Lock-in amplifier: differenze tra le versioni
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Un '''lock-in amplifier''' (conosciuto anche come '''phase-sensitive detector''') è un tipo di [[Amplificatore (elettronica)|amplificatore]] che può estrarre un [[Segnale elettrico|segnale]] con una [[portante]] conosciuta da un ambiente estremamente rumoroso. È essenzialmente un [[ricevitore omodina]] con un [[filtro passa basso]] a banda molto stretta. I lock-in amplifier usano un [[Mixer (elettronica)|mixer]] per convertire il segnale ad alta frequenza in una componente DC o comunque a frequenza molto bassa.
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== Principio di base ==
Il funzionamento del lock-in amplifier si basa sull'[[ortogonalità]] delle [[Sinusoide|sinusoidi]]. In pratica, quando
In sostanza, un lock-in amplifier prende il segnale di ingresso, lo moltiplica per un segnale di riferimento (che può essere sia prodotto dall'[[oscillatore]] interno che da una fonte esterna) e lo integra in un tempo specificato, tipicamente dell'ordine dei millisecondi o di pochi secondi. Il segnale risultante è essenzialmente una componente continua, dove il contributo di ogni altro segnale a frequenza diversa da quella di riferimento è teoricamente nulla. È nullo inoltre anche il contributo di sinusoidi in quadratura di fase con quella di riferimento, come succede nella [[modulazione in quadratura]] di un segnale. Per questo il lock-in amplifier è detto anche phase-sensitive detector.
Per un segnale di riferimento sinusoidale e una [[forma d'onda]] d'ingresso <math>U_\mathrm{in}(t)</math>, il segnale d'uscita DC <math>U_\mathrm{out}(t)</math> per un lock-in amplifier [[analogico]] può essere calcolato come:
:<math>U_{\mathrm{out}}(t)= \frac{1}{T} \int_{t-T}^t {\sin\big(2\pi f_{\rm ref}\,s + \phi\big)\, U_{\mathrm{in}}(s)}\;\mathrm{d}s</math>
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* ''amplificatore di ingresso'': il [[Guadagno (elettronica)|guadagno]] variabile preprocessa il segnale amplificandolo a un livello adatto per il demodulatore. A causa dell'elevato livello di rumore in ingresso, tale amplificatore deve essere a elevate prestazioni;
* ''circuito di riferimento'': permette di shiftare la fase del segnale di riferimento;
* ''demodulatore'': è essenzialmente un moltiplicatore. Prende il segnale di ingresso e il riferimento e li moltiplica. La risultante conterrà due componenti frequenziali, con pulsazione pari alla somma e alla differenza di quelle dei segnali moltiplicati. Se il segnale di riferimento e quello da misurare hanno la stessa frequenza, la differenza è zero, e si ottiene quindi una componente DC proporzionale all'ampiezza del segnale di ingresso e al [[coseno]] della differenza di fase tra i segnali. Aggiustando la fase del segnale di riferimento con il circuito apposito, tale differenza di fase può essere portata a zero in modo da ottenere all'uscita del demodulatore una componente DC proporzionale al solo segnale da misurare. Il rumore è però ancora presente con ampiezza anche 1000 volte maggiori della componente continua.
* ''filtro passa basso'': poiché le componenti di rumore sul segnale di ingresso sono a frequenze diverse da quella di riferimento, la somma e la differenza delle pulsazioni non sarà zero e non contribuirà quindi al livello della componente DC del segnale di uscita. Per ottenere la sola componente DC è sufficiente usare un filtro passa basso a banda molto stretta che elimina le componenti di rumore.
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== Applicazione alla misura di segnale in un ambiente rumoroso ==
L'idea essenziale nella ricostruzione del segnale è che il rumore elettrico è distribuito su un ampio spettro, molto più ampio di quello del segnale da misurare. Nel semplice caso di un [[rumore bianco]], anche se il [[valore efficace]] del rumore è 10<sup>6</sup> volte più grande del segnale da ricostruire, se la banda dello [[strumento di misura]] può essere ridotta di un fattore maggiore di 10<sup>6</sup> intorno alla frequenza del segnale, la ricostruzione può essere effettuata. Ad esempio in un sistema con banda di 100 [[Hertz|MHz]] (un tipico [[oscilloscopio]]), un filtro con una banda di 100 Hz risulta sufficiente.
In pratica, anche se il segnale e il rumore sono indistinguibili nel [[dominio del tempo]], se il segnale ha una frequenza ben definita e non ci sono picchi di rumore nei dintorni di tale banda, il rumore e il segnale possono essere separati abbastanza efficientemente nel [[dominio della frequenza]].
Se il segnale è invece lentamente variabile o addirittura costante, allora viene generalmente coperto dal [[rumore 1/f]]. In questi casi è necessario usare altri metodi per modulare il segnale. Per esempio, per rilevare un debole segnale luminoso in un ambiente con luce molto forte, il segnale può essere modulato con un optical chopper, un modulatore acusto-ottico o fotoelastico a una frequenza sufficientemente alta in modo che il rumore 1/f non risulti più significativo. Al lock-in amplifier deve essere poi data in ingresso anche la frequenza di riferimento usata per la modulazione. Nel caso del [[microscopio a forza atomica]], per ottenere risoluzione di nanometri e di piconewton, la posizione della [[microleva]] (cantilever) è modulata ad alta frequenza, alla quale è riferito il lock-in amplifier.
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== Collegamenti esterni (in lingua inglese) ==
*[https://web.archive.org/web/20150707003600/http://www.boselec.com/products/siglimwhat.html Spiegazione dei lock-in amplifiers] di Boston Electronics.
*[http://www.bentham.co.uk/pdf/F225.pdf Tutorial sui Lock-in amplifier] di Bentham Instruments.
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