Synchroniczne wykrywanie

Synchronicznej detekcji jest techniką przetwarzania sygnału homodynowej pobieranie sygnałów niskiej amplitudzie, ale wąskie pasmo , osadzone w hałasu ważnych usług szerokopasmowych, przez przemnożenie sygnału przez sinusoidalny sygnał o częstotliwości zbliżonym do średniej częstotliwości, który ma być wykryty. Nazywana również demodulacją koherentną , może być analizowana jako zmiana częstotliwości operowana na nośnej o pośredniej częstotliwości.

Odbywa się to za pomocą instrumentu zwanego synchronicznym wzmacniaczem detekcyjnym (w języku angielskim Lock-in wzmacniacz ).

Zasada wykrywania synchronicznego

Detekcja synchroniczna wykorzystuje właściwość ortogonalności z funkcji sinusoidalnych . Niech będzie sygnałem kształtu i sinusoidalnym nośnikiem kształtu . Mnożąc te dwie funkcje, bierze się pod uwagę tożsamość trygonometryczną  : us(t)=Usgrzech⁡(2πfast+ϕs){\ Displaystyle u_ {s} (t) = U_ {s} \ sin {(2 \ pi f_ {s} t + \ phi _ {s})}}uvs(t)=Uvsgrzech⁡(2πfavst+ϕvs){\ Displaystyle u_ {c} (t) = U_ {c} \ sin {(2 \ pi f_ {c} t + \ phi _ {c})}} grzech⁡(w)grzech⁡(b)=12(sałata⁡(w-b)-sałata⁡(w+b)){\ Displaystyle \ sin {(a)} \ sin {(b)} = {\ Frac {1} {2}} \ lewo (\ cos {(ab)} - \ cos {(a + b)} \ prawo )}

us(t)uvs(t)=UsUvs2(sałata⁡(2π(fas-favs)t+θ)-sałata⁡(2π(fas+favs)t+Θ)){\ Displaystyle u_ {s} (t) u_ {c} (t) = {\ frac {U_ {s} U_ {c}} {2}} \ lewo (\ cos {(2 \ pi (f_ {s}) -f_ {c}) t + \ theta)} - \ cos {(2 \ pi (f_ {s} + f_ {c}) t + \ Theta)} \ right)}

z przesunięciem fazowym między sygnałem a nośną, i . θ=ϕs-ϕvs{\ Displaystyle \ theta = \ phi _ {s} - \ phi _ {c}}Θ=ϕs+ϕvs{\ Displaystyle \ Theta = \ phi _ {s} + \ phi _ {c}}

Jeżeli sygnał pomnożony w ten sposób przez nośną jest następnie całkowany w okresie T znacznie większym niż sygnał lub nośna, wynikowa wartość będzie różna od zera tylko wtedy, gdy faza sygnału nie jest przypadkowa, wartość nadal otrzymywane, a następnie równe . favs=fas{\ displaystyle f_ {c} = f_ {s}}Usortjami=UsUvs2sałata⁡θ{\ Displaystyle U_ {sortie} = {\ Frac {U_ {s} U_ {c}} {2}} \ cos {\ theta}}

Ze względu na losowy charakter fazy któregokolwiek ze składowych szumu tą metodą wyodrębniona zostanie tylko składowa „użytecznego” sygnału częstotliwości . fas=favs{\ displaystyle f_ {s} = f_ {c}}

Jeżeli sygnał ma niską częstotliwość, można go wcześniej modulować na częstotliwości f p za pomocą odpowiedniego urządzenia, tak aby był wolny od szumów w 1 / f .

Praktyczna realizacja

Wzmacniacz do detekcji synchronicznej (w języku angielskim: wzmacniacz lock-in ) umożliwia realizację zasad detekcji synchronicznej. Sygnał jest wzmacniany na wejściu, a następnie mnożony przez sygnał nośnej, który może pochodzić z wewnętrznego oscylatora lub ze źródła zewnętrznego. Filtr dolnoprzepustowy o częstotliwości granicznej zmiennej następnie pozwala na osiągnięcie integracji.

Cyfrowe wykrywanie synchroniczne

Większość obecnych synchronicznych detekcji opiera się na wysokowydajnym cyfrowym przetwarzaniu sygnału (DSP). W ciągu ostatnich 20 lat cyfrowe wykrywanie synchroniczne zastąpiło modele analogowe w całym zakresie częstotliwości, umożliwiając użytkownikom wykonywanie pomiarów do częstotliwości 600 MHz. Początkowe problemy związane z pierwszymi cyfrowymi detekcjami synchronicznymi, na przykład obecność szumu zegara cyfrowego na złączach wejściowych, można całkowicie wyeliminować dzięki zastosowaniu ulepszonych komponentów elektronicznych i lepszej konstrukcji instrumentu. Dzisiejsze cyfrowe detekcje synchroniczne przewyższają modele analogowe we wszystkich istotnych kryteriach wydajności, takich jak zakres częstotliwości, szum wejściowy, stabilność i rezerwa dynamiczna. Oprócz lepszej wydajności, cyfrowe wykrywanie synchroniczne może obejmować wiele demodulatorów, które umożliwiają jednoczesną analizę sygnału z różnymi parametrami filtru lub wieloma częstotliwościami. Ponadto dane eksperymentalne można analizować za pomocą narzędzi do przetwarzania sygnałów, takich jak oscyloskop , analizator widma FFT, integrator Boxcar lub w celu zapewnienia pętli serwo za pomocą wewnętrznych sterowników PID . Niektóre modele cyfrowych detekcji synchronicznych są sterowane komputerowo i mają dedykowany interfejs graficzny (na przykład przez przeglądarkę internetową, niezależną od systemu operacyjnego) oraz zróżnicowany wybór interfejsów programistycznych .

Aplikacje

Pomiar słabych sygnałów jest coraz bardziej rozpowszechniony w wielu dziedzinach fizyki i inżynierii, a zastosowania, które mogą obejmować detekcję synchroniczną, są bardzo szerokie. Przytoczmy tylko kilka przykładów:

• Transport, pomiary różnicowe, takie jak dI / dV lub dC / dV
• Modulacja laserowa (przerywacz mechaniczny)
• Modulacja akustyczna
• Przewodność cieplna przy 3-omega
• Mikroskopia bliskiego pola (AFM) dla większości trybów dynamicznych ( przerywane tryby kontaktu , NC-AFM, sonda Kelvina, EFM,…)
• Oscylatory i rezonatory
• Mikrosystem elektromechaniczny (MEMS)

Zobacz też

Bibliografia

• Olivier Français , Wykrywanie synchroniczne , ENS Cachan,2013( czytaj online )
• (en) Zurich Instruments, Principles of lock-in detection and the state of the art [„Principles of synchronous detection and state of the art”], Zurich Instruments, coll.  "Biały papier",2016( czytaj online ).

Powiązane artykuły

• Heterodyna
• Wykrywanie heterodyny
• Superheterodyna

Link zewnętrzny

• Kurs o wykrywaniu synchronicznym O. Français, ENS Cachan , 2013
• (en) Noty aplikacyjne wykorzystujące synchroniczne wykrywanie z Zurich Instruments.

Uwagi i odniesienia

1. Zurich Instruments 2016 , s.  1.
2. Richard Taillet , Loïc Villain i Pascal Febvre , Dictionary of Physics , Bruksela, De Boeck,2013, s.  184-185.
3. Michel Fleutry , Encyklopedyczny słownik elektroniki: angielsko-francuski , Paryż, Dom słownika,1991, 1054  s. ( ISBN  2-85608-043-X ) , str.  891 „synchroniczne wykrywanie”.