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Die
Erfindung betrifft eine Kleinstsignalverstärkereinrichtung, geeignet zum
Verstärken
von Signalen mit einer Amplitude zwischen wenigen Picovolt bis ca.
100 Nanovolt.
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In
vielen Bereichen ist es erforderlich, Kleinstsignale im Bereich
weniger Pico- bis Nanovolt erfassen zu können, um sie auszuwerten oder
anderweitig verarbeiten zu können.
Zu nennen ist beispielsweise die Erfassung bioelektrischer Signale, mit
denen im homöopathischen
Bereich gearbeitet wird. Bei diesen bioelektrischen Signalen handelt
es sich um von einer modifizierten Flüssigkeit abgegebene elektrische
Signale, die das Wohlbefinden des Patienten beeinflussen. Eine solche
Flüssigkeit
besteht aus einer Trägerflüssigkeit,
beispielsweise Wasser, in der eine Ursubstanz durch mehrfache Verdünnung gelöst ist.
Diese gelöste
Substanz ändert
das Schwingungsverhalten der Wasserdipole, wobei sich dieses in
Abhängigkeit
der Art der Substanz sowie ihrem gelösten Anteil, also ihrer Konzentration ändert. Die
in ihrem Schwingungsverhalten substanzabhängig beeinflussten Wasserdipole
erzeugen die zu messenden elektrischen Kleinstsignale. Ein Kleinstsignalmessgerät, das im
Stande ist, diese Signale zu messen, ist nicht bekannt. Mit herkömmlichen
Geräten
ist eine Erfassung von Signalen dieser Größenordnung nicht möglich, nachdem
die Rauschanteile der verwendeten Schaltelemente/Bauteile den Verstärker völlig übersteuern
würden bzw.
das eigentliche Nutzsignal vom Rauschanteil überlagert und nicht herausfilterbar
ist. Zwar ist es möglich,
die relevanten Bauteile, insbesondere im Bereich des Vorverstärkers auf
wenige Grad Kelvin zu kühlen,
um den Rauschbeitrag zu minimieren, dies ist jedoch nicht praktikabel.
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Der
Erfindung liegt deshalb das Problem zugrunde, eine Einrichtung anzugeben,
die die hinreichend aufgelöste
Erfassung auch solcher Kleinstsignale ermöglicht.
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Zur
Lösung
dieses Problems ist eine Kleinstsignalverstärkereinrichtung mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 vorgesehen.
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Die
erfindungsgemäße Verstärkereinrichtung
erfasst zunächst
in einem ersten Kanal das Nutzsignal, bestehend aus dem eigentlich
interessierenden Kleinstsignal und einem überlagerten Stör- oder
Rauschsignal unter Verwendung eines ersten Signalaufnehmers. Das
heißt,
mit dem Signalaufnehmer wird die eigentlich zu untersuchende Probe
im Falle der Erfassung bioelektrischer Signale untersucht. In einem
parallelen zweiten Kanal wird eine Referenzprobe, beispielsweise
reines Wasser, wenn Wasser die Trägerflüssigkeit der untersuchten Probe ist,
vermessen. Die kanalspezifischen Signale werden anschließend über jeweils
einen Modulator zur 2-Seitenband-Modulation mit unterdrücktem Träger moduliert,
wodurch das Nutzsignal weg von den tiefen Frequenzen zu höheren Frequenzen
im Bereich des Trägersignals
verschoben wird. Auf diese Weise wird verhindert, dass in der nachfolgenden
Verstärkerstufe,
die kanalseitig ein ein- oder mehrstufiges Verstärken vorsieht, mit einer vergleichsweise
hohen Verstärkung
das 1/f-Rauschen,
das thermische Rauschen und die Netzstörungen eingehen und eine sinnvolle
Verstärkung
unmöglich
machen würden. Nach
ein- oder mehrstufiger Verstärkung
der modulierten kanalspezifischen Signale werden diese einem Differenzverstärker zum
Bilden der Differenz aus dem verstärkten Nutzsignal und dem verstärkten Störsignal
gegeben. Zur Demodulation wird entweder ein kanaleigener Demodulator
verwendet, der in diesem Fall dem Differenzverstärker vorgeschaltet wäre, das
heißt,
der Differenzverstärker
bildet die Differenz der demodulierten verstärkten Nutz- und Störsignale.
Alternativ besteht die Möglichkeit,
einen gemeinsamen Demodulator vorzusehen, der dann dem Differenzverstärker nachgeschaltet
wäre.
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In
einem separaten Lock-In-Kanal, dem das demodulierte Differenzsignal
gegeben wird, umfassend einen über
ein von einer Steuerungseinrichtung gegebenes externes Steuersignal
phasengesteuerten Lock-In-Verstärker
mit nachgeschaltetem Filter, wird das bereits vorverstärkte, jedoch
weitgehend rauschfreie Signal weiter verstärkt und gegebenenfalls gefiltert,
um das endgültige
rauschfreie Kleinstsignal am Ausgang bereitzustellen.
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Die
Verstärkereinrichtung
ist also in einen Vorverstärker
und einen Hauptverstärker
mit den Lock-In-Verstärker
unterteilt. Die 2-Seitenwand-Modulation mit unter drücktem Träger unmittelbar
nach der Signalaufnahme bietet die Möglichkeit, die aufgenommenen
Kleinstsignale überhaupt
vernünftig
verstärken
zu können,
was in den nachgeschalteten Verstärkerstufen erfolgt.
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Mit
der erfindungsgemäßen Verstärkereinrichtung
ist es möglich,
beispielsweise im Bereich der Bioelektrik verdünnte Proben zu messen und mit
einem Standard zu vergleichen, um die Substanz, die die Trägerflüssigkeit
verändert
hat, zu ihrer Verdünnung
zu bestimmen, was über
die Erfassung des Frequenzspektrums erfolgt, das eine Quantifizierung
sowie eine Qualifizierung zulässt.
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Die
kanaleigenen Verstärkermittel
können
je nach Ausführung
der jeweiligen Kanäle
bis zur Zusammenführung
am Differenzverstärker
einen oder mehrere, vorzugsweise zwei separate Verstärker umfassen.
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Weiterhin
kann im ersten und im zweiten Kanal wenigstens ein dem Modulator
nachgeschalteter Bandpassfilter zur Reduzierung der Seitenbänder nachgeschaltet
sein, wenn in den Kanälen
vor ihrer Zusammenführung
am Differenzverstärker
die Signale separat bearbeitet werden. Alternativ ist es denkbar,
die kanalspezifischen verstärkten
Signale unmittelbar nach ihrer Erstverstärkung auf den Differenzverstärker zu
geben, mithin also die beiden Kanäle zusammenzuführen, und
dem Differenzverstärker
den Bandpassfilter zur Reduzierung der Seitenbänder nachzuschalten. Der Bandpassfilter
selbst ist zweckmäßigerweise
mittels eines Tiefpass- und eines Hochpassfilters gebildet und entweder
in den jeweiligen Kanälen
zwischen zwei dort vorgesehene kanaleigene Verstärker (bei einer zweistufigen
kanalspezifischen Verstärkung)
geschaltet, oder zwischen zwei im gemeinsamen Kanal nach dem Differenzverstärker vorgesehene
weitere Verstärker
geschaltet. In jedem Fall kann zwischen dem Tiefpass- und dem Hochpassfilter
ein weiterer Verstärker
geschaltet sein, um eine weitere Verstärkerstufe zu realisieren.
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Die
Verstärkungsfaktoren
der separaten Verstärker
sind zweckmäßigerweise
unterschiedlich, wobei ein vorgeschalteter Verstärker jeweils einen größeren Verstärkungsfaktor
aufweisen sollte als ein nachgeschalteter Verstärker. Der erste, dem Modulator
nachgeschaltete Verstärker
sollte einen Verstärkungsfaktor
von wenigstens 400, insbesondere von wenigstens 500, der zwischen
den Tiefpass- und
den Hochpassfilter geschaltete Verstärker sollte einen Verstärkungsfaktor
von wenigstens 10, insbesondere von wenigstens 15 und der dem Bandpassfilter
nachgeschaltete Verstärker
sollte schließlich
einen Verstärkungsfaktor
von wenigstens 6, insbesondere von wenigstens 8 aufweisen.
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Der
Lock-In-Kanal kann in Weiterbildung der Erfindung ebenfalls wenigstens
einen Tiefpassfilter, der dem Lock-In-Verstärker vorgeschaltet ist, aufweisen.
Eine Vorverstärkerstufe
vor dem Lock-In-Verstärker
kann mittels eines weiteren Verstärkers realisiert sein. Zweckmäßigerweise
ist in diesem Fall ein erster und ein zweiter Tiefpassfilter vorgesehen,
zwischen den der Verstärker
geschaltet ist. Auch hier ist es zweckmäßig, wenn die einzelnen Verstärker unterschiedliche
Verstärkungsfaktoren
haben, wobei ein vorgeschalteter Verstärker jeweils einen höheren Verstärkungsfaktor
als ein nachgeschalteter besitzt. Der erste Verstärker im
Lock-In-Kanal, dem
das vom Demodulator kommende Signal gegeben wird, sollte eine Verstärkung von
wenigstens 400, insbesondere von wenigstens 500 und der dem Lock-In-Verstärker vorgeschaltete
Verstärker
einen Verstärkungsfaktor von
wenigstens 20, insbesondere von wenigstens 30 aufweisen. Über einen
weiteren, dem Lock-In-Verstärker
nachgeschalteten Tiefpassfilter und wenigstens einen weiteren als
Puffer dienenden Verstärker kann
die Signalverstärkung
im Lock-In-Kanal
weiter optimiert werden.
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Besonders
zweckmäßig ist
es, wenn ein dem Lock-In-Kanal nebengeordneter Verarbeitungskanal vorgesehen
ist, dem ebenfalls das demodulierte Differenzsignal gegeben wird,
umfassend einen über eine
Steuerungseinrichtung durchstimmbaren Bandpassfilter zur frequenzbandbegrenzten
Filterung des Differenzsignals, wobei das gefilterte Signal an eine Signalverarbeitungseinrichtung
gebbar ist, die das Signal auswertet und das Steuersignal erzeugt, über das
der Lock-In-Verstärker im
Lock-In-Kanal steuerbar ist. Dieser Verarbeitungskanal nimmt eine
Vorverarbeitung des demodulierten Differenzsignals vor, um das Differenzsignal
vorzufiltern und den oder die relevanten Frequenzbänder zu
ermitteln, die dann gezielt im Lock-In-Kanal über den Lock-In-Verstärker ausgewertet
werden. Es wird also eine Vorverarbeitungsstufe vorgesehen, die
eigentliche Hauptverarbeitung und Signalanalyse erfolgt nachgeschaltet
im Lock-In-Kanal in Abhängigkeit
der Vorverarbeitungsergebnisse.
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Auch
in diesem Kanal findet zur Vorverarbeitung und Erstauswertung eine
Verstärkung
statt, wozu dem Bandpassfilter wenigstens ein Verstärker vor-
und/oder nachgeschaltet ist. Zweckmäßigerweise werden zwei Verstärker eingesetzt,
wobei der eine einen Verstärkungsfaktor
von wenigstens 400, insbesondere von wenigstens 500 und der andere
einen Verstärkungsfaktor
von wenigstens 25, insbesondere von wenigstens 30 aufweist. Über einen
dem Bandpassfilter vor- und/oder
nachgeschalteten Tiefpassfilter wird zweckmäßigerweise eine weitere Rauschunterdrückung realisiert.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der
Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Kleinstsignalverstärkereinrichtung einer
ersten Ausführungsform,
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2 ein
detailliertes Blockschaltbild des Vorverstärkerteils der Verstärkereinrichtung
aus 1,
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3 ein
Blockschaltbild des nebengeordneten Verarbeitungskanals der Verstärkereinrichtung aus 1,
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4 ein
Blockschaltbild des Lock-In-Kanals der Verstärkereinrichtung aus 1,
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5 ein
Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform des Vorverstärkerteils
einer erfindungsgemäßen Verstärkereinrichtung,
und
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6 eine
weitere Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Verstärkereinrichtung einer weiteren
Ausführungsform.
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1 zeigt
in Form einer Prinzipskizze eine erfindungsgemäße Kleinstsignalverstärkereinrichtung 1,
die aus dem Vorverstärkerteil
I, dem Verarbeitungskanal II zur schnellen Vorverarbeitung des erfassten
Signals sowie dem Lock-In-Kanal III besteht. Die Signalauswertung
und Steuerung erfolgt über eine
Signalverarbeitungseinrichtung 2, bevorzugt in Form eines
PCs mit einer entsprechenden Auflösung hinsichtlich der gegebenen
verstärkten
mV-Signale, er muss in der Lage sein, die noch kleinen, verstärkten mV-Signale
mit hinreichend hoher Bitrate abzuspeichern bzw. darzustellen.
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Der
Vorverstärkerkanal
besteht aus einem ersten Kanal 3 und einem zweiten Kanal 4,
denen jeweils ein Signalaufnehmer 5, 6 beispielsweise
in Form einer Spule zugeordnet ist. Über den Kanal 3 wird
eine Probe P vermessen, wobei der Signalaufnehmer 5 von
dieser Probe das Nutzsignal bestehend aus dem Kleinstsignal, das
eigentlich interessiert, und einem überlagerten Störsignal
aufnimmt. Im zweiten Kanal 4 wird eine Referenzprobe R
vermessen, die lediglich Störsignale
liefert, wobei die Referenz insoweit mit der eigentlichen Probe
kompatibel bzw. vergleichbar ist, als beide im Wesentlichen denselben
Störsignalanteil
zeigen. Bei der Probe handelt es sich beispielsweise um eine homöopathische
Lösung
mit einer in einer Trägerflüssigkeit,
beispielsweise Wasser gelösten
Substanz, während
die Referenz reines Wasser ist. Bei der gezeigten Ausführungsform
werden die in den jeweiligen Kanälen 3, 4 gefilterten
und vorverstärkten
Signale anschließend
einem Differenzsignalverstärker 7 gegeben, das
heißt,
die beiden Kanäle
werden zusammengeführt.
Das im Differenzverstärkerkanal 7 verstärkte Signal
wird anschließend
einem Demodulator 8 gegeben, wo das in den beiden Kanälen 3, 4 modulierte Signal
demoduliert wird. Anschließend
wird das demodulierte, vorverstärkte
Signal sowohl dem Verarbeitungskanal II als auch dem Lock-In-Kanal
III gegeben. Im Verarbeitungskanal II erfolgt eine grobe Vorverarbeitung
(Pre-Scan), um aus dem gesamten aufgenommen Frequenzspektrum die
relevanten Frequenzen, in denen das eigentlich interessierende Kleinstsignal
enthalten ist, herauszufiltern. Dies erfolgt über die Signalverarbeitungseinrichtung 2.
Ist der relevante Frequenzbereich bekannt, wird ein entsprechender
Lock-In-Verstärker
im Lock-In-Kanal
III angesteuert, um das ihm gegebene demodulierte Signal lediglich
in die sem Frequenzbereich zu untersuchen. Das dort ermittelte Ausgangssignal,
das das eigentlich interessierende Kleinstsignal darstellt, wird anschließend wieder
an die Signalverarbeitungsreinrichtung 2 gegeben.
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2 zeigt
in Form eines Blockschaltbilds in detaillierterer Darstellung den
Vorverstärkerteil
I. Gezeigt sind die beiden Kanäle 3, 4,
die identisch aufgebaut sind, weshalb im Folgenden lediglich der
Kanal 3 beschrieben wird. Dem Signalaufnehmer 5 ist
ein 2-Seitenband-Modulator 9 nachgeschaltet, dem das über den
Messaufnehmer 5 erfasste Nutzsignal unmittelbar gegeben
wird. Der Modulator 9 besteht je nach Auslegung des Messaufnehmers 5 aus
zwei oder vier Analogschaltern, die sich dadurch auszeichnen, das
sie einen eigenen Widerstand im Bereich von 1 – 5 Ohm aufweisen und die Ladungsinjektion
weniger als 15 pC beträgt.
Je geringer der Widerstand ist, umso geringer ist das im Modulator
aufgeschaltete Rauschen durch den Widerstand der Schalter und je
kleiner die Ladungsinjektion ist, umso geringer sind die Störungen,
die während
der Schaltflanken entstehen. Der Modulator 9 wird über einen Taktgeber 10 mit
einer Frequenz von bevorzugt 150 kHz getaktet. Das Prinzip der Modulation
besteht darin, dass das eigentliche Nutzsignal auf einen Träger, hier
mit einer Taktfrequenz von 150 kHz, aufgeprägt wird, das heißt die Polarität des Sensor-Signals
wird umgeschaltet. Dieses Verfahren bezeichnet man als 2-Seitenband-Modulation
mit unterdrücktem
Träger. Durch
die Modulation wird das Nutzsignal weg von den tiefen Frequenzen
zu einer höheren
Frequenz, nämlich
der des Trägers
verschoben, und zwar in einem Frequenzbereich zwischen f0 – fn bis
f0 + fn (f0 = Trägerfrequenz,
fn = Nutzsignalfrequenz). Auf diese Weise wird verhindert, dass
in der folgenden Stufe mit einer vergleichsweise hohen Verstärkung das 1/f-Rauschen,
das thermische Rauschen (<10
Hz) und die Netzstörungen
der Spannungsversorgung (50 Hz, 100 Hz sowie harmonische Schwingungen) eingehen
und eine sinnvolle Verstärkung
unmöglich machen.
Je höher
die Trägerfrequenz
ist, umso geringer sind die niederfrequenten Störeinflüsse und umso höher ist
die verarbeitbare Nutzsignalfrequenz. Gleichzeitig erhöhen sich
aber die modulationsbedingten Störungen
und Frequenzen im Radio-Bereich können Einfluss nehmen. Bei einer
Frequenz von ca. 150 kHz kann eine beiden Einflüssen gerechtwerdende Modulation
erfolgen.
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Dem
Modulator 9 nachgeschaltet ist ein rauscharmer Verstärker 11,
der zur Unterdrückung von
Schaltspitzen bandbegrenzt ist. Der Verstärker muss rauscharm sein, da
ansonsten unter Berücksichtigung
des maximal zulässigen
Eingangssignals des nachfolgend vorgesehenen Demodulators 8 sonst
nur eine relativ geringe Verstärkung
möglich wäre, die
durch das verstärkte
Rauschen begrenzt wird. Das Rauschen des Verstärkers 11 sollte <1 nV/√Hz sein. Um das Eigenrauschen
des Verstärkers zur
reduzieren, wird sein Durchlassbereich auf ca. 250 kHz (bei einem
Takt von 150 kHz) beschränkt, wodurch
zusätzlich
die hochfrequenten Schaltstörungen
des Modulators aufgrund der Ladungsinjektion reduziert werden.
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Im
Verstärker 11 nachgeschalteten
Hochpassfilter 12 wird das 1/f-Rauschen sowie niederfrequente
Störungen,
die gegebenenfalls im rauscharmen Verstärker eingekoppelt werden, gefiltert
und signifikant reduziert, wobei die Verstärkung hierdurch nicht eingeschränkt wird.
Die Grenzfrequenz des Hochpassfilters 12 liegt knapp unter
dem unteren Seitenband.
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In
einem dem Hochpassfilter 12 nachgeschalteten Verstärker 13,
einem einstellbaren VCA (VCA = Voltage Controlled Amplifier), erfolgt
eine zweite Verstärkung
mit einem gegenüber
dem Verstärkungsfaktor
des ersten Verstärkers 11 (Verstärkungsfaktor
V = 500) niedrigerem Verstärkungsfaktor (V
= 15 – 20).
Das hier verstärkte
Signal wird anschließend
auf einen Tiefpass 14 gegeben, dessen Grenzfrequenz knapp über dem
maximalen oberen Seitenband liegt. Durch diesen Tiefpassfilter 14 erfolgt
eine Reduktion aller bis zu diesen Zeitpunkt parasitär eingestreuter
hochfrequenter Störungen,
einschließlich
des Rauschens. Der Tiefpass 14 bildet zusammen mit dem
Hochpass 12 einen Bandpass mit einer Breite B = 150 ± 50 kHz.
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Dem
Tiefpassfilter 14 ist ein weiterer Verstärker 15,
ebenfalls ein VCA nachgeschaltet, der das bislang verstärkte und
bandbegrenzte Signal nochmals, jedoch geringfügig verstärkt, sein Verstärkungsfaktor
liegt bevorzugt bei V = 8, wobei natürlich insgesamt die Verstärkungsfaktoren
in Abhängigkeit des
Eingangswider stands des Messaufnehmers gewählt werden.
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Der
zweite Verstärker 15 bildet
den Abschluss des ersten Kanals 3 (und entsprechend den des
zweiten Kanals 4). Die beiden Ausgänge der beiden Verstärker 15 der
jeweiligen Kanäle
werden anschließend
auf den Differenzverstärker 7 gegeben, der
also die beiden Signale, nämlich
das Nutzsignal des Kanals 3 sowie das Störsignal
des Kanals 4 erhält.
Die Differenzbildung an dieser Stelle ist möglich, da während der Modulation lediglich
phasengleich digital die Polarität
umgeschaltet wird und die Laufzeit in beiden Kanälen gleich ist. Die Differenzbildung
zur Erzeugung des Differenzsignals vor dem Demodulator 8 hat
den Vorteil, dass die durch die Ladungsinjektion hervorgerufene
Störspitzen,
die ja phasengleich auftreten und in etwa dieselbe Amplitude haben, gleichfalls
deutlich abgeschwächt
werden, was den letztendlich zur Verfügung stehenden Verstärkungsbereich
abermals erhöht.
Es besteht hier die Möglichkeit,
zur optimalen Störunterdrückung das
demodulierte Signal am Ausgang des Demodulators 8 zu messen
und die Verstärkung
in den Kanälen
so einzustellen, dass hier ein Minimum entsteht.
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Wie
beschrieben wird das Differenzsignal dem Demodulator 8 gegeben.
Dort wird das Trägersignal
wieder hinzugefügt
(der Modulator 9 arbeitet wie beschrieben mit unterdrücktem Träger), und
auf diese Weise das Signal demoduliert. Der Demodulator selbst besteht
beispielsweise ebenfalls nur aus zwei Analogschaltern. Sein Übersprechen
sollte besser als –100
dB sein.
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Im
Demodulator 8 muss das Trägersignal mit minimaler Phasenabweichung
bezogen auf das Trägersignal
bei der Modulation wieder hinzugefügt werden. Da das Signal, das
am Eingang des Demodulators ansteht, immer noch sehr klein ist (es
wurde bis dato 3-stufig verstärkt),
ist eine saubere Phasenrückgewinnung
aus dem Signal an dieser Stelle nur unter Verwendung eines Phasenschiebers 16 möglich, mit dessen
Hilfe die Laufzeit in den vorangegangenen Verstärkungsstufen kompensiert wird.
Der Phasenschieber 16, dem natürlich das Taktsignal des Taktgebers 10 gegeben
wird, wird manuell eingestellt, es ist aber auch eine automatische
Justage möglich.
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Das
demodulierte Signal, das einem dem Demodulator nachgeschalteten
vierpoligen Tiefpassfilter 17 gegeben wird, wird anschließend aufgeteilt und
den beiden Kanälen
II und III gegeben. 3 zeigt als Blockschaltbild
den Verarbeitungs- oder Pre-Scan-Kanal II, der der schnellen Signalvorverarbeitung
dient. Je nach endgültiger
Auflösung
des Lock-In-Analysators im Lock-In-Kanal kann im Kanal II die Verarbeitung
bis zu 100-fach schneller erfolgen.
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Im
Kanal II ist zunächst
ein rauscharmer bandbegrenzter weiterer Verstärker 18 vorgesehen, mit
einem Verstärkungsfaktor
von ca. 500. Diesem folgt ein Bandpassfilter 19 mit schmaler
Bandbreite, der nahezu stufenlos im Bereich von 10 Hz – 50 kHz durchstimmbar
ist und hohe Güte
aufweist (Bandbreite << 50 Hz, bis auf
1 Hz reduzierbar). Dort wird das Signal und damit das Rauschen stark
frequenzbandbegrenzt, wodurch sich die Rauschspannung signifikant
reduziert.
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Das
Ausgangssignal des Bandpassfilters 19 wird einem Anpassungsverstärker 20,
ebenfalls ein VCA, gegeben und anschließend an einen weiteren Tiefpassfilter 21 zur
Rauschunterdrückung
des Rauschens aus dem Anpassungsverstärker 20 und dem Bandpass 19 gegeben,
von wo aus es der Signalverarbeitungseinrichtung 2 und
dort einem Analog-Digital-Umsetzer gegeben wird. Da dort eine Wechselspannung
gemessen wird, kann anstatt eines Analog-Digital-Umsetzers auch
eine Studio-Sound-Karte verwendet werden. Der Verstärkungsfaktor
des Anpassverstärkers 20 beträgt je nach
Messaufnehmerwiderstand wenigstens 25, insbesondere wenigstens 30.
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Die
Signalverarbeitungseinrichtung 2 stimmt den kalibrierten
Bandpassfilter 19 über
eine Steuerspannung mittels eines Digital-Analog-Umsetzers oder
eine programmierbare Spannungsquelle durch und digitalisiert das
Nutzsignal des Bandpassfilters 19. Durch ein softwareseitiges
Post-Processing (z. B. Fourieranalyse) werden relativ schnell interessante Frequenzbereiche
gefunden, die anschließend
im Lock-In-Kanal näher
analysiert werden sollen.
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Der
Verarbeitungskanal II hat also die Aufgabe, eine grobe Vorverarbeitung
durchzuführen,
die gegebenenfalls bereits ausreichend sein kann, und insbeson dere,
die Frequenzbereiche einzugrenzen, die über den langsamer arbeitenden
Lock-In-Kanal näher
untersucht werden müssen.
Es ist aber denkbar, bei dem erfindungsgemäßen Kleinstsignalverstärker den
Kanal II nicht vorzusehen, sondern lediglich mit dem Lock-In-Kanal
III zu arbeiten. Der Lock-In-Kanal III ist im Detail in 4 gezeigt.
Auch hier wird zunächst
wie im Kanal II über
einen rauscharmen, bandbegrenzten Verstärker 22 das Signal verstärkt (Verstärkungsfaktor
ca. 500) und anschließend
auf einen Tiefpassfilter 23 gegeben, wo es bandbegrenzt
wird. Eine weitere Verstärkerstufe
ist über
den Verstärker 24 (Verstärkungsfaktor
wenigstens 25, insbesondere wenigstens 30) realisiert, dem ein weiterer
Tiefpassfilter 25 zur Bandbegrenzung nachgeschalten ist.
Dem Tiefpassfilter 25 wiederum ist ein Lock-In-Verstärker 26,
der als Synchron-Gleichrichter arbeitet, nachgeschaltet, an dessen
Eingang das verstärkte
Signal anliegt. An einem zweiten Eingang liegt ein Sinus- oder Rechtecksignal an,
das von der Signalverarbeitungseinrichtung 2 entweder mittels
eines Digital-Analog-Umsetzers oder über ein von der Signalverarbeitungseinrichtung 2 gegebenenfalls
ferngesteuertes Signal-Generator-Modul generiert wird. Die Frequenz
des dort anliegenden Signals wird von 1 Hz oder weniger bis ca.
45 kHz verändert,
seine Phasenlage kann von 0° – 360° eingestellt
werden.
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Nach
dem Lock-In-Verstärker 26 liegt,
je nach Phasenlage des steuernden Sinus- oder Rechtecksignals, eine pulsierende
positive (0°)
oder negative (180°)
Gleichspannung mit einem Maximalwert oder eine Wechselspannung mit
einem Minimalwert, der kleiner als der absolute Maximalwert ist,
vor.
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Dem
Lock-In-Verstärker 26 ist
ein weiterer Tiefpassfilter 27 nachgeschaltet, an dessen
Ausgang eine geglättete
Gleichspannung abgegriffen wird, die proportional zum Nutzsignal
bei der aktuellen Frequenz und der Phasenlage des Sinus- oder Rechtecksignals
ist. Die Wechselspannungsanteile werden über den Tiefpassfilter 27 ausgefiltert.
Die hier erzeugte Gleichspannung wird nun erdfrei (differentiell) an
einen Analog-Digital-Umsetzer in der Signalverarbeitungseinrichtung 2 gegeben.
Diese erfasst die Gleichspannung mit einer Auflösung von 12 – 24 bit (je
nach Anwendung) und ermittelt die Verschiebung der Phase von 0° – 360° (da die
Gleichspannung sich in ihrer Polarität unterscheiden lässt, kann
alternativ eine Phasenverschiebung auch zwischen 0° – 180° ermittelt
werden) und das Spannungsmaximum. Nachdem die Signalverarbeitungseinrichtung
die eingestellte Frequenz und Phase kennt, ordnet sie dieses erfasste
Spannungsmaximum der entsprechenden Frequenz und Phasenlage des
das Sinus- oder Rechtecksignal erzeugenden Generatorteils zu.
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Durch
die erfindungsgemäße Konfiguration aus
dem Lock-In-Verstärker 26 und
dem nachgeschalteten Tiefpass 27 wird ein Bandpassfilter
erzeugt, dessen Güte
bzw. Bandbreite von der Zeitkonstante des Tiefpasses abhängig ist.
Je länger
die Zeitkonstante ist, desto schmäler wird die Bandbreite des „virtuellen" Bandpasses und desto
geringer werden die Einflüsse
der Rauschspannungen (Störungen
in den Verstärkern),
und desto höher
ist die zu erzielende Auflösung
des Nutzsignals. Dem Tiefpass 27 folgt schließlich ein
Pufferverstärker 28.
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Die
von der Signalverarbeitungseinrichtung 2 erfassten und
gespeicherten Informationen entsprechen gleichzeitig der Fourieranlayse über den Frequenzbereich
des Sinus- oder Rechtecksignalgenerators.
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5 zeigt
eine alternative Ausführungsform
des Vorverstärkerteils
I.
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Auch
dort sind zwei Kanäle 29, 30 vorgesehen,
die jeweils einen Messaufnehmer 31, 32 umfassen,
die zur Nutzsignal- und Störsignalaufnahme
dienen. Die Kanäle
sind ebenfalls identisch ausgeführt, sie
besitzen jedoch lediglich einen Modulator 33, der über einen
Taktgenerator 34 mit dem Trägersignal von 150 kHz belegt
wird. Dem Modulator 33 nachgeschaltet ist jeweils ein rauscharmer
Verstärker 35,
der zur Unterdrückung
von Schaltspitzen bandbegrenzt ist, und der dem Verstärker 11 aus 2 entspricht.
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Anders
als bei der Ausführungsform
nach 2 ist bereits an dieser Stelle der Differenzverstärker 36 vorgesehen,
dem die beiden lediglich einmal vorverstärkten Signale gegeben werden,
und der das Differenzsignal aus dem Nutz- oder Kompositsignal des
Kanals 29 (bestehend aus dem eigentlichen Kleinstsignal
und dem Störsignal)
und dem Störsignal
des Kanals 30 bildet.
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Dem
Differenzverstärker 36 ist
ein Tiefpass 37 nachgeschaltet, dessen Ausgangssignal über einen
Verstärker 38 verstärkt wird.
Diesem ist ein Hochpass 39 zur Entfernung des Gleichspannungsanteils
nachgeschaltet. In einer weiteren Verstärkungsstufe, gebildet durch
den Verstärker 40,
wird das Signal zum dritten Mal verstärkt, wonach es in einem Hochpassfilter 41 zur
Entfernung des 1/f- und des niederfrequenten Rauschens gefiltert
wird. Die Tief- und Hochpassfilter 37, 39 und 41 bilden
einen Bandpass mit einer Breite B = 150 ± 50 kHz, ähnlich dem bezüglich 2 beschriebenen
Bandpass.
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In
dem über
den Phasenschieber 42 gesteuerten Demodulator 43 erfolgt
die Demodulation des mehrfach verstärkten Signals, wonach es in
einem Tiefpass 44 gefiltert und den beiden weiteren Kanälen II und
III gegeben wird, die z. B. wie in den 3 und 4 gezeigt
aufgebaut sein können.
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An
dieser Stelle ist darauf hinzuweisen, dass die Verstärkungsfaktoren
der bei der Ausführungsform
gemäß 5 verwendeten
Verstärker
denen gemäß Ausführungsform 4 entsprechen.
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6 zeigt
schließlich
in Form einer allgemeinen Prinzipskizze eine weitere Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Kleinstsignalverstärkers 45.
Auch hier sind zwei Kanäle 46, 47 realisiert,
jedoch ist hier jedem Kanal ein eigener Demodulator 48, 49 zugeordnet,
wo das jeweilige Signal demoduliert wird, wonach es erst dem Differenzverstärker 50 gegeben
werden. Von dort wird das Signal den jeweiligen weiteren Verarbeitungskanälen gegeben.