Hi Freunde,
ich habe eine Frage. Ich will mit einem Lock in Detektor ein
Rechtecksignal bekannter Frequenz f=300 khz messen. Normalerweise
schickt man das Signal in einen Verstärker, durch einen 300 khz
Bandpass, multipliziert es mit einem Referenzsignal gleicher Frequenz
und integriert es anschließend in einem Tiefpass. Das Ausgangssignal ist
dann proportional zur Amplitude des Rechtecksignals.Störungen anderer
Frequenz und Phase werden sehr gut herausgefiltert.
Die Sache bei mir ist folgende: Die Amplitude des Rechtecksignals ändert
sich zeitlich. Diese zeitliche Änderung ist für mich genau so
interessant wie die Höhe der Amplitude. Das Problem ist nun, dass der
Bandpass die zeitliche Änderung der Amplitude mitfiltert (da diese weit
unter 300 khz liegt).
Hat jemand eine Idee wie man hier vorgeht, oder was ich tun muss damit
ich den Lock-in trotzdem einsetzen kann ?
MfG
Fragenfriederich
Das Signal mit 300kHz hat z.B. für 100ms hohe und dann für 100ms
niedrige Amplitude. Dann wird der Bandpass diese Änderungen mitbekommen,
und die ersten 100ms ein gefiltertes hohes und dann ein gefiltertes
niedriges Signal liefern. ich versteh jetzt nicht, was du da meinst bzw.
wo das Problem ist.
Fragenfriederich schrieb:>> Die Sache bei mir ist folgende: Die Amplitude des Rechtecksignals ändert> sich zeitlich. Diese zeitliche Änderung ist für mich genau so> interessant wie die Höhe der Amplitude. Das Problem ist nun, dass der> Bandpass die zeitliche Änderung der Amplitude mitfiltert (da diese weit> unter 300 khz liegt).
Das erscheint mir nicht logisch. Meintest du vielleicht, dass die
zeitlichen Änderungen der Amplitude frequenzanteilsmäßig über der
Grenzfrequenz des Tiefpasses liegen?
Letztere kann man sicher ändern. Ab einer gewissen Bandbreite macht das
Konzept eines Lock-In-Verstärkers aber auch keinen Sinn mehr, da bei
steigender Bandbreite das Rauschen immer mehr zum Tragen kommt.
Ok sagen wirs anders:
das Trägersignal hat f=300 khz
das Nutzsignal(in der Signalamplitude) f = 200-3000 hz (steckt wie
gesagt in der Amplitude des Rechtecksignals)
Wie muss ich den Lock in einstellen damit ich das Nutzsignal am Ende
erhalte ?
0.2...3kHz ist ja viel viel weniger als 300kHz.
Wenn du mit Q=10 filterst, verarbeitet der Eingang vom Lock-in den
Bereich 285-315kHz. Das heisst aber nicht, dass du Änderungen der
Amplitude mit 3kHz nicht mitbekommst. Du darfst nur die Zeitkonstante
des Ausgangsfilters nicht zu groß wählen. bei 3kHz also eine
Grenzfrequenz von ca 30kHz, damit du Rechtecke halbwegst gut unverzerrt
bekommst. Das wird aber schon etwas eng, da während einer Periode der
3kHz "nur" 100 Schwingungen des Trägers liegen. Du musst also wohl einen
Kompromiss machen.
>>Du darfst nur die Zeitkonstante>>des Ausgangsfilters nicht zu groß wählen.bei 3kHz also eine>>Grenzfrequenz von ca 30kHz, damit du Rechtecke halbwegst gut unverzerrt>>bekommst.
Das versteh ich nicht. Ich will ja das Rechtecksignal letztenendes nicht
mehr haben da es nur als Träger dient.
>>Das wird aber schon etwas eng, da während einer Periode der>>3kHz "nur" 100 Schwingungen des Trägers liegen. Du musst also wohl einen>>Kompromiss machen.
Reichen 100 Schwingungen denn nicht? nach dem Shannon Theorem sollten
doch schon 2 Schwingungen reichen?
Wenn ich den Integrierer (einen Tiefpass) am Ende auf eine Grenzfrequenz
von 3 khz einstelle, dann sollte das Signal herauskommen der Träger
jedoch verschwinden richtig?
ja, dann wird ein 3k Signal halbwegs erkennbar übertragen. Frage ist
nur, ob das Rauschen durch die relativ geringe Mittelungszeit
ausreichend unterdrückt wird.
>Wie muss ich den Lock in einstellen damit ich das Nutzsignal am Ende>erhalte ?
Der Lock-In arbeitet ja prinzipbedingt wie ein Bandpaß mit extremer
Güte. Da ist ein Bandpaß davor eigentlich nur sinnvoll, wenn du extreme
Störungen hast, die den Verstärker zu übersteuern drohen. Sonst brauchst
du da keinen Bandpaß.
>das Nutzsignal(in der Signalamplitude) f = 200-3000 hz (steckt wie gesagt>in der Amplitude des Rechtecksignals)
Am Ausgang des Lock-In machst du dann einfach ein Tiefpaß-Filter mit
einer Grenzfrequenz, die genügend weit über 3kHz liegt. Nimm doch ein
Butterworth-Filter 2.Ordnung mit 6kHz Grenzfrequenz. Das ergibt 3%
Fehler bei 3kHz. Wenn das nicht reicht, gehst du mit der Grenzfrequenz
etwas höher.
Kai Klaas schrieb:> Der Lock-In arbeitet ja prinzipbedingt wie ein Bandpaß mit extremer> Güte. Da ist ein Bandpaß davor eigentlich nur sinnvoll, wenn du extreme> Störungen hast, die den Verstärker zu übersteuern drohen. Sonst brauchst> du da keinen Bandpaß.
Das stimmt, aber nur für "unendlich" lange Ausgangszeitkonstanten, die
das Rauschen entsprechend wegmitteln. Da die Zeitkonstante hier nicht
größer als 1/3kHz gemacht werden darf (ansonsten geht die Signalform
verloren), bleibt ein Rauschen am Ausgang über. Je besser man dieses
eingangsseitig unterdrückt, um so besser wird also das Signal. Da kann
ein Filter schon helfen. Ich weiß aus meiner langjährigen Erfahrung mit
Lock-Ins, dass der Eingangsfilter auch viel bringt, wenn der Verstärker
nicht übersteuert.
Natürlich wird es besser, wenn man ausgangsseitig ein steiles Filter mit
fg=6kHz nimmt, aber man hat ja immer noch das Rauschen zwischen
0...6kHz.
danke schon mal für eure infos. hilft jede menge!
@ Kai Klaas
Ich will schon einen Bandpass benutzen weil ich ein relativ schwaches
Nutsignal erhalte. Wieos würdest du 6 khz oder mehr benutzen und nicht 3
khz?
Dadurch wird ja die Integrationszeit noch kürzer und die Filterqualität
leidet oder nicht ?
@ Michael W :
Ich muss mir vermutlich einen Bandpass selbst zusammen bauen, da es
solche kaum fertig zu kaufen gibt (glaub ich zumindest). Ein aktiver
Bandpass muss es ja fast sein oder? Hättest du da eine Idee welche Art
von Bandpass du verwenden bzw. konstruieren würdest ?
MFG
>Ich will schon einen Bandpass benutzen weil ich ein relativ schwaches>Nutsignal erhalte. Wieos würdest du 6 khz oder mehr benutzen und nicht 3>khz?
Wir reden jetzt vom Ausgangsfilter? Naja, wenn du 3kHz Grenzfrequenz für
das Tiefpaßfilter nimmst, hast du ja dort schon 3dB Abfall. Also wird
deine Modulation bei 3kHz um 3dB abgeschwächt.
>Natürlich wird es besser, wenn man ausgangsseitig ein steiles Filter mit>fg=6kHz nimmt, aber man hat ja immer noch das Rauschen zwischen>0...6kHz.
Genauer zwischen 294...306kHz.
@michael W:
puh... ich will ja nicht nervig sein, aber hast du zufällig eine idee
was da als bandpass filter so passen könnte ? Bin schon seit ner Stunde
auf der LT homepage und so richtig glücklich machen mich die ellenlangen
Datenblätter von den LT bausteinen jetzt nicht. Meinst du es gibt da
ganz fertige Filter oder redest du von eben diesen Bausteinen ?
noch eine Frage, könnten man evtl vielleicht auch einen passiven
Bandpassfilter nutzen (z.b. vierter Ordnung) oder sind die für solch
eine Anwendung zu schwach ?
Nochmals: Dein Lock-In mit 6kHz Ausgangstiefpaßfilter wirkt wie ein
extrem schmalbandiger Bandpaß mit den Grenzfrequenzen 294kHz und 306kHz.
Was willst du denn noch?
@ Kai Klaas:
Deinn Butterworth Tiefpass-Ausgangs-Filter mit 6 khz grenzfrequenz ist
schon in den bestand aufgenommen.
Mir geht es hier nur noch um den Bandpassfilter für den Lock in eingang
;)
eine frage noch:
wenn ich ein signalband (100-3000hz) auf einen träger (300 khz)
moduliere, dann habe ich ja ein USB (unterseitenband) und ein OSB um die
trägerfrequenz herum. schicke ich das ganze durch einen Bandpass
(durchlassfrequenz bei 300 khz mit hoher bandbreite) dann geht das
basisband durch die hochpasswirkung verloren.
das signal ist aber noch nicht weg oder? es liegt auch noch im OSB und
USB (also zwischen 297-303 khz).
wenn ich das ganze jetzt in einen tiefpass(z.b. 6000hz) schicke dann
erhalte ich mein signal zurück? braucht man denn da beide bänder, also
OSB und USB ? welches band wird zurück in die basisfrequenz gebracht ?
warum funktioniert das überhaupt? eigentlich müsste doch jede frequenz
jenseits von 6000 hz vom tiefpass unterdrückt werden?
Gruß
fragenfriederich
>wenn ich das ganze jetzt in einen tiefpass(z.b. 6000hz) schicke dann>erhalte ich mein signal zurück? braucht man denn da beide bänder, also>OSB und USB ? welches band wird zurück in die basisfrequenz gebracht ?>warum funktioniert das überhaupt? eigentlich müsste doch jede frequenz>jenseits von 6000 hz vom tiefpass unterdrückt werden?
Jetzt bringst du aber alles durcheinander. Höchste Zeit für ein wenig
Mathematik. Setzte mal dein Nutzsignal und das Lock-In-Taktsignal mit
Hilfe von Fourierreihen an und multipliziere die einzelnen Terme. Dabei
erhälst du unzählige Terme mit Summen- und Differenzfrequenzen.
Betrachte nun, wie sich die einzelnen Terme aufgrund der
Tiefpaßfilterung wegheben. Was übrig bleibt, ist dein Ausgangssignal.
Vergleiche das mit deinem Eingangssignal, dann weißt du was ein Lock-In
mit einem modulierten Rechtecksignal anstellt.
Die größten Probleme entstehen aber sowieso an einem ganz anderen Ort,
nämlich in der Realisierung eines Lock-In für 300kHz. Wenn das wirklich
phasenstarr, jitterfrei und frei von "Charge Injection" in den
Umschaltern realisiert werden soll, ist das bei 300kHz ein richtig
richtig anspruchsvolles Projekt.
Einen Bandpassfilter am Eingang braucht man nicht unbedingt, er kann
aber schon etwas helfen, vor allem wenn das Signal sehr schwach ist. Die
Ansprüche an den Filter sind in der Regel auch nicht so hoch, d.h. man
braucht i.A. keine hohe Güte. Neben dem Entfernen von Rauschen so dass
der Detektor nicht übersteuert hilft der Filter Oberwellen zu
Unterdrücken - je nach Aufbau ist der Lockin sonst ggf. auch Empfindlich
auf die ungeraden Harmonischen, also hier 900 kHz, 1,5 MHz und ggf.
mehr. Die Filterung im Nahbereich übernimmt der Filter am Ausgang. Bei
300 kHz könnte man den Filter auch schon einfach per LC Schwingkreis
realisieren.
Wenn die 300 kHz wirklich als Rechteck der Träger sind, steckt auch ein
Teil der Informationen in den Oberwellen. Da muss man dann aber
aufpassen das die Phase auch stimmt, sonst wird der Anteil ggf.
kontraproduktiv. Einfacher ist es da die Oberwellen per Filter zu
unterdrücken.
Hai!
Kai Klaas schrieb:
> Jetzt bringst du aber alles durcheinander. [...]
Ja, natuerlich.
> Die größten Probleme entstehen aber sowieso an einem ganz> anderen Ort, nämlich in der Realisierung eines Lock-In> für 300kHz. Wenn das wirklich phasenstarr, jitterfrei und> frei von "Charge Injection" in den Umschaltern realisiert> werden soll, [...]
Das braucht er doch gar nicht.
Meiner unmaszgeblichen Meinung nach will er lediglich ein
normales AM-Signal demodulieren. Und wie viele Anfaenger
macht er den Fehler, mit einer ganzen Batterie spezieller
Fachausdruecke so lange herumzuballern, bis niemand mehr
versteht, was er eigentlich will.
Ist zumindest meine private, von keinerlei Sachkenntnis
getruebte Meinung... :)
Grusz,
Rainer
>Meiner unmaszgeblichen Meinung nach will er lediglich ein>normales AM-Signal demodulieren.
Dämmert mir auch gerade. Wahrscheinlich hat man ihm gesagt, daß man das
auch mit einem Lock-In machen kann und jetzt will er unbedingt einen
Lock-In bauen...
Hai!
fragenfriederich schrieb:
> wenn ich ein signalband (100-3000hz) auf einen träger> (300 khz) moduliere,
Hmm, gut. Ja.
> dann habe ich ja ein USB (unterseitenband) und ein OSB> um die trägerfrequenz herum.
Ja - und im Normalfall auch noch die Traegerfrequenz selbst.
(Die unnormalen Faelle vergessen wir mal so lange, bis wir
den Normalfall komplett verstanden haben :)
> schicke ich das ganze durch einen Bandpass> (durchlassfrequenz bei 300 khz mit hoher bandbreite) dann> geht das basisband durch die hochpasswirkung verloren.
Hmmmmm..... jein. Ja (mit Bauchschmerzen).
> das signal ist aber noch nicht weg oder?
Was ist "das Signal"?
Wenn Du sprichst - also Schall, bewegte Luft sozusagen erzeugst,
und diese Sprache auf ein Magnettonbandgeraet aufzeichnest, ist
dann das Signal nach der Aufzeichnung "weg"?
Wenn ja: Wieso kannst Du die Sprache dann wieder hoeren, wenn
Du das Magnetband abspielst? Wieso kannst Du ein Signal hoeren,
das "weg" ist?
> es liegt auch noch im OSB und USB (also zwischen 297-303 khz).
Nein. Du hast das Wesen der Modulation nicht verstanden.
Das Magnetbandgeraet in meinem Beispiel speichert auch keinen
Schall, sondern die Magnetisierung der Partikel auf dem Band.
Der Witz besteht darin, dass diese Magnetisierung proportional
zu den Luftdruckschwankungen am Mikrofon ist. Und weil man mit
viel Aufwand dafuer gesorgt hat, dass diese Proportionalitaet
vorliegt, kann man aus den Magnetisierungsschwankungen auf
dem Band das urspruengliche Schallereignis wieder rekonstruieren.
Man hat der Magnetisierung des Bandes den zeitlichen Verlauf
der Luftdruckschwankungen aufgepraegt.
Trotzdem speichert das Magnetband keinen Schall!
Schall ist Schall, also Luftdruckschwankung, und Magnetisierung
ist Magnetisierung! Da man jedoch eins in das andere umwandeln
kann, ist der Informationsgehalt derselbe.
> wenn ich das ganze jetzt in einen tiefpass(z.b. 6000hz)> schicke dann erhalte ich mein signal zurück?
Nein!
> braucht man denn da beide bänder, also OSB und USB ? welches> band wird zurück in die basisfrequenz gebracht ?
Weder - noch. Nein. Voellig falsche Vorstellung!
> warum funktioniert das überhaupt?
Es funktioniert so nicht!
> eigentlich müsste doch jede frequenz jenseits von 6000 hz> vom tiefpass unterdrückt werden?
Wird auch unterdrueckt.
Also mal der Versuch einer grundsaetzlichen Antwort:
1) Ich wollte eigentlich den Wikipedie-Artikel zur Amplituden-
modulation empfehlen, aber dass lasse ich besser bleiben. Der
ist sehr theoretisch-abstrakt.
2) Konzentriere Dich zunaechst darauf, die Amplituden-
modulation (AM) im Zeitbereich zu verstehen. Erst, wenn Dir
das wirklich klar ist, solltest Du ueber Seitenbaender und
solche Geschichten nachdenken.
3) Zur Sache: "Modulation" bedeutet in der Nachrichtentechnik
soviel wie "Aufpraegung" oder "Zuordnung": Man steuert eine
Groesze durch eine andere.
Rein theoretisch koennte man in meinem Magnetband-Beispiel also
von "*Magnetisierungsmodulation*" reden, weil der Mikrofonspannung
ja eine proportionale Magnetisierung auf dem Band zugeordnet wird.
(Praktisch sollte man das jedoch nicht tun, denn Dich versteht
niemand, weil der Ausdruck nicht ueblich ist :)
Bei der Amplitudenmodulation wird - Du erraetst es schon - jedem
moeglichen Wert der Eingangsspannung eine genau proportionale
Amplitude der Traegerfrequenz zugeordnet. Und, ja - man kann
dieses Prinzip weitertreiben: Bei der Frequenzmodulation wird jeder
Eingangsspannung eine andere Frequenz der Traegerschwingung
zugeordnet, bei der Phasenmodulation... Du verstehst das Prinzip.
Jetzt kommt der wichtige Punkt: Die Modulation funktioniert
(zumindest in der Theorie) wie eine Wechselstube: Du gibst zehn
Mark hin und erhaeltst siebzig Schilling zurueck. Nur die
siebzig Schilling! Deine zehn Mark sind weg!
Die siebzig Schilling repraesentieren jedoch - in meiner idealen
Welt :) - dieselbe Kaufkraft wie die urspruenglichen zehn Mark,
nur in einem anderen Teil des Frequenzbandes... aehh, der Welt.
Das bedeutet: Wenn Du die Amplitude Deiner Traegerschwingung
mit z.B. einem Tonsignal veraenderst - also modulierst, dann
repraesentiert die momentane Amplitude der Traegerschwingung
den Momentanwert des Tonsignales zu diesem Zeitpunkt. Das
Tonsignal selbst ist (im Idealfall) nicht mehr vorhanden
(-> Wechselstube)!
Der urspruengliche Informationsgehalt des Tonsignales ist
vollstaendig dem Traegersignal aufgepraegt worden - naemlich in
Form der Amplitudenschwankungen dieses Traegersignales.
Soweit klar?
... Uff. Jetzt kaeme eigentlich die Erklaerung zur Demodulation...
"Energy low!"
"... Und wie wir uns wieder entknoten, das erklaere ich das
naechste Mal! Ihre Ilse Guertelschnalle."
Grusz,
Rainer
Rainer Ziegenbein schrieb:> Die Modulation funktioniert> (zumindest in der Theorie) wie eine Wechselstube: Du gibst zehn> Mark hin und erhaeltst siebzig Schilling zurueck. Nur die> siebzig Schilling! Deine zehn Mark sind weg!
Dieser Vergleich hinkt aber ziemlich!
Wenn man ein Signal auf einen Träger aufmoduliert, dann bekommt man ein
neues Signal mit Seitenbändern und evtl. dem Träger selber.
Das ursprüngliche Signal ist zwar in dem modulierten Signal nicht
enthalten, es wird dabei aber auch nicht verbraucht, es ist also nicht
weg wie deine zehn Mark.
Man könnte es eher damit vergleichen, dass ein Text in eine andere
Sprache übersetzt wird, aber auch das passt nicht wirklich.
