Lock-in erősítő

Az optikai jelek általában zajosak. A méréstechnikában gyakran találkozunk azzal a problémával, hogy nagyon kis jeleket kell megmérnünk zajos környezetben. Ha a mérendő jel amplitúdója összemérhető, vagy kisebb mint a zaj amplitúdó, akkor segít a lock-in technika.

A lock-in elv lényege, hogy egy adott frekvenciájú (szinuszos) jelet önmagával megszorozva egy kétszeres frekvenciájú jelet apunk, amelynek középértéke függ az összeszorzott jelek közötti fáziskülönbségtől. A szorzat középértéke akkor sem változik, ha az egyik szorzandó jel egyéb más frekvencia komponenseket (pl. zajokat) is tartalmaz, így tehát kiszűrhető a zavarokkal terhelt jelből a mérendő jel.

A bemeneti jel amplitúdóját egy jelerősítővel növeljük meg, amely szűrő fokozatokat is tartalmaz. Egyes erősítőkben ezek a szűrők állíthatók, másokban fix értékűek. Bizonyos típusokban az erősítő utáni jelet kivezetik. Az oszcillátorral a referencia jel tisztán szinuszos alakját biztosítjuk. Ez az oszcillátor a külső referencia forrással frekvenciában és fázisban is szinkron jelet állít elő. Némely erősítő komplett beépített oszcillátorral rendelkezik, így nincs szüksége külső referencia forrásra. Ilyen esetben az általunk beállított  frekvencián és amplitúdóval működik az oszcillátor, s ennek kimeneti jelét kell felhasználnunk mérőjelként a kísérleteinkben. Ez az egység lehetővé teszi számunkra az előállított jel fázistolását is a referenciához képest 0-tól 360-ig terjedő tartományban.

A szorzást végző egységet fázisérzékeny detektornak is nevezik (PSD=Phase Sensitive Detector). Ez az áramkör a két bemenetére érkező U1 és U2 feszültségből a kimenetén U ki =U1 x U2 feszültséget állít elő.  A PSD jelét egy aluláteresztő szűrő (integrátor) dolgozza fel, melynek időállandója szintén beállítható. Általában választhatunk egy- és kétpólusú szűrő között. Az utóbbi két darab egypólusú szűrőből áll, melyeket sorba kötnek.

[Ábra forrása: http://www.reak.bme.hu/fileadmin/user_upload/felhasznalok/szabo/6_Lockin_20110908.pdf]

Az egyenfeszültségű erősítő egy egyszerű (pl. műveleti erősítővel felépített) kisfrekvenciás erősítő, kb. 0 Hz-10 kHz-es sávszélességgel. Az aluláteresztő szűrő jelét felerősítve ennek kimenetéről vehetjük le a kimeneti jelet. Jelölje a továbbiakban a fizikai rendszerre adott jelet U_ref(t) (referencia jel). Mivel csak egyetlen frekvencián mérünk, tegyük fel hogy a referencia jel zajmentes, és tisztán szinuszos. Legyen U_sig (t) a rendszerünk válaszjele. Lock-in erősítőnk számára ez lesz a bemeneti, mérendő jel. Tegyük fel, hogy O - a rendszer okozta, a mérendő jelben megjelenő fázistolás. Tegyük fel, hogy ez is tisztán harmonikus. Tehát a válaszjel: U_sig(t) = U_sig x cos (wt + O). Ha a válaszjelet megszorozzuk a referencia-jellel, miközben a referencia jel amplitúdóját állandó értéken tartjuk, akkor a fázis érzékeny detektor (amely a szorzást végzi el) kimeneti arányos lesz a mérendő jel U_sig amplitúdójával és arányos az U_ref és U_sig között értelmezett fáziskülönbség koszinuszával.

A fázisérzékeny detektor utáni aluláteresztő szűrő eltávolítja a váltakozó feszültségű komponenseket a kimeneti jelből, s megtartja a számunkra fontos egyenfeszültségű összetevőt.

Az optikai jelek detektálásához ezekhez egy fénymodulátorra is szükség van, amellyel az optikai jelet lehet szaggatni (ha nincs szükség magasabb frekvencián történő mérésre – néhány kHz-ig -, akkor ez egy forgótárcsás csopper is lehet). 10 kHz fölötti  frekvencián azonban már fotoelasztikus modulátorra van szükség, amely nagyobb stabilitással és megbízhatósággal rendelkezik.