Синхронный усилитель

Синхронный усилитель использует умножитель и фильтр нижних частот для сравнения опорного сигнала с шумным сигналом.

Синхронный усилитель — это тип усилителя , который может извлекать сигнал с известной несущей в чрезвычайно шумной среде. В зависимости от динамического резерва прибора сигналы, в миллион раз меньшие, чем компоненты шума, потенциально достаточно близкие по частоте, все же могут быть надежно обнаружены. По сути, это гомодинный детектор , за которым следует фильтр нижних частот , частота среза и порядок фильтра которого часто регулируются.

Прибор часто используется для измерения фазового сдвига , даже когда сигналы большие, имеют высокое соотношение сигнал/шум и не нуждаются в дальнейшем усовершенствовании.

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

Пример синхронного усилителя

Принято считать, что синхронный усилитель был изобретен Принстонского университета физиком Робертом Х. Дике , который основал компанию Princeton Applied Research (PAR) для продвижения этого продукта на рынок. Однако в интервью Мартину Харвиту Дике утверждает, что, хотя ему часто приписывают изобретение устройства, он считает, что прочитал об этом в обзоре научного оборудования, написанном Уолтером К. Михелсом , профессором Брин-Мора. Колледж . Это могла быть статья Михелса и Кертиса 1941 года. который, в свою очередь, цитирует статью Ч. Р. Козенса 1934 года: а еще одна вневременная статья была написана К. А. Штуттом в 1949 году.

В то время как в традиционных синхронных усилителях для демодуляции используются аналоговые смесители частот и RC-фильтры , в современных приборах оба этапа реализуются посредством быстрой цифровой обработки сигналов , например, на FPGA . Обычно синусоидальная и косинусоидальная демодуляция выполняется одновременно, что иногда также называют двухфазной демодуляцией. Это позволяет выделить синфазную и квадратурную составляющие, которые затем можно перевести в полярные координаты, т.е. амплитуду и фазу, или дополнительно обработать как действительную и мнимую часть комплексного числа (например, для комплексного анализа БПФ ).

Основные принципы

Работа синхронного усилителя основана на ортогональности синусоидальных функций . В частности, когда синусоидальная функция частоты f ₁ умножается на другую синусоидальную функцию частоты f _{2 ,} не равной f ₁ , и интегрируется за время, намного превышающее период двух функций, результат равен нулю. Если вместо этого f ₁ равно f ₂ и две функции находятся в фазе, среднее значение равно половине произведения амплитуд.

По сути, синхронный усилитель принимает входной сигнал, умножает его на опорный сигнал (подаваемый либо от внутреннего генератора , либо от внешнего источника и может быть синусоидальным или прямоугольным). ) и интегрирует его в течение определенного времени, обычно порядка от миллисекунд до нескольких секунд. Результирующий сигнал представляет собой сигнал постоянного тока, в котором вклад любого сигнала, частота которого не совпадает с опорным сигналом, ослабляется почти до нуля. Противофазная составляющая сигнала, которая имеет ту же частоту, что и опорный сигнал, также ослабляется (поскольку синусоидальные функции ортогональны косинусным функциям той же частоты), что обеспечивает синхронизацию фазочувствительного детектора.

Для синусоидального опорного сигнала и входного сигнала $U_{\text{in}}(t)$, выходной сигнал постоянного тока $U_{\text{out}}(t)$ можно рассчитать для аналогового синхронного усилителя как

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

где φ — фаза, которую можно установить при синхронизации (по умолчанию установлена ​​на ноль).

Если время усреднения T достаточно велико (т. е. намного больше периода сигнала), чтобы подавить все нежелательные части, такие как шум и изменения на удвоенной опорной частоте, выходной сигнал будет

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

где $V_{\text{sig}}$ - амплитуда сигнала на опорной частоте, а $\theta$ – это разность фаз между сигналом и опорным сигналом.

Многие применения синхронного усилителя требуют восстановления только амплитуды сигнала, а не относительной фазы опорного сигнала. Для простого, так называемого, однофазного синхронного усилителя разность фаз регулируется (обычно вручную) до нуля, чтобы получить полный сигнал.

Более продвинутые, так называемые двухфазные синхронные усилители, имеют второй детектор, выполняющий те же вычисления, что и раньше, но с дополнительным сдвигом фазы на 90°. Таким образом, у человека есть два выхода: $X=V_{\text{sig}}\cos \theta$ называется «синфазной» составляющей, а $Y=V_{\text{sig}}\sin \theta$ «квадратурная» составляющая. Эти две величины представляют сигнал в виде вектора относительно синхронного опорного генератора. Путем вычисления величины ( R ) вектора сигнала фазовая зависимость удаляется:

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

Фазу можно рассчитать по формуле

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

синхронные

Большинство современных синхронных усилителей основаны на высокопроизводительной цифровой обработке сигналов (DSP). За последние 20 лет цифровые синхронные усилители вытеснили аналоговые модели во всем диапазоне частот, позволяя пользователям выполнять измерения до частоты 600 МГц. Первоначальные проблемы первых цифровых синхронных усилителей, например наличие цифровых тактовых шумов на входных разъемах, можно было полностью устранить за счет использования усовершенствованных электронных компонентов и лучшей конструкции прибора. Современные цифровые синхронные усилители превосходят аналоговые модели по всем важным параметрам производительности, таким как частотный диапазон, входной шум, стабильность и динамический запас. Помимо лучших характеристик, цифровые синхронные усилители могут включать в себя несколько демодуляторов, что позволяет анализировать сигнал с разными настройками фильтра или на нескольких разных частотах одновременно. Кроме того, экспериментальные данные можно анализировать с помощью дополнительных инструментов, таких как осциллограф , анализаторы спектра БПФ, усреднитель коробчатого типа или используется для обеспечения обратной связи с помощью внутренних ПИД-регуляторов . Некоторые модели усилителей с цифровой синхронизацией управляются компьютером и имеют графический интерфейс пользователя , независимый от платформы (может быть пользовательский интерфейс браузера ) и выбор интерфейсов программирования .

Измерение сигнала в шумной среде

Типичная экспериментальная установка

Восстановление сигнала использует тот факт, что шум часто распространяется по гораздо более широкому диапазону частот, чем сигнал. В простейшем случае белого шума, даже если среднеквадратичный шум равен 10 ³ раз больше, чем восстанавливаемый сигнал, если полосу пропускания измерительного прибора можно уменьшить более чем в 10 раз. ⁶ вокруг частоты сигнала, то оборудование может быть относительно нечувствительным к шуму. В типичной полосе пропускания 100 МГц (например, осциллографа) для этого можно использовать полосовой фильтр с шириной намного уже 100 Гц. Время усреднения синхронного усилителя определяет полосу пропускания и позволяет использовать очень узкие фильтры, при необходимости менее 1 Гц. Однако за это приходится платить медленной реакцией на изменения сигнала.

Таким образом, даже когда шум и сигнал неразличимы во временной области , если сигнал имеет определенную полосу частот и в этой полосе нет большого шумового пика, тогда шум и сигнал могут быть достаточно разделены в частотной области .

Если сигнал либо медленно меняется, либо постоянен (по сути, это сигнал постоянного тока), то 1/ f шум обычно подавляет сигнал. В этом случае может потребоваться использование внешних средств для модуляции сигнала. Например, при обнаружении небольшого светового сигнала на ярком фоне сигнал можно модулировать либо прерывающим колесом , акустооптическим модулятором , фотоупругим модулятором на достаточно большой частоте, чтобы шум 1/ f значительно снизился, а блокировка -вход усилителя привязан к рабочей частоте модулятора. В случае атомно-силового микроскопа для достижения нанометрового и пиконьютонного разрешения положение кантилевера модулируется на высокой частоте, к которой снова привязывается синхронный усилитель.

При применении метода синхронизации необходимо соблюдать осторожность при калибровке сигнала, поскольку усилители синхронизации обычно обнаруживают только среднеквадратичный сигнал рабочей частоты. Для синусоидальной модуляции это введет коэффициент ${\sqrt {2}}$ между выходом синхронного усилителя и пиковой амплитудой сигнала, а также другим коэффициентом для несинусоидальной модуляции.

В случае нелинейных систем появляются высшие гармоники частоты модуляции. Простой пример — свет обычной лампочки, модулируемый с частотой, вдвое превышающей частоту сети. Некоторые синхронные усилители также позволяют проводить отдельные измерения этих высших гармоник.

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

Публикации

• Скофилд, Джон Х. (февраль 1994 г.). «Частотное описание синхронного усилителя». Американский журнал физики . 62 (2). ААПТ: 129–133. Бибкод : 1994AmJPh..62..129S . дои : 10.1119/1.17629 .
• Жакье, Пьер-Ален; Жакье, Ален (март 1994 г.). «Многоканальный цифровой синхронный усилитель с разрешением PPM». Обзор научных инструментов . 65 (3). AIP: 747. Бибкод : 1994RScI...65..747P . дои : 10.1063/1.1145096 .
• Ван, Сяои (1990). «Чувствительный цифровой синхронизирующийся усилитель с использованием персонального компьютера» . Обзор научных инструментов . 61 (70). АИП: 1999–2001 гг. Бибкод : 1990RScI...61.1999W . дои : 10.1063/1.1141413 .
• Вольфсон, Ричард (июнь 1991 г.). «Синхронный усилитель: студенческий эксперимент». Американский журнал физики . 59 (6). ААПТ: 569–572. Бибкод : 1991AmJPh..59..569W . дои : 10.1119/1.16824 .
• Диксон, Пол К.; Ву, Лэй (октябрь 1989 г.). «Методы широкополосного цифрового синхронного усилителя». Обзор научных инструментов . 60 (10). AIP: 3329. Бибкод : 1989RScI...60.3329D . дои : 10.1063/1.1140523 .
• ван Экстер, Мартин; Лагендейк, Ад (март 1986 г.). «Преобразование AM-радио в высокочастотный синхронный усилитель в эксперименте по стимулированию комбинационного рассеяния света». Обзор научных инструментов . 57 (3). АИП: 390. Бибкод : 1986RScI...57..390В . дои : 10.1063/1.1138952 .
• Пробст, Пенсильвания; Колле, Б. (март 1985 г.). «Цифровой синхронный усилитель низкой частоты». Обзор научных инструментов . 56 (3). AIP: 466. Бибкод : 1985RScI...56..466P . дои : 10.1063/1.1138324 .
• Темпл, Пол А. (1975). «Введение в фазочувствительные усилители: недорогой студенческий инструмент». Американский журнал физики . 43 (9). ААПТ: 801–807. Бибкод : 1975AmJPh..43..801T . дои : 10.1119/1.9690 .
• Бердетт, Ричард (2005). «Амплитудно-модулированные сигналы — синхронный усилитель». Справочник по проектированию измерительных систем . Уайли. дои : 10.1002/0471497398.mm588 . ISBN  978-0-470-02143-9 .

Внешние ссылки

• Принципы обнаружения блокировки и новейшие достижения компании Zurich Instruments. Подробный обзор основ синхронных измерений.
• О LIA от Stanford Research Systems. Примечание по применению, подробно описывающее работу синхронных усилителей.
• Учебное пособие по синхронному усилителю от Bentham Instruments. Подробное руководство о том, почему и как использовать синхронные усилители.
• Технические примечания по синхронизации. Ряд технических примечаний и примечаний по применению, описывающих конструкцию цифровых и аналоговых синхронизаций, а также руководство по их спецификациям из SIGNAL RECOVERY .
• PCSC-Lock-in Tool для сбора данных о частоте акустического прерывания с использованием звуковой карты компьютера.