Усилитель блокировки - Lock-in amplifier

Видеообзор обнаружения блокировки

Пример синхронного усилителя

А синхронный усилитель это тип усилитель мощности который может извлечь сигнал с известным несущая волна из очень шумной среды. В зависимости от динамического резерва прибора сигналы в 1 миллион раз меньшие, чем составляющие шума, потенциально достаточно близкие по частоте, все же могут быть надежно обнаружены. По сути, это гомодинный детектор с последующим фильтр нижних частот который часто регулируется по частоте среза и порядку фильтрации. В то время как традиционные синхронные усилители используют аналоговые частотные смесители и RC фильтры для демодуляции в современных приборах оба шага реализованы быстрым цифровая обработка сигналов, например, на FPGA. Обычно синусоидальная и косинусная демодуляция выполняется одновременно, что иногда также называют двухфазной демодуляцией. Это позволяет выделить синфазную и квадратурную составляющие, которые затем можно преобразовать в полярные координаты, то есть амплитуду и фазу, или далее обработать как действительную и мнимую часть комплексного числа (например, для комплексных БПФ анализ).

Устройство часто используется для измерения сдвиг фазы, даже когда сигналы большие, имеют высокий соотношение сигнал шум и не нуждаются в дальнейшем улучшении.

Для восстановления сигналов с низким отношением сигнал / шум требуется сильный чистый опорный сигнал с той же частотой, что и принимаемый сигнал. Во многих экспериментах это не так, поэтому прибор может восстановить сигналы, скрытые в шуме, только в ограниченном наборе обстоятельств.

Считается, что синхронный усилитель был изобретен Университет Принстона физик Роберт Х. Дике который основал компанию Princeton Applied Research (PAR) для продажи продукта. Однако в интервью Мартин Харвит, Дике утверждает, что, хотя ему часто приписывают изобретение устройства, он считает, что читал об этом в обзоре научного оборудования, написанном Уолтер С. Майклс, профессор Колледж Брин-Моур.^[1] Это могла быть статья Михелса и Кертиса 1941 года,^[2] который, в свою очередь, цитирует статью К. Р. Козенса 1934 г.,^[3] в то время как еще одна вневременная статья была написана К. А. Штуттом в 1949 году.^[4]

Основные принципы

Работа синхронизированного усилителя зависит от ортогональность из синусоидальные функции. В частности, когда синусоидальная функция частоты ж₁ умножается на другую синусоидальную функцию частоты ж₂ не равно ж₁ и интегрированный за время, намного большее, чем период двух функций, результат равен нулю. Вместо этого, когда ж₁ равно ж₂ и две функции находятся в фазе, среднее значение равно половине произведения амплитуд.

По сути, синхронный усилитель принимает входной сигнал, умножается это опорным сигналом (либо поступающим из внутреннего осциллятор или внешний источник), и интегрирует его за указанное время, обычно от миллисекунд до нескольких секунд. Результирующий сигнал представляет собой сигнал постоянного тока, в котором вклад любого сигнала, который находится не на той же частоте, что и опорный сигнал, составляет ослабленный близко к нулю. В противофазный компонент сигнала, который имеет ту же частоту, что и опорный сигнал, также ослабляется (поскольку синусоидальные функции ортогональны косинусным функциям той же частоты), что приводит к синхронизации фазочувствительного детектора.

Для синусоидального опорного сигнала и входного сигнала ${ Displaystyle U _ { текст {in}} (т)}$ , выходной сигнал постоянного тока ${ Displaystyle U _ { text {out}} (т)}$ для аналогового синхронного усилителя можно рассчитать как

{ displaystyle U _ { text {out}} (t) = { frac {1} {T}} int _ {tT} ^ {t} sin left [2 pi f _ { text {ref} } cdot s + varphi right] U _ { text {in}} (s) , ds,}

куда φ - это фаза, которая может быть установлена в режиме блокировки (по умолчанию установлена на ноль).

Если время усреднения Т достаточно велико (например, намного больше, чем период сигнала), чтобы подавить все нежелательные части, такие как шум и вариацию в два раза опорной частоты, выход

{ displaystyle U _ { text {out}} = { frac {1} {2}} V _ { text {sig}} cos theta,}

куда ${ displaystyle V _ { text {sig}}}$ амплитуда сигнала на опорной частоте, и ${ displaystyle theta}$ это разность фаз между сигналом и опорным.

Многие приложения к синхронному усилителю требуется только восстановление амплитуды сигнала, а не относительной фазы к опорному сигналу. Для простого так называемого однофазного синхронизирующего усилителя разность фаз устанавливается (обычно вручную) на ноль, чтобы получить полный сигнал.

Более продвинутые, так называемые двухфазные синхронизирующие усилители имеют второй детектор, выполняющий те же вычисления, что и раньше, но с дополнительным фазовым сдвигом на 90 °. Таким образом, у одного есть два выхода: ${ Displaystyle Х = В _ { текст {сиг}} соз тета}$ называется "синфазным" компонентом, а ${ displaystyle Y = V _ { text {sig}} sin theta}$ «квадратурная» составляющая. Эти две величин представляют собой сигнал в качестве вектора относительно блокировки в опорном генераторе. Вычислив величину (р) сигнального вектора снимается фазовая зависимость:

{ displaystyle R = { sqrt {X ^ {2} + Y ^ {2}}} = V _ { text {sig}}.}

Фазу можно рассчитать из

{ displaystyle theta = arctan left ({ frac {Y} {X}} right).}

Цифровые синхронизирующие усилители

Большинство современных синхронизированных усилителей основаны на высокопроизводительных усилителях. цифровая обработка сигналов (DSP). За последние 20 лет цифровые синхронизирующие усилители заменили аналоговые модели во всем диапазоне частот, позволяя пользователям выполнять измерения на частоте до 600 МГц. Первоначальные проблемы первых цифровых синхронизирующих усилителей, например Наличие шума цифровых часов на входных разъемах можно полностью устранить за счет использования улучшенных электронных компонентов и улучшенной конструкции прибора. Современные цифровые синхронизирующие усилители превосходят аналоговые модели по всем важным параметрам производительности, таким как частотный диапазон, входной шум, стабильность и динамический запас. В дополнение к лучшей производительности цифровые синхронизирующие усилители могут включать в себя несколько демодуляторов, что позволяет анализировать сигнал с разными настройками фильтра или на нескольких разных частотах одновременно. Более того, экспериментальные данные можно анализировать с помощью дополнительных инструментов, таких как осциллограф, Анализаторы спектра БПФ, усреднитель крытых вагонов или используется для обратной связи с помощью внутренних ПИД-регуляторы. Некоторые модели цифровых синхронизирующих усилителей управляются компьютером и имеют графический интерфейс пользователя (может быть платформенно-независимым пользовательский интерфейс браузера ) и выбор программные интерфейсы.

Измерение сигнала в шумной среде

Типовая экспериментальная установка

Восстановление сигнала использует тот факт, что шум часто распространяется на гораздо более широкий диапазон частот, чем сигнал. В простейшем случае белого шума, даже если среднеквадратическое значение шума 10³ раз больше, чем сигнал, который необходимо восстановить, если полоса пропускания измерительного прибора может быть уменьшена более чем в 10 раз.⁶ около частоты сигнала, тогда оборудование может быть относительно нечувствительным к шуму. В типичной полосе пропускания 100 МГц (например, осциллограф) это можно сделать с помощью полосового фильтра с шириной намного меньше 100 Гц. Время усреднения синхронизирующего усилителя определяет полосу пропускания и позволяет использовать очень узкие фильтры, менее 1 Гц, если необходимо. Однако это происходит за счет медленной реакции на изменения сигнала.

Таким образом, даже если шум и сигнал неразличимы в область времени, если сигнал имеет определенную полосу частот и в этой полосе нет большого пика шума, шум и сигнал могут быть достаточно разделены в частотная область.

Если сигнал либо медленно меняется, либо постоянный (по сути, сигнал постоянного тока), то 1/ж шум обычно подавляет сигнал. Затем может потребоваться использование внешних средств для модуляции сигнала. Например, при обнаружении слабого светового сигнала на ярком фоне сигнал может быть модулирован либо колесо измельчителя, акустооптический модулятор, фотоупругий модулятор на достаточно большой частоте, чтобы 1 /ж шум значительно снижается, и синхронный усилитель привязан к рабочей частоте модулятора. В случае атомно-силовой микроскоп, достигать нанометр и пиконьютон разрешение, консоль положение модулируется с высокой частотой, на которую снова ссылается синхронный усилитель.

Когда применяется метод синхронизации, необходимо проявлять осторожность при калибровке сигнала, потому что усилители синхронизации обычно обнаруживают только среднеквадратичный сигнал рабочей частоты. Для синусоидальной модуляции это внесло бы фактор ${ displaystyle { sqrt {2}}}$ между выходом синхронизирующего усилителя и пиковой амплитудой сигнала и другим коэффициентом для несинусоидальной модуляции.

В случае нелинейных систем появляются высшие гармоники частоты модуляции. Простым примером является свет обычной лампочки, модулируемый с удвоенной частотой сети. Некоторые синхронизированные усилители также позволяют проводить отдельные измерения этих высших гармоник.

Кроме того, ширина отклика (эффективная полоса пропускания) обнаруженного сигнала зависит от амплитуды модуляции. Как правило, функция ширины линии / модуляции имеет монотонно возрастающее нелинейное поведение.

Публикации

Скофилд, Джон Х. (февраль 1994 г.). «Частотное описание синхронизированного усилителя». Американский журнал физики. AAPT. 62 (2): 129–133. Bibcode:1994AmJPh..62..129S. Дои:10.1119/1.17629.

Жакье, Пьер-Ален; Жакье, Ален (март 1994). «Многоканальный цифровой синхронный усилитель с разрешением PPM». Обзор научных инструментов. AIP. 65 (3): 747. Bibcode:1994RScI ... 65..747P. Дои:10.1063/1.1145096.
Ван, Сяои (1990). «Чувствительный цифровой синхронный усилитель с использованием персонального компьютера». Обзор научных инструментов. AIP. 61 (70): 1999–2001. Bibcode:1990RScI ... 61.1999W. Дои:10.1063/1.1141413.
Вольфсон, Ричард (июнь 1991 г.). «Усилитель синхронизации: студенческий эксперимент». Американский журнал физики. AAPT. 59 (6): 569–572. Bibcode:1991AmJPh..59..569W. Дои:10.1119/1.16824.
Диксон, Пол К .; Ву, Лей (октябрь 1989 г.). "Широкополосные цифровые синхронные усилители". Обзор научных инструментов. AIP. 60 (10): 3329. Bibcode:1989RScI ... 60.3329D. Дои:10.1063/1.1140523.
ван Экстер, Мартин; Lagendijk, Ad (март 1986 г.). «Преобразование AM-радио в высокочастотный синхронный усилитель в эксперименте со стимулированным комбинационным рассеиванием». Обзор научных инструментов. AIP. 57 (3): 390. Bibcode:1986RScI ... 57..390В. Дои:10.1063/1.1138952.
Probst, P. A .; Колле, Б. (март 1985 г.). «Низкочастотный цифровой синхронизирующий усилитель». Обзор научных инструментов. AIP. 56 (3): 466. Bibcode:1985RScI ... 56..466P. Дои:10.1063/1.1138324.
Темпл, Пол А. (1975). «Введение в фазочувствительные усилители: недорогой студенческий инструмент». Американский журнал физики. AAPT. 43 (9): 801–807. Bibcode:1975AmJPh..43..801T. Дои:10.1119/1.9690.
Бёрдетт, Ричард (2005). «Амплитудно-модулированные сигналы - синхронизирующий усилитель». Справочник по проектированию измерительных систем. Вайли. Дои:10.1002 / 0471497398.мм588. ISBN 978-0-470-02143-9.

внешняя ссылка

О связях из Стэнфордских исследовательских систем. Примечание по применению, в котором подробно описывается принцип работы синхронизированных усилителей.
Учебное пособие по фиксации усилителя от Bentham Instruments. Подробное руководство о том, почему и как используются синхронные усилители.
Технические примечания по фиксации Ряд технических и прикладных примечаний, описывающих конструкцию цифровых и аналоговых блокировок, и руководство по их спецификациям от ВОССТАНОВЛЕНИЕ СИГНАЛА.
PCSC-Lock-in Инструмент для сбора данных о частоте акустического прерывания с помощью звуковой карты компьютера.
Замечания по применению фиксирующего усилителя из Цюрихские инструменты.
Принципы обнаружения блокировки и современное состояние, Белая книга, 2016, с Цюрихские инструменты..

[Dicke1985-1] Стенограмма устной истории - д-р Роберт Дике.

[Michels1941-2] Michels, W. C .; Кертис, Н. Л. (1941). "Пентодный синхронизирующий усилитель высокочастотной селективности". Обзор научных инструментов. 12 (9): 444. Bibcode:1941РНКИ ... 12..444М. Дои:10.1063/1.1769919.

[Cosens1934-3] Козенс, К. Р. (1934). «Весы-детектор для мостов переменного тока». Труды физического общества. 46 (6): 818–823. Bibcode:1934PPS .... 46..818C. Дои:10.1088/0959-5309/46/6/310.

[Stutt1949-4] Штутт, К. А. (1949). «Низкочастотный спектр синхронных усилителей». Технический отчет MIT (MIT) (105): 1–18.

[1]

[2]

[3]

[4]