Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Тип усилителя, который выделяет определенную частоту в шумном сигнале.
Type of amplifier that emphasizes a specific frequency in a noisy signal
Усилитель с фазовой синхронизацией (Lock-in amplifier) – это тип усилителя, способный извлекать сигнал с известной несущей частотой из крайне зашумленной среды. В зависимости от динамического диапазона прибора, сигналы, в миллион раз меньшие, чем компоненты шума, и расположенные на близких частотах, могут быть надежно обнаружены. По сути, это гомодинный детектор, за которым следует фильтр нижних частот, часто с регулируемой частотой среза и порядком фильтрации. Устройство часто используется для измерения сдвига фаз, даже когда сигналы велики, имеют высокое отношение сигнал/шум и не требуют дальнейшего улучшения. Для восстановления сигналов с низким отношением сигнал/шум требуется сильный, чистый опорный сигнал с той же частотой, что и принимаемый сигнал. Это не всегда возможно в экспериментах, поэтому прибор может восстановить сигналы, погребенные в шуме, лишь в ограниченных обстоятельствах. Общепринято считать, что усилитель с фазовой синхронизацией был изобретен физиком из Принстонского университета Робертом Х. Диком, который основал компанию Princeton Applied Research (PAR) для коммерциализации разработки. Однако в интервью Мартину Харвиту Дик заявил, что, хотя ему часто приписывают изобретение устройства, он полагает, что впервые узнал о нем из обзора научного оборудования, написанного Уолтером К. Мишельсом, профессором колледжа Брин-Мор. Это могла быть статья Мишельса и Кертиса 1941 года, которая, в свою очередь, ссылается на статью К. Р. Козенса 1934 года, а также на статью К. А. Штута 1949 года. В то время как традиционные усилители с фазовой синхронизацией используют аналоговые частотные смесители и RC-фильтры для демодуляции, современные приборы реализуют оба этапа с помощью быстрой цифровой обработки сигналов, например, на FPGA. Обычно выполняется одновременная синусоидальная и косинусоидальная демодуляция, что также называют двуфазной демодуляцией. Это позволяет извлечь синфазную (in-phase) и квадратурную (quadrature) компоненты, которые затем могут быть преобразованы в полярные координаты, то есть в амплитуду и фазу, или подвергнуты дальнейшей обработке как действительная и мнимая части комплексного числа (например, для комплексного FFT-анализа).
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).
Усилители цифрового блокирования
Большинство современных фазовых усилителей основаны на высокопроизводительной цифровой обработке сигналов (DSP). За последние 20 лет цифровые фазовые усилители заменили аналоговые модели во всем диапазоне частот, что позволило пользователям проводить измерения на частоте до 600 МГц. Первоначальные проблемы первых цифровых фазовых усилителей, например, наличие шума тактовых генераторов на входных разъемах, были полностью устранены благодаря использованию улучшенных электронных компонентов и более совершенной конструкции приборов. Современные цифровые фазовые усилители превосходят аналоговые модели по всем ключевым параметрам, таким как диапазон частот, входной шум, стабильность и динамический запас. Помимо более высоких характеристик, цифровые фазовые усилители могут включать несколько демодуляторов, что позволяет анализировать сигнал с различными настройками фильтра или на нескольких различных частотах одновременно. Кроме того, экспериментальные данные могут быть проанализированы с помощью дополнительных инструментов, таких как осциллограф, спектроанализаторы FFT, усреднитель типа boxcar или использованы для обратной связи с помощью встроенных PID-регуляторов. Некоторые модели цифровых фазовых усилителей управляются с компьютера и оснащены графическим пользовательским интерфейсом (который может быть реализован в виде платформенно-независимого веб-интерфейса) и набором программных интерфейсов.
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.
Измерение сигнала в шумной среде
Восстановление сигнала основано на том, что шум часто распределен по гораздо более широкому диапазону частот, чем сигнал. В простейшем случае белого шума, даже если среднеквадратичное значение шума в 103 раза превышает сигнал, который необходимо восстановить, если полосу пропускания измерительного прибора можно уменьшить в фактор, значительно превышающий 106 вблизи частоты сигнала, то оборудование может быть относительно нечувствительным к шуму. В типичной полосе пропускания 100 МГц (например, у осциллографа) этого можно достичь с помощью полосового фильтра с шириной, значительно меньшей 100 Гц. Время усреднения фазового усилителя определяет полосу пропускания и позволяет использовать очень узкие фильтры, менее 1 Гц, при необходимости. Однако это достигается ценой замедленной реакции на изменения сигнала. В итоге, даже когда шум и сигнал неразличимы во временной области, если сигнал имеет определенную частотную полосу и в этой полосе нет значительного пика шума, то шум и сигнал можно достаточно разделить в частотной области. Если сигнал медленно изменяется или является постоянным (по сути, сигналом постоянного тока), то шум 1/f обычно маскирует сигнал. В этом случае может потребоваться использование внешних средств для модуляции сигнала. Например, при обнаружении слабого светового сигнала на ярком фоне, сигнал можно модулировать с помощью дискового модулятора, акустооптического модулятора или фотоэластичного модулятора на достаточно высокой частоте, чтобы шум 1/f значительно снизился, и фазовый усилитель синхронизируется с рабочей частотой модулятора. В случае атомно-силового микроскопа, для достижения нанометрового и пиконьютонового разрешения, положение консоли модулируется на высокой частоте, к которой снова привязан фазовый усилитель. При использовании метода фазовой синхронизации необходимо тщательно калибровать сигнал, поскольку фазовые усилители обычно обнаруживают только среднеквадратичное значение сигнала рабочей частоты. Для синусоидальной модуляции это вносит коэффициент между выходным сигналом фазового усилителя и пиковой амплитудой сигнала, а для несинусоидальной модуляции – другой коэффициент. В случае нелинейных систем появляются высшие гармоники частоты модуляции. Простой пример – свет обычной лампы накаливания, модулируемый на частоте, вдвое превышающей частоту сети. Некоторые фазовые усилители также позволяют отдельно измерять эти высшие гармоники. Кроме того, ширина полосы отклика (эффективная полоса пропускания) обнаруженного сигнала зависит от амплитуды модуляции. Как правило, зависимость ширины линии/функции модуляции монотонно возрастающая и нелинейная.
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.