Что такое синхронный усилитель?

Что такое синхронный усилитель?

Синхронный усилитель — это устройство, имеющее схему, способную извлекать компонентный сигнал с определенной частотой из входного сигнала.

Синхронный усилитель удаляет шум путем умножения опорного сигнала и входного сигнала с помощью смесителя на устройстве и извлекает сигнал желаемой определенной частоты с помощью фильтра нижних частот. Устанавливается специфическое для устройства значение, называемое постоянной времени, и чем больше постоянная времени, тем меньше флуктуация выходного сигнала.

Применение синхронных усилителей

Lock-in усилители часто используются в области оптики, особенно в спектроскопических измерениях. Иногда они используются в сочетании с микроскопами. Конкретные применения lock-in усилителей включают астрофизические измерения, такие как астрономические наблюдения, спектроскопические измерения тонких пленок порядка нанометров и другие эксперименты, в которых обнаруживаются слабые сигналы.

В измерениях, где сигнал, полученный от образца, слаб, например, тонкие пленки толщиной менее нескольких сотен нанометров, устройство, усиливающее сигнал и устраняющее шум, например, синхронный усилитель, является незаменимым. Кроме того, его часто используют во флуоресцентных микроскопах, микроскопах Рамановской спектроскопии и зондовых микроскопах, таких как атомно-силовые микроскопы.

Принцип синхронных усилителей

Принцип работы синхронных усилителей представляет собой схемоподобную обработку сигнала, которая обнаруживает сигнал желаемой определенной частоты из входного сигнала путем усиления входного сигнала с помощью предусилителя, умножения его на опорный сигнал с помощью смесителя и удаления избыточных шумовых компонентов с помощью фильтра нижних частот.

Внутри синхронного усилителя входной сигнал умножается на опорный сигнал для получения выходного сигнала, выраженного как сумма или разность частот входного и опорного сигналов. Если Vi=Acos(ωit+Φ) для входного сигнала и Vr=Bcosωrt для опорного сигнала, частота выходного сигнала пропорциональна {cos[(ωi-ωr)t+Φ]+cos[(ωi+ωr)t+Φ]}.

Однако, поскольку синхронный усилитель действует как фильтр нижних частот, единственным оставшимся компонентом является сигнал с ωi-ωr, близким к 0. Другими словами, при прохождении сигнала через синхронный усилитель извлекается только входной сигнал, частота которого близка к частоте опорного сигнала, а случайные компоненты, такие как шум, могут быть удалены.

Синусоидальная волна часто используется в качестве опорного сигнала для синхронного усилителя. Иногда в качестве опорного сигнала используется прямоугольная волна для упрощения схемы и снижения стоимости, но в таких случаях шумоподавление хуже, чем у синусоиды.

Другая информация о синхронных усилителях

1. Постоянная времени и шум синхронных усилителей

У синхронного усилителя есть то, что называется собственной постоянной времени. Постоянная времени здесь — это значение, выраженное как произведение сопротивления резистора, подключенного к цепи, и емкости конденсатора. Поскольку величина шума на выходе синхронного усилителя пропорциональна обратной величине постоянной времени, чем больше постоянная времени, тем меньше шум в выходном сигнале. Величина типичной постоянной времени составляет около 10 миллисекунд до 10 секунд, в то время как постоянная времени устройства, выполняющего цифровую обработку, составляет около 1000 секунд.

На синхронный усилитель влияет отношение сигнал/шум (отношение сигнал/шум в дБ), которое является мерой уровня шума входного сигнала. Если на предыдущем этапе используется усилитель с низким уровнем шума, точность измерения синхронного усилителя ухудшится, поэтому следует обратить внимание на уровень шума входного сигнала.

2. Что такое прерыватель?

Прерыватель — это устройство, которое вращает лопасти в фиксированном цикле. Высокочувствительное измерение, объединяющее синхронный усилитель и прерыватель, является одним из наиболее распространенных методов спектроскопических измерений.

Помещая его на оптический путь непрерывного света, свет блокируется, когда лезвие находится на оптическом пути, и свет может проходить, когда лезвие не находится на оптическом пути, тем самым преобразуя измеряемый свет в сигнал с постоянным периодом. При измерениях кристаллов с большими коэффициентами поглощения или оптических волноводов с большими потерями на распространение, измеряемый свет сильно поглощается образцом, что приводит к меньшей интенсивности обнаруживаемого света и относительно большим шумовым эффектам.

В таких измерениях более эффективно использовать синхронный усилитель и прерыватель вместе. Модулируя сигнал с низким уровнем шума и высокой частотой с помощью прерывателя или модулятора и эффективно демодулируя его с помощью синхронного усилителя, можно получить сигнал с низким уровнем шума на исходной частоте.

3. Цифровой синхронный усилитель

Сегодняшние синхронные усилители быстро становятся цифровыми, поскольку их частоты расширяются. Опорный сигнал с превосходным отношением сигнал/шум и крутой фильтр нижних частот необходимы для улучшения характеристик синхронного усилителя.

Используя ФАПЧ (фазовую автоподстройку частоты) для генерации новой цифровой синусоиды внутри, которая соответствует частоте и фазе внешнего опорного сигнала, подавляются искажения и посторонние шумы, и доступен опорный сигнал с превосходным отношением сигнал/шум. Крутые характеристики фильтра также могут быть достигнуты с помощью многокаскадного цифрового фильтра нижних частот. С появлением этого цифрового синхронного усилителя теперь можно проводить высокочастотные измерения до 600 МГц.