Khuếch đại lock-in

[thaithutrang]

Trong các kỹ thuât khuếch đại tín hiệu nhỏ, em nghe nói người ta điều chế tín hiệu đó dưới dạng xoay chiều rồi khuếch đại lên(để tránh hiện tượng trôi áp), sau đó tách lấy hình bao. Đó gọi là kỹ thuật khuếch đại lock-in, vậy rất mong các anh, nói rõ hơn và có mạch cụ thể thì hay quá..hihi..

[thaithutrang]

Sao không thấy ai post bài nhỉ? chắc vấn đề này phức tạp quá?
Em mới học thêm được một ý:
En = EquivalentInput Noise (với thứ nguyên nV/sqrt(Hz)) cũngđóng một vai trò quan trọng. Độ ồn nội của OPAMP sẽ tỷ lệ nghịch với tần số. Tần số tăng thì độ ồn nội giảm(theo datasheet), bởi vậy, biện pháp điều chế tần số để giảm nhiễu trong mạch khuếch đại cũng là điểm ưu việt trong mạch khuếch đại lock-in

[opendoor2507]

Vấn đề lock-in theo mình nghĩ, nó rộng hơn là một vấn đề điện tử rất nhiều. Tuy nhiên 3T đã đề cập đến thì mình cũng hưởng ứng, vả lại lock - in là một kỹ thuật được ứng dụng rất nhiều đặc biệt trong đo lường và phát hiện các tín hiệu yếu (mình có ý nói chung trên thế giới - còn ở Việt Nam thì chắc phải trong chờ vào các bạn, hi vọng trong 10 năm tới câu này sẽ đúng ở nước ta).
Nên cho vào box mạch điện ứng dụng cũng "có vẻ" hợp lý

[opendoor2507]

Về khuyếch đại lock - in

Các bộ khuyếch đại lock-in được dùng để phát hiện và đo các tín hiệu AC rất bé có thể bé tới vài nanovolts. Các phép đo chính các có thể thực hiện ngay cả khi tín hiệu bé bị chìm nghỉm trong nguồn nhiễu lớn gấp hàng nghìn lần. Bộ khuyếch đại lock in sử dụng một kỹ thuật gọi là "kỹ thuật dò nhạy pha" được dùng để chọn ra một tín hiệu có pha và tần số xác định (reference). Các nhiễu tại tần số khác tần số reference bị loại và không ảnh hưởng đến phép đo.

[opendoor2507]

Tại sao lại dùng Lock-In?

Chúng ta xét một ví dụ. Cho một tín hiệu sóng sine 10nV tần số 10kHz. Rõ ràng là sự khuyếch đại cần phải cho ra tín hiệu lớn hơn ồn. Một bộ khuếch đại tốt (low-noise) sẽ có mật độ ồn lối vào khoảng 5nV/sqrt(Hz). Nếu băng thông của bộ khuyếch đại là 100kHz và hệ số khuyếch đại là 1000 lần, chúng ta thu được ở lối ra 10uV của tín hiệu (10nV x 1000) và 1,6mV của nhiễu dải rộng (5nV/sqrt(Hz) x sqrt(100kHz) x 1000). Như vậy chúng ta không có nhiều cơ hội để đo tín hiệu này nếu chúng ta không chọn ra tần số chúng ta mong muốn.

Nếu ta lắp thêm một bộ lọc dải thông vào bộ khuyếch đại với Q=100 (một bộ lọc cực kỳ tốt) tâm thông là 10kHz, bất kỳ tín hiệu nào trong vùng 100Hz (10kHz/Q) xung quanh tâm cũng sẽ được phát hiện. Nhiễu trong trường hợp này sẽ là 50uV (5nV/sqrt(Hz) x sqrt(100Hz) x 1000), và tín hiệu sẽ vẫn là 10uV. Nhiễu ở lối ra vẫn lớn hơn nhiều lần tín hiệu, và không thể tạo ra được một phép đo chính xác. Như vậy tăng hệ số khuếch đại không thể nào giúp tăng tỉ số tín hiệu trên ồn (S/N).

Bây giờ ta thử dùng bộ khuyếch đại với kỹ thuật dò nhạy pha (PSD - phase sensitive detector) xem. PSD có thể phát hiện tín hiệu 10kHz với độ rộng dải là 0.01Hz! Trong trường hợp này, nhiễu sẽ là 0.5uV (5nV/sqrt(Hz) x sqrt(0.01Hz) x 1000), trong khi tín hiệu vẫn đạt 10uV. Tỉ số tín hiệu trên nhiễu (S/N) lúc này là 20 lần, và như vậy phép đo chính xác tín hiệu này là khả thi.

[opendoor2507]

Thế nào là một bộ dò nhạy pha (PSD)?

Phép đo Lock-in cần có một tần số reference. Thông thường, thí nghiệm được kích thích tại một tần số xác định, và lock-in phát hiện sự tương ứng tại tần số này. Trong giản đồ dưới (hình 1), tín hiệu reference là một xung vuông tại tần số wr. Nó có thể được đồng bộ từ một máy phát chức năng. Nếu sóng sine từ máy phát chức năng được sử dụng để kích thích thí nghiệm, dạng sóng của tín hiệu tương ứng được chỉ ra phía dưới. Biểu thức tín hiệu là Vsigsin(ωrt + θsig), trong đó Vsig là biên độ tín hiệu, wr là tần số ref, và θsig là pha của tín hiệu.

Bộ khuyếch đại lock-in phát ra một sóng sin reference nội tại của chính nó nhờ một vòng khóa pha (phase-locked-loop) khóa vào tín hiệu reference của tín hiệu. Trên giản đồ, ref ngoại, ref của lock-in cùng với tín hiệu đều được chỉ ra. Biểu thức của ref nội là VLsin(ωLt + θref).
Sau đó bộ khuyếch đại lock-in sẽ nhân tín hiệu với ref nội của nó sử dụng bộ nhân (trong lock-in thường gọi nó là bộ PSD). Lối ra của PSD chính là tích của hai sóng sin (xem công thức nhân ở hình 2).
Nhìn vào biểu thức (hình 2) ta thấy lối ra của PSD bao gồm 2 thành phần AC, một ở tần số hiệu (wr-wL), còn cái kia ở tần số tổng (wr+wL). Nếu cho qua một bộ lọc thông thấp, các thành phần AC này sẽ bị trệt tiêu. Vậy còn lại gì đây? ... Nhìn chung là không còn gì cả. Tuy nhiên, nếu cho wr = wL (vì dùng vòng bám pha - PLL), thành phần có tần số hiệu sẽ trở thành DC (AC tần số bằng 0). Trong trường hợp này, lối ra của bộ lọc sẽ còn là Vpsd = 1/2 Vsig.VL.cos(theta_sig - theta_ref)
Đây đúng là một thành phần quá tuyệt vời, vì nó là một tín hiệu DC tỉ lệ với biên độ tín hiệu đi vào (Vsig). Thuật toán này cho ta một ý tưởng về việc biến một tín hiệu AC thành DC có giá trị bằng biên độ của AC ban đầu nhân với N lần, còn thằng cha nhiễu thì bị vĩnh biệt. Thế cho nên lock-in còn có một cái tên khác (ít phổ biến hơn) là bộ chỉnh lưu nhạy pha.
Trên đây, ta đã đề cập về nguyên lý căn bản của Lock-In. Nếu xét về bản chất vật lý của quá trình nhân và lọc thì ta có thể chia lock-in thành hai loại khác nhau. Trong các bộ Lock-in analog truyền thống, tín hiệu và reference được nhân bằng các mạch nhân analog (dùng mấy cái khuyếch đại thuật toán của các bác đó). Sau đó được lọc bằng các mạch lọc RC. Trong lock-in digital, như các con SR830 hay SR850, tín hiệu được số hóa (ADC) còn reference nội được lock -in phát hẳn một hàm sin trong chip DSP. Tất nhiên các chuỗi số này được nhân với nhau một cách lý tưởng trong DSP. Tóm lại, việc nhân và lọc được thực hiện một cách toán học bằng một chip xử lý tín hiệu số (DSP).

----------------------------------------------------------------------
Chúng ta sẽ thảo luận chi tiết vấn đề này sau, nhưng tại hạ vẫn xin được nhắc lại rằng đây là một kỹ thuật tinh tế và chính xác, muốn làm nó phải hiểu một cách bản chất, chứ không như mấy cái mạch làm đèn led nhấp nháy (kiểu bảng thông tin điện tử), hay là mấy cái mạch làm motor (đồ chơi) quay đâu!

[CHIBANG]

Ặc ặc, gặp cao nhân về Lock-in rồi.
Ý các hạ chia là 2 loại: cổ điển analog và dsp lock-in? kỹ thuật analog lock-in xuất hiện khá lâu rồi, nó là tinh túy của kỹ thuật analog, còn dsp lock-in là một kỹ thuật khác dựa nhiều vào mạch lọc số và các phép dsp, nhất là các phép tính nhân chập. dsp lock-in là một kỹ thuật có lẽ còn là rất lâu mới phổ biến ở VN?(10 năm như ý các hạ ám chỉ?, hihi.. ko đến nỗi như vậy đấy chứ?).
Nói đến vấn đề dsp lock-in hãy còn quá sớm trong diễn đàn này, bởi còn quá ít người tham gia. Nên chăng luồng này chỉ nói về kỹ thuật analog lock-in là chủ yếu. Kỹ thuật analog lock-in tại hạ hiểu mù mờ lắm. Rất mong đại hiệp open chỉ giáo đôi điều.
Còn một ý nhỏ: theo tại hạ thì kỹ thuật lock-in ko chỉ về vấn đề khuếch đại tín hiệu nhỏ: cả DC chứ ko riêng gì AC. Bởi nó có phép nhân analog của tín hiệu với 1 tần số chuẩn nào đó, sau đó khuếch đại và khôi phục lại tín hiệu nhưng ở một biên độ cao hơn. Hơn nữa,việc nhân tín hiệu nhỏ với một tần số chuẩn ko phải là việc dễ dàng

[opendoor2507]

Cám ơn CHIBANG vì đã quan tâm đến bài viết của mình!

Bạn đã phân biệt được khác nhau căn bản giữa DSP Lock-in và Analog Lock-in.
Tuy nhiên, một phần là do lock-in gần như là một mảng riêng, mình không thể nói rõ trong một vài bài vết được. Nên cũng gây một số nhầm lẫn cho bạn.
Phép nhân mình nói chỉ là phép nhân bình thường (kiểu hai nhân hai bằng bốn), chứ không phải nhân chập. Việc tiến hành nó không khó khăn gì trong cả hai trường hợp (nhân dùng DSP lẫn dùng mạch nhân bằng Opamp).
Còn về vấn đề tín hiệu lối vào là AC hay DC, thường thì chúng ta dùng lock-in để khuyếch đại một tín hiệu DC biên độ nhỏ chìm trong nhiễu (nếu cho vào Oscilloscope chúng ta chỉ thấy một màn hình trắng xóa - white noise). Và do nguyên tắc của lock-in như mình đã nói ở trên. Nên ta phải làm thế nào để điều biến tín hiệu cần đo theo một tín hiệu chuẩn gọi là reference. Thông thường việc điều biến thực hiện ngay trước lúc tín hiệu cần đo được chuyển thành điện, ví dụ để đo tín hiệu quang yếu chẳng hạn, ta phải dùng một chopper để cắt nó theo tần số chuẩn - tuy nhiên nếu tín hiệu cần đo là điện rồi ta vẫn có cách điều biến nó.

Còn việc nhân chắc ai học về opamp rồi đều biết mạch nhân dùng opamp (vì nó là khuyếch đại thuật toán tức là một thiết bị được chế ra để thực hiện các thuật toán).
nếu nhân DSP mọi việc cũng rất dễ dàng (chỉ là lệnh nhân số).

Nói là dễ về nguyên tắc thôi, chứ thực tế chính mình cũng vẫn phải tìm hiểu nhiều.

(không thấy ai quan tâm vấn đề này lắm, ....?!)

[CHIBANG]

Gửi đại nhân Open:
Hổng phải vậy, mà là vì nhiều lý thuyết cái này có vẻ loằng ngoằng, có người đọc nhưng ít ai tham gia, he he.. đôi khi cũng tủi, có nhiều cao thủ chỉ xem qua... rồi bỏ đi mất. Sao các vị ko góp tý sức vì cộng đồng nhỉ? .
Việc nhân chập ý mình nói là các phép xử lý số dsp lock-in, bạn sẽ bắt gặp nhiều phép nhân chập,ví dụ tạo một mạch lọc số chẳng hạn, còn phép nhân analog trong bài toán này thì chỉ kiểu nhân tuyến tính: 2*3=6.
Phép nhân analog thì hiện nay người ta hay dùng các IC chuyên dụng (có ai biết loại rẻ rẻ ko, con này đắt lắm đó nghe?), chứ ít ai dũng cảm sử dụng các mạch "OPAM+transistor" như trong sách. Bởi để đạt được một phép nhân = Opam +trans tuyến tính và căn chỉnh cũng khá mệt mỏi, đó là chưa kể đến ảnh hưởng nhiệt đến kiểu thiết kế rời rạc này. Một cách nữa là tải datasheet các con IC chuyên dụng đó, rồi ngồi lắp theo SCHEMATIC DIAGRAM của nó.

Tò mò tý: Cái lý thuyết về nhiễu nội và giải pháp tạo mạch lọc Q tốt để ở trên em vẫn có chút nghi ngờ:
- Vì nhiễu nội là do bản chất nội tại của OPAM.
- Mạch lọc là thứ mắc ở ngoài dựa vào sự phản hồi và các tính chất của OPAMP. Vậy liệu dùng mạch lọc có thể giải quyết được nhiễu nội(bản chất linh kiện) ko?
Vậy đại ca có thể cho đàn em chiêm ngưỡng link được ko? đại ca đã từng khảo sát thực tế nó chưa?
Có gì ko phải bỏ quá cho đàn em nhé, vì một lý thuyết đưa ra cần có một sự khẳng định, bởi bà con ai có đọc bài này, ứng dụng mà thấy ko phải vậy, thì vô tình có lỗi với họ, he he... còn nếu ta đúng, thì cũng lấy làm vui lắm lắm.

Mời các cao nhân hiểu biết về vấn đề này nán lại vài phút, lên tiếng cho chủ đề này... tại hạ lấy làm đa tạ, đa tạ....

[thanhtung86]

co dai ca nao biet ve mach khuech dai tin hieu dc nho ko.cho minh xin voi cam on nhieu

[cô nhóc]

Ủa, có cái chủ đề hấp dẫn như thế này, mà Nhóc không biết?

Nhóc chỉ biết một số cơ bản về khuếch đại Dc tín hiệu nhỏ thôi. Thông thường, vào cái thời linh kiện có độ nhạy cao và độ ổn định cao còn hiếm, các tín hiệu DC nhỏ được khuếch đại bằng biện pháp này. (thời của Papa nhóc cơ, Nhóc đọc ké những tài liệu cũ rích).

Thời đó, người ta gọi các mạch này là mạch Chopper amplifier. Tín hiệu DC hoặc AC tần số thấp được cắt nhỏ ra thành tín hiệu chữ nhật tần số cao hơn nhiều lần, có đường bao là chính nó. Tín hiệu này sẽ được khuếch đại AC lên thành trị số cao hơn nhiều, và sau đó giải điều chế thành tín hiệu DC hoặc AC tần số thấp như cũ. Mạch giải điều chế thường dùng bộ khuếch đại nhạy pha như anh Open nói.

Với kỹ thuật này, các mạch khuếch đại dùng các linh kiện rất xưa, có độ ổn định DC rất kém, như các đèn điện tử chân không vẫn có thể khuếch đại các tín hiệu cỡ < 1 mV, với độ chính xác cỡ một phần trăm một cách dễ dàng.

Các mạch Opamp thời sử dụng đèn điện tử trong các máy tính Analog thường sử dụng kỹ thuật này.

Còn các kỹ thuật và linh kiện sau này như anh Open và anh ChiBang nói, có lẽ sẽ tăng độ nhạy lên nhiều lần, nên khuếch đại cỡ Nano Volt.

[tuanavr]

Ủa bác opendoor có nới tới hai hình 1,2 nhưng chẳng thấy đâu cả. Đọc khó hiểu phần sau quá