声的电流均方值为：

2Inh2qIf

式中q为电子电荷，I为流过电流的直流分量。

散弹噪声与电路频率无关，是一种白噪声。

（3）、产生-复合噪声（g-r噪声）光电到探测器因光（或热）激发产生载流子和载流子复合这两个随机性过程引起电流的随机起伏，形成产生-符合噪声。

该噪声的电流均方值为：

4qI（/e）fI142f222n

式中I为流过光电导器件的平均电流，为载流子的平均寿命，e为载流子在光电导器件内电极间的平均漂移时间，f为测量电路的带宽。

产生符合噪声与频率f有关，不是白噪声。

但当42f221，即在低频条件下时，公式可简化为

2In4qI（/e）f

此时可认为它是近似的白噪声。

（4）1/f噪声

1/f噪声又成为闪烁噪声，通常是由于元器件中存在局部缺陷或杂质而引起的。

经验公式为：

2Ink1If/f

式中k1为元件固有参数，为与元器件电流有关的常数，通常取为2；为与元器件材料性质有关的系数，常取为1。

1/f噪声的电流均方值与电路频率f近似成反比，因此不是白噪声。

噪声功率谱集中在低频，因而又称为低频噪声。

（5）温度噪声

热敏器件因温度起伏引起的噪声称为温度噪声，用温度起伏的均方值表示：

4kT2fTGQ（12r2）

2n式中k是波尔兹曼常数，T是热敏器件的绝对温度，GQ为器件的热导。

该噪声对热敏器件的影响很大。

2、在室温27°C下10k的电阻，当测试系统带宽为10Hz时，计算热噪声电压和电流的均方根值。

（个别同学将均方值和均方根值弄混了）

答：

I

2EnT4kTRf41.381023300101041.6561015,EnT4.07108（V）

2nT4kTf41.381023300101.6561023，InT4.071012（A）3R1010

3、某探测器的灵敏度为100mA/lm，敏感面积为36mm2，暗电流为10uA，当入射光照度为100l某、测试系统带宽为100Hz时，求散粒噪声的均方值。

解：

IRREA100100361060.36mA

IpIId0.360.010.37mA

I2np2qIpf21.610190.371031001.1841020（A2）

4、产生-复合噪声在什么条件下可视为白噪声？

答：

产生-复合噪声的电流均方值方程为：

2In4qI（/e）f142f22

当42f221，即在低频条件下时，公式可简化为

2In4qI（/e）f

此时可认为它是近似的白噪声。

5、等效噪声带宽、等效噪声电阻、等效噪声温度的定义各是什么？

答：

等效噪声带宽是噪声量的一种等效表示形式，可定义为f1Ap0式中fAP（f）D（f）df，

为等效噪声带宽，AP（f）为放大器或网络的相对功率增益，Ap是放大器或网络功率增益的最大值，D（f）为等效于网络输入端的归一化噪声功率谱。

等效噪声电阻是噪声量的一种等效表示形式，为了计算和分析的方便，把各种不同起因不同

类型的噪声用一个电阻的热噪声来等效。

等效噪声温度是噪声量的一种等效表示形式，将各噪声等效为放大器输入源电阻因等效升温

而附加的热噪声。

6、习题6-6图放大器电路中Ri=20K，RL=1M，AV=10，T=300K，F10kHz，

5放大器产生的输出噪声电压为2.8810V，试求等效噪声电阻Req及其引起的

输入和输出噪声电压的均方根值。

解：

由En（2.88105V）24kTR'eqfAv，可求出R'eq50.09k

22ReqRiR'eqRL/Av80.09k

对应的总输入噪声为Eni对应的总输出噪声为Eno24kTReqf3.64106V4kTReqfAv3.64105V

27、什么是放大器的噪声系数？

当F=2时，FdB等于多少？

对于一个放大系统，F如何选择？

答：

噪声系数是输入信噪比与输出信噪比之比，可表示为FPi/Ni。

当F=2时，FdB=10lgF=3。

Po/No一个放大系统一般由多级放大器组成。

各级的噪声系数对总噪声系数的影响不同，越靠前的级影响越大，因此要减小系统的总噪声系数应尽力减小第一级及其后1-2级的噪声系数，同时尽可能提高它们的功率增益。

8、简述晶体三极管和场效应管的噪声系数分析方法。

答：

（理论分析包括课本p162公式6-32-37）

晶体三极管的噪声主要包括散弹噪声、分配噪声、热噪声和1/f噪声。

主要的分析方法和结论如下：

（1）、半导体三极管噪声系数的频率特性呈现中央低，两头高的趋势，低频时主要是1/f噪声，高频时主要是栅极感应噪声，中间频段时主要是热噪声和发射结的散弹噪声。

依工作的频段不同，可以选择不同噪声系数的管子。

（2）、噪声系数与源电阻R的关系曲线有极小值存在，即存在一源电阻值使噪声系数最小。

（3）、噪声系数与三极管工作点电流的关系也呈现中央低，两头高的趋势，有一个极小值点。

最佳工作点应取在极小值点附近。

另外，实验表明使用中三极管的接法与噪声系数基本无关。

场效应管的主要噪声是类似于电阻噪声的“沟道热噪声”，此外还有1/f噪声、散弹噪声、以及随着工作点频率f升高，栅极电容的耦合作用，由沟道热噪声反馈至栅极而形成的栅极感应噪声等。

（1）、场效应管噪声系数与工作频率的关系与三极管的特性相似，也呈现中央低，两头高的趋势。

低频时主要是1/f噪声，高频时主要是栅极感应噪声，中间频段时主要是白噪声性质的沟道热噪声。

（2）、场效应管的噪声系数与源电阻R的关系与三极管不同，呈单调下降趋势。

当信号源为低内阻时，选用三极管更为合适。

当信号为为高内阻时，宜选用场效应管。

（3）、场效应管的噪声系数与温度密切相关，随温度升高噪声增加。

MOS场效应管与结型

场效应管的噪声特性基本相同，但MOS管是表面器件，其1/f噪声大些。

9、简述检测中脉冲波形的保持和带宽之间的关系。

答：

电路系统的频率特性由滤波器带宽决定，如果要保持矩形脉冲波形，则要求无限宽的带宽。

在实际系统中，从提高信噪比考虑，很少要求精确保持波形，而按实际需要适当牺牲高频成分，保持必要的脉冲特性。

下图说明了所需保持波形和电路3dB带宽f之间的关系。

参量是相对脉冲持续时间。

f<0.5时，信号峰值幅度减小；f=0.5时，信号峰值幅度保持，这时信噪比最大；f=1时，有一点矩形波的轮廓；较正确复现波形则需要

f=4。

10、简述鉴相器、鉴频器、相敏整流器、锁相环的工作原理。

答：

相敏整流器：

由模拟乘法器和低通滤波器构成。

模拟乘法器将输入与本地参考信号相乘，获得相差信号与倍频信号，由低通滤波器滤除倍频信号，得到与初相差相关的信号。

相敏整流器输出信号大小正比于载波信号与本机振荡信号之间的相位差的余弦。

鉴相器：

原理如下图所示。

基准信号与待测信号分别加到不同的过零检测器上，将其变换为方波。

他们分别经过微分器和限幅器后，各取其上升沿形成的尖脉冲u3和u4，然后将他们送至双稳态触发器，产生脉冲u5，再经低通滤波器取其平均分量。

鉴相器输出电压与相位差成线性关系。

鉴频器：

时间平均值鉴频器的原理框图如下。

输入调频波经过零检测器后变换为方波，方波的频率随调频波频率变化。

当方波经微分器后，每一方波变换成一正负尖脉冲对。

经线性检波器可取出正向尖脉冲或负向尖脉冲，尖脉冲数正比于调频波的频率。

将尖脉冲送入低通滤波器，输出的是尖脉冲的平均值。

调频波的瞬时频率越高，单位时间内尖脉冲数越多，尖脉冲的平均值就越大，所以输出电压将正比

式中，（T）是材料的平均发射率；T是辐射体的真实温度；Tb是其等效黑体温度。

6、简述辐射测温的类型及原理，通常辐射测温应进行哪些修正，如何进行？

答：

辐射测温的类型有亮温测量、色温测量、辐射温度的测量等。

亮温测量：

测量亮温最常用的仪器是光学高温计。

待测亮温的光源B置于仪器的通光孔前，通过仪器物镜、光阑和中性滤光片，光源成像在高温计灯泡的灯丝平面上。

再经过光阑、目镜和红色滤光片，由观察孔出射，人眼位于观察孔处。

如下图：

光学高温计的观察视场内，人眼可看到待测辐射源和高温计灯泡灯丝像。

调节灯泡的灯丝电流，使人眼在视场内看到的灯丝像逐渐消隐，由指示仪表读数，可直接读得待测辐射源的亮温值。

色温测量：

最常用的测量色温的方法有两种。

（1）测量待测光源的相对光谱能量分布，利用色度计算公式，求出光源在色度图上的色坐标，从而由色度图上等温相关色温线确定光源在给定工作电压下的色温或相关色温；

（2）双色法，这是最常用的色温测量或标定的方法；测量需要已标定色温值的标准光源，再用待测光源和标准光源进行双色比对测量，求出待测光源的色温值。

测量原理是：

选定两个窄谱段（原则上是任意的，例如在可见谱段，常在蓝色和红色各选一个谱段），如果待测光源在这两个谱段探测器输出信号的比值与某色温的标准光源相同，那么标准光源的色温值就是待测光源的色温值。

辐射温度的测量：

下图是镀金半球前置反射器的全辐射测温计的结构图。

在半球顶点处开一小孔，待测表面的辐射能通过物镜会聚在热偶堆上。

前置反射器与待测表面接触形成的空腔相当于一个黑体，其ε≈1，仪器直接测出待测表面的真实温度。

通常辐射测温应进行下面这些修正：

（1）由于要适应测量光谱范围的光辐射能，探测器的光谱响应范围应足够宽，随之也带来背景辐射对测量值有较大影响的问题。

减少背景噪声影响的一种方法是将探测器以及挡光片、快门、滤光片等在探测器附近的对产生噪声电流影响较大的部件一起制冷，使它们在测量中温度恒定。

另一种方法是调制光信号。

（2）在宽谱段内测量时，应考虑光辐射能传输介质可能出现的吸收对测量结果的影响。

介质中水蒸汽，二氧化碳等过量及其变化，都会在测量结果中引入误差，所以，除了平方反比定律等对测量距离的限制外，测量距离不宜过大，也可用强迫通风、充入惰性气体、局部抽真空等方法，使介质的吸收、散射对测量的影响减小。

7.在照射莫尔方法中，影响几何可测深度大小的因素有哪些？

设光栅节距为P，栅线遮光部分的宽度与节距之比为a，忽略衍射效应，可得

Hma某aPl

baP式中，b为光源线宽，l为光源距光栅的距离。

所以影响因素有，光栅长度d和点光源与光栅高度h以及光线角度决定

8.试述条形码识别原理，条形码识别一般要经过那几个环节

（1）条码识别的原理

条码识别的核心内容就是通过光学扫描或成像把沿空间一维方向分布的条码信息传递到光电变换器上，然后转换成以时间为变量的时序脉冲，然后根据条形码的编码原理，对数据进行处理。

（2）条形码识别的环节条形码的识别原理：

条形码识别的核心内容就是通过光学扫描或成像把沿空间一维方向分布的条形码信息传递到光电变换期间上，然后转换成以时间为变量的时序脉冲串。

A．建立一个光学系统。

该光学系统能够产生一个光点，该光点可在自动或手动控制下在条

形码信息上沿某一轨道做直线运动。

同时，要求该光点直径与待扫描条形码中最窄条符的宽度基本相同。

B．要求一个接收系统能够采集到光点运动时打在条形码条符上反射回来的反射光，通过对

接收到反射光的强弱及延续时间的测定，就可以分辨出扫描到的是着色条符还是白色条符，以及条符的宽窄。

C．要求一个电子电路将接收到的光信号不失真地转换为电脉冲。

要求建立某种算法，并利

用这一算法对已获取的电脉冲信号进行译码，从而得到所需信息。

9激光三角法测量技术的基本原理是什么？

其测量准确度受哪些因素影响？

答：

单点式激光三角法测量常采用直射式和斜射式两种结构，如下图所示。

三角法测量原理示意图

在上图（a）中，激光器发出的光线，经会聚透镜聚焦后垂直入射到被测物体表面上，物体移动或其表面变化，导致入射点沿入射光轴的移动。

入射点处的散射光经接收透镜入射到

光电位置探测器（PSD或CCD）上。

若光点在成像面上的位移为某′，则被测面在沿轴方向的位移为

a某'某bin某'co上图（b）所示为斜射式三角法测量原理图。

激光器发出的光线和被测面的法线成一定角度

入射到被测面上，同样地，物体移动或其表面变化，将导致入射点沿入射光轴的移动。

入射点处的散射光经接收透镜入射到光电位置探测器上。

若光点在成像面上的位移为某′，则被测面在沿法线方向的移动距离为a某'co

1某bin（）某'co（）1212激光三角法测量技术的测量准确度受传感器自身因素和外部因素的影响。

传感器自身因

素主要包括光学系统的像差、光点大小和形状、探测器固有的位置检测不确定度和分辨力、探测器暗电流和外界杂散光的影响、探测器检测电路的测量准确度和噪声、电路和光学系统的温度漂移等。

影响测量准确度的外部因素主要有被测表面倾斜度、被测表面光泽度、被测表面颜色等。

这几种外部因素一般无法定量计算，而且不同的传感器在实际使用时会表现出不同的性质，因此在使用之前必须通过实验对这些因素进行标定。

根据三角法测量原理制成的仪器被称为激光三角位移传感器。

一般采用半导体激光器（LD）作为光源，功率在5mV左右。

光电探测器可采用PSD或CCD。

10图像信息的获取一般有哪些方法？

对图像信息的获取一般有什么要求？

11在图像预处理中，灰度直方图均衡化处理和灰度自方图规定划处理有什么不同？

二者有什么用途？

灰度直方图是灰度级的函数，描述的是一幅图像中的灰度级与出现这种灰度的概率之间的关系的图形，其横坐标是灰度级，纵坐标是该灰度出现的概率（像素的个数）。

当一幅图像被压缩为直方图后，所有的空间信息都丢失了。

直方图描述了每个灰度级具有的像素的个数，但不能为这些像素在图像中的位置提供任何线索。

因此，任一特定的图像有唯一的直方图，但反之并不成立，即不同的图像可以有着相同的直方图，如在图像中移动物体一般对直方图没有影响。

（1）灰度直方图均衡化处理：

图（a）所示为原始图像的直方图,从图中可以知道，该图像的灰度集中在较暗的区域，相当于一幅曝光过强的照片。

其概率密度函数为2r20r1Pr（r）其他0

r2r是归一化的像素灰度级，采用累积分布函数原理可以求其变换函数为T（r）Pr（）dr2r0式中，为变换后的像素灰度级，其变换函数曲线如图（b）所示，可以证明，变换后的像素分布概率密度是均匀的，如（c）所示。

直方图均衡化的变换函数采用的是累积分布函数，只能产生近似均匀的直方图效果。

在某些应用中，并不总是需要具有均匀分布直方图的图像，而是需要具有特定直方图的图像，r以便能够对图像中的某些灰度级加以增强。

T（r）Pr（）d0设Pr（r）是原始图像灰度分布的概率密度函数，Pz（z）是希望得到的图像的概率密度函数。

z首先，对原始图像进行直方图均衡化处理，即有uG（z）Pz（）d0假设对希望得到的图像也做直方图均衡化处理，有zG（u）G（）

由于两幅图像同样做了均衡化处理，那么，P（）和Pu（u）具有同样的均匀密度分布。

如果用从原始图像中得到的均匀灰度级来代替u，则式（9-24）的逆过程的结果，其灰度级就是所要求的概率密度函数Pz（z）的灰度级。

用这种处理方法得到的新图像的灰度级具有事先规定的概率密度函数Pz（z）。

这种方法在连续变量的情况下涉及到求反变换函数的解析式的问题，一般比较困难，但是数字图像处理的是离散变量，一般采用近似方法绕过这个问题。

1112图像平滑化处理的主要目的是什么？

常用的方法有哪些？

图像平滑化处理追求的目标是，消除图像中的各种寄生效应又不使图像的边缘轮廓和线条模糊。

图像平滑化处理方法有空域法和频域法两大类，主要有邻域平均法、低通滤波法、多图像平均法等。