लॉक-इन एम्पलीफायर

एक लॉक-इन एम्पलीफायर एक प्रकार का एम्पलीफायर है जो अत्यधिक शोर वाले वातावरण से एक ज्ञात वाहक तरंग के साथ एक सिग्नलिंग (दूरसंचार) निकाल सकता है। उपकरण के गतिशील रिजर्व के आधार पर, शोर घटकों की तुलना में एक लाख गुना छोटे सिग्नल, आवृत्ति में संभावित रूप से काफी करीब, 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 अक्सर कट-ऑफ आवृत्ति और फ़िल्टर ऑर्डर में समायोज्य होता है।

डिवाइस का उपयोग अक्सर चरण में बदलाव को मापने के लिए किया जाता है, भले ही सिग्नल बड़े हों, उच्च सिग्नल-टू-शोर अनुपात हो और आगे सुधार की आवश्यकता न हो।

कम सिग्नल-टू-शोर अनुपात पर संकेतों को पुनर्प्राप्त करने के लिए प्राप्त सिग्नल के समान आवृत्ति के साथ एक मजबूत, स्वच्छ संदर्भ संकेत की आवश्यकता होती है। कई प्रयोगों में ऐसा नहीं होता है, इसलिए उपकरण सीमित परिस्थितियों में ही शोर में दबे हुए संकेतों को पुनर्प्राप्त कर 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 (PAR) की स्थापना की थी। हालांकि, मार्टिन हार्विट के साथ एक साक्षात्कार में, डिके का दावा है कि भले ही उन्हें अक्सर डिवाइस के आविष्कार का श्रेय दिया जाता है, उनका मानना ​​है कि उन्होंने इसके बारे में ब्रायन मावर कॉलेज एक प्रोफेसर वाल्टर सी। मिशेल्स द्वारा 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 द्वारा 1934 के एक लेख का हवाला देता है, जबकि एक और कालातीत लेख सी ए स्टट द्वारा 1949 में लिखा गया था। जबकि पारंपरिक लॉक-इन एम्पलीफायर डिमॉड्यूलेशन के लिए एनालॉग आवृत्ति मिक्सर और आरसी फिल्टर का उपयोग करते हैं, अत्याधुनिक उपकरणों में तेज अंकीय संकेत प्रक्रिया द्वारा कार्यान्वित दोनों चरण होते हैं, उदाहरण के लिए, एफपीजीए पर। आमतौर पर 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, यानी 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 f का एक साइनसोइडल फ़ंक्शन1आवृत्ति f के एक अन्य ज्यावक्रीय फलन से गुणा किया जाता है2च के बराबर नहीं1और दो कार्यों की अवधि की तुलना में अधिक लंबे समय तक अभिन्न, परिणाम शून्य है। अगर इसके बजाय एफ1f के बराबर है2और दो कार्य चरण में हैं, औसत मूल्य एम्पलीट्यूड के उत्पाद के आधे के बराबर है।

संक्षेप में, एक लॉक-इन एम्पलीफायर इनपुट सिग्नल लेता है, इसे संदर्भ सिग्नल द्वारा उत्पाद डिटेक्टर (या तो आंतरिक इलेक्ट्रॉनिक थरथरानवाला या बाहरी स्रोत से प्रदान किया जाता है, और साइनसॉइडल या स्क्वायर वेव हो सकता है) ), और इसे एक निर्दिष्ट समय में एकीकृत करता है, आमतौर पर कुछ सेकंड के लिए मिलीसेकंड के क्रम में। परिणामी संकेत एक डीसी संकेत है, जहां किसी भी संकेत से योगदान जो संदर्भ संकेत के समान आवृत्ति पर नहीं है, शून्य के करीब क्षीणन है। चतुर्भुज चरण | सिग्नल का आउट-ऑफ-फेज घटक जिसमें संदर्भ सिग्नल के समान आवृत्ति होती है, वह भी क्षीण हो जाता है (क्योंकि साइन फ़ंक्शन समान आवृत्ति के कोसाइन फ़ंक्शन के लिए ऑर्थोगोनल होते हैं), जिससे लॉक-इन चरण-संवेदनशील हो जाता है डिटेक्टर।

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 औसत समय टी काफी बड़ा है (उदाहरण के लिए सिग्नल अवधि से काफी बड़ा) शोर जैसे सभी अवांछित हिस्सों को दबाने के लिए और दो बार संदर्भ आवृत्ति पर भिन्नताएं, आउटपुट है
 * $$U_\text{out} = \frac{1}{2} V_\text{sig} \cos\theta,$$

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

लॉक-इन एम्पलीफायर के कई अनुप्रयोगों को केवल संदर्भ सिग्नल के सापेक्ष चरण के बजाय 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 (आमतौर पर 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 तरह ही गणना करता है, लेकिन 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 परिमाण (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 तरह 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 अलावा, डिजिटल लॉक-इन एम्पलीफायरों में कई डेमोडुलेटर शामिल 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 अलावा, 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 पेश करते हैं।

शोर वातावरण में सिग्नल माप
सिग्नल रिकवरी इस तथ्य का लाभ उठाती है कि इलेक्ट्रॉनिक शोर अक्सर सिग्नल की तुलना में आवृत्तियों की एक विस्तृत श्रृंखला में फैलता है। श्वेत शोर के सबसे सरल मामले में, भले ही शोर का मूल माध्य वर्ग 10 हो3 रिकवर किए जाने वाले सिग्नल से गुना बड़ा, अगर माप उपकरण की बैंडविड्थ को 10 से बहुत अधिक कारक से कम किया जा सकता है6 सिग्नल फ्रीक्वेंसी 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। हालांकि, यह सिग्नल में बदलाव की धीमी प्रतिक्रिया की कीमत पर आता है।

संक्षेप में, भले ही शोर और संकेत समय डोमेन में अप्रभेद्य हों, अगर सिग्नल में एक निश्चित आवृत्ति बैंड है और उस बैंड के भीतर कोई बड़ा शोर शिखर नहीं है, आवृत्ति डोमेन में शोर और सिग्नल को पर्याप्त रूप से अलग किया जा सकता है।

यदि सिग्नल या तो धीरे-धीरे बदल रहा है या अन्यथा स्थिर है (अनिवार्य रूप से एक डीसी सिग्नल), तो फ़्लिकर नॉइज़|1/f नॉइज़ आमतौर पर सिग्नल को अभिभूत कर देता है। सिग्नल को संशोधित करने के लिए बाहरी साधनों का उपयोग करना आवश्यक हो सकता है। उदाहरण के लिए, जब एक उज्ज्वल पृष्ठभूमि के खिलाफ एक छोटे प्रकाश संकेत का पता लगाया जाता है, तो सिग्नल को या तो एक ऑप्टिकल हेलिकॉप्टर, ध्वनिक-ऑप्टिक न्यूनाधिक | ध्वनि-ऑप्टिकल मॉड्यूलेटर, फोटोलेस्टिक न्यूनाधिक द्वारा एक बड़ी पर्याप्त आवृत्ति पर संशोधित किया जा सकता है ताकि 1/f शोर बंद हो जाए महत्वपूर्ण रूप से, और लॉक-इन एम्पलीफायर को न्यूनाधिक की ऑपरेटिंग आवृत्ति के संदर्भ में किया जाता है। एक परमाणु-बल माइक्रोस्कोप के मामले में, नैनोमीटर और piconewton 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 आमतौर पर ऑपरेटिंग फ्रीक्वेंसी के केवल 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 मामले 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 अलावा, पता लगाए गए सिग्नल की प्रतिक्रिया चौड़ाई (प्रभावी बैंडविड्थ) मॉडुलन के आयाम पर निर्भर करती है। आम तौर पर, लाइनविड्थ/मॉड्यूलेशन फ़ंक्शन 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.