Hi liebe Community, ich hätte eine prinzipielle Frage bezüglich Lock-In-Verstärkern. Ich möchte gerne mehrer DMS-Vollbrücken auswerten und stehe vor der Entscheidung welches Auswerteverfahren ich verwende. Das aktuell genaueste Messverfahren stellt das Lock-In-Verstärker-Prinzip weshalb es naheliegend wäre dieses Verfahren zu verwenden. Allerdings sehe ich hierbei folgendes Problem: Mein Messsignal ist nicht periodisch. Meinem Verständnis nach ist es nur möglich mit dem Lock-In-Prinzip Signale mit einem Frequenzanteil zu messen, da sich der Lock-In-Vestärker auf eine Frequenz lockt. Daher sollte es weder möglich sein periodische Signale mit einem Frequenzband zu übertragen noch Signale die nicht periodisch sind. Ich sollte meinem Verständnis nach zwar keinen Lock-In-Verstärker nutzen können, allerdings sollte die Modulation des Messsignals in einen höheren Frequenzbereich immer noch den Vorteil bieten das Frequenzband von niederfrequenten Rauschquellen zu entfernen. Nur ist dann die Frage ob eine Amplitudenmodulation überhaupt noch sinnvoll ist wenn ich die Vorteile des Lock-In-Verstärkers nicht nutzen kann. Ich würde mich sehr über jede Antwort von euch freuen, Viele Grüße Marco D.
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Marco D. schrieb: > Mein Messsignal ist nicht periodisch. Das macht nichts, wenn sich das Messsignal im Verhältnis zur Trägerfrequenz nur langsam ändert. > Meinem Verständnis nach ist es nur möglich mit dem > Lock-In-Prinzip Signale mit einem Frequenzanteil zu > messen, da sich der Lock-In-Vestärker auf eine > Frequenz lockt. Theoretisch richtig, praktisch nicht ganz richtig. --> Trägerfrequenztechnik. > Daher sollte es weder möglich sein periodische Signale > mit einem Frequenzband zu übertragen noch Signale die > nicht periodisch sind. Das ist aber möglich :) > Nur ist dann die Frage ob eine Amplitudenmodulation > überhaupt noch sinnvoll ist wenn ich die Vorteile des > Lock-In-Verstärkers nicht nutzen kann. Das klingt alles extrem theoretisch. Wenn eine DC-Brücke für Deine DMS ausreichend ist, dann nimm das. Wenn das jedoch eine Trägerfrequenz-Mimik werden muss, dann drängt sich Lock-in praktisch auf.
Darf man mal höflich fragen wie groß das Ausgangssignal DMS-Brücke ist, welche Zeit für füe Auswertung zur Verfügung steht und wie genau das werden soll? Irgendwelche schrägen Randbedingungen?
Die Auswertung per Trägerfrequenztechnik ist für DMS relativ weit verbreitet. Früher hatte man mit kleinen DC Spannungen einfach Probleme, d.h. ein DC Brücke war kaum praktikabel. Heute kann man die Demodulation ggf. nach einen ADC machen, also in Software. Sofern man das Signal digital weiter verarbeitet ist damit der Aufwand für die Trägerfrequenz Variante gar nicht mehr so groß. Schwierig wird es nur, wenn der DMS schnelle Signale erfassen soll.
Die Lockin-Frequenz ist ein rechtes Stueck oberhalb des Frequenzbereiches des systems. Wenn also ein DMS bis 10Hz bringen soll, kann man den Lock-in bei zB 5kHz laufen lassen. Allenfalls mal das Dokument von Stanford einziehen : http://www.thinksrs.com/downloads/PDFs/ApplicationNotes/AboutLIAs.pdf
Erstmal vielen Dank für die flotten Antworten. Ich hab mir den Stanfort Artikel der von "Zwölf mal Acht" gepostet wurde einmal durchgelesen (hier nochmal der Link: http://www.thinksrs.com/downloads/PDFs/ApplicationNotes/AboutLIAs.pdf) Der Artikel hat meine Behauptung leider bestätigt. Im Abschnitt: "What Does a Lock-In-Amplifier Measure?" wird anhand einer Rechteckspannung erklärt, dass eben nur die Grundschwingung der Rechteckspannung herausgefiltert wird da der Lock-In-Amplifier immer auf genau eine Frequenz gelockt ist. Diese Aussage passt also nicht mit eurer Aussage zusammen das auch nichtperiodische Signale (bei entsprechend hoher Trägerfrequenz) mit einem Lock-In-Amplifier gemessen werden können. Mein Ziel ist es das Messsignal wieder im Zeitbereich (durch die Demodulation) zu rekonstruieren. Daher interessiert mich nicht der Effektiv-, oder Spitzewert des Messsignals. Noch ein paar Infos zum Projekt: Es handelt sich um meine Bachelorarbeit in der die Auswertung durch DMS von Kraftsignalen eines Medizinroboters realisiert werden soll. Eine Gleichspannungsauswertung würde natürlich auch funktionieren aber da es meine Abschlussarbeit ist sollte schon das beste (genauste) Verfahren umgesetzt werden. Die Brücke wird mit etwa 2 mV ausgelenkt und es sollen Signale bis 10 Hz (Wunsch 100 Hz) vermessen werden. Würde mich freuen wenn ihr mich über meine Denkfehler aufklären könntet, Viele Grüße Marco D.
2 mV oder 2 mV/V? Egal! Damit ist klar, das die Kraftmessung schon wegen der Krafteinleitung Fehler im % Bereich generieren wird. Hier maximale Forderungen an die Elöektronik zu stellen halte ich für unnötig. Da kommt man mit dem allerbilligsten DC Verstärker locker hin!
Marco D. schrieb: > Der Artikel hat meine Behauptung leider bestätigt. Im > Abschnitt: "What Does a Lock-In-Amplifier Measure?" wird > anhand einer Rechteckspannung erklärt, dass eben nur die > Grundschwingung der Rechteckspannung herausgefiltert wird > da der Lock-In-Amplifier immer auf genau eine Frequenz > gelockt ist. Na schön. Dann bleib' halt bei Deiner Meinung. > Es handelt sich um meine Bachelorarbeit [...] > Eine Gleichspannungsauswertung würde natürlich auch > funktionieren aber da es meine Abschlussarbeit ist sollte > schon das beste (genauste) Verfahren umgesetzt werden. Du solltest vor allem ein Verfahren wählen, das Du VERSTANDEN hast - sonst kannst Du es weder zweckmäßig anwenden noch erklären, und Deine eidesstattliche Versicherung, alles Wesentliche selbst gemacht zu haben, wird eine Lüge.
Ich habe versucht darzulegen wie ich den Artikel verstanden habe und euch gebeten meine Missverständnisse zu korrigieren. Das hat nichts mit meiner persönlichen Meinung sondern mit meinem aktuellen Verständnis zu tun. Ich habe auch nicht verlangt das ihr mir alles mathematisch herleiten sollt sondern mich nur auf meine falschen Aussagen hinweist. Anstatt mir vorzuwerfen das ich es nicht verstanden habe wäre es konstruktiver mich auf meine falschen Aussagen hinzuweisen bzw. diese zu korrigieren. Selbst wenn ich letzten Endes die Gleichspannungsauswertung verwenden werde muss ich erklären wieso ich mich gegen das Trägerfrequenzverfahren entschieden habe. Daher muss ich zwangsläufig den Lock-In-Verstärker so oder so verstehen. Gruß Marco D.
Marco D. schrieb: > Der Artikel hat meine Behauptung leider bestätigt. Nein, du hast wohl einfach den wesentlichen Punkt nur noch nicht verstanden. Für den Einsatz des Lock-Ins machst du Signal periodisch, indem du die DMS-Brücke nicht mir einer Gleichspannung sondern mit einer periodischen Wechselspannung versorgst. Dein Nutzsignal (die Auslenkung des DMS) ist dann ebenfalls periodisch, und auf dieses Frequenz lockst du ein. Marco D. schrieb: > Die Brücke wird mit etwa 2 > mV ausgelenkt und es sollen Signale bis 10 Hz (Wunsch 100 Hz) vermessen > werden. kein Problem: die Arbeitsfrequenz des Lock-Ins viel höher wählen und das Tiefpassfilter am Lock-In Ausgang entsprechend der gewünschten Signalbandbreite wählen.
Marco D. schrieb: > Anstatt mir vorzuwerfen das ich es nicht verstanden habe Hmm. Das ist wahrscheinlich falsch 'rübergekommen. Ich wollte Dir nicht vorwerfen, dass Du es nicht verstanden hast, denn das ist ja am Anfang normal. Ich werfe Dir vor, dass Du ausser "Erklärt mir das mal" keine Anstrengung erkennen lässt, Dein Wissensdefizit abzubauen. > wäre es konstruktiver mich auf meine falschen Aussagen > hinzuweisen bzw. diese zu korrigieren. Das haben wir ja getan; Deine Aussagen sind unvollständig und die gezogenen Schlussfolgerungen falsch. > Selbst wenn ich letzten Endes die Gleichspannungsauswertung > verwenden werde muss ich erklären wieso ich mich gegen das > Trägerfrequenzverfahren entschieden habe. Das ist einfach: Weil es technisch sehr aufwändig ist. > Daher muss ich zwangsläufig den Lock-In-Verstärker so oder > so verstehen. Dann beschäftige Dich mit den Themen: - Amplitudenmodulation - Überlagerungsempfänger (Superheterodyn-Empfänger) - Direktmischer - I/Q-Modulation
Achim S. schrieb: > Marco D. schrieb: >> Der Artikel hat meine Behauptung leider bestätigt. > > Nein, du hast wohl einfach den wesentlichen Punkt nur > noch nicht verstanden. > > Für den Einsatz des Lock-Ins machst du Signal periodisch, Naja, mal im Ernst: Schon in der ERSTEN Antwort stand das Stichwort "Trägerfrequenztechnik". Ist es wirklich zuviel verlangt, dass ein angehender Bachelor dieses Stichwort aufnimmt und sich erstmal informiert, ehe er weiterfragt?
Besteht deine ganze Arbeit daraus, das Signal bereitzustellen, oder ist das nur der Anfang, und du musst mit den Signalen etwas machen? Denn 3 Monate sollten passen, den Lock-In Ansatz zu verstehen, in einer Schaltung umzusetzen und alles zu dokumentieren. Soll noch etwas anderes gemacht werden, nehm einen Instrumentenverstärker und konzentriere dich auf die anderen Schritte.
Achim S. schrieb: > Marco D. schrieb: >> Der Artikel hat meine Behauptung leider bestätigt. > > Nein, du hast wohl einfach den wesentlichen Punkt nur noch nicht > verstanden. > > Für den Einsatz des Lock-Ins machst du Signal periodisch, indem du die > DMS-Brücke nicht mir einer Gleichspannung sondern mit einer periodischen > Wechselspannung versorgst. Dein Nutzsignal (die Auslenkung des DMS) ist > dann ebenfalls periodisch, und auf dieses Frequenz lockst du ein. Und auch das ist noch mißverständlich. Der Lock-In Verstärker "lockt sich" nicht auf eine Frequenz ein. Der bekommt sowohl das Anregungssignal (Referenz) als auch das Gemisch aus Nutzsignal, Rauschen und sonstigen Störungen. Und weil er beide Signale kennt, kann er jetzt den Anteil des Nutzsignals aus dem Gemisch herausrechnen. Das Anregungssignal muß auch keineswegs periodisch sein. Es muß nur spektral weit genug vom zu messenden Signal entfernt sein.
Marco D. schrieb: > Eine Gleichspannungsauswertung würde natürlich auch funktionieren ... Würde sie nur deutlich schlechter, oder wie würdest du dabei mit Offset-Signalen innerhalb deiner Signalverarbeitung umgehen. 10mV ist sooh viel nun wieder auch nicht. > ... dass eben nur die Grundschwingung der Rechteckspannung > herausgefiltert wird da der Lock-In-Amplifier immer auf genau eine > Frequenz gelockt ist. Diese Aussage passt also nicht mit eurer Aussage > zusammen das auch nichtperiodische Signale (bei entsprechend hoher > Trägerfrequenz) mit einem Lock-In-Amplifier gemessen werden können. Der Lock-In lockt genau auf die Trägerfrequenz ein und hat mit dem Spektrum deines Signals nichts zu tun. Letztendlich ist der Lock-In-Verstärker ein schmalbandiger Verstärker bei der Trägerfrequenz. Die Amplitudenmodulation erfolgt durch dein Signal gemacht und die Amplitude wird zum Schluss gemessen.
Für DMS gibt es fertig Trägerfrequenzverstärker. Im Prinzip ähnlich wie ein Lockin-verstärker, aber speziell für die Anwendung. Ein Lockin-verstärker ist streng genommen auch noch etwas anders/mehr, denn der kann auch ein externes Referenz (z.B. von einem Optischen Chopper) nutzen. Der Trägerfrequenz - Verstärker arbeitet mit einem selbst erzeugten Modulaktionssignal, in der Regel mit einer festen Frequenz.
Axel S. schrieb: > Der Lock-In Verstärker "lockt sich" nicht auf eine Frequenz ein. > Der bekommt sowohl das Anregungssignal (Referenz) ... Doch. Die PLL im Lock-In Verstärker lockt sich eben genau phasenstarr auf die Referenzfrequenz ein, d.h. Referenzsignal und Synchrongleichrichter im Lock-In sind sowohl in der Frequenz als auch in der Phasenlage fest gekoppelt.
Wolfgang schrieb: > Die PLL im Lock-In Verstärker lockt sich eben genau phasenstarr > auf die Referenzfrequenz ein Ich kenne zwei Erklärungen für die Herkunft des Begriffs Lock-In: einmal die von dir (und voher auch von mir) benutzte, dass zum Lock-In häufig eine PLL gehört, die erst auf die Referenz einrasten muss (ich bilde mir ein, auf den alten Stanford-Geräten gab es noch eine zugehörige LED mit der Beschriftung "locked". Aber vielleicht trügt mich da auch meine Erinnerung.) Als zweite die Erklärung, dass man per Lock-In den betrachteten und ausgewerteten Spektralbereich auf ein genau definiertes Frequenzband "einsperrt". Wer diese zweite Erklärung der Wortherkunft bevorzugt, kann mit unserer Formulierung (der Verstärker wird auf eine bestimmte Frequenz gelockt) natürlich nicht so viel anfangen.
Wolfgang schrieb: > Axel S. schrieb: >> Der Lock-In Verstärker "lockt sich" nicht auf eine Frequenz ein. >> Der bekommt sowohl das Anregungssignal (Referenz) ... > > Doch. Die PLL im Lock-In Verstärker lockt sich eben genau phasenstarr > auf die Referenzfrequenz ein, d.h. Referenzsignal und > Synchrongleichrichter im Lock-In sind sowohl in der Frequenz als auch in > der Phasenlage fest gekoppelt. Was auch immer du für Lock-In Verstärker kennst, aber in meinem Universum enthält ein Lock-In Verstärker keine PLL. Wozu auch? Das Referenzsignal ist doch direkt verfügbar - man erzeugt es selber um die Meßanordnung damit zu modulieren - und kann folglich unmittelbar in den Verstärker gefüttert werden. Höchstens braucht man noch eine Phasenverschiebung, wenn die Meßanordnung auch eine solche erzeugt und man die kompensieren muß.
Wolfgang schrieb: > Axel S. schrieb: >> Der Lock-In Verstärker "lockt sich" nicht auf eine Frequenz >> ein. Der bekommt sowohl das Anregungssignal (Referenz) ... > > Doch. Die PLL im Lock-In Verstärker lockt sich eben genau > phasenstarr auf die Referenzfrequenz ein, d.h. Referenzsignal > und Synchrongleichrichter im Lock-In sind sowohl in der > Frequenz als auch in der Phasenlage fest gekoppelt. Das bedeutet, dass sich die angetriebenen Räder Deines Autos auch phasenstarr auf den Motor "einlocken"? Das ist eine aktive Leistung der Räder? Mir ist - wie üblich - völlig unklar, warum man einen englischen Begriff benutzen muss, der die Funktionsweise (wie üblich) verschleiert, wenn es deutsche Begriffe gibt, die die Funktionsweise klar zum Ausdruck bringen: "phasenempfindlicher Gleichrichter" bzw. "Korrelations- empfänger". Entscheidend für den Lock-in-Verstärker ist nicht, ob er eine PLL hat oder nicht, sondern dass ihm zusätzlich zur Systemantwort (dem Messsignal) noch das Anregungs- signal selbst (das Referenzsignal) angeboten wird. Der Lock-in muss somit die Trägerfrequenz nicht mittels PLL aus dem verrauschten Messsignal herausfischen, sondern es wird ihm auf einem zweiten Kanal rauschfrei zur Verfügung gestellt. DAS ist das entscheidende Merkmal.
Axel S. schrieb: > Was auch immer du für Lock-In Verstärker kennst, aber > in meinem Universum enthält ein Lock-In Verstärker > keine PLL. Wozu auch? Um Harmonische messen zu können. Ich habe selbst noch keinen Lock-in benutzt, meine aber gelesen zu haben, dass es welche gibt, die sich auf ganze Vielfache der Referenz synchronisieren können. Ist aber sicher nicht Standard.
Axel S. schrieb: > Was auch immer du für Lock-In Verstärker kennst, aber in meinem > Universum enthält ein Lock-In Verstärker keine PLL. Wenn man den Gleichrichter direkt mit dem Referenzsignal steuern will, stellt das höhere Anforderungen an das Referenzsignal, weil z.B. das Tastverhältnis direkt in die Störsignalunterdrückung eingeht.
Wolfgang schrieb: > Axel S. schrieb: >> Was auch immer du für Lock-In Verstärker kennst, aber in meinem >> Universum enthält ein Lock-In Verstärker keine PLL. > > Wenn man den Gleichrichter direkt mit dem Referenzsignal steuern will, > stellt das höhere Anforderungen an das Referenzsignal, weil z.B. das > Tastverhältnis direkt in die Störsignalunterdrückung eingeht. Und was ändert eine PLL daran?
Viele, Lockin Verstärker enthalten einen PLL um das Referenzsignal aufzuarbeiten. Der Phasenstarre Gleichrichter braucht z.B. ein Tastverhältnis von 50% und auch die Phasenverschiebung (insbesondere exakt 90 Grad) lässt sich gut mit dem PLL realisieren. Die ganz alten hatten ggf. noch keinen PLL und bei den neuen geht die Auswertung digital, so dass der PLL ggf. nicht mehr in Hardware da ist, sondern nur noch Teil der Software ist. Für den Trägerfrequenzverstärker braucht man den PLL nicht. Der kann etwas einfacher aufgebaut sein, weil er das Referenzsignal selber erzeugt und so ohne Probleme für die passende stabile Phase und 50% Tastverhältnis sorgen kann. Moderne Lockin-verstärker enthalten in aller Regel auch einen Generator - zwingender Teil ist er aber nicht. Ich kenne auch noch einen alten Typ ohne internen Generator. Da war allerdings der Eingangsverstärker wohl noch mit Röhren. Die spezielle Trägerfrequenzverstärker für DMS bieten in der Regel auch gleich einen 6 Leiter Anschluss für den DMS, um die Leitungswiderstände der Anregung zu kompensieren.
Wolfgang schrieb: > Axel S. schrieb: >> Was auch immer du für Lock-In Verstärker kennst, aber >> in meinem Universum enthält ein Lock-In Verstärker >> keine PLL. > > Wenn man den Gleichrichter direkt mit dem Referenzsignal > steuern will, stellt das höhere Anforderungen an das > Referenzsignal, weil z.B. das Tastverhältnis direkt in > die Störsignalunterdrückung eingeht. Das ist richtig, aber nebensächlich. Ein UKW-Autoradio, das eine PLL verwendet, wird dadurch noch lange nicht zum Lock-in-Verstärker. Das entscheidende Merkmal ist die KORRELATION des (i. allg. gestörten) Messsignales mit dem ungestörten Referenzsignal.
Axel S. schrieb: > Was auch immer du für Lock-In Verstärker kennst, aber in meinem > Universum enthält ein Lock-In Verstärker keine PLL. Wozu auch? Bei analogen Lock-Ins war eine PLL für den Referenzzweig üblich. Zum Beispiel wegen der Einstellmöglichkeit der Phase. Zum anderen zum Arbeiten auf höheren Harmonischen (um z.B. in der Laserspektroskopie "Ableitungen" höherer Ordnung zu bilden). Und manchmal eben auch zum Aufbereiten des Referenzsignals. Z.B. weil es eine "komische" Form hat, der Analogmultiplizierer aber mit einem Sinus Multiplizieren soll. Oder weil man manchmal das man das Modulationssignal nicht beliebig vorgeben wie im Fall des TO, sondern einer "externen Vorgabe folgen" muss - wie z.B. der Resonanzfrequenz eine Stimmgabelchoppers oder eines AFM-Cantilevers. Es gibt auch Anwendungen, bei denen man mehrere verschiedene Modulationsfrequenzen einsetzt und z.B. auf der Summenfrequenz nachweist - auch dafür ist die PLL im Referenzpfad sehr praktisch. Zugegeben wurden die PLLs im Referenzpfad mit den digitalen Lock-Ins seltener, aber auch da gibt es sie. Das Bild der engliscen Wiki zeigt einen schon in die Jahre gekommenen digitalen Lock-In, auf dem man bei genauem Hinschauen rechts die Unlock-LED erkennen kann: https://en.wikipedia.org/wiki/Lock-in_amplifier#/media/File:Lock-in_amplifier.jpg Wenn die leuchtete war der Lock-In eben nicht mehr "gelockt" und die Messwerte konnten weggeworfen werden. Das war zu meinen Spektrospie-Zeiten üblicher Sprachgebrauch, auch wenn es in deinem Universum nicht vorkommt. Axel S. schrieb: > Und auch das ist noch mißverständlich. Der Lock-In Verstärker "lockt > sich" nicht auf eine Frequenz ein. Wenn es dir tatsächlich darum ging, die Sache für den TO unmissverständlicher zu machen, dann ging die Diskussion von heute imho am Ziel vorbei.
Achim S. schrieb: > Axel S. schrieb: >> Und auch das ist noch mißverständlich. Der Lock-In Verstärker >> "lockt sich" nicht auf eine Frequenz ein. > > Wenn es dir tatsächlich darum ging, die Sache für den TO > unmissverständlicher zu machen, dann ging die Diskussion > von heute imho am Ziel vorbei. Richtig. Hier wird in epischer Breite diskutiert, ob sich der Lock-in- Verstärker mit einer PLL auf die Referenz "lockt" oder nicht. Das ist aber eine völlig sinnfreie Diskussion, weil das artbildende Merkmal des Lock-in-Verstärkers ist, dass die Verarbeitung des MESS-SIGNALES synchron zur Referenz erfolgt. Die Verarbeitung des MESSKANALES wird auf die Referenz "gelockt"! Wie das technisch passiert, ob da eine PLL beteiligt ist oder nicht ist VÖLLIG BANANE ! Auch ein rein passiver Schottky-Mischer mit nachgeschaltetem aktivem Tiefpass kann als Lock-in-Verstärker benutzt werden! Ist das so schwer zu begreifen?
Hallo allerseits, Also ich versuche jetzt nochmal mit diesem Post mein aktuellen Kenntnisstand wiederzugeben um mein Problem mit dem Lock –In-Verstärker-Prinzip etwas zu konkretisieren. Ich habe mich auch schon vorher mit dem allgemeinen Trägerfrequenzprinzip und anderen genannten Themen (IQ-Demodulation, etc.) beschäftigt, allerdings habe ich mir die letzten beiden Tage nochmal alles angeschaut und meine Gedanken gesammelt um mein Verständnisproblem so verständlich wie möglich auszudrücken. Mein Ausgangsproblem: Ich möchte DMS-Vollbrücken auswerten (die nicht zwangsweise periodisch belastet werden) und dafür das genaueste Verfahren verwenden. Laut meiner Recherche ist mit dem Lock-In-Prinzip das beste SNR erreichbar weshalb ich dieses Verfahren priorisiere. Mein Problem mit dem Verfahren: nach meinem Verständnis ist es nur möglich periodische Signale mit dem Lock-In-Verstärker zu vermessen. Wieso ? Dafür möchte ich jetzt wiedergeben wie der Lock-In-Verstärker meinem Verständnis nach funktioniert. Die prinzipielle Idee hinter dem Lock-In-Verstärker ist folgende: Ich habe ein schwaches periodisches Messsignal welches von starkem Rauschen überlagert ist. Möchte ich nun das Messsignal vom Rauschen separieren, so muss ich dieses i.d.R. verstärken und dann filtern. Möchte ich allerdings ein möglichst hohes SNR erreichen, so muss der Filter möglichst steil sein um alle Frequenzen außerhalb des Messsignals ausreichend zu dämpfen. Hier kommt der Lock-In-Verstärker ins Spiel. Der Lock-In-Verstärker bekommt neben dem verrauschten Messsignal ebenfalls ein Referenzsignal übergeben welches die GLEICHE Frequenz wie das Messsignal besitzt. Nun berechnet er die Korrelation der beiden Signale. Da die Korrelation von Signalen unterschiedlicher Frequenz = 0 ist, werden alle Signale die nicht die gleiche Frequenz wie die Referenzfrequenz (und damit auch die Messsignalfrequenz) besitzen erfolgreich unterdrückt. Damit stellt der Lock-In Verstärker einen extrem schmalbandigen Bandpass dar. Wie berechnet der Lock-In-Verstärker nun die Korrelation beider Signale ? Dies geschieht in zwei Schritten: 1.Multiplikation des Mess-, und Referenzsignals. 2.Integration des multiplizierten Signals durch einen Tiefpass Dadurch, dass das Messsignal und das Referenzsignal die gleichen Frequenzen besitzen, entstehen durch die Multiplikation beider Signale die Mischterme ws-wc und ws+wc. Da ws-wc = 0 entspricht, stellt dieser Mischterm den DC-Anteil der Multiplikation dar. Im zweiten Schritt wird nur das DC-Signal herausgefiltert. Alle Frequenzen die ungleich des Referenzsignals waren, tragen keinen Beitrag zum DC-Anteil bei und werden somit erfolgreich herausgefiltert. Allerdings lässt sich auf diese Weise die Referenzfrequenz und damit der Lock-In-Verstärker immer nur auf genau eine Frequenz locken. Das am Ende nur ein Gleichsignal herauskommt würde auch die Bezeichnung des Phasensensitiven Gleichrichters erklären. Daher ergibt sich folgendes Problem für meinen Anwendungsfall: Da ich ein nichtperiodisches Signal habe, bringt es mir nichts wenn mir der Lock-In-Verstärker (oder in dem Kontext ist phasensensitiver Gleichrichter der passendere Ausdruck) das Signal integriert und mir ein Gleichsignal ausgibt weil mein Ausgangssignal nicht periodisch war und ich somit die Signalform nicht rekonstruieren kann. Das allgemeine Trägerfrequenzprinzip ohne Verwendung eines Lock-In-Verstärkers mischt das Messsignal ebenfalls hoch, filtert und demoduliert es ebenfalls. Allerdings wird das modulierte Messsignal im höheren Frequenzband durch einen herkömmlichen Bandpass gefiltert und danach erst wieder heruntergemischt. Dadurch kann ich zwar ein Frequenzband wieder demodulieren (und erhalte nicht nur eine DC-Komponente) allerdings ist auch das erzielbare SNR geringer als mit einem Lock-In.
Marco D. schrieb: > Da ich ein nichtperiodisches Signal habe, bringt es mir nichts wenn mir > der Lock-In-Verstärker (oder in dem Kontext ist phasensensitiver > Gleichrichter der passendere Ausdruck) das Signal integriert und mir ein > Gleichsignal ausgibt weil mein Ausgangssignal nicht periodisch war Kannst du bitte auch mal kurz deinen Gedanken zu folgendem Beitrag vorstellen: Achim S. schrieb: > Nein, du hast wohl einfach den wesentlichen Punkt nur noch nicht > verstanden. > > Für den Einsatz des Lock-Ins machst du Signal periodisch, indem du die > DMS-Brücke nicht mir einer Gleichspannung sondern mit einer periodischen > Wechselspannung versorgst. Warum klebst du immer noch daran fest, dass du ein nichtperiodisches Signal hast. Ob du ein periodisches oder ein nichtperiodisches Signal hast ist allein deine Entscheidung - denn du legst fest, wie die Brücke versorgt wird. Und damit ist es auch allein deine Entscheidung, ob du die Voraussetzungen dafür schaffst, dass ein Lock-in sinnvoll eingesetzt werden kann (mit all den Vorteilen, die ein Lock-in bietet).
Marco D. schrieb: > > ich versuche jetzt nochmal mit diesem Post mein aktuellen > Kenntnisstand wiederzugeben um mein Problem mit dem Lock > –In-Verstärker-Prinzip etwas zu konkretisieren. ... > Die prinzipielle Idee hinter dem Lock-In-Verstärker ist folgende: Ich > habe ein schwaches periodisches Messsignal Nein. Du hast ein Meßsignal, das mit deinem Referenzsignal korreliert. Ob das Referenzsignal jetzt periodisch ist, oder nicht, ist ein eher unwichtiges Detail. Entscheidend ist die Korrelation, die durch konstruktive Maßnahmen gewährleistet sein muß. In deinem Fall einfach dadurch, daß du die Brücke mit dem Referenzsignal speist. > welches von starkem Rauschen > Lock-In-Verstärker bekommt neben dem verrauschten Messsignal ebenfalls > ein Referenzsignal übergeben welches die GLEICHE Frequenz wie das > Messsignal besitzt. Das Referenzsignal hat nicht nur die gleiche Frequenz, sondern auch die gleiche Phasenlage. > 1.Multiplikation des Mess-, und Referenzsignals. > 2.Integration des multiplizierten Signals durch einen Tiefpass > Alle Frequenzen die ungleich des > Referenzsignals waren oder keine konstante Phasenlage hatten > tragen keinen Beitrag zum DC-Anteil bei und > werden somit erfolgreich herausgefiltert. Allerdings lässt sich auf > diese Weise die Referenzfrequenz und damit der Lock-In-Verstärker immer > nur auf genau eine Frequenz locken. Du schreibst das, als wäre es ein Nachteil. Ist es aber nicht. Denn du erzeugst ja das Referenzsignal selber und kannst es daher passend für deine Bedürfnisse wählen. Im einfachsten Fall ist das ein symmetrisches Rechtecksignal konstanter Frequenz. Es kann aber genausogut das Ausgangssignal eines PRNG sein. GPS-Satelliten modulieren ihr Signal z.B. so. > Daher ergibt sich folgendes Problem für meinen Anwendungsfall: > Da ich ein nichtperiodisches Signal habe, bringt es mir nichts wenn mir > der Lock-In-Verstärker (oder in dem Kontext ist phasensensitiver > Gleichrichter der passendere Ausdruck) das Signal integriert und mir ein > Gleichsignal ausgibt Und wieder falsch. Der Bewertungs-Tiefpaß muß nur das Referenzsignal unterdrücken. Was da rauskommt, ist kein reines Gleichsignal. Wenn deine Meßgröße sich langsam genug ändert, dann siehst du diese Änderungen auch nach dem Tiefpaß noch. Die Bedingung ist eigentlich nur, die Referenzfrequenz hoch genug über die Signalfrequenz zu legen. Und den Tiefpaß dann so zu dimensionieren, daß er die eine Frequenz hinreichend unterdrückt und die zweite nicht zu sehr beeinflußt.
Achim S. schrieb: > Marco D. schrieb: >> Da ich ein nichtperiodisches Signal habe, [...] > > Warum klebst du immer noch daran fest, dass du ein > nichtperiodisches Signal hast. Na, langsam. Wahrheit muss Wahrheit bleiben: Die durch die DMS-Brücke amplitudenmodulierte Trägerfrequenz muss man im allgemeinen Fall schon als nicht-periodisch annehmen. Soweit ist das schon nicht falsch. Marco kommt nur seit Tagen schon nicht über die mentale Hürde hinweg, dass es keine "echte" Gleichspannung in der Technik gibt -- irgendwann ist ja die Betriebsspannung mal eingeschaltet worden, also liegt ja in Wahrheit gar keine Gleichspannung vor, sondern eine Rechteckschwingung mit ein paar Nano-Hertz. Das ist auch der Grund, warum es im theoretisch strengen Sinn keine VARIABLE Gleichspannung geben KANN -- eine sich ändernde Spannung enthält IMMER Spektralanteile mit einer Frequenz größer Null. Wenn also ein Labornetzteil angeblich eine einstellbare Gleichspannung abgibt, dann ist das GELOGEN -- wenn sie einstellbar ist, KANN es keine Gleichspannung (im Sinne der Theorie) sein. Und vielleicht - ich gebe die Hoffnung noch nicht auf - versteht Marco irgendwann, wass mein Spott mit der Funktionsweise des Lock-In-Verstärkers zu tun hat. Es hat nämlich wirklich damit zu tun.
Marco D. schrieb: > Im zweiten Schritt wird nur das DC-Signal herausgefiltert. Falsch. > Alle Frequenzen die ungleich des Referenzsignals waren, > tragen keinen Beitrag zum DC-Anteil bei und werden somit > erfolgreich herausgefiltert. Angenommen, jeden Abend um 6 Uhr kommt der Nachtpförtner, schaltet sein batteriebetriebenes Kofferradio ein und lässt es bis früh 6 Uhr, also bis zum Schichtschluss dudeln. Dann schaltet er es wieder aus und geht heim. Die Nachtwache sei auch an Wochenenden und Feiertagen besetzt. Man sagt ja, Batterien lieferten Gleichspannung. Beantworte bitte folgende Frage: Läuft das Kofferradio mit Gleichspannung -- oder läuft es nicht doch mit einer Rechteckspannung von ca. 25µHz? > Allerdings lässt sich auf diese Weise die Referenzfrequenz > und damit der Lock-In-Verstärker immer nur auf genau eine > Frequenz locken. Okay, der theoretische Hammer: In der Kreuzkorrelationsfunktion kommt ein Integral vor. 1. In welchen Grenzen wird integriert? 2. Was bedeutet das physikalisch?
Du musst dir im klaren sein, warum der Lock-In ein besseres SNR im Vergleich zu einem einfachen DC Verstärker hat. Das liegt nicht daran, dass es wegen der Technik an sich besser ist, das liegt einfach nur daran, dass du im DC Bereich sehr viele Störquellen hast. Sei es der thermische DC Drift der Bauteile oder das 1/f-Rauschen. Ohne solche Störungen wäre es komplett egal, wie du verstärkst. Der Trick ist einfach, dass du dir einfach eine Frequenz aussuchst (welche zum Beispiel nicht 50Hz ist, sondern sagen wir 2kHz) und diese mit dem Lock-In heruntermischst. Ja, denn der Lock-In macht nichts anderes. Du interessierst dich für Frequenzen mit bis zu 100Hz. Also baust du einen Tiefpass bei dieser Frequenz nach dem heruntermischen ein. Das erlaubt nur nun einfach zu messen, wie sehr dein 2kHz Signal moduliert wird. Nur wirst du dich fragen, was denn dein 2kHz Signal moduliert und woher das kommt. Der Trick ist natürlich einfach, dass du deinen DMS nicht mit DC sondern mit einem 2kHz Sinus betreibst. Der DMS moduliert dann eben dieses Signal mit bis zu 100Hz. Und das ist das was du misst. Durch das heruntermischen bekommst du praktisch die Einhüllende deines Sinus, und das ist genau das, was du bei einem rauschfreien Verstärker bekommen würdest ohne moduliertes Signal. Hintendran sieht keiner ob du einen Lock-In benutzt hast, oder einen supertollen DC Verstärker.
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