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

[Mircea]

Colegul George e incantat de reusita "filtrarii" (adica a scoaterii semnalului util din zgomot). Ceea ce e cert reusit in exemplul lui. 

 

Ca discutam de locking, lock-in sau chiar look-in devine irelevant in cazul problemei expuse, adica masurarea unei rezistente f mici. De ce irelevant? Pentru ca se poate face mult mai simplu si mai precis.

[sesebe]

Greșit! 

Colegul este incintat de ceea ce se poate face cu multiplicatoarele analogice. A mai avut un topic deschis pornind tot de la astea. 

 

Ca este util la măsurarea rezistentelor mici sau nu, asta este complet irelevant. El doar cauta aplicații pt aceste multiplicatoare.

[Vizitator]

Povestea că de ce scriu aici despre lock-in amplifier e puțin invers.  Am aplicația, trebuie să măsor niște qubits, din ăia folosiți în quantum computing, pentru că vreau să-mi fac un calculator cuantic care să meargă la temperatura camerei, fără cryogenic cooling.  Semnalele corespunzătoare qubiților sunt foarte mici, la vreo 50-100 dB sub zgomotul de fond.  Singura sculă pe care o știu să poată măsura un semnal când zgomotul e de milioane sau miliarde de ori mai mare, e ăsta, lock-in amplifier-ul.

 

Performanța lui e de-a dreptul magie, cînd am înțeles cu adevărat mecanismele care conduc la așa ceva, mi-am dat seama că pot emula un lock-in amplifier cu osciloscopul.  N-o să aibă el dinamica unei scule dedicate, dar „magia” e toată acolo, și se vede ce frumos curăță semnalul.  Mi s-a părut interesant trucul ăsta, și am zis să-l fac cunoscut și aici.

 

Despre echivalența dintre un lock-in amplifier și osciloscopul setat cum am povestit deja, sunt foarte sigur că sunt echivalente.

 

Vroiam să intru în detalii, să spun de ce le văd eu ca fiind la fel, dar mi-ar lua ceva timp, și cred că e prea devreme.  Trebuie mai întăi să se învețe lumea cu numele, pe urmă cu funcția lui, pe urmă cine e mai curios să se uite la câteva implementări (nu toate sunt cu multiplicator analogic, unele sunt cu multiplicare cu +/-1, osciloscopul de aici de exemplu multiplică cu 0/1, altele sunt digitale numai DSP-eală, și tot așa) să înțeleagă cum de funcționează fiecare, ce este esențial la ele, s.a.m.d.

[Vizitator]

Acum 9 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.

Hai sa le luam pe rand:

și toate blocurile care alcătuiesc un lock-in amplifier se regăsesc și în osciloscop:

Asta e ..fantezie. Orice LIA(Look-in Amplifier) e construit total diferit fata de un osciloscop digital sau analog.

https://www.zhinst.com/sites/default/files/li_primer/zi_whitepaper_principles_of_lock-in_detection.pdf

[url=https://postimages.org/][img]https://i.postimg.cc/Fs9dsW9k/001.png[/img][/url]

In poza de sus sunt prezentate a) LIA analog si b)LIA digital. Ambele au aceeasi structura functionala. Se observa ca acestea contin un oscilator de referinta si doua mixere, fiecare urmat de cate un filtru trece jos (LPF). Osciloscoapele NU detin oscilatoare de referinta ci baza de timp, ceea ce e altceva  fiind construite altfel. LIA fac o dubla demodulare de faza  lucru de care osciloscoapele habar nu au. 

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

Osciloscoapele digitale lucrand in modul AVG (Average) fac doar o medie a mai multor semnale cu valoare absoluta. In orice caz, un osciloscop setat in AVG, nu se poate compara cu un voltmetru selectiv , neavand nici BW atat de ingusta incat sa masoare exact la frecventa de interes, el o sa arate doar o medie a semnalelor analizate. Analizoarele de spectru si voltmetrele selective (Pegelselektive messgerät) au optiunea asta de a modifica latimea de banda, tocmai in vederea unor masuratori precise. La osciloscoape nici vorba de asa ceva.

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.

Exact, aici ai spus ce face LIA si voltmetrul selectiv, lucru pe care osciloscopul nu il face. Un osciloscop NU il poti ''acorda exact pe frecventa'' de masura. Doar setezi baza de timp pentru sincronizarea tracelor, dar asta nu inseamna ca poti modifica latimea benzii de masura. Sampling rate, la osciloscoapele digitale,  e cu totul altceva decat selectia latimii de banda (BW). 

Daca semnalul de analizat contine doua semnale de frecvente diferite, 1KHz si 1,1KHz de exemplu,  osciloscopul va arata niste bazaconii. Baza de timp va fi declansata de amplitudinea semnalului mai mare iar masuratoarea va fi eronata, nu vei sti ce amplitudine are fiecare. Doar analizorul de spectru sau un voltmetru selectiv va masura corect amplitudinea fiecarui semnal.

 

Procedura asta de masurat in AC rezistente de contact de ordinul miliOhmilor este total gresita. In general se face in DC si utilizand curenti mari (1-10A) si un milivoltmetru DC. Sau, simplu, cu un miliohmetru.

Editat Septembrie 28, 2020 de Vizitator

[Vizitator]

Acum 36 minute, RoGeorge a spus:

 

 

Performanța lui e de-a dreptul magie, cînd am înțeles cu adevărat mecanismele care conduc la așa ceva, mi-am dat seama că pot emula un lock-in amplifier cu osciloscopul.  N-o să aibă el dinamica unei scule dedicate, dar „magia” e toată acolo, și se vede ce frumos curăță semnalul.  Mi s-a părut interesant trucul ăsta, și am zis să-l fac cunoscut și aici.

 

Despre echivalența dintre un lock-in amplifier și osciloscopul setat cum am povestit deja, sunt foarte sigur că sunt echivalente.

 

Vroiam să intru în detalii, să spun de ce le văd eu ca fiind la fel, dar mi-ar lua ceva timp, și cred că e prea devreme.  Trebuie mai întăi să se învețe lumea cu numele, pe urmă cu funcția lui, pe urmă cine e mai curios să se uite la câteva implementări (nu toate sunt cu multiplicator analogic, unele sunt cu multiplicare cu +/-1, osciloscopul de aici de exemplu multiplică cu 0/1, altele sunt digitale numai DSP-eală, și tot așa) să înțeleagă cum de funcționează fiecare, ce este esențial la ele, s.a.m.d.

Aici gresesti. Eu am peste 15 osciloscoape si vreo 4 analizoare de spectru, si cred ca am reparat si calibrat cateva sute. Un LIA e capabil sa separe de noise un semnal de o mie de ori mai mic decat amplitudinea noise_ului. Nici un osciloscop nu poate face asta...never ever and again.

[sesebe]

Vezi ca la osciloscop ai multe alte limitări. De exemplu gama dinamica care este de numai 40 și un pic de decibeli pt cele uzuale pe 8 biți și 50 și ceva de decibeli pt cele de top pe 12 biti. 

La zgomot cel mai bine stau Techtonix-urile dar sint varza la soft. La partea SW mie îmi plac LeCroy dar sint ceva mai zgomotoase decit celelalte amintite. 

Oricum poți să-ți iei grindul de a măsură cu osciloscopul semnale cu raport mai mare de 30-50 ori între zgomot și semnal util. 

[Vizitator]

Osciloscoapele digitale incep de la 2mV/div...iar cand ai un semnal de 0,5mV si ceva zgomot peste...numai masuratoare nu e aia, baza de timp in mod sigur va fi declansata de zgomot. Analizoarele de distorsiuni incep de la 100nV(0,1mV) full scale iar analizoarele de spectru de la 300nV(0,3mV)/div. Exista si modele cu sensibilitate de intrare mai mare dar ...costa.