Hallo allerseits! ------- Abstract: Ich habe ein großes Problem mit dem Aufbau eines Lock-in Verstärker mittels eines AD630 an dem ich jetzt schon seit mehreren Wochen herumdoktore und bis jetzt noch zu keinem einzigen brauchbaren Ergebnis gekommen bin. Wie ihr euch vorstellen könnt bin ich mittlerweile schon recht verzweifelt und hoffe ihr könnt mir helfen. Vielleicht habe ich ja bei der grundlegenden Funktion eines Lock-in Verstärkers etwas falsch verstanden und ihr könnt mir einen Tipp geben. ------- Idee: Ein 100nV Sinus Signal mit fixer Frequenz (die ich selbst erzeuge) ist zu verstärken so dass ich es einem True-RMS-to-DC Konverter zuführen kann. Also ein paar 100mV sollten es schon werden. Konventionelle Verstärker machen hier schnell schlapp da das Rauschen stärker ist als das Signal und man so zwar Pegel von ein paar Volt zusammenbekommt, jedoch nur weißes Rauschen sieht. Die Anwesenheit des Signals bleibt komplett verborgen. Nun soll ein Lock-in Verstärker das Problem lösen. ------- Aufbau: Ich habe mich an Seite 10 des Datenblattes von Analog Devices zum AD630 gehalten (hier rechts zu sehen: http://wwwex.physik.uni-ulm.de/lehre/physikalischeelektronik/phys_elektr/img2528.gif) Zu detektierendes Signal wird zuerst verstärkt und dann bei Pins 1 und 16 eingespeist, das unabgeschwächte Referenzsignal AC gekoppelt bei Pin 9. Habe meinen Aufbau hier aufgezeichnet: http://members.aon.at/gsh/Aufbau.JPG (Habe hier leider die AC Kopplung für die Referenz vergessen einzuzeichnen.) ------- Problem: Bei Pin 13 (Output) des Lock-in Verstärkeres kommt immer ein 13kHz Rechteckssignal mit (stark) schwankender Amplitude heraus. Diese Amplitude ist viel höher als die vom Referenzsignal und vom zu detektierenden Signal. Habe hier Bilder gemacht (1V/div auf allen Bildern): Rauschen (mit verborgenem, zu detektierendem Sinus) auf Pin1&16: http://members.aon.at/gsh/Pin16.jpg Referenzsignal auf Pin9: http://members.aon.at/gsh/Pin9.jpg Output des Lock-in Verstärkeres auf Pin13: http://members.aon.at/gsh/Pin13.jpg Das Verändern der Amplitude des Referenzsignals auf Pin9 auf 5V bringt keinen Unterschied, genauso wie das Verwenden von Rechtecken statt Sinus als Referenz. Und das besorgniserregendste an dem Ganzen ist: Entferne ich den Leistungsverstärker in meinem Aufbau (Bild siehe oben), so verändert sich das Signal an Pin13 gar nicht. Obwohl dann eigentlich kein Sinus mehr in den Lock-in Verstärker kommt (da ja nichts mehr in die Probe hineingeschickt wird) bleibt das Outputsignal unverändert bei diesen hochpegeligen Rechtecken. -------- Ich hoffe ihr Profis habt einen guten Tipp für mich, ich hoffe ich habe einen ganz schlichten Beschaltungsfehler gemacht, da ich mit meinem Latein langsam am Ende bin.
Ja, Der Verstaerker (x20k) muss natuerlich AC gekoppelt sein, dh allfaellige Offsets fliegen raus. Ferner sollte er einen 13kHz Bandpass enthalten. Nach dem AD630 muss ein tiefpass sein, der die 13kHz wegmacht, zb mit einer Grenzfrequenz von 500Hz.
Oh ja, habe ich natürlich auch vergessen einzuzeichnen, der Verstärker ist auch AC gekoppelt. (ist am Signal am Eingang des AD630, aber eh ersichtlich, nach x20000 hätte das sonts ja saftigen Offset und würde nicht so schön bei Null sitzen: http://members.aon.at/gsh/Pin16.jpg) Aber die zweite Anmerkung ist sehr interessant! Das könnte der Schlüssel zu meinem Problem sein! Warum soll ich die 13kHz nach dem AD630 rausfiltern? Sie sind doch mein Payload Signal, dessen Amplitude ich detektieren will (mittel TrueRMStoDC Chip) Bis jetzt habe ich einen Bandpass danach geschaltet der eben genau diese 13kHz erhalten soll.
Habe meine Aufbauskizze nun aktualisiert und die AC Kopplungen nachgetragen, sorry wegen der Nachlässigkeit: http://members.aon.at/gsh/Aufbau.JPG
Also am Ausgang des AD630 sollte eine pulsierende Gleichspannung rauskommen, mit 26KHz falls dein zu detektierender Sinus 13KHz hat. Aber nur dann wenn dein Referenzsinus exakt phasengleich zum zu detektierenden Signal ist. Normalerweise erzeugt man ein Sinus mit zb. 13Khz, splittet dieses auf als Referenzsignal und als Meßsignal. Somit sind beide Signale phasensynchron. Wenn du dies nicht so benutzen kannst dann benötigst du einen I/Q Demodulator. Dh. 2x AD630, beide am Input dein verrauschtes Signal, als Refererenz dein 13KHz Sinus einmal mit 0 Grad Phasenshift für den 1. AD630 als Referenz und einmal mit 90 Grad Phasenverschoben für den 2. AD630 als Referenz. Nach beiden AD630 ein Tiefpass oder Integrator. Du hast dann eine DC für das Maß der Amplitude des Signales und einen DC für dem Phasenversatz des Signals. Beide Signale quadieren, addieren und darüber Wurzel ziehen. Dann hast du ein phasenunabhängies DC Signal für die Amplitude deines 100nV Sinus im verrauschten Signal. Also: das einmal sind Referenz und Meßsignal von sich aus immer phasengleich, das andere Mal baust du quasi einen Phasendetektor, eg. I/Q Demodulator. Gruß Hagen
ich habe mir selber mit ad630 lockin zusammengebaut. kan nur bestätigen dass es problemlos funktioniert wie es im datenblatt(figure 14) steht. nun zu deinem problem. so wie ich es sehe modulierst du keine tiefere frequenz auf die 13khz. da wäre ein rms-to-tc converter sinnlos weil es nichts zu "rmsen" gibt. du bräuchtest signal nur mit einem tiefpass zu filtern. ad630 würde hier als klassischer phasensentivier gleichrichter(obwohl das gleiche wie lockin) agieren. phasenverschiebung zwischen referenzsignal und verstärktem seignal sollte 0 grad sein. bei 90 grad hast du immer am ausgang null. ich nehme an deine verstärkungschaltung verursacht eine phasenverschiebung.
Du hast einen single-phase LOCK-IN Amplifier. Damit kannst du nur die In-Phase Komponente bestimmen. Bei deinem Aufbau ist der RMS Detektor sinnlos, aber vielleicht willst du später noch ein AC Signal aufmodulieren ? Ich habe mich jetzt nicht mit dem Datenblatt befasst, aber wie hoch ist die Verstärkung des gemischten Signals (ideal: DC + 26kHz) ? Hast du schonmal probiert das Signal nicht zu dämpfen und den 20k Verstärker zu überbrücken (zu entfernen) ? Du führst dem AD630 das DDS-Signal als Referenz UND als Messsignal zu. Dann kannst du mal das Signal am Ausgang des AD630 anschauen. Wenn das nähmlich nicht aus DC + 26kHz besteht, dann funktioniert das Mischen nicht. Ansonsten ist der Fehler bei den beiden Verstärkern zu suchen.
Hallo, wie verstärkst du denn dein Signal 20000-fach? Es könnte sein, dass dein Verstärker mit dieser hohen Verstärkung gar keine ausreichende Bandbreite von über 13kHz mehr hat. Dann kannst du natürlich nicht Sinnvolles messen. Gruß, Alexander
Danke schon mal für die vielen Antworten! @Frank: Mein Sinus nur ohne Rauschen. http://wwwex.physik.uni-ulm.de/lehre/physikalischeelektronik/phys_elektr/img2528.gif Wie hier im Oszi-Foto unten zu sehen ist hatte ich mir das vorgestellt. @Frank2: Ja, habe dem System schon mal das Signal ungedämpft mit korrekter und falscher Frequenz zugeführt. Am Ausgangsbild des AD630 (http://members.aon.at/gsh/Pin13.jpg) hat sich nichts geändert, diese seltsamen Rechtecke blieben, seltsamerweise fingen sie als ich frequenzrichtig war nur etwas zu zittern an, sonst waren sie stabiler. @Rolf Riller: Genau mit diesem Problem mit den 90° und dann Null nach dem Tiefpass habe ich mich auch eine Weile beschäftigt. Meine Abschwächer is das große Problem, ich habe keine Ahnung über die Phasenlage nach ihm. Deswegen hatte ich mich für die Lösung mit einem Bandpass statt einem Tiefpass und anschließend einem TrueRMStoDC Konverter entschieden. Ich habe mir dazu dies zu Gemüte geführt: (http://www.pci-card.com/versuch6.pdf) und fand dass ich bei Abb. 6 auf Seite 6 zwar Probleme bekomme wenn ich DC gleichrichte, jedoch alle Kurven das gleiche RMS haben. So kam ich auf diese Idee. @Alexander Dörr Zur Verstärkung: Die Verstärker sind eine kaskadierende Schaltung aus einem INA110 Instrumentenverstärker mit Verstärkung x500 (sollte bis 100kHz super bei dem Gain) und einem AD8001 (GainBandwidthProduct=800MHz) auf Gain 40 bis 80 gestellt. @Hagen Re: Ein wirklich interessanter Vorschlag, das ist mir bis jetzt noch nicht gekommen. Zum Glück habe ich gleich 2 von den AD630 geordert! :) Werde den Aufbau dementsprechend ausprobieren.
Vielleicht hast du mich nicht richtig verstanden. Ich meinte, dass du das Ausgangssignal der DDS auf PIN 1 und PIN 9 des AD630 AC gekoppelt zuführst. Dimensioniere die Koppelkondensatoren je nach Eingangswiderstand für die selbe Grenzfrequenz. Damit hast du schonmal in etwa die gleiche Phasenverschiebung. Am Ausgang des AD630 bzw. der Filters sollte eine Gleichspannung anliegen ! Einen Sinus wirst du nicht sehen, da dein DDS Signal nicht als Träger für ein niederfrequnteres aufmoduliertes Signal dient, oder ? Was willst du mit diesem Aufbau eigentlich machen ? Wie willst du denn bitte das 100nV Sinussignal detektieren, wenn der Leistungsverstärker und der 20k Verstärker die Phase komplett verschiebt. Das geht nur, wenn dein 100nV Signal und das Referenzsignal phasengleich sind bzw. 180° vesetzt sind.
@Frank: Ich wollte einen ähnlichen Aufbau machen wie hier bei Abb. 7 (Seite 7 unten): http://www.pci-card.com/versuch6.pdf Mit Hagen Re's Tipp bezüglich des I/Q Aufbaus sollte es aber auf jeden Fall funktionieren soweit ich das jetzt verstanden hab.
schau dir doch das mal an http://cappels.org/dproj/dlmom/dlmom.html http://www.cappels.org/dproj/selflocksyncdet/Synchronous_Detector.html sind zwar nicht die schönsten Schematics, aber informativ. Gruß Hagen
Der Witz des Lock-in ist dem Prozess eine Frequenz aufzudruecken, so dem Ausgangssignal diese Frequenz aufzudruecken, um nachher das verschwindend kleine Ausgangssignal nach einer hohen AC Verstaerkung mit einem Synchrongleichrichter als DC zu erhalten. Der Name kommt von der Moeglichkeit das Signal auf einer beliebig kleinen Bandbreite einzuschliessen. Falls der tiefpass nach dem gleichrichter eine Bandbreite von 1Hz hat, so hat man effektiv bei der Hackfrequenz mit 1Hz Bandbreite gemessen. Nur so erreicht man das Rauschen in dem Mass wegzumachen. Die DC Offsets von Thermoelementen und Verstaerkern ist man los, sowie das 1/F Rauschen.
Hallo Gronach, wenn Du den Lock-In-Verstärker testen willst, versuche es vielleicht erst einmal mit einem sauberen Signal. Dann weißt Du, ob die Ursache der Probleme Deine Schaltung ist oder die schlechte Signalqualität des 500nV-Signals. Bevor Du Dich dann über die Lock-in-Theorie freust (die zugegebenermaßen sehr pfiffig ist), solltest Du trotzdem klassische Maßnahmen zur Unterdrückung des Rauschens angehen: - SMD-Bauelemente - geschirmte / verdrillte Leitungen - Massefläche - mehrere richtig dimensionierte Entstörkondensatoren auf der Versorgungsleitung direkt in der Nähe der OPV - Bandpaßfilter für die Signale Die Auswahl der ersten Verstärkerstufe ist die wichtigste. Den INA101 halte ich für eine schlechte Wahl. Er hat ein Spannungsrauschen 13nV/sqrt{Hz}. 13 nV/sqrt{Hz} * sqrt{13 kHz} = 1,5 µV RMS Rauschen bei voller Signalbandbreite. Daraus resultiert ein SNR von deutlich weniger als 0dB. Das ist schon das Anwendungsfeld von Lock-in-Verstärkern, aber in diesem Fall nicht nötig. Es gibt verschiedene Operationsverstärker, die ein Spannungsrauschen von <1nV/sqrt{Hz} haben. Das ist eine Größenordnung weniger als beim INA101. Ich verwende - obwohl bereits halb abgekündigt - immer noch sehr gerne den MAX4107. Dieser hat 0,7 nV/sqrt{Hz}. Gruß, Michael PS1: Zum Rauschen kommt in beiden Fällen das Rauschen des Eingangswiderstandes hinzu, das Du quadratisch addierst. PS2: Was ich nicht weiß ist, wie stark sich das 1/f Rauschen bei dieser Frequenz auswirkt. Da der MAX4107 einen bipolaren Eingang hat, dürfte es relativ klein sein.
Diese Ultralownoise OpAmps bedingen aber eine tiefe Eingangsimpedanz, ueblicherweise unter 100 Ohm. Ja. Ich verwende auch diese.
Update: Habe das Ganze nun unter dem Vorbild der PDF-Abhandlungen zusammengeschweißt. Die Demodulatoren und die nachgeschalteten Tiefpässe funktionieren jetzt richtig nett, habe das ganze mit einem Signal aus einem Funktionsgenerator getestet - auf 100µV eingestellt, sodass es nach dem Verstärker in Noise untergeht und tatsächlich - die Demodulatoren konnten es recovern! Es ist erstaunlich amplitudentreu und auch beachtlich schmalbandig. Danke für die Tipps noch mal :) Jetzt nur noch etwas an der Verstärkerstufe feilen und hoffentlich hauts dann auch beim ultralow Pegel Signal aus meiner Probe hin. Nur die Vektoraddiererstufe mit den 2 AD633 und den nachgeschalteten OPVs haut bei mir derzeit noch überhaupt nicht hin, bekomme da immer 0V raus. Hoffentlich nur wieder ein simpler Beschaltungsfehler :) Aja, dieser MAX4107 sieht ja wirklich beeindruckend aus! Nur gibts den (oder seine Nachfolger) auch als Dual-inline? Habe bei Farnell noch keinen derartigen gefunden. Ohne SMD Bestückungsmaschine wäre das ja sonst eine saftige Bastelei, wodurch ich vermutlich seine guten Eigenschaften durch den schlechten Einbau nur zunichte machen würde.
Ein SO8 Gehaeuse ist etwas vom Leichten, wenns ums Loeten geht. Ich bestuecke alles ... SO, TSSOP, TQFP von Hand. Kein Problem.
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