mikrocontroller.net

Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Problem mit AD630 als Lock-in Verstärker (mit Bildern)


Autor: Gronach (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
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/physikalische...)

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.

Autor: 3374 (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
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.

Autor: Gronach (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
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.

Autor: Gronach (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Habe meine Aufbauskizze nun aktualisiert und die AC Kopplungen 
nachgetragen, sorry wegen der Nachlässigkeit:
http://members.aon.at/gsh/Aufbau.JPG

Autor: Frank (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Nur mal so:

Was für ein Signal erwartest du am Ausgang des AD630 ?

Autor: Hagen Re (hagen)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
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

Autor: Rolf Riller (ultra-low)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
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.

Autor: Frank (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
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.

Autor: Alexander D. (alexander_d)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
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

Autor: Gronach (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Danke schon mal für die vielen Antworten!

@Frank:
Mein Sinus nur ohne Rauschen.
http://wwwex.physik.uni-ulm.de/lehre/physikalische...
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.

Autor: Frank (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
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.

Autor: Gronach (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
@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.

Autor: Hagen Re (hagen)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
schau dir doch das mal an
http://cappels.org/dproj/dlmom/dlmom.html
http://www.cappels.org/dproj/selflocksyncdet/Synch...
sind zwar nicht die schönsten Schematics, aber informativ.

Gruß Hagen

Autor: 3366 (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
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.

Autor: Michael (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
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.

Autor: 3366 (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Diese Ultralownoise OpAmps bedingen aber eine tiefe Eingangsimpedanz, 
ueblicherweise unter 100 Ohm. Ja. Ich verwende auch diese.

Autor: Gronach (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
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.

Autor: 3374 (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Ein SO8 Gehaeuse ist etwas vom Leichten, wenns ums Loeten geht. Ich 
bestuecke alles ... SO, TSSOP, TQFP von Hand. Kein Problem.

Antwort schreiben

Die Angabe einer E-Mail-Adresse ist freiwillig. Wenn Sie automatisch per E-Mail über Antworten auf Ihren Beitrag informiert werden möchten, melden Sie sich bitte an.

Wichtige Regeln - erst lesen, dann posten!

  • Groß- und Kleinschreibung verwenden
  • Längeren Sourcecode nicht im Text einfügen, sondern als Dateianhang

Formatierung (mehr Informationen...)

  • [c]C-Code[/c]
  • [avrasm]AVR-Assembler-Code[/avrasm]
  • [code]Code in anderen Sprachen, ASCII-Zeichnungen[/code]
  • [math]Formel in LaTeX-Syntax[/math]
  • [[Titel]] - Link zu Artikel
  • Verweis auf anderen Beitrag einfügen: Rechtsklick auf Beitragstitel,
    "Adresse kopieren", und in den Text einfügen




Bild automatisch verkleinern, falls nötig
Bitte das JPG-Format nur für Fotos und Scans verwenden!
Zeichnungen und Screenshots im PNG- oder
GIF-Format hochladen. Siehe Bildformate.
Hinweis: der ursprüngliche Beitrag ist mehr als 6 Monate alt.
Bitte hier nur auf die ursprüngliche Frage antworten,
für neue Fragen einen neuen Beitrag erstellen.

Mit dem Abschicken bestätigst du, die Nutzungsbedingungen anzuerkennen.