Hallo allerseits!
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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.
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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.
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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.)
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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.
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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.
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.
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.
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.
