Amplificator de blocare

Redați fișierul media

Introducere în tehnologia Lock-In Amplifier (în engleză, subtitrări în italiană)

Un amplificator de blocare produs de Signal Recovery

Amplificator analogic de blocare de la Scitec Instruments

Amplificator digital cu blocare digitală pe două canale FPGA de la Zurich Instruments AG

Amplificator de blocare cu osciloscop integrat de la Anfatec

Un amplificator de blocare (cunoscut și sub numele de detector sensibil la fază ) este un tip de amplificator care poate extrage un semnal cu un purtător cunoscut dintr-un mediu extrem de zgomotos. Este în esență un receptor homodin cu un filtru trece jos cu bandă foarte îngustă. Amplificatoarele de blocare folosesc un mixer pentru a converti semnalul de înaltă frecvență într-o componentă de curent continuu sau foarte joasă.

Amplificatorul de blocare a fost inventat de Robert Dicke , fizician la Universitatea Princeton, care a fondat compania Princeton Applied Research (PAR) pentru a comercializa produsul. Marca PAR este acum utilizată pentru instrumente electrochimice, în timp ce companiile de recuperare a semnalului continuă să proiecteze și să producă amplificatoare de blocare.

Principiu de bază

Funcționarea amplificatorului de blocare se bazează pe ortogonalitatea sinusoidelor . În practică, atunci când o funcție sinusoidală de frecvență ν este înmulțită cu o altă sinusoidă de frecvență μ diferită de ν și integrată într-un interval mai mare decât perioada celor două funcții, rezultatul este zero. Dacă μ este egal cu ν și cele două funcții sunt în fază, valoarea medie este egală cu jumătate din produsul amplitudinilor.

Practic, un amplificator de blocare preia semnalul de intrare, îl înmulțește cu un semnal de referință (care poate fi produs fie de oscilatorul intern, fie de o sursă externă) și îl integrează într-un timp specificat, de obicei de ordinul milisecundelor sau cateva secunde. Semnalul rezultat este în esență o componentă continuă, în care contribuția oricărui alt semnal la o altă frecvență decât cea de referință este teoretic nulă. Mai mult, contribuția sinusoidelor în cvadratura de fază cu cea de referință este, de asemenea, nulă, așa cum se întâmplă în modulația în cvadratură a unui semnal. Din acest motiv, amplificatorul de blocare este numit și detector sensibil la fază.

Pentru un semnal de referință sinusoidal și o formă de undă de intrare $U_{\mathrm {in} }(t)$ ${\ displaystyle U _ {\ mathrm {in}} (t)}$ ${\ displaystyle U _ {\ mathrm {in}} (t)}$ , semnalul de ieșire DC $U_{\mathrm {out} }(t)$ ${\ displaystyle U _ {\ mathrm {out}} (t)}$ ${\ displaystyle U _ {\ mathrm {out}} (t)}$ pentru un amplificator analogic de blocare poate fi calculat ca:

U_{\mathrm {out} }(t)={\frac {1}{T}}\int _{t-T}^{t}{\sin {\big (}2\pi f_{\rm {ref}}\,s+\phi {\big )}\,U_{\mathrm {in} }(s)}\;\mathrm {d} s

{\ displaystyle U _ {\ mathrm {out}} (t) = {\ frac {1} {T}} \ int _ {tT} ^ {t} {\ sin {\ big (} 2 \ pi f _ { \ rm {ref}} \, s + \ phi {\ big)} \, U _ {\ mathrm {in}} (s)} \; \ mathrm {d} s}

{\ displaystyle U _ {\ mathrm {out}} (t) = {\ frac {1} {T}} \ int _ {tT} ^ {t} {\ sin {\ big (} 2 \ pi f _ { \ rm {ref}} \, s + \ phi {\ big)} \, U _ {\ mathrm {in}} (s)} \; \ mathrm {d} s}

unde este $\phi$ ${\ displaystyle \ phi}$ $\ phi$ este un termen de fază care poate fi setat pe instrument (în mod implicit este zero). Rețineți că ultima formulă poate fi scrisă ca o convoluție , folosind funcția

F(t)={\frac {1}{T}}\,\mathrm {rect} \left({\frac {t}{T}}-{\frac {1}{2}}\right)

{\ displaystyle F (t) = {\ frac {1} {T}} \, \ mathrm {rect} \ left ({\ frac {t} {T}} - {\ frac {1} {2}} \ dreapta)}

{\ displaystyle F (t) = {\ frac {1} {T}} \, \ mathrm {rect} \ left ({\ frac {t} {T}} - {\ frac {1} {2}} \ dreapta)}

.

Deci avem

$U_{\rm {out}}(t)=F_{T}\ast {\Big (}\sin(2\pi \,f_{\rm {ref}}\cdot )\,U_{\rm {in}}{\Big )}$ ${\ displaystyle U _ {\ rm {out}} (t) = F_ {T} \ ast {\ Big (} \ sin (2 \ pi \, f _ {\ rm {ref}} \ cdot) \, U _ {\ rm {în}} {\ Big)}}$ ${\ displaystyle U _ {\ rm {out}} (t) = F_ {T} \ ast {\ Big (} \ sin (2 \ pi \, f _ {\ rm {ref}} \ cdot) \, U _ {\ rm {în}} {\ Big)}}$ ,

unde simbolul * denotă produsul convoluției.

În practică, în multe aplicații ale amplificatorului de blocare este necesar doar să se reconstruiască amplitudinea semnalului, nu diferența de fază cu cea de referință; un amplificator de blocare măsoară în general atât faza ( X ), cât și componenta defazată ( Y ), putând astfel calcula amplitudinea ( R ).

Operațiune

Amplificatoarele de blocare sunt utilizate pe scară largă pentru a măsura amplitudinea și faza unui semnal acoperit de zgomot. Pentru a realiza acest lucru, este necesar să utilizați un filtru de bandă foarte îngust, care elimină zgomotul nedorit și permite ca semnalul să fie măsurat.

Frecvența semnalului măsurat și, prin urmare, regiunea de trecere a benzii a filtrului este stabilită de semnalul de referință, care, evident, trebuie să fie la aceeași frecvență ca modulația semnalului care urmează să fie măsurat.

Un amplificator de blocare de bază poate fi împărțit în 4 trepte: un amplificator de intrare, circuitul de referință, un demodulator și un filtru trece-jos.

amplificator de intrare : câștig variabil preprocesează semnalul amplificându-l la un nivel adecvat demodulatorului. Datorită nivelului ridicat de zgomot de intrare, acest amplificator trebuie să aibă performanțe ridicate;
circuit de referință : permite schimbarea fazei semnalului de referință;
demodulator : este în esență un multiplicator. Acesta ia semnalul de intrare și referința și le înmulțește. Rezultatul va conține două componente de frecvență, cu pulsație egală cu suma și diferența dintre cele ale semnalelor multiplicate. Dacă semnalul de referință și cel care trebuie măsurat au aceeași frecvență, diferența este zero, rezultând o componentă continuă proporțională cu amplitudinea semnalului de intrare și cu cosinusul diferenței de fază dintre semnale. Prin ajustarea fazei semnalului de referință cu circuitul corespunzător, această diferență de fază poate fi adusă la zero pentru a obține o componentă continuă proporțională cu semnalul care trebuie măsurat la ieșirea demodulatorului. Cu toate acestea, zgomotul este încă prezent cu o amplitudine chiar și de 1000 de ori mai mare decât componenta continuă.
filtru trece jos : deoarece componentele de zgomot de pe semnalul de intrare sunt la alte frecvențe decât cea de referință, suma și diferența pulsațiilor nu vor fi zero și, prin urmare, nu vor contribui la nivelul componentei de curent continuu a semnalului de ieșire. Pentru a obține doar componenta DC este suficient să folosiți un filtru trece jos cu bandă foarte îngustă, care elimină componentele de zgomot.

Aceasta este ideea de bază pe care se bazează funcționarea amplificatorului de blocare, în timp ce în realitate aceste instrumente sunt mult mai complexe, deoarece trebuie să țină cont de prezența unor compensări care trebuie eliminate și de zgomotul produs de instrumentul însuși .

Aplicație pentru măsurarea semnalului într-un mediu zgomotos

Ideea esențială în reconstrucția semnalului este că zgomotul electric este distribuit pe un spectru larg, mult mai larg decât cel al semnalului care urmează să fie măsurat. În cazul simplu al zgomotului alb , chiar dacă valoarea efectivă a zgomotului este de 10 ⁶ ori mai mare decât semnalul de reconstituit, dacă banda instrumentului de măsurare poate fi redusă cu un factor mai mare de 10 ^{6 în} jurul frecvenței semnalului, reconstrucția poate fi efectuată. De exemplu, într-un sistem cu o bandă de 100 MHz (un osciloscop tipic), este suficient un filtru cu o bandă de 100 Hz.

În practică, chiar dacă semnalul și zgomotul nu se pot distinge în domeniul timpului, dacă semnalul are o frecvență bine definită și nu există vârfuri de zgomot în jurul acelei benzi, zgomotul și semnalul pot fi separate destul de eficient în domeniu. frecvență.

Dacă semnalul este în schimb lent variabil sau chiar constant, atunci este în general acoperit de zgomotul 1 / f . În aceste cazuri este necesar să se utilizeze alte metode pentru a modula semnalul. De exemplu, pentru a detecta un semnal luminos slab într-un mediu de lumină foarte puternic, semnalul poate fi modulat cu un tocator optic, un modulator acustico-optic sau fotoelastic la o frecvență suficient de mare, astfel încât zgomotul 1 / f să nu mai apară. Frecvența de referință utilizată pentru modulație trebuie apoi să fie introdusă și la amplificatorul de blocare. În cazul microscopului cu forță atomică , pentru a obține rezoluția nanometrilor și piconewtonii, poziția microliftului (consolă) este modulată la frecvență înaltă, la care se referă amplificatorul de blocare.

Când este utilizat amplificatorul de blocare, este necesar să acordați o atenție deosebită calibrării semnalului, deoarece, în general, acest instrument detectează doar valoarea efectivă a semnalului la frecvența de lucru. Pentru o modulație sinusoidală, acest lucru introduce un factor ${\sqrt {2}}$ ${\ displaystyle {\ sqrt {2}}}$ ${\ sqrt {2}}$ între ieșirea amplificatorului de blocare și amplitudinea de vârf a semnalului și un factor diferit pentru o modulație non-sinusoidală. Pentru sistemele puternic neliniare, poate fi avantajos să se utilizeze o armonică mai mare pentru referința de frecvență.

Bibliografie (în engleză)

A. Restelli, R. Abbiati și A. Geraci, Amplificator de blocare bazat pe matricea de poartă programabilă digitală pentru aplicații de numărare a fotonilor de înaltă performanță , în Review of Scientific Instruments , vol. 76, AIP, 2005, DOI : 10.1063 / 1.2008991 .

Maximiliano Osvaldo Sonnaillon și Fabián Jose Bonetto, un amplificator de blocare bazat pe procesor de semnal digital, cu cost redus, performant, capabil să măsoare simultan mai multe frecvențe , în Review of Scientific Instruments , vol. 76, AIP, 2005, DOI : 10.1063 / 1.1854196 .

Libbrecht KG, Black ED, Hirata CM, Un experiment de bază cu amplificator de blocare pentru laboratorul universitar , în American Journal of Physics , vol. 71, nr. 11, AAPT, noiembrie 2003, pp. 1208-1213, DOI : 10.1119 / 1.1579497 .

Barragán, LA Artigas, JI Alonso, R. Villuendas, F., Un modular, cu cost redus, card de blocare bazat pe procesor de semnal digital pentru măsurarea atenuării optice , în Review of Scientific Instruments , vol. 72, nr. 1, AIP, ianuarie 2001, p. 247, DOI : 10.1063 / 1.1333046 .

John H. Scofield, Descrierea domeniului de frecvență al unui amplificator de blocare , în American Journal of Physics , vol. 62, nr. 2, AAPT, februarie 1994, pp. 129–133, DOI : 10.1119 / 1.17629 .

Probst, Pierre-Alain Jaquier, Alain, Amplificator digital cu mai multe canale de blocare cu rezoluție PPM , în Review of Scientific Instruments , vol. 65, nr. 3, AIP, martie 1994, p. 747, DOI : 10.1063 / 1.1145096 .

Wang, Xiaoyi, Amplificator digital de blocare sensibil utilizând un computer personal , în Review of Scientific Instruments , vol. 61, nr. 70, AIP, 1990, p. 1999, DOI : 10.1063 / 1.1141413 .

Richard Wolfson, The lock-in amplifier: A student experiment , în American Journal of Physics , vol. 59, nr. 6, AAPT, iunie 1991, pp. 569-572, DOI : 10.1119 / 1.16824 .

Dixon, Paul K. Wu, Lei, Broadband digital lock-in amplifier techniques , în Review of Scientific Instruments , vol. 60, n. 10, AIP, octombrie 1989, p. 3329, DOI : 10.1063 / 1.1140523 .

Vanexter M, Lagendijk A, Conversia unui radio AM într-un amplificator de blocare de înaltă frecvență într-un experiment Raman stimulat , în Review of Scientific Instruments , vol. 57, nr. 3, AIP, martie 1986, p. 390, DOI : 10.1063 / 1.1138952 .

Probst, PA Collet, B, Amplificator digital de joasă frecvență , în Review of Scientific Instruments , vol. 56, nr. 3, AIP, martie 1985, p. 466, DOI : 10.1063 / 1.1138324 .

Paul A. Temple, O introducere la amplificatoarele sensibile la fază: Un instrument student ieftin , în American Journal of Physics , vol. 43, nr. 9, AAPT, 1975, pp. 801–807, DOI : 10.1119 / 1.9690 .

Legături externe (în engleză)

Principiile de funcționare ale amplificatoarelor Lock-In de la Zurich Instruments AG.
Amplificatoarele de blocare Boston Electronics au explicat.
Bentham Instruments Tutorial pentru amplificatorul de blocare .

Portal de inginerie : accesați intrările Wikipedia care se ocupă de inginerie