Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Шулы сигналдағы белгілі бір жиілікті күшейтіп көрсететін күшейткіш түрі.
Type of amplifier that emphasizes a specific frequency in a noisy signal
Қалпына келтіру күшейткіші – өте шулы ортадан белгілі тасымалдаушы толқыны бар сигналды бөліп алатын күшейткіш түрі. Аспаптың динамикалық резервіне байланысты, шу компоненттерінен миллион есе кіші, жиілігі жақын сигналдарды да сенімді түрде анықтауға болады. Бұл, негізінен, гомодинді детектор және содан кейін кесілу жиілігі мен сүзгі ретін реттеуге болатын төмен өткізгіш сүзгі болып табылады. Бұл құрылғы фазалық ығысуды өлшеу үшін жиі қолданылады, тіпті сигналдар үлкен болғанда, сигнал-шу қатынасы жоғары болғанда және қосымша жақсарту қажет болмағанда да. Төмен сигнал-шу қатынасымен сигналды қалпына келтіру үшін, алынған сигналмен бірдей жиіліктегі күшті, таза эталондық сигнал қажет. Көптеген тәжірибелерде мұндай сигнал болмайды, сондықтан құрылғы шудың ішінде жасырылған сигналдарды тек шектеулі жағдайларда ғана қалпына келтіре алады. Қалпына келтіру күшейткішін Принстон университетінің физигі Роберт Х. Дикке ойлап тапқан деп саналады, ол өнімді сату үшін Принстон қолданбалы зерттеулер (PAR) компаниясын құрды. Алайда, Мартин Харвитпен сұхбаттасқанда, Дикке жиі құрылғыны өзі ойлап тапқан деп айтылғанымен, ол мұны Брин-Маур колледжінің профессоры Уолтер К. Мишелс жазған ғылыми жабдықтар туралы шолудан оқығанын мәлімдеді. Бұл Мишелс пен Кертистің 1941 жылғы мақаласы болуы мүмкін, ол өз кезегінде 1934 жылғы К.Р. Козенстің мақаласына сілтеме жасайды, ал тағы бір маңызды мақаланы 1949 жылы К.А. Штут жазған. Дәстүрлі қалпына келтіру күшейткіштері демодуляция үшін аналогты жиілік араластырғыштар мен RC сүзгілерін пайдаланса, қазіргі заманғы құрылғыларда екі қадам да, мысалы, FPGA-да жылдам цифрлық сигнал өңдеу арқылы жүзеге асырылады. Әдетте, синус және косинус демодуляциясы бірдей жүргізіледі, бұл кейде қос фазалы демодуляция деп те аталады. Бұл фазалық және квадратуралық компоненттерді бөліп алуға мүмкіндік береді, оларды кейін полярлық координаттарға, яғни амплитуда мен фазаға түрлендіруге немесе күрделі санның нақты және жолғасы бөлігі ретінде одан әрі өңдеуге болады (мысалы, күрделі FFT талдауы үшін).
A lock in amplifier is a type of amplifier that can extract a signal with a known carrier wave from an extremely noisy environment. Depending on the dynamic reserve of the instrument, signals up to a million times smaller than noise components, potentially fairly close by in frequency, can still be reliably detected. It is essentially a homodyne detector followed by low pass filter that is often adjustable in cut off frequency and filter order. The device is often used to measure phase shift, even when the signals are large, have a high signal to noise ratio and do not need further improvement. Recovering signals at low signal to noise ratios requires a strong, clean reference signal with the same frequency as the received signal. This is not the case in many experiments, so the instrument can recover signals buried in the noise only in a limited set of circumstances. The lock in amplifier is commonly believed to have been invented by Princeton University physicist Robert H. Dicke who founded the company Princeton Applied Research (PAR) to market the product. However, in an interview with Martin Harwit, Dicke claims that even though he is often credited with the invention of the device, he believes that he read about it in a review of scientific equipment written by Walter C. Michels, a professor at Bryn Mawr College. This could have been a 1941 article by Michels and Curtis, which in turn cites a 1934 article by C. R. Cosens, while another timeless article was written by C. A. Stutt in 1949. Whereas traditional lock in amplifiers use analog frequency mixers and RC filters for the demodulation, state of the art instruments have both steps implemented by fast digital signal processing, for example, on an FPGA. Usually sine and cosine demodulation is performed simultaneously, which is sometimes also referred to as dual phase demodulation. This allows the extraction of the in phase and the quadrature component that can then be transferred into polar coordinates, i. e. amplitude and phase, or further processed as real and imaginary part of a complex number (e. g. for complex FFT analysis).
Цифрлық бұғаттағыш күшейткіштер
Қазіргі уақыттағы қоңырау шалу күшейткіштерінің көпшілігі жоғары өнімділіктегі цифрлық сигнал өңдеуге (DSP) негізделген. Соңғы 20 жыл ішінде цифрлық бұғаттағыш күшейткіштер барлық жиілік диапазонында аналогты модельдерді ығыстырып, пайдаланушыларға 600 МГц жиілікке дейін өлшеулер жүргізуге мүмкіндік берді. Цифрлық бұғаттағыш күшейткіштердің алғашқы үлгілеріндегі кіріс коннекторларындағы цифрлық сағат шуы сияқты мәселелер, жақсартылған электрондық компоненттерді және жақсы құралдарды пайдалану арқылы толығымен жойылды. Бүгінгі таңдағы цифрлық бұғаттағыш күшейткіштер жиілік диапазоны, кіріс шуы, тұрақтылық және динамикалық резерв сияқты барлық маңызды көрсеткіштер бойынша аналогты модельдерден басым түседі. Жақсы өнімділіктен басқа, цифрлық бұғаттағыш күшейткіштерде бірнеше демодуляторлар болуы мүмкін, бұл әртүрлі сүзгі параметрлерімен немесе бірнеше әртүрлі жиіліктерде сигналды бір уақытта талдауға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, тәжірибелік деректерді осциллограф, FFT спектрлік анализаторлар, жүк машинасының орташа мәнін табу құралы сияқты қосымша құралдармен талдауға болады немесе ішкі PID контроллерлерін пайдалану арқылы кері байланыс жүйесін құруға болады. Цифрлық бұғаттағыш күшейткіштердің кейбір үлгілері компьютерлік басқарумен жабдықталған, графикалық пайдаланушы интерфейсіне (платформаға тәуелсіз браузерлік интерфейс болуы мүмкін) және бағдарламалау интерфейстерінің таңдауына ие.
The majority of today's lock in amplifiers are based on high performance digital signal processing (DSP). Over the last 20 years, digital lock in amplifiers have been replacing analog models across the entire frequency range, allowing users to perform measurements up to a frequency of 600 MHz. Initial problems of the first digital lock in amplifiers, e. g. the presence of digital clock noise on the input connectors, could be completely eliminated by use of improved electronic components and better instrument design. Today's digital lock in amplifiers outperform analog models in all relevant performance parameters, such as frequency range, input noise, stability and dynamic reserve. In addition to better performance, digital lock in amplifiers can include multiple demodulators, which allows analyzing a signal with different filter settings or at multiple different frequencies simultaneously. Moreover, experimental data can be analyzed with additional tools such as an oscilloscope, FFT spectrum analyzers, boxcar averager or used to provide feedback by using internal PID controllers. Some models of the digital lock in amplifiers are computer controlled and feature a graphical user interface (can be a platform independent browser user interface) and a choice of programming interfaces.
Шулы ортадағы сигнал өлшеуіш
Сигналды қалпына келтіру шудың жиілік диапазоны сигналдан әлдеқайда кеңірек таралуының арқасында мүмкін болады. Ақ шудың ең қарапайым жағдайында, егер шудың орташа квадрат түбірі қалпына келтірілетін сигналдан 103 есе үлкен болса да, егер өлшеу құралының өткізу қабілеті сигнал жиілігінің айналасында 106 еседен көп мөлшерде тарытылса, құрал шуға салыстырмалы түрде сезімтал болмайды. Типик 100 МГц өткізу қабілетімен (мысалы, осциллографта) 100 Гц-тен әлдеқайда тар ені бар жолақты сүзгі осыны қамтамасыз етеді. Блоктау күшейткішінің орташа уақыты өткізу қабілетін анықтайды және қажет болған жағдайда 1 Гц-тен де азырақ, өте тар сүзгілерді пайдалануға мүмкіндік береді. Дегенмен, бұл сигналдың өзгеруіне жауап беру жылдамдығының төмендеуіне әкеледі. Қорытындылай айтқанда, тіпті шу мен сигнал уақыт доменінде ажыратылмаса да, егер сигнал белгілі бір жиілік диапазонына ие болса және осы диапазон ішінде үлкен шу шыңы болмаса, шу мен сигнал жиілік доменінде жеткілікті түрде бөліне алады. Егер сигнал баяу өзгеретін немесе тұрақты болса (іс жүзінде тұрақты ток сигналы), онда 1/f шуы сигналды басып тастайды. Мұндай жағдайда сигналды модуляциялау үшін сыртқы құралдарды қолдану қажет болуы мүмкін. Мысалы, жарқын фонға қарсы әлсіз жарық сигналын анықтағанда, сигналды дөңгелек кескіш, акусто-оптикалық модулятор, фотоэластикалық модулятор арқылы 1/f шуы айтарлықтай төмендегендей жеткілікті жиілікте модуляциялауға болады, ал блоктау күшейткіші модулятордың жұмыс жиілігіне сілтемеленеді. Атомдық күш микроскопында нанометрлік және пиконевтондық ажыратымдылыққа қол жеткізу үшін консольдің орны жоғары жиілікте модуляцияланады, ал блоктау күшейткіші қайтадан осы жиілікке сілтемеленеді. Блоктау әдісін қолданғанда, сигналды калибрлеуге көңіл бөлу қажет, өйткені блоктау күшейткіштері әдетте жұмыс жиілігінің орташа квадрат түбірін ғана анықтайды. Синусоидальды модуляция үшін бұл блоктау күшейткішінің шығысы мен сигналдың ең жоғары амплитудасы арасындағы коэффициентті, ал синусоидальды емес модуляция үшін басқа коэффициентті енгізеді. Сызықтық емес жүйелерде модуляция жиілігінің жоғары гармоникалары пайда болады. Мысалы, әдеттегі шамның жарығы желі жиілігінен екі есе жиілікте модуляцияланады. Кейбір блоктау күшейткіштері осы жоғары гармоникаларды жеке өлшеуге мүмкіндік береді. Сонымен қатар, анықталған сигналдың жауап ені (тиімді өткізу қабілеті) модуляция амплитудасына байланысты. Жалпы, сызық ені/модуляция функциясы монотонды түрде өсетін, сызықтық емес мінез-құлыққа ие.
Signal recovery takes advantage of the fact that noise is often spread over a much wider range of frequencies than the signal. In the simplest case of white noise, even if the root mean square of noise is 103 times as large as the signal to be recovered, if the bandwidth of the measurement instrument can be reduced by a factor much greater than 106 around the signal frequency, then the equipment can be relatively insensitive to the noise. In a typical 100 MHz bandwidth (e. g. an oscilloscope), a bandpass filter with width much narrower than 100 Hz would accomplish this. The averaging time of the lock in amplifier determines the bandwidth and allows very narrow filters, less than 1 Hz if needed. However, this comes at the price of a slow response to changes in the signal. In summary, even when noise and signal are indistinguishable in the time domain, if the signal has a definite frequency band and there is no large noise peak within that band, then the noise and signal can be separated sufficiently in the frequency domain. If the signal is either slowly varying or otherwise constant (essentially a DC signal), then 1/f noise typically overwhelms the signal. It may then be necessary to use external means to modulate the signal. For example, when detecting a small light signal against a bright background, the signal can be modulated either by a chopper wheel, acousto optical modulator, photoelastic modulator at a large enough frequency so that 1/f noise drops off significantly, and the lock in amplifier is referenced to the operating frequency of the modulator. In the case of an atomic force microscope, to achieve nanometer and piconewton resolution, the cantilever position is modulated at a high frequency, to which the lock in amplifier is again referenced. When the lock in technique is applied, care must be taken to calibrate the signal, because lock in amplifiers generally detect only the root mean square signal of the operating frequency. For a sinusoidal modulation, this would introduce a factor of between the lock in amplifier output and the peak amplitude of the signal, and a different factor for non sinusoidal modulation. In the case of nonlinear systems, higher harmonics of the modulation frequency appear. A simple example is the light of a conventional light bulb being modulated at twice the line frequency. Some lock in amplifiers also allow separate measurements of these higher harmonics. Furthermore, the response width (effective bandwidth) of detected signal depends on the amplitude of the modulation. Generally, linewidth/modulation function has a monotonically increasing, non linear behavior.