In a nut shell, what a lock-in ampl

In a nut shell, what a lock-in amplifier does is measure the amplitude Vo of a sinusoidal
voltage,
Vin(t) = Vo cos(ωot)
where ωo = 2πfo and fo are the angular- and natural frequencies of the signal
respectively. You supply this voltage to the signal input of the lock-in, and its meter tells
you the amplitude Vo, typically calibrated in V-rms. What makes a lock-in different from
a simple AC voltmeter, which is what I just described, is that you must also supply the
lock-in with a reference input, that is, a decent size, say 1 volt p-p, sinusoidal voltage that
is synchronized with the signal whose amplitude you are trying to measure. The lock-in
uses this signal (like an external trigger for an oscilloscope) to "find" the signal to be
measured, while ignoring anything that is not synchronized with the reference. In
practice, the lock-in can measure voltage amplitudes as small as a few nano volts, while
ignoring signals even thousands of times larger. In contrast, an AC voltmeter would
measure the sum of all of the voltages at its input.
Let's consider an example. Suppose the signal is a 10 nV sine wave at 10 kHz. Clearly
some amplification is required to bring the signal above the noise. A good low noise
amplifier will have about 5 nV/ √Hz of input noise. If the amplifier bandwidth is 100 kHz
and the gain is 1000, then we can expect our output to be 10μV of signal (10 nV x 1000)
and 1.6 mV of broadband noise (5 nV/√Hz x √100 kHz x 1000). We won't have much
luck measuring the output signal unless we single out the frequency of interest.
If we follow the amplifier with a bandpass filter with a Q=100 (a VERY good filter)
entered at 10 kHz, any signal in a 100 Hz bandwidth will be detected (10 kHz/Q). The
noise in the filter pass band will be 50 μV (5 nV/√Hz x √100 Hz x 1000) and the signal
will still be 10 μV. The output noise is much greater than the signal and an accurate
measurement can not be made. Further gain will not help the signal to noise problem.
Now try following the amplifier with a phase-sensitive detector (PSD). The PSD can
detect the signal at 10 kHz with a bandwidth as narrow as 0.01 Hz! In this case, the noise
in the detection bandwidth will be only 0.5 μV (5 nV/√Hz x √.01 Hz x 1000) while the
signal is still 10 μV. The signal to noise ratio is now 20 and an accurate measurement of
the signal is possible.

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

ในเปลือกถั่ว เครื่องขยายเสียงล็อคอะไรเป็นวัดโวของซายน์เป็นคลื่นแรงดันไฟฟ้าVin(t) = Vo cos(ωot)ที่ ωo = 2πfo และ fo คือ ความถี่เชิงมุม และธรรมชาติของสัญญาณตามลาดับ คุณนี้ดันอินพุตสัญญาณของล็อคอิน และบอกเป็นเมตรคุณคลื่น Vo โดยทั่วไปปรับใน V rms สิ่งที่ทำให้การล็อคในแตกต่างจากง่าย AC โวลต์มิเตอร์ ซึ่งเป็นสิ่งที่ผมอธิบายไว้เพียง ไม่ว่า คุณต้องใส่ใน มีการอ้างอิงที่อินพุท นั่นคือ สะอาด พูดโวลต์ 1 p -p ซายน์แรงดันไฟฟ้าที่จะตรงกับสัญญาณคลื่นต้องการวัด ล็อคอินใช้สัญญาณนี้ (เช่นทริกเกอร์การภายนอกสำหรับ oscilloscope) เพื่อ "ค้นหา" สัญญาณจะวัด ในขณะที่ละเลยสิ่งที่ไม่ตรงกับการอ้างอิง ในปฏิบัติ ล็อคอินสามารถวัดช่วงแรงดันไฟฟ้าขนาดเล็กเป็นกี่นาโนโวลต์ ขณะที่ไม่สนใจสัญญาณแม้พันครั้งใหญ่ ตรงกันข้าม โวลต์มิเตอร์ AC จะวัดผลรวมทั้งหมดของแรงดันที่อินพุตของลองพิจารณาตัวอย่าง สมมติว่า สัญญาณเป็นคลื่นแบบไซน์ nV 10 ที่ 10 kHz อย่างชัดเจนขยายบางจะต้องนำสัญญาณกว่าเสียงรบกวน เสียงรบกวนต่ำดีแอมพลิฟายเออร์จะมีประมาณ 5 nV / √Hz ของการใส่เสียง ถ้าแบนด์วิดท์ที่แอมพลิฟายเออร์ 100 kHzและกำไรคือ 1000 แล้วเราสามารถคาดหวังผลผลิตของเราจะ 10μV ของสัญญาณ (10 nV x 1000)และ 1.6 mV ของบรอดแบนด์เสียง (5 nV/√Hz x √100 kHz x 1000) เราจะไม่มีมากโชควัดสัญญาณออกยกเว้นว่าเราหนึ่งความถี่ที่น่าสนใจถ้าเราทำตามเครื่องขยายเสียง ด้วยตัวกรองสัญญาณรบกวนที่มี Q = 100 (มากดีกรอง)ป้อนที่ 10 kHz สัญญาณใด ๆ ในแบนด์วิธ 100 Hz จะตรวจพบ (10 kHz/Q) การเสียงในวงการผ่านตัวกรองจะ 50 μ (5 nV/√Hz x √100 Hz x 1000) และสัญญาณจะ 10 μ ส่งออกเสียงคือมากมากกว่าสัญญาณและความถูกต้องไม่สามารถทำการวัด กำไรต่อไปจะไม่ช่วยให้สัญญาณปัญหาเสียงรบกวนตอนนี้ ลองต่อเครื่องขยายเสียงกับเครื่องตรวจจับไวต่อเฟส (PSD) สามารถ PSDตรวจพบสัญญาณที่ 10 kHz กับแบนด์วิดท์ที่ได้แคบถึง 0.01 Hz ในกรณีนี้ รบกวนในการตรวจสอบ แบนด์วิดท์จะมีเพียง 0.5 μ (5 nV/√Hz x √.01 Hz x 1000) ในขณะสัญญาณยังคงเป็น 10 μ สัญญาณเสียงอัตราส่วนเป็น 20 และเป็นการวัดที่แม่นยำของสัญญาณได้

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

ในเปลือกถั่วสิ่งที่ล็อคในเครื่องขยายเสียงไม่เป็นตัวชี้วัดความกว้าง Vo ของซายน์
แรงดันไฟฟ้า
Vin (t) = cos Vo (ωot)
ที่ωo = 2πfoและสำหรับเป็นความถี่ angular- และเป็นธรรมชาติของสัญญาณ
ตามลำดับ คุณให้แรงดันไฟฟ้านี้ไปยังสัญญาณของการล็อคอินและเมตรที่บอก
คุณกว้าง Vo โดยทั่วไปในการสอบเทียบ V-RMS สิ่งที่ทำให้ล็อคในที่แตกต่างจาก
โวลต์มิเตอร์ AC ง่ายซึ่งเป็นสิ่งที่ผมอธิบายเพียงคือการที่คุณยังต้องใส่
ล็อคอินด้วยการป้อนข้อมูลอ้างอิงที่เป็นขนาดที่เหมาะสมพูด 1 โวลต์ PP, แรงดันไฟฟ้าไซน์ที่
จะตรงกับสัญญาณที่มีความกว้างที่คุณกำลังพยายามที่จะวัด ล็อคอิน
ใช้สัญญาณนี้ (เหมือนทริกเกอร์ภายนอกสำหรับสโคป) เพื่อ "ค้นหา" สัญญาณที่จะ
วัดในขณะที่ละเลยสิ่งที่ไม่ตรงกับการอ้างอิง ใน
ทางปฏิบัติล็อคในช่วงกว้างของคลื่นสามารถวัดแรงดันไฟฟ้าขนาดเล็กเป็นโวลต์ไม่กี่นาโนขณะที่
ละเลยสัญญาณหลายพันครั้งใหญ่ ในทางตรงกันข้ามการโวลต์มิเตอร์ AC จะ
วัดผลรวมของทั้งหมดของแรงดันไฟฟ้าที่ป้อนข้อมูลของตน.
ลองพิจารณาตัวอย่าง สมมติว่าสัญญาณเป็นคลื่นไซน์ 10 NV 10 เฮิร์ทซ์ เห็นได้ชัดว่า
การขยายบางอย่างจะต้องนำสัญญาณเสียงดังกล่าวข้างต้น เสียงดีต่ำ
เครื่องขยายเสียงจะมีประมาณ 5 NV / √Hzเข้าเสียง ถ้าแบนด์วิดธ์แอมป์ 100 เฮิร์ทซ์
และกำไรเป็น 1000 แล้วเราสามารถคาดหวังว่าการส่งออกของเราที่จะ10μVของสัญญาณ (10 NV x 1000)
และ 1.6 mV ของเสียงบรอดแบนด์ (5 NV / √Hz x √100เฮิร์ทซ์ x 1000) เราจะได้มีมาก
โชควัดสัญญาณออกจนกว่าเราจะออกเดี่ยวความถี่ที่น่าสนใจ.
หากเราปฏิบัติตามเครื่องขยายเสียงที่มีตัวกรอง bandpass กับ q = 100 (กรองดีมาก)
เข้ามาที่ 10 เฮิร์ทซ์, สัญญาณใด ๆ ใน 100 แบนด์วิดธ์เฮิร์ตซ์จะถูกตรวจพบ (10 kHz / q)
เสียงในแถบกรองผ่านจะเป็น 50 μV (5 NV / √Hz x √100 Hz x 1000) และสัญญาณ
จะยังคงเป็น 10 μV เสียงที่ส่งออกมากขึ้นกว่าสัญญาณและมีความถูกต้อง
วัดไม่สามารถกระทำได้ กำไรต่อไปจะไม่ช่วยให้สัญญาณที่จะลดปัญหาเสียงดัง.
ตอนนี้พยายามต่อไปนี้เครื่องขยายเสียงที่มีเครื่องตรวจจับเฟสสำคัญ (PSD) PSD สามารถ
ตรวจจับสัญญาณที่ 10 เฮิร์ทซ์ที่มีแบนด์วิดธ์ที่แคบเป็น 0.01 Hz! ในกรณีนี้เสียง
ในแบนด์วิดธ์การตรวจสอบจะมีเพียง 0.5 μV (5 NV / √Hz x √.01 Hz x 1000) ในขณะที่
สัญญาณยังคงเป็น 10 μV สัญญาณเสียงอัตราส่วนคือตอนนี้ 20 และวัดที่ถูกต้องของ
สัญญาณเป็นไปได้

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

ในเปลือกนัท แล้วปิดตายแอมป์ไม่ได้วัดแอมพลิจูดของกระแสหวอแรงดันไฟฟ้าวิน ( t ) = ค่า cos ( ω OT )ที่ω O = 2 และπโฟโฟเป็นเชิงมุมและความถี่ธรรมชาติของสัญญาณตามลำดับ คุณแรงดันนี้ สัญญาณของการล็อคอิน และมิเตอร์บอกคุณเลโว โดยปกติการสอบเทียบใน v-rms . อะไรทำให้ปิดตาย แตกต่างจากเป็นโวลต์มิเตอร์กระแสสลับอย่างง่าย ซึ่งเป็นสิ่งที่ฉันอธิบาย คุณจะต้องจัดหาล็อคอินด้วยการอ้างอิงข้อมูลที่เป็นขนาดที่เหมาะสม พูด 1 โวลต์แรงดันไฟฟ้าที่ p-p ไซน์ ,เป็นตรงกันกับสัญญาณที่มีความถี่ที่คุณพยายามที่จะวัด ล็อคอินการใช้สัญญาณนี้ ( เช่นการเรียกใช้ภายนอกสำหรับออสซิลโลสโคป ) " ค้นหา " สัญญาณที่เป็นวัด ขณะที่ไม่สนใจอะไรที่ไม่ตรงกับที่อ้างอิง ในการปฏิบัติ , การล็อคอินสามารถวัดแรงดันแรงบิดเล็กเท่านาโนโวลต์น้อย ในขณะที่ไม่สนใจสัญญาณหลายพันเท่า ในทางตรงกันข้าม , โวลต์มิเตอร์กระแสสลับจะการวัดผลรวมของแรงดันไฟฟ้าที่ใส่ของลองพิจารณาตัวอย่าง ว่าเป็นสัญญาณคลื่นไซน์ 10 NV 10 กิโลเฮิรตซ์ อย่างชัดเจนบางแบบจะต้องนำสัญญาณเหนือเสียง ดี เสียงต่ำเครื่องขยายเสียงจะมีประมาณ 5 NV / √ Hz เสียงใส่ ถ้าขยายแบนด์วิดธ์ 100 กิโลเฮิรตซ์และได้เป็น 1000 แล้วเราสามารถคาดหวังว่าผลผลิตของเราจะ 10 μ V ของสัญญาณ ( 10 NV x 1000 )1.6 MV และเสียงบรอดแบนด์ ( 5 NV / √ Hz x √ 100 kHz x 1000 ) เราก็ไม่ต้องมีมากโชค วัดสัญญาณออกถ้าเราโสดแล้วความถี่ของดอกเบี้ยถ้าเราทำตามเครื่องขยายเสียงที่มีตัวกรอง bandpass กับ Q = 100 ( ตัวกรองที่ดีมาก )ป้อนที่ 10 kHz สัญญาณใด ๆในที่ 100 Hz แบนด์วิดธ์จะตรวจพบ ( kHz / Q 10 ) ที่เสียงในตัวกรองผ่านแถบจะ 50 μ V ( 5 NV / √ Hz x √ 100 Hz x 1000 ) และสัญญาณจะยังคงเป็น 10 μ V ออกเสียงมีมากขึ้นกว่าสัญญาณที่ถูกต้องการวัดที่ไม่สามารถทำ ได้รับเพิ่มเติม จะช่วยให้ปัญหาสัญญาณเสียงตอนนี้ลองต่อแอมป์กับเฟสไวตรวจจับ ( PSD ) PSD สามารถตรวจจับสัญญาณที่ 10 kHz ด้วยแบนด์วิดธ์เป็นแคบ 0.01 เฮิร์ตซ์ ! ในกรณีนี้ , เสียงในการตรวจสอบแบนด์วิดธ์จะเป็นเพียง 0.5 μ V ( 5 NV / √ Hz x √ . 01 x 1000 Hz ) ในขณะที่สัญญาณยัง 10 μโวลต์อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนเป็น 20 และมีการวัดที่ถูกต้องของสัญญาณที่เป็นไปได้