Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Lock-In-Verstärker Verständnisfrage Eingangssignal


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von Marco D. (Gast)


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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.

: Verschoben durch Moderator
von Possetitjel (Gast)


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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.

von dmsfreak (Gast)


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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?

von Lurchi (Gast)


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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.

von Purzel H. (hacky)


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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

von Marco D. (Gast)


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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.

von dmsfreak (Gast)


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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!

von Possetitjel (Gast)


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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.

von Marco D. (Gast)


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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.

von Achim S. (Gast)


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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.

von Possetitjel (Gast)


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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

von Possetitjel (Gast)


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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?

von Gerald M. (gerald_m17)


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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.

von Axel S. (a-za-z0-9)


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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.

von Wolfgang (Gast)


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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.

von Lurchi (Gast)


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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.

von Wolfgang (Gast)


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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.

von Achim S. (Gast)


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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.

von Axel S. (a-za-z0-9)


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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.

von Possetitjel (Gast)


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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.

von Possetitjel (Gast)


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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.

von Wolfgang (Gast)


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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.

von Gerd E. (robberknight)


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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?

von Lurchi (Gast)


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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.

von Possetitjel (Gast)


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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.

von Achim S. (Gast)


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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.

von Possetitjel (Gast)


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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?

von Marco D. (Gast)


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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.

von Achim S. (Gast)


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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).

von Axel S. (a-za-z0-9)


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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.

von Possetitjel (Gast)


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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.

von Possetitjel (Gast)


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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?

von Gerald M. (gerald_m17)


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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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