Kilitli amplifikatör - Lock-in amplifier

Medya oynat

Kilitlenme algılamaya yönelik video tanıtımı

Kilitli amplifikatör örneği

Bir kilit-amplifikatör türüdür amplifikatör bir özü sinyal bilinen bir ile taşıyıcı dalga son derece gürültülü bir ortam. Enstrümanın dinamik rezervine bağlı olarak, gürültü bileşenlerinden 1 milyon kata kadar daha küçük, potansiyel olarak frekansa oldukça yakın olan sinyaller yine de güvenilir bir şekilde tespit edilebilir. Esasen bir homodin detektörüdür ve ardından genellikle kesme frekansı ve filtre sırasına göre ayarlanabilen alçak geçiren filtredir . Geleneksel kilitli amplifikatörler demodülasyon için analog frekans karıştırıcıları ve RC filtreleri kullanırken, son teknoloji cihazlar , örneğin bir FPGA üzerinde hızlı dijital sinyal işleme ile uygulanan her iki adıma sahiptir . Genellikle sinüs ve kosinüs demodülasyonu aynı anda gerçekleştirilir, bu bazen çift fazlı demodülasyon olarak da adlandırılır. Bu, daha sonra polar koordinatlara, yani genlik ve faza aktarılabilen veya bir karmaşık sayının gerçek ve sanal parçası olarak (örneğin, karmaşık FFT analizi için) daha fazla işlenebilen faz içi ve kareleme bileşeninin çıkarılmasına izin verir .

Cihaz, sinyaller büyük olduğunda, yüksek sinyal-gürültü oranına sahip olduğunda ve daha fazla iyileştirmeye ihtiyaç duymadığında bile faz kaymasını ölçmek için sıklıkla kullanılır .

Düşük sinyal-gürültü oranlarında sinyalleri kurtarmak, alınan sinyalle aynı frekansa sahip güçlü, temiz bir referans sinyali gerektirir. Birçok deneyde durum böyle değildir, bu nedenle cihaz, yalnızca sınırlı bir dizi koşulda gürültüye gömülü sinyalleri kurtarabilir.

Kilitli amplifikatörün, ürünü pazarlamak için Princeton Applied Research (PAR) şirketini kuran Princeton Üniversitesi fizikçisi Robert H. Dicke tarafından icat edildiğine inanılıyor . Bununla birlikte, Martin Harwit ile yaptığı bir röportajda Dicke, cihazın icadıyla sık sık itibar kazansa da , Bryn Mawr'da profesör olan Walter C. Michels tarafından yazılmış bir bilimsel ekipman incelemesinde bunu okuduğuna inandığını iddia ediyor. Kolej . Bu, Michels ve Curtis'in 1941 tarihli bir makalesi olabilirdi, bu da CR Cosens'in 1934 tarihli bir makalesine atıfta bulunurken, CA Stutt tarafından 1949'da yazılmış bir başka zamansız makaleydi.

Temel prensipler

Kilitli bir amplifikatörün çalışması , sinüzoidal fonksiyonların ortogonalliğine dayanır . Frekansın bir sinüzoidal fonksiyonu Spesifik olarak f ₁ frekansın bir sinüzoidal işlev ile çarpılır f ₂ değil eşit f ₁ ve entegre sonuç sıfır, iki fonksiyonun süre daha uzun bir süre zarfında. Bunun yerine, f ₁ f _2'ye eşit olduğunda ve iki fonksiyon aynı fazda olduğunda, ortalama değer, genliklerin çarpımının yarısına eşittir.

Temelde, bir kilitleme amplifikatörü giriş sinyalini alır, onu referans sinyaliyle (dahili osilatörden veya harici bir kaynaktan sağlanır) çarpar ve belirli bir süre boyunca, genellikle milisaniyeden birkaç saniyeye kadar bütünleştirir. . Ortaya çıkan sinyal, referans sinyali ile aynı frekansta olmayan herhangi bir sinyalden gelen katkının sıfıra yakın olarak zayıflatıldığı bir DC sinyalidir . Dışı faz-içi bileşen bir kilit-bir faz-duyarlı bir detektör verme (sinüs fonksiyonu aynı frekansta kosinüs fonksiyonları ortogonal olduğu için) bir referans sinyali de zayıflatılmış olan aynı frekansa sahip sinyal.

Bir sinüs referans sinyali ve bir giriş dalga formu için , DC çıkış sinyali bir analog kilitleme amplifikatörü için şu şekilde hesaplanabilir: ${\displaystyle U_{\metin{in}}(t)}$${\displaystyle U_{\text{out}}(t)}$

${\displaystyle U_{\text{out}}(t)={\frac {1}{T}}\int _{tT}^{t}\sin \left[2\pi f_{\text{ref} }\cdot s+\varphi \sağ]U_{\text{in}}(ler)\,ds,}$

burada φ , kilitlemede ayarlanabilen bir aşamadır (varsayılan olarak sıfıra ayarlanır).

Ortalama alma süresi T , gürültü gibi tüm istenmeyen parçaları ve referans frekansın iki katı olan varyasyonları bastırmak için yeterince büyükse (örneğin sinyal periyodundan çok daha büyükse), çıkış

${\displaystyle U_{\text{out}}={\frac {1}{2}}V_{\text{sig}}\cos \theta ,}$

burada referans frekans sinyalinin genliği ve sinyal ve referans arasındaki faz farkıdır. ${\displaystyle V_{\metin{sig}}}$${\görüntüleme stili \teta }$

Kilitli amplifikatörün birçok uygulaması, referans sinyaline göreli fazdan ziyade yalnızca sinyal genliğinin kurtarılmasını gerektirir. Basit bir sözde tek fazlı kilitli amplifikatör için, tam sinyali almak için faz farkı (genellikle manuel olarak) sıfıra ayarlanır.

Daha gelişmiş, sözde iki fazlı kilitli yükselticiler, öncekiyle aynı hesaplamayı yapan, ancak ek bir 90° faz kayması olan ikinci bir dedektöre sahiptir. Böylece birinin iki çıktısı vardır: "aşamalı" bileşen ve "dörtlü" bileşen olarak adlandırılır. Bu iki miktar, sinyali kilitleme referans osilatörüne göre bir vektör olarak temsil eder. Sinyal vektörünün büyüklüğünü ( R ) hesaplayarak, faz bağımlılığı ortadan kaldırılır: ${\displaystyle X=V_{\metin{sig}}\cos \theta}$${\displaystyle Y=V_{\metin{sig}}\sin \theta}$

${\displaystyle R={\sqrt {X^{2}+Y^{2}}}=V_{\text{sig}}.}$

Faz şundan hesaplanabilir:

${\displaystyle \theta =\arctan \sol({\frac {Y}{X}}\sağ).}$

Dijital kilitli amplifikatörler

Günümüzün kilitli amplifikatörlerinin çoğu, yüksek performanslı dijital sinyal işlemeye (DSP) dayanmaktadır . Son 20 yılda, dijital kilitli amplifikatörler, tüm frekans aralığında analog modellerin yerini alarak, kullanıcıların 600 MHz'e kadar bir frekansa kadar ölçüm yapmasına olanak tanıyor. İlk dijital kilitli amplifikatörlerin ilk sorunları, örneğin giriş konektörlerinde dijital saat gürültüsünün varlığı, geliştirilmiş elektronik bileşenlerin ve daha iyi enstrüman tasarımının kullanılmasıyla tamamen ortadan kaldırılabilir. Günümüzün dijital kilitli amplifikatörleri, frekans aralığı, giriş gürültüsü, kararlılık ve dinamik rezerv gibi tüm ilgili performans parametrelerinde analog modellerden daha iyi performans gösterir. Daha iyi performansa ek olarak, dijital kilitleme amplifikatörleri, farklı filtre ayarlarıyla veya aynı anda birden fazla farklı frekansta bir sinyalin analiz edilmesini sağlayan birden fazla demodülatör içerebilir. Ayrıca, deneysel veriler bir osiloskop , FFT spektrum analizörleri, boxcar ortalamalayıcı gibi ek araçlarla analiz edilebilir veya dahili PID kontrolörleri kullanılarak geri bildirim sağlamak için kullanılabilir . Dijital kilitli amplifikatörlerin bazı modelleri bilgisayar kontrollüdür ve bir grafik kullanıcı arayüzüne (platformdan bağımsız bir tarayıcı kullanıcı arayüzü olabilir ) ve bir dizi programlama arayüzüne sahiptir .

Gürültülü ortamlarda sinyal ölçümü

Tipik deneysel kurulum

Sinyal kurtarma, gürültünün genellikle sinyalden çok daha geniş bir frekans aralığına yayılması gerçeğinden yararlanır . Beyaz gürültü En basit durumda, olsa bile, kök ortalama kare gürültü 10 ³ sinyal geri kazanılabilir olarak ölçüm aleti bant genişliği 10 daha faktör daha büyük azaltılabilir eğer büyük olarak kez ⁶ sinyali çevresinde frekans, daha sonra ekipman gürültüye nispeten duyarsız olabilir. Tipik bir 100 MHz bant genişliğinde (örneğin bir osiloskop), genişliği 100 Hz'den çok daha dar olan bir bant geçiren filtre bunu başarabilir. Kilitli amplifikatörün ortalama süresi, bant genişliğini belirler ve gerekirse 1 Hz'den daha az olan çok dar filtrelere izin verir. Bununla birlikte, bu, sinyaldeki değişikliklere yavaş bir tepki vermenin bedeli olarak gelir.

Özet olarak, hatta gürültü ve sinyal olarak ayırt edilemez zaman alanında sinyal belirli bir frekans bandı ve herhangi bir büyük gürültü tepe Bu aralıkta olduğu, gürültü ve sinyal yeterince ayrılabilirse, frekans alanında .

Sinyal ya yavaş değişiyorsa ya da başka bir şekilde sabitse (esas olarak bir DC sinyali), o zaman 1/ f gürültüsü tipik olarak sinyali bastırır. Daha sonra sinyali modüle etmek için harici araçlar kullanmak gerekli olabilir. Örneğin, parlak bir arka plana karşı küçük bir ışık sinyali algılanırken , sinyal ya bir doğrayıcı tekerlek , akustik-optik modülatör , fotoelastik modülatör ile 1/ f gürültünün önemli ölçüde düşmesi için yeterince büyük bir frekansta modüle edilebilir ve kilit -in amplifikatör, modülatörün çalışma frekansına atıfta bulunur. Bir durumunda atom kuvvet mikroskopu , elde etmek için nanometre ve piconewton çözünürlük, konsol konumu kilit-amplifikatör yeniden olarak ifade edilen yüksek bir frekansta, modüle edilir.

Kilitleme tekniği uygulandığında, sinyalin kalibre edilmesine özen gösterilmelidir, çünkü kilitlemeli yükselteçler genellikle çalışma frekansının yalnızca ortalama karekök sinyalini algılar. Sinüzoidal bir modülasyon için, bu , kilitli amplifikatör çıkışı ile sinyalin tepe genliği arasında bir faktör ve sinüzoidal olmayan modülasyon için farklı bir faktör ortaya çıkaracaktır . ${\displaystyle {\sqrt {2}}}$

Doğrusal olmayan sistemler durumunda, modülasyon frekansının daha yüksek harmonikleri ortaya çıkar. Basit bir örnek, hat frekansının iki katında modüle edilen geleneksel bir ampulün ışığıdır. Bazı kilitli amplifikatörler ayrıca bu yüksek harmoniklerin ayrı ölçümlerine izin verir.

Ayrıca, algılanan sinyalin yanıt genişliği (etkili bant genişliği), modülasyonun genliğine bağlıdır. Genel olarak, çizgi genişliği/modülasyon işlevi, monoton artan, doğrusal olmayan bir davranışa sahiptir.

Referanslar

Yayınlar

• Scofield, John H. (Şubat 1994). "Bir kilitli amplifikatörün frekans etki alanı açıklaması". Amerikan Fizik Dergisi . AAPT. 62 (2): 129–133. Bibcode : 1994AmJPh..62..129S . doi : 10.1119/1.17629 .

• Jaquier, Pierre-Alain; Jaquier, Alain (Mart 1994). "PPM çözünürlüğüne sahip çok kanallı dijital kilitleme amplifikatörü". Bilimsel Araçların Gözden Geçirilmesi . AIP. 65 (3): 747. Bibcode : 1994RScI...65..747P . doi : 10.1063/1.1145096 .
• Wang, Xiaoyi (1990). "Bir kişisel bilgisayar kullanarak hassas dijital kilitleme amplifikatörü". Bilimsel Araçların Gözden Geçirilmesi . AIP. 61 (70): 1999-2001. Bibcode : 1990RScI...61.1999W . doi : 10.1063/1.1141413 .
• Wolfson, Richard (Haziran 1991). "Kilitleme amplifikatörü: Bir öğrenci deneyi". Amerikan Fizik Dergisi . AAPT. 59 (6): 569–572. Bibcode : 1991AmJPh..59..569W . doi : 10.1119/1.16824 .
• Dixon, Paul K.; Wu, Lei (Ekim 1989). "Geniş bant dijital kilitleme amplifikatör teknikleri". Bilimsel Araçların Gözden Geçirilmesi . AIP. 60 (10): 3329. Bibcode : 1989RScI...60.3329D . doi : 10.1063/1.1140523 .
• van Exter, Martin; Lagendijk, Ad (Mart 1986). "Uyarılmış bir Raman deneyinde bir AM radyosunun yüksek frekanslı bir kilitli amplifikatöre dönüştürülmesi". Bilimsel Araçların Gözden Geçirilmesi . AIP. 57 (3): 390. Bibcode : 1986RScI...57..390V . doi : 10.1063/1.1138952 .
• Probst, PA; Collet, B. (Mart 1985). "Düşük frekanslı dijital kilitleme amplifikatörü". Bilimsel Araçların Gözden Geçirilmesi . AIP. 56 (3): 466. Bibcode : 1985RScI...56..466P . doi : 10.1063/1.1138324 .
• Tapınak, Paul A. (1975). "Faza duyarlı amplifikatörlere giriş: Ucuz bir öğrenci enstrümanı". Amerikan Fizik Dergisi . AAPT. 43 (9): 801-807. Bibcode : 1975AmJPh..43..801T . doi : 10.1119/1.9690 .
• Burdett, Richard (2005). "Genlik Modülasyonlu Sinyaller - Kilitli Amplifikatör". Ölçüm Sistemi Tasarımı El Kitabı . Wiley. doi : 10.1002/0471497398.mm588 . ISBN'si 978-0-470-02143-9.

Dış bağlantılar

• Stanford Research Systems'dan LIA'lar hakkında . Kilitli amplifikatörlerin nasıl çalıştığını detaylandıran uygulama notu.
• Bentham Instruments'tan kilitli amplifikatör eğitimi . Kilitli amplifikatörlerin neden ve nasıl olduğu hakkında kapsamlı eğitim.
• Kilitleme Teknik Notları Teknik ve Uygulamalar Aralığı Dijital ve analog kilitlerin tasarımını açıklayan notlar ve SIGNAL RECOVERY'den bunların özelliklerine rehberlik eder .
• PCSC-Lock-in Aracı, bir bilgisayar ses kartı kullanarak akustik doğrama frekansında veri toplama için.
• Kilitleme amplifikatör uygulama notları gelen Zürih Instruments .
• Kilitlenme algılama ilkeleri ve son teknoloji , Beyaz Kitap, 2016, Zurich Instruments'tan ..