लॉक-इन एम्पलीफायर

लॉक-इन एम्पलीफायर एक प्रकार का एम्पलीफायर है जो अत्यधिक शोर वाले वातावरण से ज्ञात वाहक तरंग के साथ सिग्नलिंग (दूरसंचार) निकाल सकता है। उपकरण के गतिशील रिजर्व के आधार पर, शोर घटकों की समानता में एक लाख गुना छोटे सिग्नल, आवृत्ति में संभावित रूप से अधिक निकट, अभी भी विश्वसनीय रूप से पता लगाया जा सकता है। यह अनिवार्य रूप से एक होमोडाइन पहचान है जिसके बाद निम्न-पास फ़िल्टर होता है जो अधिकांशतः कट-ऑफ आवृत्ति और फ़िल्टर ऑर्डर में समायोज्य होता है।

यह उपकरण अधिकांशतः चरण विस्थापन को मापने के लिए प्रयोग किया जाता है, भले ही सिग्नल बड़े हों, साथ ही साथ उनमें ऊंची सिग्नल-बाधा अनुपात हो और उन्हें आगे सुधार की आवश्यकता न हो।

कम सिग्नल-बाधा अनुपात पर सिग्नल पुनर्प्राप्त के लिए, आपको प्राप्त सिग्नल के साथ समान आवृत्ति के एक मजबूत और साफ़ संदर्भ सिग्नल की आवश्यकता होती है। इस तरह के संचारों के कई प्रयोगों में ऐसा नहीं होता है, इसलिए उपकरण केवल सीमित परिस्थितियों में शोर में दबा सिग्नल वसूल सकता है। माना जाता है कि लॉक-इन एम्पलीफायर का आविष्कार प्रिंसटन विश्वविद्यालय के भौतिक विज्ञानी रॉबर्ट एच. डिके ने किया था, जिन्होंने उत्पाद के विपणन के लिए कंपनी प्रिंसटन एप्लाइड रिसर्च (पी.ए.आर.) की स्थापना की थी। चूंकि, मार्टिन हार्विट के साथ एक साक्षात्कार में, डिके का प्रमाणित है कि होने पर भी उन्हें अधिकांशतः उपकरण के आविष्कार का श्रेय दिया जाता है, उनका मानना ​​है कि उन्होंने इसके बारे में ब्रायन मावर कॉलेज एक प्रोफेसर वाल्टर सी। मिशेल्स  के माध्यम से लिखित वैज्ञानिक उपकरणों की समीक्षा में पढ़ा। कॉलेज। यह मिशेल्स और कर्टिस का 1941 का लेख हो सकता था, जो बदले में सी. आर. कोसेन्स के माध्यम से 1934 के एक लेख का हवाला देता है, चूँकि एक और कालातीत लेख सी ए स्टट  के माध्यम से 1949 में लिखा गया था। चूँकि पारंपरिक लॉक-इन एम्पलीफायर डिमॉड्यूलेशन के लिए एनालॉग आवृत्ति मिक्सर और आरसी फिल्टर का उपयोग करते हैं, अत्याधुनिक उपकरणों में तेज अंकीय संकेत प्रक्रिया के माध्यम से कार्यान्वित दोनों चरण होते हैं, उदाहरण के लिए, एफपीजीए पर। सामान्यतः साइन और कोसाइन डिमॉड्यूलेशन एक साथ किया जाता है, जिसे कभी-कभी डुअल-फेज डिमॉड्यूलेशन भी कहा जाता है। यह इन-फेज और चतुर्भुज घटक के निष्कर्षण की अनुमति देता है जिसे तब ध्रुवीय निर्देशांक, अर्थात आयाम और चरण में स्थानांतरित किया जा सकता है, या आगे एक जटिल संख्या के वास्तविक और काल्पनिक भाग के रूप में संसाधित किया जाता है (उदाहरण के लिए जटिल फास्ट फूरियर रूपांतरण विश्लेषण के लिए)।

मूल सिद्धांत
लॉक-इन एम्पलीफायर का संचालन साइनसॉइडल कार्यों के ऑर्थोगोनल कार्यों पर निर्भर करता है। विशेष रूप से, जब आवृत्ति f1 के साइनसोइडल कार्यों को आवृत्ति f2के एक अन्य ज्यावक्रीय कार्यों से गुणा किया जाता है जो f1 के समान नहीं नहीं होता है और दो कार्यों की अवधि की समानता में अधिक लंबे समय तक अभिन्न, परिणाम शून्य होता है। यदि इस के अतिरिक्त f1 f2 के समान है और दो कार्य चरण में हैं,तो औसत मूल्य एम्पलीट्यूड के उत्पाद के आधे के समान है। चतुर्भुज चरण |

संक्षेप में, लॉक-इन एम्पलीफायर इनपुट सिग्नल को ले लेता है, उसे संदर्भ सिग्नल से गुणा करता है (जो आंतरिक इलेक्ट्रॉनिक थरथरानवाला या बाहरी स्रोत से प्रदान किया जाता है, और साइनसॉइडल या स्क्वायर वेव हो सकता है) ), और इसे एक निर्दिष्ट समय पर एकीकृत करता है, कुछ मिलीसेकंड से कुछ सेकंड के आदम में होता है।  परिणामस्वरूप सिग्नल एक डीसी सिग्नल होता है, जिसमें रेफरेंस सिग्नल की तुलना में समान ताक़त के किसी भी सिग्नल का योगदान शून्य के करीब होता है। रेफरेंस सिग्नल की तुलना में वे सिग्नल जिनकी ताक़त इससे भिन्न होती है, का आउट-ऑफ-फेज़ भाग भी कम होता है (क्योंकि साइन फ़ंक्शन समान ताक़त की कॉसाइन फ़ंक्शन से अलग होती हैं), जिससे एक लॉक-इन एक फेज-संवेदी डिटेक्टर हो जाता है।

एक ज्या संदर्भ संकेत और एक इनपुट तरंग के लिए $$U_\text{in}(t)$$, डीसी आउटपुट सिग्नल $$U_\text{out}(t)$$ के रूप में एक एनालॉग लॉक-इन एम्पलीफायर के लिए गणना की जा सकती है
 * $$U_\text{out}(t) = \frac{1}{T} \int_{t-T}^t \sin\left[2\pi f_\text{ref} \cdot s + \varphi\right] U_\text{in}(s) \,ds,$$

जहां φ एक चरण है जिसे लॉक-इन पर सेट किया जा सकता है (डिफ़ॉल्ट रूप से शून्य पर सेट)।

यदि औसतण का समय T पर्याप्त बड़ा होता है (उदाहरण के लिए सिग्नल अवधि से कहीं अधिक ) तो सभी अवांछित भागों जैसे शोर और द्विगुण अवधि परिवर्तन को दबाने के लिए आउटपुट होता है।
 * $$U_\text{out} = \frac{1}{2} V_\text{sig} \cos\theta,$$

जहां $$V_\text{sig}$$ संदर्भ आवृत्ति पर संकेत आयाम है, और $$\theta$$ संकेत और संदर्भ के बीच का चरण अंतर है।

लॉक-इन एम्पलीफायर के कई अनुप्रयोगों को एकमात्र संदर्भ सिग्नल के सापेक्ष चरण के अतिरिक्त सिग्नल आयाम को पुनर्प्राप्त करने की आवश्यकता होती है। एक सरल तथाकथित एकल-चरण लॉक-इन-एम्पलीफायर के लिए पूर्ण संकेत प्राप्त करने के लिए चरण अंतर (सामान्यतः मैन्युअल रूप से) को शून्य पर समायोजित किया जाता है।

अधिक उन्नत, तथाकथित दो-चरण लॉक-इन-एम्पलीफायर में एक दूसरा डिटेक्टर होता है, जो पहले की प्रकार ही गणना करता है, किन्तु एक अतिरिक्त 90 ° चरण बदलाव के साथ। इस प्रकार one के दो आउटपुट हैं: $$X = V_\text{sig} \cos\theta$$ इन-फेज घटक कहा जाता है, और $$Y = V_\text{sig} \sin\theta$$ चतुर्भुज घटक। ये दो मात्राएँ लॉक-इन रेफरेंस ऑसिलेटर के सापेक्ष एक वेक्टर के रूप में सिग्नल का प्रतिनिधित्व करती हैं। सिग्नल वेक्टर के आयाम (आर) की गणना करके, चरण निर्भरता हटा दी जाती है:
 * $$R = \sqrt{X^2 + Y^2} = V_\text{sig}.$$

चरण से गणना की जा सकती है
 * $$ \theta = \arctan\left(\frac{Y}{X}\right). $$

डिजिटल लॉक-इन एम्पलीफायर्स
आज के अधिकांश लॉक-इन एम्पलीफायर उच्च-प्रदर्शन डिजिटल सिग्नल प्रोसेसिंग (डीएसपी) पर आधारित हैं। पिछले 20 वर्षों में, डिजिटल लॉक-इन एम्पलीफायरों ने संपूर्ण आवृत्ति रेंज में एनालॉग मॉडल की जगह ले ली है, जिससे उपयोगकर्ता 600 मेगाहर्ट्ज की आवृत्ति तक माप कर सकते हैं। पहले डिजिटल लॉक-इन एम्पलीफायरों की प्रारंभिक समस्याएं, उदा। इनपुट कनेक्टर्स पर डिजिटल क्लॉक शोर की उपस्थिति को बेहतर इलेक्ट्रॉनिक घटकों और बेहतर उपकरण डिजाइन के उपयोग से पूरी प्रकार से समाप्त किया जा सकता है। आज के डिजिटल लॉक-इन एम्पलीफायर्स सभी प्रासंगिक प्रदर्शन मानकों, जैसे आवृत्ति रेंज, इनपुट शोर, स्थिरता और गतिशील रिजर्व में एनालॉग मॉडल से बेहतर प्रदर्शन करते हैं। बेहतर प्रदर्शन के अतिरिक्त, डिजिटल लॉक-इन एम्पलीफायरों में कई डेमोडुलेटर सम्मलित हो सकते हैं, जो विभिन्न फ़िल्टर सेटिंग्स के साथ या एक साथ कई अलग-अलग आवृत्तियों पर सिग्नल का विश्लेषण करने की अनुमति देता है। इसके अतिरिक्त, प्रायोगिक डेटा का विश्लेषण अतिरिक्त उपकरणों जैसे आस्टसीलस्कप, एफएफटी स्पेक्ट्रम एनालाइजर, बॉक्सकार औसत या आंतरिक पीआईडी ​​​​नियंत्रकों का उपयोग करके प्रतिक्रिया प्रदान करने के लिए किया जा सकता है। डिजिटल लॉक-इन एम्पलीफायरों के कुछ मॉडल कंप्यूटर नियंत्रित होते हैं और एक ग्राफिकल यूज़र इंटरफ़ेस (एक प्लेटफॉर्म-स्वतंत्र ब्राउज़र यूजर इंटरफेस हो सकता है) और अप्लिकेशन प्रोग्रामिंग अंतरफलक का विकल्प प्रस्तुत करते हैं।

शोर वातावरण में सिग्नल माप
सिग्नल रिकवरी उस तथ्य का लाभ उठाती है कि इलेक्ट्रॉनिक शोर अधिकांशतः सिग्नल की समानता में आवृत्तियों की एक विस्तृत श्रृंखला में फैलता है। श्वेत शोर के सबसे सरल स्थितियों में, होने पर भी शोर का मूल माध्य वर्ग 103 हो रिकवर किए जाने वाले सिग्नल से गुना बड़ा, यदि माप उपकरण की बैंडविड्थ को 106 से बहुत अधिक कारक से कम किया जा सकता है  सिग्नल आवृत्ति के आसपास, तो उपकरण शोर के प्रति अपेक्षाकृत असंवेदनशील हो सकता है। एक सामान्य 100 मेगाहर्ट्ज बैंडविड्थ (उदाहरण के लिए एक ऑसिलोस्कोप) में, 100 हर्ट्ज से बहुत कम चौड़ाई वाला एक बैंडपास फिल्टर इसे पूरा करेगा। लॉक-इन एम्पलीफायर का औसत समय बैंडविड्थ निर्धारित करता है और जरूरत पड़ने पर 1 हर्ट्ज से कम, बहुत संकीर्ण फिल्टर की अनुमति देता है। चूंकि, यह सिग्नल में बदलाव की धीमी प्रतिक्रिया की कीमत पर आता है।

सारांश में, यदि शोर और संकेत दोनों समय डोमेन में अलग नहीं किए जा सकते हैं, तब भी अगर संकेत में एक निश्चित आवृत्ति बैंड होती है और उस बैंड में कोई बड़ी शोर नहीं होती है, तो शोर और संकेत को आवृत्ति डोमेन में पर्याप्त रूप से अलग किया जा सकता है।

यदि सिग्नल धीमा हो या अन्यथा स्थिरहोता हो (अर्थात अमूर्त सिग्नल), तो सामान्यतः 1/f शोर  सिग्नल को अभिभूत कर देता है। फिर इस स्थिति में, सिग्नल को संशोधित करने के लिए बाहरी साधनों का उपयोग करना आवश्यक हो सकता है। उदाहरण के लिए, एक उज्ज्वल पृष्ठभूमि के खिलाफ एक छोटा सा प्रकाश संकेत का पता लगाया जाता है, तो सिग्नल को उच्च आवृत्ति पर संशोधित किया जा सकता है, जैसे एक चोपर व्हील, ध्वनिक-ऑप्टिक न्यूनाधिक, फोटोलेस्टिक न्यूनाधिक जिसकी ताक़त काफ़ी ज्यादा हो ताकि 1/f शोर  कम हो जाए और लॉक-इन एम्पलीफायर को न्यूनाधिक की ऑपरेटिंग आवृत्ति के संदर्भ में किया जाता है। एक परमाणु-बल माइक्रोस्कोप के स्थितियों में, नैनोमीटर और पिकोन्यूटन रिज़ॉल्यूशन प्राप्त करने के लिए, ब्रैकट स्थिति को उच्च आवृत्ति पर संशोधित किया जाता है, जिसमें लॉक-इन एम्पलीफायर को फिर से संदर्भित किया जाता है।

जब लॉक-इन तकनीक लागू की जाती है, तो सिग्नल को कैलिब्रेट करने के लिए सावधानी बरतनी चाहिए, क्योंकि लॉक-इन एम्पलीफायर सामान्यतः ऑपरेटिंग आवृत्ति के एकमात्र रूट-मीन-स्क्वायर सिग्नल का पता लगाते हैं। साइनसोइडल मॉड्यूलेशन के लिए, यह एक कारक का परिचय देगा $$\sqrt{2}$$ लॉक-इन एम्पलीफायर आउटपुट और सिग्नल के शिखर आयाम के बीच, और गैर-साइनसॉइडल मॉडुलन के लिए एक अलग कारक।

अरेखीय प्रणालियों के स्थितियों में, मॉडुलन आवृत्ति के उच्च हार्मोनिक्स प्रकट होते हैं। एक साधारण उदाहरण एक पारंपरिक प्रकाश बल्ब का प्रकाश है जो दो बार लाइन आवृत्ति पर संशोधित होता है। कुछ लॉक-इन एम्पलीफायर भी इन उच्च हार्मोनिक्स के अलग माप की अनुमति देते हैं।

इसके अतिरिक्त, पता लगाए गए सिग्नल की प्रतिक्रिया चौड़ाई (प्रभावी बैंडविड्थ) मॉडुलन के आयाम पर निर्भर करती है। सामान्यतः, लाइनविड्थ/मॉड्यूलेशन कार्यों में एक नीरस रूप से बढ़ता हुआ, गैर-रैखिक व्यवहार होता है।

बाहरी संबंध

 * About LIAs from Stanford Research Systems. Application note detailing how lock-in amplifiers work.
 * Lock-in amplifier tutorial from Bentham Instruments. Comprehensive tutorial about the why and how of lock-in amplifiers.
 * Lock-in Technical Notes Range of Technical and Applications notes describing the design of digital and analog lock-ins, and guide to their specifications from SIGNAL RECOVERY.
 * PCSC-Lock-in Tool for data acquisition on acoustic chopping frequency using a computer sound card.