Măsurarea bananelor cu amplificatorul lock-in (pe care nu-l avem)

[Vizitator]

Problemă:

Avem niște banane verzi și niște banane răscoapte.  Care sunt mai bune?  Cum și cu ce le măsurăm?

 

 

Normal ar fi să folosim un miliohmmetru, dar dacă n-avem?

 

Improvizăm.  Băgăm curent prin banană și măsurăm căderea de tensiune în zona de contact, apoi aplicăm legea lui Ohm

 

 

unde U este căderea de tensiune măsurată, în volti, iar I curentul care trece prin banană, în amperi, și aflăm rezistentă de contact.  Așa:

 

 

Crocodilii din partea de jos vin de la sursa de curent, iar proba din partea de sus merge la instrumentul care măsoară căderea de tensiune.  Necazul e că rezistența de contact e de obicei foarte mică, de ordinul miliohmilor, deci și căderea de tensiune va fi foarte mică și greu de măsurat.  Sunt doua inconveniente:

• zgomotul e mare, comparabil cu căderea de tensiunea pe care vrem să o măsuram
• la contactul între metale diferite, cum ar fi aici la contactul dintre banană si soclul ei, pot apărea tensiuni continue de două feluri:

1. - generate electrochimic (ca la bateria Cu-Zn de exemplu)
2. - generate prin efect Seeback (ca la termocuplă)

 

Ca să nu ne încurce tensiunile electromotoare de curent continuu, e simplu, măsurăm folosind curent alternativ.  Aici, pe post de sursa de curent folosim un generator sinusoidal care generează 1.(3)kHz, 10V vârf la vârf și cu impedanța de 50 ohmi.  Curentul așteptat prin banană este de 10V/50ohms = 0,2A.  La 200mA și zeci de miliohmi, căderea de tensiune de curent alternativ așteptată (pe rezistența de contact) e de ordinul milivolților.

 

Ce facem cu nivelul de zgomot, care e așa de mare încât ne îneacă complet semnalul util?  Uite ce urât e și cum arată:

 

 

Există un instrument numit „lock-in amplifier”, instrument care poate extrage semnalul util, semnal care acum e înecat în zgomot și de nerecunoscut.

 

În mod normal, un lock-in amplifier e compus dintr-un multiplicator urmat de un filtru trece jos.  În multiplicator intră pe o parte semnalul înecat în zgomot, iar pe cealalta parte un semnal curat, de referință, semnal sincron cu cel înecat în zgomot.  Ca urmare obținem la ieșirea multiplicatorului 2 semnale de frecvente diferite, unul de frecvență f_{semnal+zgomot}-f, adică de frecvență zero, adică de curent continuu (plus zgomotul), și încă unul de frecvența 2f plus zgomot.

 

Filtrul trece jos care urmează după ieșirea multiplicatorului va păstra numai valoarea de curent continuu, și va atenua complet (în mod ideal) atât zgomotul cât și componenta nedorită de frecvență 2f.  Prin urmare, la ieșirea filtrului vom avea un semnal de curent continuu, proporțional cu amplitudinea necunoscută a semnalului nostru înecat în zgomot.

 

Ansamblul multiplicator + filtru trece jos poate fi privit și în felul următor:

• - fie ca un filtru acordat exact pe frecvența semnalului de măsurat dar cu bandă de trecere care tinde la zero (și astfel puterea zgomotului tinde și ea la zero din cauza lățimii de bandă zero, pe cănd semnalul util e lăsat să treacă nealterat)
• - fie ca un integrator sincron cu semnalul de măsurat

 

Mai este un aspect de luat în considerare, și anume că tensiunea de la ieșirea unui lock-in amplifier bazat pe modelul de mai sus (multiplicator urmat de un filtru trece jos) depinde nu numai de amplitudinea semnalului înecat în zgomot, dar și de decalajul de fază dintre semnalul de măsurat și semnalul de referință.

 

Pentru a rezolva dependența tensiunii de ieșire de decalujul de fază, de obicei se folosesc două multiplicatoare si două semnale de referință, în cuadratură (semnalul de referință normal și decalat cu 90 de grade, adica sin si cos).

 

Pentru cine le rupe cu engleza, așa arată un lock-in amplifier profesional.  Pe la început explică funcționarea, iar pe la sfârșit e o mică demonstrație cu două măsurători de semnal foarte slab, una audio, pentru a afla viteza sunetului în aer, și alta optică, pentru măsurarea unui fotocurent extrem de mic (10^-15A, adică de ordinul femtoamperilor).

 

 

Noi o să folosim aici principiul amplificatorului lock-in la măsurarea rezistenței de contact dintre banană și conector.

 

Problema e că n-avem așa ceva.  Amplificatoarele lock-in sunt instrumente extrem de specializate, deci scumpe si destul de rare, întâlnite mai mult prin laboratoare de cercetare, metrologie, nu e ceva comun.

 

Vestea bună e că putem improviza un lock-in amplifier dintr-un osciloscop care are trace averaging (poate face integrare, sau media între ecrane consecutive).  Cam toate osciloscoapele digitale au trace averaging.  Vom folosit un model de osciloscop ieftin și foarte răspîndit, faimosul Rigol DS1054Z.

 

Pentru asta, sincronizăm osciloscopul cu semnalul de referintă care vine de la generator, cel de 10V_pp/1.(3)kHz.  Acum, semnalul de măsurat e deja mai inteligibil, dar tot zgomotos ramâne:

 

 

Până aici avem echivalentul unui detector sincron, ne mai trebuie să integram (să mediem) semnalul.  Pentru asta, schimbăm modul de achizție „Aquire” din modul „Normal” în modul „Average”, lucru care va face media intre ultimele x (aici 1024) ecrane afișate, și minune!

 

Zgomotul e eliminat, iar semnalul de măsurat e stabil și curat:

 

 

Tocmai am improvizat un lock-in amplifier.

 

Din ultima imagine vedem că pe rezistența noastră de contact este o cădere de tensiune de vreo 3.6mV, asta pentru un semnal sinusoidal de 10V in serie cu un rezistor de 50 ohmi (50 ohmi e impedanța generatorului - aici am folosit un generator DDS Rigol DG4102).

 

Am măsurat căderea de tensiune pentru diferite tipuri de banane+socluri, și apoi am calculat rezistența de contact.  Cu cât rezistența de contact e mai mică, cu atât mai bine.  Rezultatele au fost trecute într-un tabel și reprezentate grafic.

 

Rezistența de contact pentru diferite banane arată așa:

 

 

În medie, rezistențele de contact măsurate au fost cam de vreo 25 miliohmi.

Valorile împrăștiate la extreme vin de la bananele verzi, chinezești. 

 

[Dxxx]

Ce anume ai cu masuratoarea in curent continuu?

Eu nu vad credibile argumentele date; si este mai simplu de facut cu aparate usor disponibile - si nu vad nici o problema nici macar la determinari cu cateva ordine de marime mai mici.

 

Folosesti o sursa de alimentre cu limitare de curent si un milivoltmeru.

Daca poti citi 1mV (multe aparate pot mai bine) atunci poti citi acceptabil 1 miliohm sub un curent de 1A.

Daca ai capabilitate de 0,1mV si sursa poate debita 10A - macar teoretic ai posibilitatea de a masura zeci de microOhmi.

 

Masuratoarea in curent alternativ devine singura utilizabila numai in conditiile ca doresti sa determini ESRul sau rezistenta interna a unei surse de tensiune (sa zicem un acumulator).

[Vizitator]

33 minutes ago, Dxxx said:

Ce anume ai cu masuratoarea in curent continuu?

Eu am ce am, că am vrut să afle lumea ce e ăla un lock-in amplifier, la ce poate fi folosit, și, mai ales, șmechereala aia cum să folosești un osciloscop obișnuit pe post de lock-in amplifier.  Eu n-am mai văzut-o explicată pe nicăieri, tu ai mai vazut-o pe undeva?

 

Poate fi un truc foarte util atunci cănd nu există access la un lock-in amplifier dedicat (care de obicei costa multe mii), și în plus pe osciloscop se vede și forma de undă.

 

Da' tu ce ai cu masurătoarea in curent alternativ?

Eu nu văd credibile argumentele date; și este mai simplu de făcut la curent mic și ingeniozitate mare - și nici nu am sursă de 10A, na!

[Dxxx]

Da, se poate sa descurci ata incurcata chinuindu-te 10 ore.... sau se poate sa tai incurcatura.

... sau se poate sa se cheltuiasca milioane de dolari pentru ca cosmonautii americani sa aiba pixuri folosibile in imponderabilitate .... fata de rusi cu cheltuieli zero si creioane cu mina de grafit.

Fiecare cum crede.

 

Din ce spui mai sus ai rezolutie mai proasta de 1 miliOhm (vizibil in graficul tau cu patratele albastre).

 

Eu spuneam ca in curent continuu poti sa ajungi cu aparate relativ normale la rezolutii de peste 100 ori mai bune.

 Cam oricine are o sursa de laborator care poate functiona in curent constant, si chiar daca nu poate sa-i dea decat 1A iar AVOmetrul din dotare nu citeste sub 1mV, tot are rezolutie similara cu graficul cu patratele albastre.

[validae]

Poţi măsura miliOhmii ăia şi cu o sursă de curent constant cu LM317 şi o baterie de telefon.Setezi un curent de 100mA şi măsori cu un miliVoltmetru ordinar, la 1mV ai un mOhm...

[Mircea]

Si cu un voltmetru, nu citiri pe osciloscop care poate masura mai prost decat un multimetru decent. S-a vrut citirea in AC la 1kHz. Asa, si, daca faceai testul la 50Hz (ca e disponibil direct din retea) era mai rau? Puteai folosi un voltmetru in loc de osciloscop. 

 

Ca fapt divers, cand sa masoara rezistenta de contact a unei suduri aluminotermice (la grila de impamantare sau la o sina de tren) sau la contactul unui intrerupator de ÎT nu foloseste nimeni metode implicand osciloscoape. Curenti si tensiuni. Daca vrei informatie despre masuratori, cauta pe Google Omicron. 

 

E totusi de laudat ca incercam metode noi sau diferite, dar chiar merita efortul pentru niste componente coclite? 

 

Din pozele expuse, toate bananele merita pubela sau reciclajul. Unele sunt de calitate indoielnica de noi fiind (alea verzi cu surub), restul sunt prea abuzate de vreme si utilizator ca sa mai fie fiabile.

 

Altfel, explicatia cu utilizarea osciloscopului (filtrarea) e utila multora. Exista un topic al lui Dave exact pe tema zgomotului in osciloscoape, facand o paralele cu cele analogice cu trasa perfect curata, aia de la DSO fiind toata zimțată. Verdictul fiind ca pierzi din informatie la alea analogice, insa nu e o pierdere pentru utilizatorii amatori. 

[sesebe]

@RoGeorge 

Chiar n-ai ce face?

Cind tu explici cum sa cresti rosii lumea se leaga ca nu-s inca coapte.

Chestia aia o folosesc de aproape 20 de ani, de cind am ajuns sa folosesc osciloscoape digitale.

[Spitfire]

Exista banane acoperite cu rodiu, rezista foarte bine si fac un contact excelent, daca si bornele sunt similare.

[djvas]

@RoGeorge felicitari ! Cu oameni ca tine se poate creste nivelul forumului !

Intradevar un lock-in amplifier este ceva foarte rar atat printre amatori cat si profesionisti. Domnul @VAX se lauda ca detine asha ceva... i-am sugerat sa faca o prezentare cu acesta dar evident ca a ignorat. 

 

[Vizitator]

La 26.09.2020 la 16:26, RoGeorge a spus:

[...]

Noi o să folosim aici principiul amplificatorului lock-in la măsurarea rezistenței de contact dintre banană și conector.

[...]putem improviza un lock-in amplifier dintr-un osciloscop care are trace averaging (poate face integrare, sau media între ecrane consecutive).  Cam toate osciloscoapele digitale au trace averaging.  Vom folosit un model de osciloscop ieftin și foarte răspîndit, faimosul Rigol DS1054Z.

 

Pentru asta, sincronizăm osciloscopul cu semnalul de referintă care vine de la generator, cel de 10V_pp/1.(3)kHz.  Acum, semnalul de măsurat e deja mai inteligibil, dar tot zgomotos ramâne:

 

 

Până aici avem echivalentul unui detector sincron, ne mai trebuie să integram (să mediem) semnalul.  Pentru asta, schimbăm modul de achizție „Aquire” din modul „Normal” în modul „Average”, lucru care va face media intre ultimele x (aici 1024) ecrane afișate, și minune!

 

Zgomotul e eliminat, iar semnalul de măsurat e stabil și curat:

 

 

 

 

 

Ceea ce ai prezentat nu are absolut NIMIC de-a face cu "locking amplifier", deoarece:

1) reducerea nivelului zgomotului aleator afisat de osciloscop prin averaging nu are de-a face cu "locking amplifier"

2) sincronizarea externa a osciloscopului cu sursa de tensiune alternativa externa nu are nimic de-a face cu detectorul sincron, sincronizarea externa a osciloscopului nu face si nici nu este echivalentul unei detectii sincrone,  chiar faptul ca ai acolo afisat insasi semnalul AC aplicat si nu "detectia" sa  contrazice orice posibilitate de a avea vreun "echivalent al detectiei sincrone". Semnalul prezentat si masurat mai sus pe osciloscop nu reprezinta rezultatul unei detectii sincrone, iar la modul general nu este vreun fel de detectie.

 

Insasi punerea problemei (masurarea semnalelor AC foarte reduse ori innecate in zgomot) ca avand o sigura solutie evidenta (si anume acel "locking amplifier") a fost din start gresita. Solutia evidenta pentru masurarea semnalelor mici (aici cu un singur ton) este masuratoarea selectiva in frecventa, este ceea ce fac de exemplu voltmetrele selective, receptoarele de masura si analiza de spectru, deoarece zgomotul aleator de banda larga (inclusiv cel afisat de dumneata mai sus) este proportional cu largimea de banda (~kTB) si implicit reducerea B (de exemplu de la 100 MHz cat are osciloscopul, la 10Hz sau chiar miliHz cat permite de exemplu analiza de spectru) reduce proportional efectul zgomotului. Insasi acel "locking amplifier" face masuratoare intr-o banda ingusta in jurul frecventei semnalului pe care este sincronizat)... ceea ce in masuratorile de mai sus nu se intampla!

 

[Vizitator]

@Traian B Nu știu ce e „locking amplifier”.  Am căutat cu Google și mă întreabă dacă nu cumva am vrut să caut „lock-in amplifier”.

 

Cel despre care scriam este „lock-in amplifier”, nu „locking amplifier”, și toate blocurile care alcătuiesc un lock-in amplifier se regăsesc și în osciloscop:

- rolul multiplicatorului este jucat de circuitul de triggering

- în rolul integratorului este modul „Average” al osciloscopului, unde sunt adunate, adică integrate, mai multe porțiuni de semnal, aici 1024 de ecrane

 

Singura diferență funcțională pe care o văd eu intre un lock-in amplifier analogic dedicat și emularea unuia cu osciloscopul este că cel dedicat integrează sinusoide consecutive, nu sare niciuna, pe când cu osciloscopul medierea se face între sinusoide care se află la distanță una de alta.  Deoarece semnalul e constant iar zgomotul aleator, nu contează dacă măsurăm sinusoide consecutive sau sinusoide separate la o oarecare distanță în timp (aici distanța este dată de timpul între trigger-ările succesive ale osciloscopului).

 

Dacă, de exemplu, ne găndim la un singur eșantion de pe ecranul osciloscopului, să zicem eșantionul de la momentul de trigger, atunci avem o singură valoare, ca la ieșirea unui lock-in amplifier.  Osciloscopul afișează și integrează un ecran întreg deodată, nu doar un singur punct, cu atât mai bine pentru noi, că vedem și forma de undă.

 

Despre măsurarea selectivă în frecvență, exact asta face și lock-in amplificatorul.  După cum am scris, poate fi privit sau ca un integrator sincron, sau ca un filtru cu banda foarte, foarte îngustă.  Cu cât integrarea se face pe o perioadă mai lungă (în cazul osciloscopului pe mai multe ecrane), cu atât se îngustează și banda filtrului.  Frecvența pe care este acordat este exact frecvența semnalului de referință.

[puriu]

Dupa mine, bananele din fier nichelat sunt cele mai proaste. Alama, chiar neacoperita cu argint sau cu aur, face contact mai bun cand se freaca de bucsa. La tensiune mica nichelul are un fel de strat pasiv la suprafata. De aceea, la comutatoare, nichelul trebuie sa fie aurit.

[Vizitator]

Acum 2 ore, RoGeorge a spus:

@Traian B Nu știu ce e „locking amplifier”.  Am căutat cu Google și mă întreabă dacă nu cumva am vrut să caut „lock-in amplifier”.

 

Cel despre care scriam este „lock-in amplifier”, nu „locking amplifier”, și toate blocurile care alcătuiesc un lock-in amplifier se regăsesc și în osciloscop:

- rolul multiplicatorului este jucat de circuitul de triggering

- în rolul integratorului este modul „Average” al osciloscopului, unde sunt adunate, adică integrate, mai multe porțiuni de semnal, aici 1024 de ecrane

 

Singura diferență funcțională pe care o văd eu intre un lock-in amplifier analogic dedicat și emularea unuia cu osciloscopul este că cel dedicat integrează sinusoide consecutive, nu sare niciuna, pe când cu osciloscopul medierea se face între sinusoide care se află la distanță una de alta.  Deoarece semnalul e constant iar zgomotul aleator, nu contează dacă măsurăm sinusoide consecutive sau sinusoide separate la o oarecare distanță în timp (aici distanța este dată de timpul între trigger-ările succesive ale osciloscopului).

 

Dacă, de exemplu, ne găndim la un singur eșantion de pe ecranul osciloscopului, să zicem eșantionul de la momentul de trigger, atunci avem o singură valoare, ca la ieșirea unui lock-in amplifier.  Osciloscopul afișează și integrează un ecran întreg deodată, nu doar un singur punct, cu atât mai bine pentru noi, că vedem și forma de undă.

 

Despre măsurarea selectivă în frecvență, exact asta face și lock-in amplificatorul.  După cum am scris, poate fi privit sau ca un integrator sincron, sau ca un filtru cu banda foarte, foarte îngustă.  Cu cât integrarea se face pe o perioadă mai lungă (în cazul osciloscopului pe mai multe ecrane), cu atât se îngustează și banda filtrului.  Frecvența pe care este acordat este exact frecvența semnalului de referință.

@RoGeorge...Imi pare rau ca spun asta, dar..lock-in amplifier e cu totul altceva decat ..un osciloscop.

Look here:

https://en.wikipedia.org/wiki/Lock-in_amplifier

Cred ca nu mai are rost sa comentam ce este un look-in amplifier si un osciloscop digital cu functia AVG. Dar, daca vrei o putem face....

@Traian B are dreptate si sunt ferm convins ca are destula experienta in aparate de masura analogice si digitale.

 

[Vizitator]

E bine că ai dat același link pe care tocmai îl dădusem și eu, că înseamnă că vorbim despre același lucru.

 

Eu cred că ar fi avut rost să vorbim despre lock-in amplifier, nu despre cine are și cine n-are dreptate.  Dar dacă tu zici că n-are rost, atunci bine, nu mai vorbim.

[sesebe]

Initial nu am vrut sa comentez nimic legat de look-in amplifier DAR din cauza ca se pare ca exista mari divergente vin si eu si spun ca un osciloscop folosit in modul descris mai sus nu poate fi asimilat cu un look-in amplificator.

In primul rind nu este satisfacuta relatia care spune la semnalul de iesire este de dua ori mai mic. Semnalul de iesire are amplitudinea egala cu semnalul de intrare daca nu ar exista zgomotul. Pe urma poti sa ai orice defazaj intre semnalul de referinta (trigger) si semnalul de util ca rezultatul va fi acelasi in cazul osciloscopului dar nu si in cazul unui look-in amplificator.

Nu vreau sa intru in matematica din spatele acestor formule dar semnalul filtrat si afisat de osciloscop nu le satisface.