تقویت کننده قفل‌شونده

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو

تقویت کننده قفل شونده یا تقویت کننده حساس به فاز (انگلیسی: Lock-in amplifier) نوعی دستگاه اندازه گیری است که می‌تواند یک سیگنال ضعیف‌الکتریکی را که سوار یک موج حامل با فرکانس و فاز مشخص است از یک محیط پر اغتشاش استخراج کند. این دستگاه شبیه یک فیلتر میان‌گذر با یک باند فرکانسی بسیار کوچک عمل میکند که میتواند نسبت سیگنال به نویز را بهتر کرده و در نهایت ولتاژهای مستقیم و ولتاژهای نوسانی با فرکانس های دیگر و همچنین نویز را بسیار خوب فیلتر کند. دستگاه تقویت کننده قفل شونده در درهه ۶۰ میلادی طراحی شده و بسیاری از آزمایش‌های مهم در دنیای علم توسط این دستگاه انجام گرفته است.

یک دستگاه آنالوگ تقویت کننده قفل شونده

عمل‌کرد[ویرایش]

نمودار تقویت کننده قفل شونده

این دستگاه دارای یک ورودی سیگنال مرجع V_{r} با فرکانس f_{r}است که در طول اندازه گیری، تقویت کننده فقط به بخشی از سیگنال مورد اندازه گیری پاسخ میدهد که در محدوده همان فرکانس قرار داشته و فاز اولیه مشخصی هم دارد. در اصطلاح گفته می شود که تقویت کننده روی این فرکانس قفل شده است. سیگنال مرجع می تواند یک تابع کسینوسی به شکل زیر باشد:

V_{r} = V_{r0} \cos{(2\pi f_{r}t)} \,\!

طریقه کار این دستگاه به این صورت است که برای مثال سیگنال ورودی به یک نمونه آزمایشگاهی و دستگاه های مربوطه ابتدا بر روی موجی با فرکانس f_{r} سوار شده و پروسه اندازه گیری آغاز می شود. در نهایت سیگنال خروجی نمونه که باید اندازه گرفته شودبه عنوان ورودی دستگاه تقویت کننده قفل شونده به صورت زیر خواهد بود:

V_{input} = V_{signal} \cos{(2\pi f_{r}t+\phi)}+V_{noise} \,\!

که هدف دستگاه استخراج سیگنالV_{signal} است. سیگنال ورودی از یک فیلتر میان‌گذر عبور می کند. ای فیلتر باید برای فرکانس کاری مورد نظر از پیش تنظیم شده باشد.بعد از عبور سیگنال از این فیلتر اکثر هارمونیک های بالا و پایین فرکانس مرجع حذف می‌شوند.این سیگنال فیلتر شده در سیگنال مرجع V_{r} ضرب می شود:

 V_{input} \times V_{r} = \frac{1}{2} V_{signal}V_{r0}[\cos{(\phi)}+\cos{(4\pi f_{r}t)}]+V_{noise}V_{r0}\cos{(2\pi f_{r}t)}  \,\!

اگر بتوان بخش DC رابطه بالا را استخراج کرد به ازای تغییر فاز \phi=0 میتوان مستقیماً به بزرگی سیگنال V_{signal} دست یافت. این عمل توسط یک مدار انتگرال گیر (فیلتر پایین گذر) با فرکانس قطع f_{r}/2 انجام می‌گیرد. خروجی این انتگرال گیر ب صورت زیر خواهد بود:

 V_{out}= \frac{\alpha V_{r0}}{nT} \int_{0}^{nT} (V_{signal}\cos{(2\pi f_{r}t+\phi)}+V_{noise})\cos{(2\pi f_{r}t)}\, dt =\frac{1}{2}\alpha V_{signal}V_{r0}\cos{(\phi)}  \,\!

\alpha ضریب تقویت سیگنال خروجی است. وابستگی سیگنال خروجی به تغییرات فاز \phi دلیل نامیده شدن این دستگاه به اسم تقویت کننده حساس به فاز است. دستگاه های تقویت کننده قفل شونده معمولاً دو مود اندازه گیری fو 2f دارند.برای اندازه گیری در مود 2f سیکنال مرجع از یک ضرب کننده فرکانس عبور کرده و تقویت کننده روی هارمونیک دوم فرکانس مرجع قفل میشود. در این حالت باید فیلتر میان گذر روی فرکانس 2f تنظیم شود.

منابع[ویرایش]

  • ویکی‌پدیا آلمانی

پیوند به بیرون[ویرایش]