Lock-in-Verstärker

Der Lock-In-Verstärker (engl. Lock-In-Amplifier) dient zur Verstärkung eines schwachen elektrischen Mess-Signals, das mit einer Referenzfrequenz $f_{ref}$ moduliert wird. Der Vorteil liegt darin, dass durch die Lock-In-Technik Gleichspannungen, Wechselspannungen anderer Frequenz oder Rauschen effizient weggefiltert werden können. Die Geräte verbessern dadurch das SNR (Signal to Noise Ratio) Signal zu Rausch Verhältnis.

Als Ausgangssignal stellt der Lock-in-Verstärker im Idealfall eine Gleichspannung zur Verfügung. Sie ist proportional zu:

• Eingangsspannung.
• Cos der Phasenverschiebung $\Delta \phi$ zwischen Eingangsignal und Referenzsignal.

Es gibt Single Phase Lock-In und Dual Phase Lock-In Verstärker. Die Dual-Phase Verstärker bestimmen das Ausgangssignal für zwei verschiedene Phasenverschiebungen, die sich meist um 90° unterscheiden. Befinden sich das Referenz-Signal und das Mess-Signal in Phase (${\Delta }{\phi }=0$), so wird das vom Lock-In-Verstärker erzeugte Ausgangssignal maximal. Beträgt die Phasenverschiebung 90°, so ist das Ausgangssignal Null.

Das Ausgangssignal $U_{\mathrm {out} }(t)$ ergibt sich wie folgt: $U_{\mathrm {out} }(t)=\int _{t-T}^{t}dt\;{\sin \left[2\pi f_{\mathrm {ref} }(t+\phi )\right]U_{\mathrm {in} }(t)}$

Siehe auch: Verstärker (Technik)

Komponenten eines Lock-In Verstärkers

Ein Lock-In Verstärker benötigt die folgenden Funktionselemente.

• Signaleingang für das modulierte Mess-Signal.
• Signaleingang für das sinusförmige Referenzsignal.
• Eingangsverstärker für den Signaleingang, eventuell mit Eingangsfilter.
• Phasenverschieber für die Anpassung zwischen Referenzsignal und Mess-Signal.
• Multiplizierer, der das Eingangssignal mit dem Referenzsignal multipliziert.
• Tiefpass, um eine zeitliche Mittelung über mehrere Signalperioden durchzuführen.
• Optional: Einen eingebauten Oszillator, zur Modulation des Mess-Signals.

Die besten Signal-Empfindlichkeiten lassen sich mit Hilfe digitaler Lock-In Verstärker auf Basis Digitaler Signalprozessoren (DSP) erzielen. Hierbei werden zunächst das Eingangssignal und das Referenz-Sinussignal digitalisiert (ADC), die Phasenverschiebung durchgeführt und anschließend numerisch multipliziert. Dann wird über die gewünschte Periodendauer integriert und das Ergebnis wird gegebenenfalls wieder in ein Analogsignal umgewandelt (DAC). Lock-Ins auf Basis von DSP ermöglichen ausserdem eine genaue Bestimmung der Phasenlage zwischen Eingangssignal und Referenzsignal.

Webseiten von Herstellern

• Analoge Lock-in-Verstärker

  http://www.scitec.uk.com/lockin_amplifier - Scitec Instruments Ltd (United Kingdom)

  http://www.becker-hickl.de/amplifiers.htm - Becker & Hickl GmbH (Deutschland)

• Digitale Lock-in-Verstärker

  http://www.srsys.com/products/sci.htm - Stanford Research Systems, Inc. (California)

  http://www.signalrecovery.com/lockinde.htm - SIGNAL RECOVERY, AMETEK Advanced Measurement Technology (United Kingdom)

  http://www.femto.de - FEMTO Messtechnik GmbH, Berlin (Deutschland)