Lock-in amplifier: differenze tra le versioni

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[[FileImage:ZiVideo014SR7270 Principles ofDSP Lock-in MasterAmplifier.webmjpg|thumb|250px|Introduzione alla tecnologia deiUn lock-in amplifier prodotto da ''Signal Recovery'']]

[[Image:SR7270 DSP420 Lock-in Amplifier.jpg|thumb|250px|Un lockLock-in amplifier prodottoanalogico dadi ''SignalScitec RecoveryInstruments'']]

[[Image:420 LockELOCK-in AmplifierIN.jpgjpeg|thumb|250px|Lock-in amplifier analogicocon dioscilloscopio integrato da ''Scitec InstrumentsAnfatec'']]

[[Image:Hf2li aufsicht bg blue.png|thumb|250px|Lock-in amplifier digitale basato su FPGA a doppio canale da ''Zurich Instruments AG'']]

[[Image:ELOCK-IN.jpeg|thumb|250px|Lock-in amplifier con oscilloscopio integrato da ''Anfatec'']]

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 unaun funzionesegnale sinusoidale di frequenza ''ν'' viene moltiplicata per un'altra sinusoide di frequenza ''μ'' diversa da ''ν'' e [[integrale|integrata]] in un intervallo maggiore del periodo delle due funzioni, il risultato è zero. Nel caso in cui ''μ'' è uguale a ''ν'' e le due funzioni sono in fase, il valore medio è pari a metà del prodotto delle ampiezze.

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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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 10⁶ volte più grande del segnale da ricostruire, se la banda dello strumento di misura può essere ridotta di un fattore maggiore di 10⁶ intorno alla frequenza del segnale, la ricostruzione può essere effettuata. Ad esempio in un sistema con banda di 100&nbsp;MHz (un tipico [[oscilloscopio]]), un filtro con una banda di 100&nbsp;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://www.zhinst.com/others/resources/principles-lock-detection I principi di funzionamento dei Lock-In Amplifier] di Zurich Instruments AG.

*[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].