Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ermittlung der Signalparameter eines periodischen Messsignals, das nach dem Durchlauf einer Messstrecke evtl. sehr schwach und/oder von starken Störungen oder Rauschen überlagert ist, wobei insbesondere die Phasenlage dieses Messsignals, in der sich u.a. die Laufzeit des Messsignals repräsentieren kann, von Interesse ist; in diesem Zusammenhang betrifft die Erfindung Lock-In-Verstärker in einer Lock-In-Verstärker-Anordnung für mindestens eine Messstrecke.The invention relates to an arrangement for determining the signal parameters of a periodic measurement signal which, after passing through a measurement section, may be very weak and / or superimposed by strong interference or noise, in particular the phase position of this measurement signal, in which i.a. can represent the transit time of the measurement signal is of interest; In this context, the invention relates to lock-in amplifiers in a lock-in amplifier arrangement for at least one measuring section.
Derartige Messanordnungen, insbesondere Lock-In-Verstärker sind im Stand der Technik bekannt. Es können allerdings unterschiedliche technische Konstrukte unter dem gleichen Begriff gefunden werden. Mit Lock-In-Verstärkern bzw. mit der damit verbundenen Signalverarbeitung stehen Techniken im Zusammenhang, die z.B. im Kontext mit „Synchrondemodulation“ und „Überlagerungsempfänger“ beschrieben werden (in Form der Homodynempfänger, abzugrenzen von Heterodynempfängern, die allerdings i.a. nicht als solche dargestellt sind). Abzugrenzen ist die Erfindung von sogenannten Boxcar-Averagern.Such measuring arrangements, in particular lock-in amplifiers, are known in the prior art. However, different technical constructs can be found under the same term. With lock-in amplifiers or with the signal processing associated therewith, techniques are associated that e.g. can be described in the context of “synchronous demodulation” and “superimposition receiver” (in the form of homodyne receivers, to be distinguished from heterodyne receivers, which are generally not shown as such). The invention is to be distinguished from so-called box car averagers.
Die zu beschreibenden Details der Erfindung grenzen dies voneinander ab.The details of the invention to be described delimit these from one another.
Bei geeigneter Interpretation theoretisch zwar vergleichbar, aber nicht identisch, werden die Techniken im Zusammenhang mit Lock-In-Verstärkern manchmal begrifflich frei genutzt. Der Begriff „Verstärker“ ist in diesem Zusammenhang oft nicht unzweifelhaft gebraucht, da mit der Anordnung oft primär gar nichts verstärkt wird, weil nur eine Parameterdetektion das eigentlich Ziel ist. Der Begriff hat sich als Terminus technicus für das zugrundeliegende Prinzip aber etabliert und soll auch hier verwendet werden. Ausführlichere Beschreibungen sind der jeweiligen Spezialliteratur zu entnehmen (z.B. Lock-In-Thermographie, Lock-In-Bildgebung, usw.). Abgrenzungen sind auch ähnliche Begriffe, die aber bzgl. der hier im Focus stehenden Themen andere Bedeutungen haben; auch diese sind der Literatur zu entnehmen; z.B. der Lock-In-Effekt, oder Lock-In im volks- oder betriebswirtschaftlichen Umfeld.If interpreted appropriately, theoretically comparable but not identical, the techniques in connection with lock-in amplifiers are sometimes used freely in terms of terms. The term “amplifier” is often not used indubitably in this context, since the arrangement often does not primarily amplify anything, because only parameter detection is the actual goal. The term has established itself as the terminus technicus for the underlying principle and should also be used here. More detailed descriptions can be found in the respective special literature (e.g. lock-in thermography, lock-in imaging, etc.). Boundaries are also similar terms, but they have different meanings with regard to the topics in focus here; these can also be found in the literature; e.g. the lock-in effect, or lock-in in the economic or business environment.
zeigt zum Stand der Technik (SdT) die grundsätzlich zu lösende technische Aufgabe: Ein Generator (1) erzeugt ein Signal (3), das über eine Messstrecke oder ein unbekanntes System (150) läuft und am Ende dieser Strecke verändert vorliegt (11). Bezogen auf das generierte bzw. am Anfang der Strecke bekannte Signal (3) (2) soll aus dem am Ende der Strecke (150) messtechnisch zugänglichen Signal (11) (6) auf Eigenschaften der Strecke (150) (z.B. auf Leitungslängen, auf einen Widerstand, eine Kapazität oder Induktivität in dieser Strecke, usw.) geschlossen werden. shows the basic technical problem to be solved for the state of the art (SdT): A generator ( 1 ) generates a signal ( 3 ), which is transmitted via a measuring section or an unknown system ( 150 ) is running and at the end of this route is changed ( 11 ). In relation to the signal generated or known at the beginning of the route ( 3 ) ( 2 ) should be taken from the end of the line ( 150 ) metrologically accessible signal ( 11 ) ( 6th ) on properties of the route ( 150 ) (e.g. cable lengths, resistance, capacitance or inductance in this route, etc.).
Unter „Generator“ (1) ist nicht unbedingt ein einzelnes Bauteil (z.B. ein Taktgenerator in IC-Form) zu verstehen; „Generator“ kann durchaus ein komplexeres Gebilde oder eine Schaltung darstellen.Under "Generator" ( 1 ) a single component (e.g. a clock generator in IC form) is not necessarily to be understood; "Generator" can represent a more complex structure or a circuit.
Unter „Strecke“ soll im Folgenden eine Messstrecke, insbesondere aber auch die Distanz auf Signalwegen zwischen zwei Messpunkten verstanden werden, wenn nichts anderes explizit angegeben ist. Dass mit einer Strecke aber nur räumlich definierte Distanzen gemeint sind, wird explizit verneint; auch die Laufzeiten eines Signals durch einen 2- oder 4-Pol (150) sind in diese Betrachtungen als Strecke einzuschließen. In (gleiche Details werden hier und im Folgenden jeweils mit gleichen Bezeichnern versehen) besteht die Strecke theoretisch nur aus dem Weg vom Sendeelement (5) zum Objekt (O) und zurück zum Empfangselement (10); von den Signalabgriffspunkten für eine Laufzeitbestimmung abhängig, schließt aber die Realisation (zwangsläufig) die Laufzeiteigenschaften vom mindestens dem Sendeelement und dem Empfangselement ein.In the following, “route” should be understood to mean a measurement route, but in particular also the distance on signal paths between two measurement points, unless explicitly stated otherwise. The fact that a route only means spatially defined distances is explicitly denied; also the transit times of a signal through a 2- or 4-pole ( 150 ) are to be included in these considerations as a route. In (The same details are given the same identifiers here and in the following) the route theoretically consists only of the path from the transmitter element ( 5 ) to the object ( O ) and back to the receiving element ( 10 ); depends on the signal tapping points for a transit time determination, but the realization (inevitably) includes the transit time properties of at least the transmitting element and the receiving element.
Bei Signalen am Eingang der Strecke (3), die harmonischen Funktionen entsprechen, ist das Signal am Ende der Strecke (11) i.a. auch eine harmonische Funktion; zumindest bei linearen Systemen (150). Ausgang und Eingang könnten dann einfach aufeinander bezogen (und z.B. die Länge der Strecke bestimmt) werden, wenn nicht durch die auf der Strecke gegebenen Störungen und/oder durch Nichtlinearitäten das Signal (11) verändert worden ist. Bei starken Störeinflüssen (12) ist es oft nicht einfach, das Nutzsignal im Signal am Ende der Strecke (11) überhaupt noch aufzufinden, geschweige denn, eine Beziehung zwischen Eingang und Ausgang zu bestimmen.For signals at the input of the line ( 3 ), which correspond to harmonic functions, the signal at the end of the line is ( 11 ) ia also a harmonic function; at least for linear systems ( 150 ). Output and input could then simply be related to each other (and e.g. the length of the route determined), if the signal ( 11 ) has been changed. In the event of strong interference ( 12th ) it is often not easy to find the useful signal in the signal at the end of the line ( 11 ) to be found at all, let alone to determine a relationship between input and output.
In z.B. diesem Umfeld soll die Phasenlage eines im Signal (11) noch enthaltenen Anteils (6) bestimmt werden, auch wenn es praktisch in den auf der Strecke mitgenommenen Störungen schon verschwunden ist. Im Allgemeinen ist also die in mit „?“ gekennzeichnete Phasenlagenänderung zwischen dem auf die Strecke (150) gegebenen Mess-Signal (2) und dem im aufgenommenen Signal (11) dann noch enthaltenen Signalanteil (6) (im Folgenden: „Nutzsignal“) zu bestimmen.In this environment, for example, the phase position of one in the signal ( 11 ) still contained part ( 6th ), even if it has practically disappeared in the disturbances brought along on the route. So in general the in Phase change marked with "?" between the on the route ( 150 ) given measurement signal ( 2 ) and the recorded signal ( 11 ) then still contained signal component ( 6th ) (hereinafter: "useful signal").
Bei evtl. stark gestörten Signalen (11) werden spezielle Methoden, wie z.B. Lock-In-Verstärker eingesetzt.In the event of strongly disturbed signals ( 11 ) special methods such as lock-in amplifiers are used.
In Abb.lb und auch in den folgenden Abbildungen wird für das Sendeelement (ein Signal aussendendes Element) i.a. das Symbol eines lichtaussendenden Elements genutzt (z.B. Laser, LED, Lampe, usw.), evtl. auch ein schallabstrahlendes Element, und für ein Empfangselement (ein Signal empfangendes Element) ein Block (10) oder z.B. das Symbol eines schallempfangenden Elements (Mikrophon, usw.), evtl. auch eine Photodiode, verwendet. Die mit einem solchen Symbol verbundene Implikation, dass damit auch der entsprechende Signalträger (Licht, Schall, elektromagnetische Felder, usw.) verbunden ist, wird ausdrücklich aufgehoben; aber natürlich sind jeweils geeignete Sendeelemente (Antenne, Spule, LED, Schallgeber, usw.) mit entsprechend geeigneten Empfangselementen (Antenne, Spule, Fotodiode, Mikrophon, usw.) für einen gegebenen Signalträgertyp (Licht, Schall, ...) zu nutzen. Dem Fachmann wird das nachzuvollziehen sein; er wird i.a. nicht das Licht einer LED mit einem Mikrophon empfangen wollen. Mit anderen Worten: die Erfindung ist nicht auf eine bestimmte Art von Signalträgern oder Signaltypen eingeschränkt zu sehen.In Fig. 1b and also in the following figures, the symbol of a light-emitting element is generally used for the transmission element (a signal-emitting element) (e.g. laser, LED, Lamp, etc.), possibly also a sound-emitting element, and for a receiving element (a signal receiving element) a block ( 10 ) or e.g. the symbol of a sound-receiving element (microphone, etc.), possibly also a photodiode, is used. The implication associated with such a symbol that the corresponding signal carrier (light, sound, electromagnetic fields, etc.) is also connected with it is expressly canceled; but of course suitable transmitter elements (antenna, coil, LED, sounder, etc.) with correspondingly suitable receiving elements (antenna, coil, photodiode, microphone, etc.) for a given type of signal carrier (light, sound, ...) are to be used. The skilled person will understand this; he will generally not want to receive the light of an LED with a microphone. In other words: the invention is not to be seen restricted to a specific type of signal carriers or signal types.
Bei den hier im Fokus der Betrachtungen stehenden Lock-ln-Verstärkern wird ein (in einem starken Rauschen verborgenes oder sehr schwaches) periodisches Signal mit einer genau bekannten Frequenz (gewissermaßen als a priori Information) über einen längeren Zeitraum derart integriert, dass ein immer gleicher Ausschnitt aus einer Periode des Nutzsignals anfällt und aufsummiert wird. Dies ist auch von sogenannten Boxcar-Avaragern bekannt, unterscheidet sich aber z.B. von dem Ansatz eines Homodynverfahrens, bei dem eine Transformation des zu analysierenden Signals in den Bereich bei f=0 erfolgt.In the case of the lock-in amplifiers, which are the focus of the considerations here, a periodic signal (hidden in a strong noise or very weak) with a precisely known frequency (as a priori information as it were) is integrated over a longer period of time in such a way that an always the same Excerpt from a period of the useful signal is obtained and added up. This is also known from so-called boxcar avagars, but differs e.g. from the approach of a homodyne method in which the signal to be analyzed is transformed into the range at f = 0.
Ein Unterschied der hier im Fokus der Betrachtungen stehenden Lock-In-Verstärker-Technik zum Homodynverfahren ist u.a. auch deshalb gegeben, weil die Homodynverfahren komplexe Repräsentanten einer orthogonalen Funktionenklasse nutzen (sin-/cos-Funktionen) und das Messsignal damit multiplizieren, nicht aber komplementäre Anteile einer Signalperiode (Anteile, die zusammen eine Periode der jeweiligen Frequenz ergeben) aus dem Messsignal herausschneiden und diese integrieren. Der in der Literatur zu findende Ansatz, einen aus dem Messsignal herausgeschnittenen Anteil als Multiplikation der Messsignale mit Rechteckfunktionen darzustellen, ist anderweitig problematisch.One difference between the lock-in amplifier technology, which is the focus of the considerations here, and the homodyne method is, among other things, also given because the homodyne method use complex representatives of an orthogonal function class (sin / cos functions) and multiply the measurement signal with them, but not cut out complementary components of a signal period (components that together result in a period of the respective frequency) from the measurement signal and integrate these. The approach to be found in the literature of representing a portion cut out of the measurement signal as a multiplication of the measurement signals with rectangular functions is problematic in other respects.
Unter „Nutzsignal“ soll zur Abgrenzung von anderen Teilen eines Signals im Folgenden das Signal bzw. der Teil von einem Signal verstanden werden, auf den das eigentliche Ziel der Betrachtung gerichtet ist, wie z.B. der u.U. nur sehr schwache Anteil eines harmonischen Messsignals, das von starken Störungen überlagert ist.To distinguish it from other parts of a signal, the term "useful signal" is to be understood in the following to mean the signal or the part of a signal to which the actual objective of the observation is directed, e.g. who may only a very weak part of a harmonic measurement signal that is superimposed by strong interference.
Eine harmonische Funktion a*sin(ωt+φ) ist eine deterministische Funktion und ist durch die Parameter a, ω (ω =2πf=2π/T) und φ, also durch die Amplitude a, die Kreisfrequenz ω und die Phase φ vollständig und eindeutig für alle Zeit t beschrieben. Da in der Literatur im Fokus der jeweiligen Betrachtungen üblicherweise harmonische Funktionen stehen und die Frequenz f (Kreisfrequenz ω) als bereits bekannt vorausgesetzt wird, kann i.a. ohnehin nur noch die Amplitude a und die Phasenlage φ dieses Signals unbekannt sein und bestimmt werden.A harmonic function a * sin (ωt + φ) is a deterministic function and is complete by the parameters a, ω (ω = 2πf = 2π / T) and φ, i.e. by the amplitude a, the angular frequency ω and the phase φ clearly described for all time t. Since harmonic functions are usually the focus of the respective considerations in the literature and the frequency f (angular frequency ω) is assumed to be already known, i.a. in any case only the amplitude a and the phase position φ of this signal will be unknown and determined.
Hier steht (zunächst nur) die Bestimmung der Phasenlage φ eines in einem starken Rauschen verborgenen Signals im Vordergrund, bei der -wie allgemein bei einer Phasenmessung- das Problem des Bezugs der jeweiligen Phasenangabe besteht; der Null-Wert, auf den sich eine Phasenangabe bezieht, muss definiert sein. Bei Phasendifferenzen besteht das Problem nicht.Here (initially only) the determination of the phase position φ of a signal hidden in a strong noise is in the foreground, in which - as is generally the case with a phase measurement - there is the problem of referring to the respective phase specification; the zero value to which a phase specification refers must be defined. The problem does not exist in the case of phase differences.
Bei z.B. einer räumlichen Distanzmessung bezieht sich eine Phasenlagenangabe zu und an einer räumlich definierten Messstelle zudem immer auf eine ebenfalls räumliche Sendestelle, an der das Messsignal zugänglich sein muss, bevor es in die eigentliche räumliche Messtrecke eintritt. Ein periodisches Signal, das z.B. für eine räumliche Distanzmessung eingesetzt wird und dessen Phasenlagen zu diesem Zweck an einer Stelle vor einem Sendeelement und an einem definierten Ort nach einem Empfangselement bestimmt werden sollen, weist i.a. aber nicht nur die hier interessierende Streckenlaufzeit, sondern zusätzliche Laufzeitkomponenten auf, wie z.B. Phasenlaufzeiten von elektrischen oder elektronischen Elementen.For e.g. In a spatial distance measurement, a phase position specification for and at a spatially defined measuring point also always relates to a likewise spatial transmission point at which the measurement signal must be accessible before it enters the actual spatial measurement section. A periodic signal, e.g. is used for a spatial distance measurement and whose phase positions are to be determined for this purpose at a point in front of a transmitting element and at a defined point after a receiving element, generally has but not only the route delay that is of interest here, but also additional delay components, such as Phase delays of electrical or electronic elements.
Eine Lock-In-Verstärker-Anordnung erlaubt bei sonst stabilen Parametern am Empfangsort die Phasenlage in einem Empfangssignal zu bestimmen, auch wenn das Nutzsignal selbst so klein geworden oder so stark gestört ist, dass es kaum noch erkennbar und im Rauschen verborgen ist.A lock-in amplifier arrangement allows the phase position in a received signal to be determined with otherwise stable parameters at the receiving location, even if the useful signal itself has become so small or so badly disturbed that it is barely recognizable and hidden in the noise.
Lock-In-Verstärker-Anordnungen können für Phasenmessungen, aber auch in Anwendungen eingesetzt werden, wenn mehrere Strecken (z.B. Triangulations-Messungen), mehrfache Laufzeiten und diese jeweils gegeneinander zu bestimmen und zu bewerten sind.Lock-in amplifier arrangements can be used for phase measurements, but also in applications if several routes (e.g. triangulation measurements), multiple transit times and these have to be determined and evaluated against each other.
Die Betrachtungen werden i.W. im Zeitbereich stattfinden. Bei der hier angenommenen Sichtweise des LIAs als Parameterschätzer, wird das Messsignal abschnittsweise geglättet, wodurch Information über das und zum Messsignal zum Teil verloren geht; das ist hier aber i.a. unerheblich, weil nur zwei Zielparameter (a und φ) unbekannt sind.The considerations are mainly take place in the time domain. In the view of the LIA assumed here as a parameter estimator, the measurement signal is smoothed in sections, whereby information about and about the measurement signal is partially lost; but that is generally irrelevant because only two target parameters (a and φ) are unknown.
Da Lock-In-Verstärker bzgl. der jeweiligen Anwendung mit unterschiedlichen Konzepten realisiert und eingesetzt werden, soll die hier zugrunde gelegte Sichtweise ausführlich dargelegt werden, was zugleich den hier benutzten Begriff des Lock-In-Verstärkers definiert. Dazu dienen u.a. die angefügten Abbildungen:
- und dienen der Darstellung des Stands der Technik (SdT), definieren aber auch die Methodik der hier im Vordergrund stehenden und verwendeten Technik.
- stellt das Prinzip der Signalverarbeitung bei dieser Technik dar.
- zeigen schematisch die zugrunde gelegte erfindungsgemäße Lock-In-Verstärker-Anordnung. Mit wird die zugrunde gelegte Technik einer LIA-Anordnung eingeführt, auf der die Erfindung basiert; die Signalerzeugung, eine Schalterfunktion zur Referenzbildung und die grundsätzlichen Signalverarbeitungselemente (fiir Integration und Differenzbildung) werden dargestellt.
- helfen, die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Technik näher zu beschreiben. zeigt Modulbeispiele zur Frequenzerzeugung erfindungsgemäßer Lock-In-Verstärker-Anordnungen.
- zeigt Modulbeispiele zur Analogverarbeitung erfindungsgemäßer Lock-In-Verstärker-Anordnungen.
- zeigt Modulbeispiele von kompletten Lock-In-Verstärkern mit der dazugehörigen Umgebung zur Signalerzeugung, mit Schalterfunktionen und Referenzbildung.
Since lock-in amplifiers are implemented and used with different concepts with regard to the respective application, the underlying perspective should be presented in detail, which also includes the term lock-in used here. Amplifier defined. The attached images are used for this purpose: - and serve to represent the state of the art (SdT), but also define the methodology of the technology that is in the foreground and used here.
- represents the principle of signal processing in this technology.
- schematically show the underlying lock-in amplifier arrangement according to the invention. With the underlying technology of a LIA arrangement is introduced, on which the invention is based; the signal generation, a switch function for reference formation and the basic signal processing elements (for integration and difference formation) are shown.
- help to describe the functioning of the technology according to the invention in more detail. shows module examples for frequency generation of lock-in amplifier arrangements according to the invention.
- shows module examples for analog processing of lock-in amplifier arrangements according to the invention.
- shows module examples of complete lock-in amplifiers with the associated environment for signal generation, with switch functions and reference generation.
Die mit Lock-In-Verstärkern zu lösenden Aufgaben werden in dieser Schrift zwar am Beispiel „Distanzmessung“ dargestellt, das Messprinzip als solches kann aber überall dort eingesetzt werden, wo die Phasenlage eines sehr schwachen und/oder in einem Rauschen verborgenen Sinussignals (allgemeiner: die Phasenlage eines periodischen Signals) unter Kenntnis der Frequenz des Messsignals bestimmt werden soll. Aus der aus der Phasenlage ermittelten Signallaufzeit soll in den folgenden Beispielen auf die Entfernung (E) eines Objekts (O) ( geschlossen werden. Allgemeiner kann das Vorhandensein eines Signals, z.B. in einer experimentellen Fragestellung, ermittelt werden.The tasks to be solved with lock-in amplifiers are shown in this document using the example of "distance measurement", but the measuring principle as such can be used wherever the phase position of a very weak sinusoidal signal and / or hidden in noise (more generally: the phase position of a periodic signal) is to be determined with knowledge of the frequency of the measurement signal. In the following examples, the distance (E) of an object ( O ) ( getting closed. More generally, the presence of a signal, for example in an experimental question, can be determined.
Die Entfernung E ( eines Objektes (O) zur jeweils eigenen Position kann aus der Laufzeit eines mittels Sendeelement (5) ausgesendeten Signals (7) bestimmt werden, wenn das Signal (7) von der Oberfläche (8) des Objekts (O) reflektiert wird und zur Sendeposition zurückstrahlt (9) und wenn die Signalgeschwindigkeit bekannt ist. Alternativ und gleichwertig kann die Laufzeit durch eine Phasendifferenzbestimmung zwischen einem ausgesendeten Signal (7) und einem empfangenen Signal (9) erfolgen, wenn berücksichtigt wird, dass relativ zueinander bestimmbare Phasenlagen nicht uneingeschränkt eindeutig sind.The distance E. ( of an object ( O ) for each own position, a transmission element ( 5 ) transmitted signal ( 7th ) can be determined when the signal ( 7th ) from the surface ( 8th ) of the object ( O ) is reflected and radiates back to the transmitting position (9) and if the signal speed is known. Alternatively and equally, the transit time can be determined by determining the phase difference between a transmitted signal ( 7th ) and a received signal ( 9 ) if it is taken into account that phase positions that can be determined relative to one another are not unambiguously unambiguous.
Von einem Generator (1) muss ein geeignetes Signal (3) erzeugt werden ( ; vgl. auch , obiges Diagramm (2)), dieses Signal muss aufbereitet (4) und unter Nutzung eines geeigneten Signalträgers (z.B. elektromagnetische Felder, Licht, Schall, usw.) mit einem geeigneten Sendeelement (5) ausgesendet werden. Das Signal (7) wird vom Objekt O bzw. von der Objektoberfläche (8) reflektiert (9). Am oft gleichen Standort der Sendeanordnung (oder auch an einem anderen Standort, z.B. bei Triangulationen) kann das Signal (9) wieder empfangen werden. Das Signal (2) (3) kann als Modulation einem Signalträger (z.B. HF, UHF, Licht, Schall, ...) aufgeprägt sein, kann aber auch der Signalträger selbst sein (z.B. ein kontinuierlich ausgesendetes HF- oder Schall-Signal). Ein Empfangselement (10) nimmt das Signal (9) am Empfangsort auf, wo es wiederum geeignet aufbereitet (13) wird und für eine Auswertung anwendungsbezogen bereitsteht (vgl. , Signal unten (11)).From a generator ( 1 ) a suitable signal ( 3 ) be generated ( ; see. also , diagram above ( 2 )), this signal must be processed (4) and using a suitable signal carrier (e.g. electromagnetic fields, light, sound, etc.) with a suitable transmitter element ( 5 ) are sent out. The signal ( 7th ) is from the object O or from the object surface ( 8th ) reflects (9). At the same location as the transmitter arrangement (or at a different location, e.g. in the case of triangulations), the signal ( 9 ) can be received again. The signal ( 2 ) (3) can be impressed as modulation on a signal carrier (e.g. HF, UHF, light, sound, ...), but can also be the signal carrier itself (e.g. a continuously transmitted HF or sound signal). A receiving element ( 10 ) takes the signal ( 9 ) at the receiving location, where it is again suitably prepared (13) and available for an application-related evaluation (cf. , Signal below (11)).
Aus diesem Signal (11) soll die Zeit zwischen Aussendung und Empfang, daraus die Laufzeit des Signals über die Messstrecke (7) (9) und daraus die Entfernung E zum Objekt O bestimmt werden.From this signal ( 11 ) should be the time between transmission and reception, from this the runtime of the signal over the measuring section ( 7th ) (9) and from this the distance E to the object O to be determined.
Was im Prinzip einfach erscheint, wird in der Realität jedoch von erheblichen technischen Problemen begleitet.What appears simple in principle is, however, accompanied by considerable technical problems in reality.
Am Empfangselement (10) kommt nur ein sehr kleiner Teil vom ausgesendeten Signal an, das zudem stark gestört sein wird, weil aus der Umgebung (12) und von allen im Signalpfad liegenden Komponenten (vom Generator bis zur Auswertung) Störanteile hinzugefügt werden. Da die Störanteile oft größer sind als das Nutzsignal, kann dem zur Auswertung bereitstehenden Signal (11) das Nutzsignal u.U. nicht mehr unmittelbar entnommen werden.At the receiving element ( 10 ) only a very small part of the transmitted signal arrives, which will also be strongly disturbed because from the environment ( 12th ) and interference from all components in the signal path (from the generator to the evaluation). Since the interference components are often larger than the useful signal, the signal available for evaluation ( 11 ) the useful signal may no longer be taken directly.
Unter Kenntnis der Signalfrequenz kann nun aber mit einer Lock-In-Verstärker-Anordnung (und das ist das typische Anwendungsziel einer solchen Anordnung) auch aus einem sehr stark gestörten Empfangssignal die Phasenlage des Messsignals (durch geeignet lang gewählte Messzeiten und unter Nutzung der Frequenzkenntnis) bestimmt werden.Knowing the signal frequency, however, with a lock-in amplifier arrangement (and this is the typical application goal of such an arrangement), the phase position of the measurement signal can also be determined from a very badly disturbed received signal (by means of suitably long measurement times and using frequency knowledge). to be determined.
Das Prinzip der Signalverarbeitung bei diesem Verfahren des Lock-In-Verstärkers wird durch dargestellt und definiert: Die beiden Signalkomponenten „Nutzsignal“ (58) und „Störung“ (59) werden getrennt dargestellt. In der Realität liegen diese Signalkomponenten natürlich nur gleichzeitig und (i.a. additiv) verbunden vor. Da das Rauschen (59) im Vergleich zum Nutzsignal (58) sehr groß sein kann, verschwindet das Nutzsignal u.U. im Rauschen und kann oft im Signalverlauf nicht einmal mehr erkannt werden.The principle of signal processing in this method of the lock-in amplifier is through shown and defined: The two signal components "useful signal" ( 58 ) and "Fault" ( 59 ) are shown separately. In reality, these signal components are of course only present at the same time and (generally additively) connected. Since the noise ( 59 ) compared to the useful signal ( 58 ) can be very large, the useful signal may disappear in the noise and can often not even be recognized in the signal curve.
Vom Nutzsignal (insgesamt mit (58) bezeichnet), von dem die Frequenz bekannt ist, wird über einen längeren Zeitraum, sich periodisch wiederholend, ein immer gleicher Ausschnitt (28) (29) entnommen, jeder Ausschnitt wird einzeln integriert und die (i.W. gleichbleibenden) Integralabschnitte über einen längeren Zeitraum summiert, so dass sich dieser immer gleiche Anteil aus dem Signal im gesamten Integralwert immer stärker auswirkt. Der gleiche Vorgang der Integration mit den jeweils gleichen Ausschnitten (28) (29) aus der Störung (59) wird i.W. im Mittel immer gleich sein und nahe bei Null liegen (in den Teilabschnitten aber auch insgesamt über einen längeren Zeitraum betrachtet).From the useful signal (total with ( 58 ), of which the frequency is known, is repeated over a longer period of time, an always the same section ( 28 ) ( 29 ), each section is integrated individually and the (largely constant) integral sections are added up over a longer period of time, so that this always the same component from the signal has an ever greater effect on the entire integral value. The same process of integration with the same sections ( 28 ) ( 29 ) from the fault ( 59 ) will generally always be the same on average and be close to zero (in the sub-sections but also considered over a longer period of time).
Es liegen also stückweise integrierbare Funktionen vor; im Folgenden werden diese stückweise integrierten und dann über einen längeren Zeitraum aufsummierten Teilstücke hier insgesamt unter „Integration“ zusammengefasst, was mit einem „Integrator“ bewirkt wird.So there are piecemeal integrable functions; In the following, these pieces that are integrated piece by piece and then summed up over a longer period of time are summarized here under “integration”, which is achieved with an “integrator”.
Die Zeitintervalle, in denen die (Kurzzeit-)Integration erfolgt, sind in jeweils durch ober- und unterhalb des jeweiligen Funktionsverlaufs liegende Balken (28) (29) (30) (31) angedeutet. Das Nutzsignal (58) und die Störung (59) bzw. der Störungsverlauf (69) werden getrennt betrachtet, aber natürlich betreffen die Intervalle (28) (29), in denen die Integration erfolgt, die beiden Signalkomponenten gleichermaßen. (Dementsprechend sind die Bezeichner der Balken in den beiden Signaldarstellungen der oben (58) und unten (59) gleich gewählt; es sind einfach die gleichen).The time intervals in which the (short-term) integration takes place are in with bars above and below the respective function curve ( 28 ) ( 29 ) ( 30th ) ( 31 ) indicated. The useful signal ( 58 ) and the fault ( 59 ) or the course of the fault ( 69 ) are considered separately, but of course the intervals ( 28 ) ( 29 ), in which the integration takes place, the two signal components equally. (Accordingly, the identifiers of the bars in the two signal representations are the above ( 58 ) and below ( 59 ) chosen the same; they are just the same).
Es wird also eine stückweise Integration genutzt, die - mit der gleichen Frequenz wie der des Nutzsignals - periodisch immer einen gleichen Periodenabschnitt aus dem gestörten Signal entnimmt.A piece-wise integration is therefore used which - with the same frequency as that of the useful signal - periodically always takes the same period segment from the disturbed signal.
Die in nur mit Integralzeichen (36) und den Zuordnungspfeilen (38) (37) angedeuteten Integrations-Operationen des Nutzsignals (58) ergeben unterschiedlich große Werte (40) (41), je nachdem, wie die Phasenlage der Integrationsintervalle (28) (30) zum Nutzsignal aktuell ist. Bei geeignet gewählter Phasenlage der Integrations-(Zeit-)Intervalle zur Nutz-Signallage (wie in oben dargestellt) können die sich ergebenden Anteile am Gesamt-Integralwert (funktionale) Extremwerte annehmen und können (absolut und/oder als Differenz (42)) die Phasenlage des schwachen Signals widerspiegeln:
- Mit den in gezeigten Balken werden (bei der hierbei dargestellten Lage) mit den durch die Balkenlage und -länge (28) (29) angedeuteten Integrationszeiten aus dem Nutzsignal die positiven Halbwellen (32) (33) des Nutzsignals (d.h. die Fläche aus der Nutzsignalkurve (58)) ermittelt; mit den unterhalb liegenden Balken (30) (31) die negativen Halbwelle (34) (35).
In the only with integral sign ( 36 ) and the assignment arrows ( 38 ) ( 37 ) indicated integration operations of the useful signal ( 58 ) result in values of different sizes ( 40 ) ( 41 ), depending on how the phase position of the integration intervals ( 28 ) ( 30th ) is current to the useful signal. With a suitably selected phase position of the integration (time) intervals to the useful signal position (as in shown above) the resulting proportions of the total integral value can assume (functional) extreme values and can (absolute and / or as a difference ( 42 )) reflect the phase position of the weak signal: - With the in The bars shown are (in the position shown here) with the bar position and length (28) ( 29 ) indicated integration times from the useful signal the positive half-waves ( 32 ) ( 33 ) of the useful signal (i.e. the area from the useful signal curve ( 58 )) determined; with the bars below ( 30th ) ( 31 ) the negative half-wave ( 34 ) ( 35 ).
Der Integral-Anteil (40) aus dem Nutzsignal (58) wird groß sein, wenn in den jeweiligen Ausschnitten (28) (29) große Werte des Signalverlaufs liegen (z.B. die positiven Halbwellen (32) (33)). Der Integral-Anteil wird klein oder sogar negativ (41) sein, wenn kleine Werte des Signalverlaufs (z.B. die negativen Halbwellen (34) (35)) im jeweiligen Ausschnitt (30) (31) liegen. Der gesamte Integrationswert hängt von der Zeitdauer (Integrationszeit) ab, über die diese Teilstücke dann weiter gesammelt und summiert werden. Die Differenz (42) zwischen diesen, sich mit den in dargestellten Integrationsintervall-Lagen ergebenden Werten (40) (41) ist ausgeprägt und hier positiv.The integral part ( 40 ) from the useful signal ( 58 ) will be large if in the respective sections ( 28 ) ( 29 ) there are large values of the signal curve (e.g. the positive half-waves ( 32 ) ( 33 )). The integral part becomes small or even negative ( 41 ) if small values of the signal course (e.g. the negative half-waves ( 34 ) ( 35 )) in the respective section ( 30th ) ( 31 ) lie. The total integration value depends on the length of time (integration time) over which these sections are then collected and added up. The difference ( 42 ) between these, deal with the in the integration interval positions shown ( 40 ) ( 41 ) is pronounced and positive here.
Unter dieser Darstellung zum Nutzsignal (58) mit der Lage der Integrationsintervalle (28) (29) bzw. (30) (31) wird das gleiche zum Störsignal (59) gezeigt. Die Operation ist auch hier wieder nur mit Integrationszeichen (36) und Zuordnungszeichen (36) (37) angedeutet: Das Störsignal (59) liefert bei den gezeigten Integrationsintervall-Lagen (28) (29) bzw. (30) (31) nur einen „statistischen Anteil“ zum Integrations-Gesamtwert, der i.W. den Mittelwert des Verlaufs (69) der Störung im jeweiligen Intervall widerspiegelt und der i.W. Null (71) (72) sein kann und es i.a. auch sein wird.Under this representation of the useful signal ( 58 ) with the position of the integration intervals ( 28 ) ( 29 ) or. ( 30th ) ( 31 ) the same becomes an interference signal ( 59 ) shown. Here, too, the operation is only possible with integration symbols ( 36 ) and allocation symbol ( 36 ) ( 37 ) indicated: The interference signal ( 59 ) yields for the integration interval positions shown ( 28 ) ( 29 ) or. ( 30th ) ( 31 ) only a "statistical part" of the total integration value, which is essentially the mean value of the course ( 69 ) reflects the disturbance in the respective interval and the essentially zero ( 71 ) ( 72 ) can and generally will be.
Die Andeutung einer Schaltfunktions-Ansteuerung, mit der die Integrationsintervalle (28) bis (31) ausgewählt und festgelegt werden, ist mit dem digitalen Signal (74) angedeutet, das hier in unten den betrachteten Integrationsintervallen (28) (30) zugeordnet ist. Wenn dieses Ansteuerungssignal (74) z.B. einen High-Pegel hat, dann wird das auszuwertende Signal (Summe von Nutzsignal (58) und Störung (59)) auf einen Integrator geschaltet (symbolisiert durch Integralzeichen (36) und schwarzen Pfeil (38)), der Signalausschnitt wird im Integrator integriert; Die Summe dieser abschnittsweise integrierten Intervalle über eine gewisse Zeit bildet einen Gesamt-Integralwert aus (z.B. die Summe der Werte (40) und (71)).The indication of a switching function control with which the integration intervals ( 28 ) to ( 31 ) are selected and set, is with the digital signal ( 74 ) indicated that here in below the integration intervals considered ( 28 ) ( 30th ) assigned. If this control signal ( 74 ) e.g. has a high level, then the signal to be evaluated (sum of useful signal ( 58 ) and malfunction ( 59 )) switched to an integrator (symbolized by the integral symbol ( 36 ) and black arrow ( 38 )), the signal section is integrated in the integrator; The sum of these segment-wise integrated intervals over a certain time forms a total integral value (e.g. the sum of the values ( 40 ) and (71)).
Die mit den Intervallen (30) (31) angedeutete andere Phasenlage (zugeordnet dem Low-Pegel des Ansteuerungssignals (74)) stellt praktisch eine zweite, bezogen auf die Messdauer aber (fast) gleichzeitig ablaufende Messung dar, bei der jetzt lediglich andere - zu den vorherigen komplementäre - Abschnitte des auszuwertenden Signals auf den Integrator geschaltet werden (mit gleichem Integralzeichen (36) und zur Unterscheidung weißen Pfeil (37) angedeutet). Die Verarbeitung durch einen Integrator erfolgt dabei in gleicher Weise, wie bei der komplementären Schalterstellung zuvor.The ones with the intervals ( 30th ) ( 31 ) indicated other phase position (assigned to the low level of the control signal ( 74 )) practically represents a second measurement that takes place (almost) simultaneously in relation to the measurement duration, in which only other sections of the signal to be evaluated - which are complementary to the previous - are switched to the integrator (with the same integral symbol ( 36 ) and white arrow ( 37 ) indicated). Processing is done by an integrator in the same way as with the complementary switch position before.
Hierbei kann angenommen werden, dass nur ein einzelner Integrator genutzt wird und dass die komplementären Werte nacheinander bestimmt werden (also nur für die Betrachtung als getrennte Vorgänge dargestellt werden); die beiden Vorgänge könnten aber auch getrennten, gleich aufgebauten Integrationsstufen gleichzeitig zugeführt werden, was eine nachfolgende weitere Berechnung beschleunigen, z.B. halbieren könnte.It can be assumed here that only a single integrator is used and that the complementary values are determined one after the other (that is, they are only shown for consideration as separate processes); however, the two processes could also be fed to separate, identically structured integration stages at the same time, which accelerates a subsequent further calculation, e.g. could cut in half.
stellt eine technische Ausführung für die gerade zur dargestellte Verarbeitung dar: Die Funktionskomponenten zur Realisation des Messprinzips sind (vgl. auch ) ein Generator (14), der ein Signal (15) erzeugt, das ausgesendet (16) wird und nach Reflexion an einem Objekt (O) zurück kommt und (17) wieder empfangen wird Das nach Aufbereitung zur Verfügung stehende Signal (18) besteht aus der Summe von Nutzsignal und Störung, also den in dargestellten Signalkomponenten (58) (59); das Nutzsignal ist im Vergleich zu den Störungen inzwischen aber so schwach, dass es im zu analysierenden Signal (18) nicht mehr erkennbar ist. provides a technical implementation for the The processing shown: The functional components for realizing the measuring principle are (see also ) a generator ( 14th ) that has a signal ( 15th ) generated that emitted ( 16 ) becomes and after reflection on an object ( O ) comes back and ( 17th ) is received again The signal available after processing ( 18th ) consists of the sum of the useful signal and interference, i.e. the in represented signal components ( 58 ) ( 59 ); The useful signal is now so weak compared to the interference that it is in the signal to be analyzed ( 18th ) is no longer recognizable.
Die Ansteuerung einer Schalterfunktion (26) erfolgt mit einem Signal (27) Signal, das vom Generatorsignal (15) direkt abgeleitet wird, was im Stand der Technik die Frequenzgleichheit garantiert. Das Schalteransteuerungssignal (27) kann durch einen Phasenschieber (19) in seiner Phasenlage gegenüber dem Generatorsignal (15) variiert werden. Ein mit diesem Signal angesteuerter Schalter (26) wird mit der Frequenz des Generatorsignals, gegenüber dem Generatorsignal gezielt phasenverschoben geöffnet (z.B. wenn das Signal (27) logisch 0 ist) oder geschlossen (z.B. wenn das Signal (27) logisch 1 ist) bzw. umgeschaltet.The activation of a switch function ( 26th ) takes place with a signal ( 27 ) Signal coming from the generator signal ( 15th ) is derived directly, which guarantees the frequency equality in the prior art. The switch control signal ( 27 ) can be changed by a phase shifter ( 19th ) in its phase relation to the generator signal ( 15th ) can be varied. A switch controlled with this signal ( 26th ) is opened with the frequency of the generator signal, deliberately out of phase with the generator signal (e.g. if the signal ( 27 ) is logical 0) or closed (e.g. when the signal ( 27 ) is logical 1) or switched.
Nur die Signalteile, die bei geschlossenem Schalter (26) auf den Eingang (20) des Integrators (21) gelangen, werden integriert und werden sich auf das Ausgangssignal (22) des Integrators (21) auswirken. Die Intervallzeitdauer des geschlossenen Schalters und die Gesamt-Zeitdauer der Gesamt-Messung bestimmt, wie weit sich das Verhältnis von Signal und Rauschen verbessern lässt.Only the signal parts that are activated when the switch is closed ( 26th ) on the entrance ( 20th ) of the integrator ( 21st ) are integrated and will be based on the output signal ( 22nd ) of the integrator ( 21st ) affect. The interval duration of the closed switch and the total duration of the total measurement determine how far the ratio of signal and noise can be improved.
Wichtig ist aber: Das Ablesen (Erfassen) der Einstellung des (justierten und z.B. manuell einstellbaren) Phasenschiebers (19), geeicht in Zeit oder Phase, stellt hierbei den eigentlichen Messwert dar, der durch den Integralwert lediglich bewertet wird. Aus diesen eingestellten Phasenschieberwerten kann letztendlich auf die Phasenlage des im Empfangssignal (18) enthaltenen Nutzsignals relativ zum Generatorsignal (15) geschlossen werden, indem mit unterschiedlichen Einstellungen am Phasenschieber minimale oder maximale Integralwerte aufgespürt werden. Der Phasenschieber verschiebt das Generatorsignal, aus dem auch das zur Messung eingesetzte Signal abgeleitet wird, bei einer jeweils eingestellten Phasenlage wird genau ein Integralwert gewonnen (d.h. ein Integralwert von evtl. sehr vielen notwendigen Einzelmessungen) und aus vielen Messungen kann schließlich auf die Phasenlage des Nutzsignals, auch in einem stark gestörten Messsignal geschlossen werden.However, it is important to read (record) the setting of the (adjusted and e.g. manually adjustable) phase shifter ( 19th ), calibrated in time or phase, represents the actual measured value, which is only evaluated by the integral value. From these set phase shifter values, the phase position of the received signal ( 18th ) contained useful signal relative to the generator signal ( 15th ) can be closed by detecting minimum or maximum integral values with different settings on the phase shifter. The phase shifter shifts the generator signal, from which the signal used for the measurement is derived; for each set phase position, exactly one integral value is obtained (i.e. an integral value of possibly very many necessary individual measurements) and, from many measurements, the phase position of the useful signal can finally be determined , can also be closed in a severely disturbed measurement signal.
Derart durch viele Einzelmessungen (d.h. zu einzelnen Einstellungen am Phasenschieber jeweils über eine definiert lange Zeitdauer hinweg gebildete Integralwerte) ermittelte Werte ergeben, aufgetragen über dem jeweils am Phasenschieber eingestellten Phasenwert φ, eine zunächst nur in der Vorstellung bestehende Kurve (23) ( unten). Die jeweils am Phasenschieber eingestellten Wert werden als Argument φ der Kurvenfunktion (23) auf der Abszisse eines I-φ-Koordinatensystems aufgetragen, die Integralwerte auf der Ordinate. Bei einem mit und in der Kurve (23) aufgefundenen maximalen Integralwert (25) gibt der dazu gegebene Einstellwert (24) an, dass die Lage der geschlossenen Schalterstellungen (26) jeweils gerade mit der Phasenlage des Nutzsignals im auszuwertenden Signal (18) (genauer: mit den positiven Halbwellen des Nutzsignals) übereinstimmt. Aus der derart aufgespürten Empfangs-Phasenlage des Nutzsignals im gestörten Empfangssignal relativ zur Phasenlage vom Generatorsignal kann dann (mehrdeutig) auf die Entfernung geschlossen werden.Values determined in this way by many individual measurements (i.e. integral values formed for individual settings on the phase shifter over a defined long period of time) result, plotted against the phase value φ set on the phase shifter, an initially only imaginary curve ( 23 ) ( below). The values set on the phase shifter are used as the argument φ of the curve function ( 23 ) plotted on the abscissa of an I-φ coordinate system, the integral values on the ordinate. With a with and in the curve ( 23 ) found maximum integral value ( 25th ) gives the given setting value ( 24 ) indicates that the position of the closed switch positions ( 26th ) with the phase position of the useful signal in the signal to be evaluated ( 18th ) (more precisely: with the positive half-waves of the useful signal). From the received phase position of the useful signal detected in this way in the disturbed received signal relative to the phase position of the generator signal, it is then possible to (ambiguously) infer the distance.
Hier in ist das nur fast der Fall und dies zeigt ein Problem des klassischen Lock-In Verstärkers: Um nur einen einzelnen Wert innerhalb dieser Kurve zu gewinnen, muss man die Integrationszeit der Anordnung jeweils abwarten. Auch wenn die Kurve nicht explizit in Erscheinung tritt oder nicht auftaucht und/oder wenn sie gar nicht vollständig durchfahren wird, ist das Problem langer Messzeiten vorhanden. Die Zeit, in der sich das Nutzsignal aus dem Rauschen erkennbar herausheben kann, ist prinzipiell für jeden einzelnen Messwert (als Integrationswert zu jeder Einstellung am Phasenschieber) abzuwarten und hängt vom Signalzu-Rausch-Verhältnis ab; diese Integrationszeit (bei Lock-In Verstärkern des Stands der Technik z.B. auch als Zeitkonstante bezeichnet) kann u.U. sehr groß sein.Here in this is only almost the case and this shows a problem with the classic lock-in amplifier: In order to obtain only a single value within this curve, one has to wait for the integration time of the arrangement in each case. Even if the curve does not appear explicitly or does not appear and / or if it is not driven through completely, the problem of long measurement times is present. The time in which the useful signal can clearly stand out from the noise has to be waited in principle for each individual measured value (as an integration value for each setting on the phase shifter) and depends on the signal-to-noise ratio; this integration time (in the case of lock-in amplifiers of the prior art, also referred to as time constant, for example) can be very large.
Und selbst wenn ein großer Integrationswert während einer Messung gefunden sein sollte, kann man nicht ganz sicher sein, ob man wirklich am eigentlichen Maximum liegt (vgl. in z.B. die Lage des wirklichen Maximums, das selbst nicht einmal eindeutig vorliegt, mit der Lage (24) eines durch die Messung gefundenen Maximums (25)). Mit anderen Worten: der zu erwartende Fehler und/oder die Zeitdauer, bis eine solche Messung wirklich richtig ist, sind keine unabhängig voneinander zu sehenden Größen und/oder werden u.U. nicht gerade ganz klein sein.And even if a large integration value should be found during a measurement, one cannot be entirely sure whether one is really at the actual maximum (cf. in e.g. the position of the real maximum, which itself is not even clearly available, with the position ( 24 ) of a maximum found by the measurement ( 25th )). In other words: the expected error and / or the The length of time until such a measurement is really correct are not variables that can be seen independently of one another and / or may not be very small.
Ein Minimalwert in der Kurve (23) der entspricht einer Phasenlage des geschlossenen Schalters (26), die mit den negativen Halbwellen des Nutzsignals übereinstimmt. Auch das erlaubt eine Phasenlagenbestimmung und -angabe und kann mit der zugehörigen Einstellung am Phasenschieber (19), z.B. in einer zweiten Messung, gefunden werden.A minimum value in the curve ( 23 ) of the corresponds to a phase position of the closed switch ( 26th ), which corresponds to the negative half-waves of the useful signal. This also allows the phase position to be determined and specified and can be done with the associated setting on the phase shifter ( 19th ), e.g. in a second measurement.
Wenn die Kurve komplett ermittelt werden soll, müssen u.U. sehr viele Einzelmessungen ermittelt und zusammengefügt werden. Daran ändert auch ein evtl. automatisiertes Anfahren von einzelnen Einstellwerten am Phasenschieber grundsätzlich nichts. Die Einstellanzeige am Phasenschieber muss bzgl. des vom Generator (14) erzeugten Messsignals (15) geeignet und gut geeicht sein, was an sich kein prinzipielles Problem darstellt, aber auch nicht immer unproblematisch ist.If the curve is to be completely determined, a large number of individual measurements may have to be determined and combined. A possibly automated approach to individual setting values on the phase shifter does not fundamentally change this. The setting display on the phase shifter must refer to the generator ( 14th ) generated measurement signal ( 15th ) be suitable and well calibrated, which in itself is not a problem in principle, but is also not always unproblematic.
Dieser wichtige Aspekt ist daher an dieser Stelle deutlich hervorzuheben: der lediglich durch verschiedene Einstellwerte ermittelte Kurvenverlauf (23) ist bisher zwar ein vielleicht nützliches, die Einzelergebnisse zusammenfassendes, gedankliches Konstrukt; und auch zum Einschätzen von noch zu erwartenden oder zu interpolierende Zwischenwertepaaren kann dies nützlich sein, hat aber bis jetzt - wie bei den Lock-In-Verstärker-Anordnungen des bisherigen Stands der Technik - noch keine andere Referenz, als die Einstellung am Phasenschieber selbst.This important aspect should therefore be clearly emphasized at this point: the curve progression determined only by various setting values ( 23 ) is so far a perhaps useful conceptual construct that summarizes the individual results; This can also be useful for assessing intermediate value pairs that are still to be expected or interpolated, but until now - as with the lock-in amplifier arrangements of the prior art - it has no other reference than the setting on the phase shifter itself.
Auf der anderen Seite wurde oben mit der Andeutung einer Schaltfunktions-Ansteuerung (74) in auch schon angedeutet, dass zu jedem Zeitpunkt gewissermaßen zwei Messungen parallel ablaufen können: Wird das auszuwertende Signal, das aus der Summe von Nutzsignal (58) und Störung (59) besteht, in der Zeit, in der das Schaltansteuerungssignal (74) 1 (high) ist, auf einen ersten Auswertungszweig mit einem ersten Integrator geschaltet (in und symbolisiert durch Integralzeichen (36) und schwarzen Pfeil (38)) und in der Zeit, in der das Ansteuerungssignal (74) 0 (low) ist, auf einen zweiten Auswertungszweig mit einem zweiten Integrator (in symbolisiert durch Integralzeichen (36) und weißen Pfeil (38)), dann laufen praktisch zwei Messungen parallel ab; es ergeben sich (wieder zunächst nur gedacht) zwei Kurven (23), die den komplementären Abschnitten einer Periode zuzuordnen sind.On the other hand, the hint of a switching function control ( 74 ) in also already indicated that at any point in time two measurements can take place in parallel: If the signal to be evaluated, which is the sum of the useful signal ( 58 ) and malfunction ( 59 ) exists in the time in which the switching control signal ( 74 ) 1 (high) is switched to a first evaluation branch with a first integrator (in and symbolized by integral signs ( 36 ) and black arrow ( 38 )) and in the time in which the control signal ( 74 ) Is 0 (low), to a second evaluation branch with a second integrator (in symbolized by integral signs ( 36 ) and white arrow ( 38 )), then practically two measurements run in parallel; there are (again initially only thought) two curves ( 23 ), which are to be assigned to the complementary sections of a period.
Es liegen, nur anders betrachtet, zwei praktisch (fast) gleichzeitig gewonnene Messwerte, für komplementäre Integrationsintervalle vor.If you look at it differently, there are two practically (almost) simultaneously obtained measured values for complementary integration intervals.
Für die eine Messung werden die Integrationsintervalle (28) (29) verwendet, für die zweite Messung die Integrationsintervalle (30) (31). Wenn der Duty-Cycle des Ansteuerungssignals (74) (27) genau 50% beträgt und die beiden Auswertungszweige mit den darin liegenden Integratoren exakt gleich aufgebaut sind, dann werden die beiden sich daraus ergebenden, periodisch sich wiederholenden Kurven (23) an sich gleich sein, aber einen um eine halbe Periode der Kurve (23) verschobenen Verlauf aufweisen.For one measurement, the integration intervals ( 28 ) ( 29 ) is used, for the second measurement the integration intervals ( 30th ) ( 31 ). If the duty cycle of the control signal ( 74 ) ( 27 ) is exactly 50% and the two evaluation branches with the integrators in them have exactly the same structure, then the two resulting, periodically repeating curves ( 23 ) be the same in itself, but one by half a period of the curve ( 23 ) show a shifted course.
Man hat also zwei Messungen praktisch gleichzeitig durchgeführt, die im Ergebnis zu zwei Kurven (23) mit gegensinnigen Kurvenverläufen führen.So two measurements have been carried out practically at the same time, resulting in two curves ( 23 ) lead with opposing curves.
Da nun prinzipiell eine Phasenverschiebung von einem von zwei Signalen (mit gleicher Frequenz, manuell langsam und kontinuierlich ausgeführt) nicht von einer Verschiebung der Phasenlage zwischen zwei Signalen mit einer sehr geringunterschiedlichen Frequenz zu unterscheiden ist, kann man sich vorstellen, dass die Phaseneinstellung am Phasenschieber (19) langsam und kontinuierlich über eine ganze (Verschiebungs-)Periode fortlaufend verändert wird. Das wiederum kann man dann auch so sehen, dass ein zweites Signal mit einem sehr geringen Frequenzversatz, der einer dieser Verschiebungsperioden entspricht, als Schalteransteuerungssignal verwendet wird.Since, in principle, a phase shift of one of two signals (with the same frequency, manually executed slowly and continuously) cannot be distinguished from a shift in the phase position between two signals with a very slightly different frequency, one can imagine that the phase setting on the phase shifter ( 19th ) is changed slowly and continuously over an entire (shift) period. This, in turn, can then also be seen in such a way that a second signal with a very small frequency offset, which corresponds to one of these shift periods, is used as the switch control signal.
Es ist nämlich an sich gleichgültig, ob
- - eine fortschreitende Phasenlagenänderung von zwei Signalen mit der Frequenz f1 durch eine Phasenverschiebung eines dieser Signale relativ zu dem anderen Signal verursacht wird, oder ob
- - die fortschreitende Phasenlagenänderung eines Signals mit der Frequenz f1 zu einem zweiten Signal (das zeitlich parallel liegt) dadurch entsteht, dass dieses die Frequenz f2=f1+Δf hat, wenn Δf nur geeignet klein, z.B. Δf =0,001 Hz, gewählt wird.
It is actually irrelevant whether - - a progressive phase change of two signals with the frequency f 1 is caused by a phase shift of one of these signals relative to the other signal, or whether
- - The progressive change in phase position of a signal with frequency f 1 to a second signal (which is parallel in time) arises from the fact that this has the frequency f 2 = f 1 + Δf if Δf is only suitably small, e.g. Δf = 0.001 Hz becomes.
Es ist hier nur zu definieren, welches Signal als Messsignal und welches als Referenz dienen soll und wie klein dazu die Frequenzdifferenz gewählt werden soll.It is only necessary to define which signal is to be used as the measurement signal and which is to be used as a reference and how small the frequency difference is to be selected.
Getrennt vorliegende, hochfrequente, digitale Signale mit sehr geringen Differenzfrequenzen können auf dem Stand der Technik als gegeben betrachtet werden. Zum Beispiel kann aus der DE10351416A1 eine Signalerzeugung mit beliebig dicht benachbart liegenden Frequenzen entnommen werden. Die Frequenzdifferenz kann dabei beliebig klein z.B. auch 0,001 Hz oder sogar kleiner ausgelegt werden.Separately present, high-frequency, digital signals with very low difference frequencies can be regarded as given in the prior art. For example, from the DE10351416A1 a signal generation with arbitrarily closely spaced frequencies can be taken. The frequency difference can be made as small as desired, for example 0.001 Hz, or even smaller.
Aus der DE 10233604 ist zudem eine dort so genannte „digitale Schwebung“ bekannt, bei der zwei getrennt vorliegende hochfrequente digitale Signale mit dicht beieinanderliegenden Frequenzen zur Ausbildung solcher digitalen Schwebungen genutzt werden können. Obwohl der Begriff „Schwebung“ eine andere ursprüngliche Bedeutung transportiert, soll hier zur begrifflichen Unterscheidung für dieses Signal der Begriff „digitale Schwebung“ beibehalten und genutzt werden. Mit der dort definierten digitalen Schwebung stehen (in der mit dem Signal (120) eines D-FlipFlopss (124)) nunmehr hochgenaue Mittel zur Referenzierung von Signalen in den erfindungsgemäßen Lock-In- Verstärker-Anordnungen zur Verfügung.From the DE 10233604 a so-called “digital beat” is also known there, in which two separate high-frequency digital signals with frequencies that are close together can be used to create such digital beats. Although the term “beat” conveys a different original meaning, the term “digital beat” should be retained and used here to distinguish between the terms for this signal. With the digital beating defined there (in the with the signal ( 120 ) of a D-flip-flop ( 124 )) now highly precise means for referencing signals in the lock-in amplifier arrangements according to the invention are available.
Dabei ist zu sehen: Ein einzelnes, als Momentaufnahme zu sehendes Messereignis, mit einer dazu definierten Verschiebungslage muss so lange (quasi-)stabil bleiben, dass jede bei dieser Einstellposition durchgeführte Integrationsoperation unter quasistabilen Bedingungen abläuft (d.h. dass die in einem solchen Konstrukt zu nutzende Frequenzdifferenz sehr klein sein muss, z.B. 1Hz, 0,1Hz, 0,01Hz oder sogar kleiner. D.h., dass u.U. viele Sekunden, Minuten oder sogar Stunden als Messzeit zur Erfassung der gesamten Kurve (23) nötig sind).It can be seen: A single measurement event, to be seen as a snapshot, with a defined displacement position must remain (quasi-) stable for so long that every integration operation carried out at this setting position runs under quasi-stable conditions (i.e. the one to be used in such a construct The frequency difference must be very small, e.g. 1Hz, 0.1Hz, 0.01Hz or even smaller. That means that under certain circumstances many seconds, minutes or even hours as the measurement time for recording the entire curve 23 ) are necessary).
zeigt eine erfindungsgemäße Lock-In-Verstärker-Anordnung für eine Ausgestaltung einer solchen Doppelmessung mit einer anschließenden Differenzbildung und die ebenfalls erfindungsgemäße Ausbildung einer Referenz (120) durch eine digitale Schwebungsbildung mit einem D-FlipFlop (124). Diese Anordnung entspricht i.W. der mit dort gezeigten einzelnen Integrationsstufe (21), setzt aber, die Anordnung der weiterentwickelnd, jetzt zwei Integrationsstufen (114) (115) parallel ein; zudem ist eine anschließende Verarbeitung mit einem Operationsverstärker oder einem Komparator (116) und eine Referenzbildung mit einem D-FlipFlop (124) zur Ausbildung eines digitales Schwebungssignal (120) darstellt. shows a lock-in amplifier arrangement according to the invention for an embodiment of such a double measurement with a subsequent subtraction and the creation of a reference also according to the invention ( 120 ) through digital beat generation with a D flip-flop ( 124 ). This arrangement corresponds largely to the with individual integration levels shown there ( 21st ), but continues the arrangement of the further developing, now two levels of integration ( 114 ) ( 115 ) parallel one; In addition, subsequent processing with an operational amplifier or a comparator ( 116 ) and a reference formation with a D flip-flop ( 124 ) to create a digital beat signal ( 120 ) represents.
Diese Anordnung der stellt eine grundsätzliche erfindungsgemäße Messanordnung dar, die in einer realen Ausführung noch geeignet modifiziert werden muss: Ein Generator (101) erzeugt ein Signal (103) mit einer Frequenz f1, das geeignet aufbereitet wird (104), von einem Sendeelement (105) (Antenne, Schallgeber, LED, Laser, usw.) ausgesendet wird (107), an einer entfernt liegenden Objektoberfläche (108) reflektiert und zurückgesendet wird (109), von einem Empfangselement (110) empfangen wird, wieder geeignet aufbereitet wird (113) und so - also nach dem Durchlauf der Strecke - als ein u.U. stark gestörtes Signal (111) zur Auswertung der Phasenlage bereitsteht.This arrangement of the represents a basic measuring arrangement according to the invention, which still has to be suitably modified in a real version: A generator ( 101 ) generates a signal ( 103 ) with a frequency f 1 , which is suitably processed ( 104 ), from a sending element ( 105 ) (Antenna, sounder, LED, laser, etc.) is emitted ( 107 ), on a distant object surface ( 108 ) is reflected and sent back ( 109 ), from a receiving element ( 110 ) is received, is appropriately processed again ( 113 ) and so - after the route has been traversed - as a possibly heavily disturbed signal ( 111 ) is available for evaluating the phase position.
Die beiden Integrationszweige (114) (115) arbeiten parallel und sind jeweils komplementären Teilen einer Periode des Nutzsignals (genauer der Schalteransteuerungsfunktion) zugeordnet.The two integration branches ( 114 ) ( 115 ) work in parallel and are each assigned to complementary parts of a period of the useful signal (more precisely the switch control function).
In dieser schaltet die Schalterfunktion (126) als Um-Schalter das Signal (111) von dem einen Signalweg mit einem ersten Integrator (115) (unten) auf einen anderen Signalweg mit einem zweiten Integrator (114) um. Daraus ergibt sich ein zweites Signal (121), das in gleicher Weise wie das erste Signal (122) aus einer Integration (115) zu einer bestimmten Schalter-Ansteuerungs-Phasenlage (127) (126) gewonnen wird. Damit liegen zwei aus jeweils einer Integration stammende Signale (121) (122) vor, die komplementären Phasenlagen der Schalteransteuerung zugeordnet sind.In this switches the switch function ( 126 ) as a toggle switch the signal ( 111 ) from one signal path with a first integrator ( 115 ) (below) to another signal path with a second integrator ( 114 ) around. This results in a second signal ( 121 ), which is the same as the first signal ( 122 ) from an integration ( 115 ) to a certain switch control phase position ( 127 ) ( 126 ) is won. This means that there are two signals from one integration each ( 121 ) ( 122 ), the complementary phase positions of the switch control are assigned.
Die in gezeigte (erste) Schalterstellung schaltet das Signal auf den Integrator (114); diese Schalterstellung wurde in mit den oberhalb der Signale dargestellten Intervallen (28) (29) symbolisch dargestellt und wurde dazu beschrieben. Die in auch dargestellten (komplementären) Intervalle (30) (31) gehören zur zweiten Schaltposition des Schalters (126), bei der das Signal (111) auf einen zweiten Integrator (115) geschaltet wird.In the The (first) switch position shown switches the signal to the integrator ( 114 ); this switch position was in with the intervals shown above the signals ( 28 ) ( 29 ) symbolically and was described for this purpose. In the also shown (complementary) intervals ( 30th ) ( 31 ) belong to the second switching position of the switch ( 126 ) where the signal ( 111 ) to a second integrator ( 115 ) is switched.
Die Ausgangssignale (121) (122) der Integratoren (114) (115) liegen (bzgl. der Anteile aus dem Nutzsignal) also aus um 180° versetzten Zugriffen vor. Die beiden, an den beiden Integratorausgängen sich ergebenden Signale (121) (122) stellen je eine der zur beschrieben Kurven (23) bereit. Bei der jeweils geeigneten Einstellung der Phasenlage des Ansteuerungssignals (127) kommt es z.B. in dem einen Integratorzweig (114) zu einem Maximum im Kurvenverlauf (23), im komplementären Zweig (115) kommt zum gleichen (Mess-)Zeitpunkt ein Minimum vor. Es ist erkennbar, dass dann, wenn die eine Kurve ein Maximum aufweist, die andere Kurve ein Minimum aufweisen wird und umgekehrt. Beide Kurvenelemente (Minima oder Maxima) der Kurvenverläufe, aber auch die Kurven insgesamt, sind zur Bestimmung der Phasenlage des Nutzsignals im gestörten Signal geeignet. Beide Kurven zusammen bieten einiges an Vorteilen gegenüber einer nur einzelnen Kurve, in der Minimum und/oder Maximum bestimmt werden.The output signals ( 121 ) ( 122 ) of the integrators ( 114 ) ( 115 ) are available (with regard to the components from the useful signal) from accesses offset by 180 °. The two signals resulting at the two integrator outputs ( 121 ) ( 122 ) each provide one of the described curves ( 23 ) ready. With the appropriate setting of the phase position of the control signal ( 127 ) it occurs e.g. in the one integrator branch ( 114 ) to a maximum in the curve ( 23 ), in the complementary branch ( 115 ) a minimum occurs at the same (measurement) time. It can be seen that when one curve has a maximum, the other curve will have a minimum and vice versa. Both curve elements (minima or maxima) of the curve courses, but also the curves as a whole, are suitable for determining the phase position of the useful signal in the disturbed signal. Both curves together offer a number of advantages over just a single curve in which the minimum and / or maximum are determined.
Die Differenz aus diesen beiden Integrationswert-Verläufen (vgl. z.B. in ) würde ebenfalls ein Maximum zeigen; ein solcher Differenzwert bildet also ebenfalls ein nutzbares Signal aus, gleichwertig wie die Kurve (23) aus . Diese Differenzbildung weist einen nicht nur theoretisch wichtigen Vorteil auf: Da beide Integrationsstufen mit dem gleichen Signal, d.h. auch mit einem evtl. vorhandenen gleichen Offsetanteil des Signals (111) arbeiten (wenn ein solcher vorhanden ist), fallen die durch einen solchen evtl. vorhandenen Offset im Signal (111) verursachten Fehlerwerte aus diesem Differenzsignal (zunächst einmal nur rechnerisch) wieder heraus.The difference between these two integration value curves (see e.g. in ) would also show a maximum; such a difference value also forms a usable signal, equivalent to the curve ( 23 ) out . This difference formation has an advantage that is not only theoretically important: Since both integration stages with the same signal, i.e. also with a possibly existing same offset component of the signal ( 111 ) work (if there is one), the by such a possibly existing offset in the signal ( 111 ) caused error values from this difference signal (initially only mathematically) out again.
Grundsätzlich kann man erkennen: Im Bereich zwischen diesen beiden Min/Maxpositionen werden von den Integratoren Werte ermittelt, die zwischen den jeweiligen minimalen und den jeweiligen maximalen Wert liegen. Da die erfindungsgemäße Anordnung komplementäre Intervalle für die Integration vorsieht und diese jeweils unmittelbar aufeinander folgen, wird dadurch jeweils nach dem Durchlauf einer halben Periode, die jeweils komplementäre Situation vorliegen: Dort, wo zu einer gegeben Schalter-Phasenlage vorher ein Maximum vorlag, wird jetzt ein Minimum liegen und umgekehrt. Irgendwo zwischen diesen beiden Situationen bzw. Signallagen bzw. Schalterphasenlage muss zwangsläufig eine Umkehrung der Polarität der Integralwerte aus dem Nutzsignal stattfinden, also im Differenzsignal ein Nullpunkt vorliegen. Der Zeitpunkt, zu dem dieser Nulldurchgang stattfindet, ist eindeutig, hängt aber auch von der Art des Signals ab: Wenn das Signal sinusförmig ist, wird dieser Zeitpunkt genau mittig liegen, bei symmetrischen Funktionen ebenfalls.Basically you can see: In the area between these two min / max positions, the integrators determine values that lie between the respective minimum and the respective maximum value. Since the arrangement according to the invention provides complementary intervals for the integration and these follow each other directly, each time after the passage of half a period the complementary situation is present: where there was previously a maximum for a given switch phase position, a Minimum and vice versa. Somewhere between these two situations or signal positions or switch phase position, the polarity of the integral values from the useful signal must necessarily be reversed, that is to say a zero point must be present in the difference signal. The point in time at which this zero crossing takes place is clear, but it also depends on the type of signal: If the signal is sinusoidal, this point in time will be exactly in the middle, as is the case with symmetrical functions.
Der 0-Durchgang im Kurvenverlauf der Differenz, der z.B. mit Komparatoren (116) direkt aus den beiden Kurvenverläufen ermittelt werden kann und ein digitales Signal ergibt, ist also ein eindeutiges Kurvenmerkmal, das ebenfalls die Phasenlage des Nutzsignals im gestörten Signal wiedergeben kann. Der Zeitraum zwischen diesem eindeutigen Messwertergebnis und der digitalen Schwebung (120) (bezogen auf die Flanken im wechselseitigen Verhältnis) kann also ebenfalls als das eigentliche Messergebnis angesehen und genutzt werden.The 0 passage in the curve progression of the difference, which is e.g. 116 ) can be determined directly from the two curves and results in a digital signal, is therefore a clear curve feature that can also reflect the phase position of the useful signal in the disturbed signal. The period between this clear measurement result and the digital beat ( 120 ) (based on the flanks in mutual relationship) can also be viewed and used as the actual measurement result.
Wenn nun das Ansteuerungssignal (127) für die Ansteuerung des Umschalters (126) erfindungsgemäß aus einem zweiten Generator (102) gewonnen wird, dessen Taktfrequenz f2 mit der Frequenz f1 des ersten Generators (101) „lediglich fast“ übereinstimmt, liegt eine erfindungsgemäße, sich selbst automatisch durchstimmende, also die Kurvenverläufe (23) automatisch ermittelnde, mittels einer digitalen Schwebung eindeutig referenzierbare Lock-In-Verstärker-Anordnung vor. Das (sehr niederfrequente) Referenzsignal wird in mit einem D-FlipFlop (124) aus den (evtl. sehr hochfrequenten) Taktsignalen der beiden Generatoren (101) (102) gewonnen. Die Differenzbildung mittels Komparator oder Operationsverstärker (116) liefert ein analoges oder digitales Signal das als Messsignal zu sehen ist und das anhand der Referenz genau eingeordnet werden kann.If the control signal ( 127 ) for controlling the switch ( 126 ) according to the invention from a second generator ( 102 ) is obtained whose clock frequency f 2 with the frequency f 1 of the first generator ( 101 ) "Only almost" matches, there is an inventive, self-tuning automatically, that is, the curve progressions ( 23 ) automatically ascertaining lock-in amplifier arrangement that can be clearly referenced by means of a digital beat. The (very low-frequency) reference signal is shown in with a D flip-flop ( 124 ) from the (possibly very high-frequency) clock signals of the two generators ( 101 ) ( 102 ) won. The difference formation using a comparator or operational amplifier ( 116 ) delivers an analog or digital signal that can be seen as a measurement signal and that can be precisely classified using the reference.
Dies stellt die erfindungsgemäße Verbindung der Technik des Lock-In-Verstärkerkonzepts mit der digitalen Schwebungsbildung dar: Das digitale Schwebungssignal (120) wird mit einem D-FlipFlop (124) aus dem Signal (118) des ersten Generators (101) und dem Signal (117) des zweiten Generators (102) erzeugt. Das Signal des zweiten Generators (102) mit der Frequenz f2, das in nicht zur Aussendung kommt, wird als Ansteuerungssignal (127) für die Schalterfunktion (126) und auch zur Ausbildung des digitalen Schwebungssignals (120) genutzt.This represents the connection according to the invention of the technology of the lock-in amplifier concept with digital beat generation: The digital beat signal ( 120 ) is used with a D flip-flop ( 124 ) from the signal ( 118 ) of the first generator ( 101 ) and the signal ( 117 ) of the second generator ( 102 ) generated. The signal from the second generator ( 102 ) with frequency f 2 , which in is not transmitted, the control signal ( 127 ) for the switch function ( 126 ) and also for the formation of the digital beat signal ( 120 ) used.
Da alle Vorgänge mit der Periode der Frequenzdifferenz sich wiederholen werden, haben der Kurvenverlauf (23) und das Signal der digitalen Schwebung gleiche Perioden. Die Phasenlage eines Nutzsignals in einem stark verrauschten Signal relativ zum Generatorsignal kann mittels Lock-In-Verstärker und digitaler Schwebung als Referenz jetzt auf eine Interpretation der Lage von Flanken von digitalen Signalen zurückgeführt werden.Since all processes will repeat themselves with the period of the frequency difference, the curve shape ( 23 ) and the signal of the digital beat with equal periods. The phase position of a useful signal in a very noisy signal relative to the generator signal can now be traced back to an interpretation of the position of edges of digital signals by means of a lock-in amplifier and digital beat as a reference.
An den Ausgängen (121) (122) der Integratoren (114) (115) stehen gewissermaßen die Integrationswerte von zwei Lock-In-Verstärkeranordnungen mit den sich zu komplementären Signalteilen ausbildenden Kurven (23) bereit, aus denen mittels Komparator oder Operationsverstärker (116) der Differenzwert (123) berechnet oder genutzt werden kann. Unter Nutzung eines Komparators (116) kann aus den gegenläufig verlaufenden Kurven an den Ausgängen der Integratoren (121) (122) also ein eindeutiges digitales Signal (123) gewonnen werden, das die Lage des Nutzsignals im empfangenen Signal (111) eindeutig repräsentiert. Dieses Signal (123), das in Relation zum Referenzsignal (120) der digitalen Schwebung genau eingeordnet werden kann, gibt die Laufzeit des Nutzsignals, gemessen von seiner Erzeugung durch den Generator (101) bis zum aufbereiteten Signal (111), mit genauer Auflösung wieder.At the exits ( 121 ) ( 122 ) of the integrators ( 114 ) ( 115 ) to a certain extent, the integration values of two lock-in amplifier arrangements with the curves that form complementary signal parts ( 23 ) ready, from which a comparator or operational amplifier ( 116 ) the difference value ( 123 ) can be calculated or used. Using a comparator ( 116 ) can be derived from the opposing curves at the outputs of the integrators ( 121 ) ( 122 ) so a unique digital signal ( 123 ), which shows the position of the useful signal in the received signal ( 111 ) clearly represented. This signal ( 123 ), which in relation to the reference signal ( 120 ) of the digital beat can be classified exactly, gives the runtime of the useful signal, measured from its generation by the generator ( 101 ) to the processed signal ( 111 ), with exact resolution again.
Eine ausreichend (sehr) kleine Frequenzdifferenz zwischen den Generatorsignalen (101) (103) bzw. (102) (127) vorausgesetzt, wird sich auch mit den Ausgangssignalen (121) (122) der Integrator-Stufen (114) (115)
- - ein Minimal-Integralwert dann einstellen, wenn die Schalterstellung (126) für die Signalzuführung auf die nachfolgende Integratorstufe so ist, dass immer die Minimalwerte des Nutzsignals im gestörten Signal der Integration zugeführt werden, bzw.
- - ein Maximal-Integralwert einstellen, wenn die Schalterstellung (1126) für die Integrator-Signalzuführung so ist, dass immer die Maximalwerte des Nutzsignals im gestörten Signal der Integration zugeführt werden,
A sufficiently (very) small frequency difference between the generator signals ( 101 ) ( 103 ) or. ( 102 ) ( 127 ) provided, the output signals ( 121 ) ( 122 ) of the integrator levels ( 114 ) ( 115 ) - - set a minimum integral value when the switch position ( 126 ) for the signal feed to the subsequent integrator stage is such that the minimum values of the useful signal in the disturbed signal are always fed to the integration, or
- - Set a maximum integral value if the switch position ( 1126 ) for the integrator signal feed is such that the maximum values of the useful signal in the disturbed signal are always fed to the integration,
Vorausgesetzt wird, dass das System eine solche Phasenlage über einen ausreichend langen Zeitraum für eine Beobachtung (quasi-)stabil halten kann.It is assumed that the system has such a phase position over a sufficiently long period Can keep the period for an observation (quasi-) stable.
Da diese Frequenzdifferenz der Generatorsignale (117) (118) bzw. (103) (127) ausreichend klein (z.B. 0,010 Hz) gewählt werden kann, werden alle zu einer kompletten Messung gehörenden Vorgänge automatisch mit der Periode der Differenzfrequenz der Generatoren durchfahren.Since this frequency difference of the generator signals ( 117 ) ( 118 ) or. ( 103 ) ( 127 ) can be selected to be sufficiently small (e.g. 0.010 Hz), all processes belonging to a complete measurement are automatically run through with the period of the differential frequency of the generators.
Wie zu Beginn ausgeführt, können unter dem Begriff Lock-In-Verstärker unterschiedliche technische Konstrukte gefunden werden. Obwohl in der Wirkung und nach geeigneter Interpretation auch bzgl. der Funktionalität evtl. vergleichbar, aber nicht identisch, wird die Technik der Lock-In-Verstärkern oft begrifflich nicht einheitlich und eindeutig zugeordnet genutzt. Aus diesem Grund soll hier definiert werden, welche Komponenten ein „Lock-In-Verstärker“ aufweist bzw. welche Komponenten hier zusammengefasst werden sollen, die unter dem Begriff „Lock-In-Verstärker“ (als Modul) gesehen werden sollen und was in einer Lock-In-Verstärker-Anordnung als zusätzliche Komponenten nötig sind:
- Per Definition soll, dem Signalverarbeitungsverlauf folgend (vgl. ), unter einem Lock-In-Verstärker umfassend verstanden werden:
- - Komponenten mit einem Signalzuführungspunkt, an dem die gestörte, bereits geeignet aufbereitete, evtl. schon verstärkte und gefilterte Messsignalfunktion (111) dem Lock-In-Verstärker als zu analysierende Funktion zugeführt wird, (hier kann auch ein Filter zur Sperre für Signalanteile oder andere Zusätze vorgesehen werden, die nicht bei f1 liegen).
- - Ein Signalzuführungspunkt, an dem ein Signal (127) zur Steuerung einer Schalterfunktion (126) (Schalteransteuerungssignal oder Referenzsignal) zugeführt wird,
- - wodurch mit der Schalterfunktion (126) komplementäre Teile der Messsignalfunktion (111) für je eine Hälfte einer (Schalter-)Periode einem von zwei gleich aufgebauten Signalwegen mit je einem Integrator abwechselnd (sich periodisch wiederholend) zuführt wird,
- - in denen die (mindestens ein, i.a.) zwei Integratoren (114) (115) die komplementären Abschnitte des Signals (111) jeweils integrieren und über einen längeren Zeitraum summieren, wodurch zwei in gleicher Weise ausgewertete, aus um 180° verschobenen Phasenlage der Schalteransteuerung (127) stammende Signale (121) (122) entstehen, die als Zwischensignale zu sehen sind, aber natürlich auch zur weiteren Verarbeitung bereitgestellt werden können,
- - woraus ein Komparator (oder Operationsverstärker) (116) durch Vergleich der beiden Signale (121) (122) ein analoges, bevorzugt aber ein digitales Signal (123) bereitstellt, für das
- - ein Signalabführungspunkt (123) vorgesehen ist, der als Ausgang des Lock-In-Verstärkers das bevorzugt digitale Signal nach außen zur Weiterverarbeitung führt.
As stated at the beginning, different technical constructs can be found under the term lock-in amplifier. Although the effect and, after suitable interpretation, may also be comparable in terms of functionality, but not identical, the technology of lock-in amplifiers is often used in a conceptual manner that is not uniformly and clearly assigned. For this reason, the aim here is to define which components a "lock-in amplifier" has or which components are to be summarized here that are to be seen under the term "lock-in amplifier" (as a module) and what is in a Lock-in amplifier arrangement required as additional components: - By definition, following the signal processing sequence (cf. ), to be understood comprehensively as a lock-in amplifier:
- - Components with a signal feed point at which the disturbed, already suitably processed, possibly already amplified and filtered measurement signal function ( 111 ) is fed to the lock-in amplifier as a function to be analyzed (a filter for blocking signal components or other additions which are not at f 1 can also be provided here).
- - A signal injection point at which a signal ( 127 ) to control a switch function ( 126 ) (Switch control signal or reference signal) is supplied,
- - whereby with the switch function ( 126 ) complementary parts of the measurement signal function ( 111 ) is fed alternately (periodically repeating) to one of two identically structured signal paths with an integrator for each half of a (switch) period,
- - in which the (at least one, generally) two integrators ( 114 ) ( 115 ) the complementary sections of the signal ( 111 ) each integrate and add up over a longer period of time, whereby two evaluated in the same way, from the phase position of the switch control shifted by 180 ° ( 127 ) originating signals ( 121 ) ( 122 ) that can be seen as intermediate signals, but of course can also be made available for further processing,
- - from which a comparator (or operational amplifier) ( 116 ) by comparing the two signals ( 121 ) ( 122 ) an analog, but preferably a digital signal ( 123 ) provides for the
- - a signal removal point ( 123 ) is provided, which as the output of the lock-in amplifier leads the preferably digital signal to the outside for further processing.
Der Rest der Schaltungsanordnung der wird als nicht zum Lock-In-Verstärker gehörig angesehen, gehört aber natürlich in einer Anwendung zu einer erfindungsgemäßen Lock-In-Verstärker-Anordnung. Die Gesamtschaltung der stellt eine Anwendungsschaltung (Lock-In-Verstärker-Anordnung) unter Nutzung eines Lock-In-Verstärkers dar (angemerkt sei, dass primär keine Verstärkung stattfindet). Der Lock-In-Verstärker wird hier in einer Schaltungsumgebung, also der Lock-In-Verstärker-Anordnung, eingesetzt, in der
- - zwei Generatoren vorgesehen werden,
- - die digitale Taktsignale mit einem nur geringen Frequenzunterschied erzeugen.
- - Aus einem der beiden Taktsignale wird ein Messsignal abgeleitet, das für eine Messung auf mindestens einer Messstrecke genutzt wird.
- - Aus dem digitalen Taktsignal des jeweils anderen Generators, aus dem nicht das zur Messung auf der Messstrecke genutzte Signal abgeleitet wird, wird ein Schalter-Ansteuerungssignal abgeleitet, das eine Schalterfunktion des Lock-In-Verstärkers zur periodisch-komplementären Entnahme von Messsignal-Abschnitten zur Weiterleitung auf nachgeschaltete Integratoren ansteuert.
- - Zudem wird mindestens ein digitales Schwebungssignal aus den beiden Taktsignalen der Generatoren gewonnen, das als Referenz genutzt wird.
The rest of the circuitry of the is regarded as not belonging to the lock-in amplifier, but naturally belongs in one application to a lock-in amplifier arrangement according to the invention. The overall circuit of the shows an application circuit (lock-in amplifier arrangement) using a lock-in amplifier (it should be noted that primarily no amplification takes place). The lock-in amplifier is used here in a circuit environment, that is to say the lock-in amplifier arrangement, in which - - two generators are provided,
- - which generate digital clock signals with only a small frequency difference.
- - A measurement signal is derived from one of the two clock signals, which is used for a measurement on at least one measurement section.
- - From the digital clock signal of the respective other generator, from which the signal used for the measurement on the measurement section is not derived, a switch control signal is derived that a switch function of the lock-in amplifier for periodically complementary extraction of measurement signal sections Controls forwarding to downstream integrators.
- - In addition, at least one digital beat signal is obtained from the two clock signals of the generators, which is used as a reference.
Damit liegt eine sehr einfach zu realisierende Lock-In-Verstärker-Anordnung vor, die aber immer noch das Problem eines Offsets auf einem Signal (111) aufweist: Eine Offsetspannung auf dem Signal (111) wird jeden der beiden Integratoren (114) (115) mehr oder weniger schnell in die Sättigung treiben; damit versagt die Bestimmung des Signals (123) bei einem fortlaufenden Betrieb dann doch sehr schnell. Am Markt sind für derartige Fälle zwar rücksetzbare Integratoren vorhanden, deren Einsatz ist aber teuer, nicht einfach und nicht unproblematisch.This creates a lock-in amplifier arrangement that is very easy to implement, but still has the problem of an offset on a signal ( 111 ) has: An offset voltage on the signal ( 111 ) each of the two integrators ( 114 ) ( 115 ) drive more or less quickly to saturation; thus the determination of the signal fails ( 123 ) then very quickly with continuous operation. Resettable integrators are available on the market for such cases, but their use is expensive, not easy and not unproblematic.
In diesem technischen Rahmen und Umfeld ist es Aufgabe der Erfindung, einen Lock-In-Verstärker auf der Basis der erfindungsgemäßen Anordnung der mit Schalterfunktion (126) weiterzuentwickeln und anzugeben, bei dem die Auswertung eines Messsignals (111) mittels zweier Integratorfunktionalitäten (114) (115) mit anschließender Differenzbildung durch Komparator (116) oder Operationsverstärker zur Ausbildung eines analogen oder digitalen Differenzsignals (123) möglichst einfach und resistent gegen Offsetspannungen auf dem Signal (111) erreicht werden kann.In this technical framework and environment, it is the object of the invention to provide a lock-in amplifier based on the inventive arrangement of the with switch function ( 126 ) to be further developed and to indicate in which the evaluation of a measurement signal ( 111 ) by means of two integrator functionalities ( 114 ) ( 115 ) with following Difference formation by comparator ( 116 ) or operational amplifier for generating an analog or digital differential signal ( 123 ) as simple as possible and resistant to offset voltages on the signal ( 111 ) can be reached.
Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Details des Anspruchs 1, insbesondere dadurch, dass die integrierende Funktion eines technischen Elements, z.B. einer Kapazität, zur Integrationsbildung genutzt wird und eine Richtungsumschaltung für das integrierende Element (1 14) (115) mittels einer Brücken- oder Wechselschaltung so erfolgt, dass das zu analysierendes Messsignal (111) das integrierende Element während der komplementär definierten Zeiten zwecks Differenzbildung in abwechselnder Richtung durchlaufen muss, wobei das Schalteransteuerungssignal des Lock-In-Verstärkers jetzt diese Brücken- oder Wechselschaltung steuert.This object is achieved with the characterizing details of claim 1, in particular in that the integrating function of a technical element, e.g. a capacitance, is used to form the integration and a change of direction for the integrating element ( 1 14th ) ( 115 ) is carried out by means of a bridge or changeover circuit in such a way that the measurement signal to be analyzed ( 111 ) the integrating element has to pass through in alternating directions during the complementary defined times for the purpose of forming the difference, the switch control signal of the lock-in amplifier now controlling this bridge or changeover circuit.
zeigt noch einmal die gemäß Aufgabe weiterzuentwickelnde technische Anordnung: Das zu analysierende Signal wird bei (177) für die Auswertung bereitgestellt, die Schalterfunktion (136) entnimmt aus diesem Signal (177) komplementäre Signalabschnitte und schaltet diese auf die Integratoren (178) (179), hinter denen eine Differenzbildung (182) mit Operationsverstärker oder Komparator das (digitale) Signal (186) bereitstellt. Ein Offset auf dem Signal (177) könnte am Ausgang der Integratoren (178) (179) schnell zu einem Überlauf führen; es werden in einer solchen Anordnung der also weitere Maßnahmen zu treffen sein, um die Funktion der Integration mit anschließender Differenzbildung wirklich realisieren zu können. shows once again the technical arrangement to be further developed according to the task: The signal to be analyzed is at ( 177 ) provided for the evaluation, the switch function ( 136 ) takes from this signal ( 177 ) complementary signal sections and switches them to the integrators ( 178 ) ( 179 ), behind which a difference formation ( 182 ) with operational amplifier or comparator the (digital) signal ( 186 ) provides. An offset on the signal ( 177 ) could be at the output of the integrators ( 178 ) ( 179 ) quickly lead to an overflow; in such an arrangement the so further measures have to be taken in order to really be able to realize the function of integration with subsequent difference formation.
Für eine in unten angedeutete alternative Lösung, in der jeweils die komplementären Signalanteile zunächst auf Tiefpässe (a) (b) mit relativ hoher Grenzfrequenz geschaltet werden, aus diesen tiefpassgefilterten Signalen dann zunächst (analog) eine Differenz (d) (Offsetauswirkungen werden so frühzeitig eliminiert) gebildet wird und erst mit dieser Differenz (e) die eigentliche Integration (c) nachgebildet wird, gilt u.U. gleiches. Auf dem Stand der Technik stehen dafür rückstellbar schaltbare Integrator-Bausteine zur Verfügung; der Aufwand für deren Einsatz ist aber nicht unerheblich.For an in Alternative solution indicated below, in which the complementary signal components are initially switched to low-pass filters (a) (b) with a relatively high cut-off frequency, and a difference (d) is then initially (analog) formed from these low-pass filtered signals (offset effects are eliminated at an early stage) and only with this difference (e) the actual integration (c) is simulated, the same may apply. Resettable, switchable integrator modules are available for this purpose in the prior art; however, the effort involved in using them is not insignificant.
und zeigen erfindungsgemäße Konstruktionen mit erweiterter Umschaltfunktion und einem integrierenden Element (144), beispielhaft eine Kapazität in einer Brücken- oder Wechselschaltung, die sowohl die Integration als auch die Differenzbildung nachbilden. Die Auswertung weist die Probleme der Offsetfehler und der Elektronikbegrenzung i.W. nicht mehr auf. and show constructions according to the invention with an extended switching function and an integrating element ( 144 ), for example a capacitance in a bridge or changeover circuit that simulates both the integration and the difference formation. The evaluation no longer shows the problems of offset errors and electronics limitation.
zeigt eine erste Anordnung, mit der das erreicht werden kann: der Strom eines stark gestörten Signals (140), z.B. der Stromfluss einer Fotodiode, wird mittels eines ersten Umschalters (142) durch einen Kondensator (144) (in der hier gezeigten Schalterstellung von oben nach unten (148)) und weiter über einen zweiten Umschalter (143) gegen ein definiertes Potential, hier GND, geleitet. Die Umschalter (142) (143) werden vom gleichen Schalter-Ansteuerungssignal (141) gesteuert, so dass die beiden Schalter (142) (143) stets gleichzeitig in ihren jeweils komplementären Schaltzustand wechseln. Im umgeschalteten Schalterzustand wird der Strom von unten nach oben (149), d.h. in Gegenrichtung, durch den Kondensator (144) geleitet. shows a first arrangement with which this can be achieved: the current of a highly disturbed signal ( 140 ), e.g. the current flow of a photodiode, is controlled by a first switch ( 142 ) through a capacitor ( 144 ) (in the switch position shown here from top to bottom (148)) and further via a second switch ( 143 ) against a defined potential, here GND. The switches ( 142 ) ( 143 ) are from the same switch control signal ( 141 ) controlled so that the two switches ( 142 ) ( 143 ) always change to their complementary switching state at the same time. When the switch is switched, the current is from bottom to top (149), i.e. in the opposite direction, through the capacitor ( 144 ) directed.
Im Kondensator (144) bewirkt das Signal, das hier durch einen fließenden Strom repräsentiert wird, wegen dUc(t)*C=ic(t)*dt eine Spannungsänderung gemäß Uc(t)=(1/ C)*∫ic(t)*dt. Das heißt, der Kondensator bildet stets eine dem Integral des Stromflusses entsprechende Spannung an den Kondensatoranschlüssen aus. Da zwei aufeinander folgende komplementäre Intervallabschnitte jeweils in unterschiedlicher Richtung durch den Kondensator fließen, wird jeweils die Differenz der beiden aufeinander folgenden Integralwerte gebildet. Wird also eine Schaltung gemäß in einer Lock-In-Verstärker-Anordnung eingesetzt (vgl. auch ) dann wird sowohl die Integration eines Signals, als auch die anschließende Differenzbildung unmittelbar nachgebildet.In the condenser ( 144 ) the signal, which is represented here by a flowing current, causes a voltage change due to dU c (t) * C = i c (t) * dt according to Uc (t) = (1 / C) * ∫i c (t) * German This means that the capacitor always forms a voltage at the capacitor terminals that corresponds to the integral of the current flow. Since two successive complementary interval segments each flow through the capacitor in different directions, the difference between the two successive integral values is formed. So if a circuit according to used in a lock-in amplifier arrangement (see also ) then both the integration of a signal and the subsequent difference formation are simulated immediately.
Mit der Darstellung von kann das interpretiert werden: Während des Intervalls (28) fließt das Signal (58) z.B. in der einen Richtung durch die Kapazität. Die mit dem Strom in die Kapazität fließende Ladung wird gesammelt und eine der Fläche des Signalabschnitts proportionale Spannungsdifferenz baut sich am Kondensator auf. Unmittelbar nach der Umschaltung, bei der sich die Stromflussrichtung der Kapazität umkehrt und die jetzt das Integrationsintervall (30) darstellt, fließt das Signal (58) in umgekehrter (negativer) Richtung durch die Kapazität. Wieder wird die fließende Ladung integriert und am Kondensator eine zur Fläche des Signalabschnitts (30) proportionale Spannungsdifferenz aufgebaut. Da in der kurzen Zeit von zwei jeweils aufeinander folgenden komplementären Zeitabschnitten, also der Intervalle (28) (30), der Strom in jeweils gegensätzliche Richtung durch die Kapazität fließt bildet sich eine Signaldifferenz schon während einer Periode des (hochfrequenten) Signals aus. Ist der Duty-Cycle 50% kann auch kein fehlerhafter Differenzanteil entstehen.With the representation of can this be interpreted: During the interval ( 28 ) the signal flows ( 58 ) eg in one direction through the capacity. The charge flowing into the capacitance with the current is collected and a voltage difference proportional to the area of the signal section builds up on the capacitor. Immediately after the switchover, in which the direction of current flow of the capacitance is reversed and which is now the integration interval ( 30th ), the signal flows ( 58 ) in the opposite (negative) direction through the capacitance. Again the flowing charge is integrated and on the capacitor an area of the signal section ( 30th ) proportional voltage difference built up. Since in the short time of two consecutive complementary time segments, i.e. the intervals ( 28 ) ( 30th ), the current flows through the capacitance in opposite directions, a signal difference forms during one period of the (high-frequency) signal. If the duty cycle is 50%, there can be no incorrect difference.
Es erfolgt also gleichzeitig sowohl eine Integration als auch eine Differenzbildung. Die Anordnung der hat neben der besonderen Einfachheit der Realisation einige weitere Vorzüge:
- 1. Treten Fehler, die aus Offsetanteilen des Signals (140) stammen, kaum noch auf, weil in den komplementären Schalterzuständen durch den gleichen Kondensator der exakt gleiche Offsetstrombetrag in beiden Richtungen fließen wird. Dieser Fehler wird sich i.W. während einer Periode bereits gegenseitig aufheben.
- 2. Treten Fehler, die bei realen tiefpassorientierten Integratoren (z.B. zum Aufbau der beiden Integratoren (178) (179) mit toleranzbehafteten Bauteilen) entstehen können, kaum noch auf:
- Da während der komplementären Schalterzustände der Signalstrom jeweils durch den exakt gleichen Kondensator fließt, ist auch der Faktor C-1 bei der Integrationsbildung exakt gleich und wird nicht durch die Toleranz von Bauteilen unterschiedlich.
- 3. Da komplementäre Schaltzustände immer unmittelbar aufeinander folgen, werden i.a. große Differenzwerte, die die Elektronik eines Integrators in die Sättigung treiben, gar nicht erst auftreten.
So there is both an integration and a difference formation at the same time. The arrangement of the In addition to the particular simplicity of implementation, it has some other advantages: - 1.If errors occur that result from offset components of the signal ( 140 ) hardly arise, because in the complementary switch states the exact same amount of offset current will flow in both directions through the same capacitor. This error will largely cancel each other out during one period.
- 2. If errors occur that are associated with real low-pass-oriented integrators (e.g. to set up the two integrators ( 178 ) ( 179 ) with components subject to tolerances) can hardly arise on:
- Since the signal current flows through exactly the same capacitor during the complementary switch states, the factor C -1 is exactly the same in the formation of the integration and is not different due to the tolerance of the components.
- 3. Since complementary switching states always follow one another directly, large differential values, which drive the electronics of an integrator into saturation, do not appear in the first place.
Offsetanteile im Signal (111) oder Offsetanteile aus der vor den Integrationsstufen liegenden Elektronik und Offsetanteile aus der Integration werden also irrelevant.Offset components in the signal ( 111 ) or offset components from the electronics before the integration stages and offset components from the integration are therefore irrelevant.
Mit der Spannung am Kondensator (144) liegt also das Integral der Differenzwerte oder die Differenz der Integralwerte bereits vor. Die über dem Kondensator (144) liegende Spannung kann (wieder mittels Komparator oder Operationsverstärker (147)) direkt abgegriffen werden, womit am Ausgang des Komparators (147) wieder das auch mit der Anordnung der mit einem Operationsverstärker (182) gewonnene Signal (186) vorliegt.With the voltage on the capacitor ( 144 ) the integral of the difference values or the difference between the integral values is already available. The one above the capacitor ( 144 ) lying voltage can (again by means of a comparator or operational amplifier ( 147 )) can be tapped directly, whereby at the output of the comparator ( 147 ) again with the arrangement of the with an operational amplifier ( 182 ) obtained signal ( 186 ) is present.
In dieser Anordnung der kann zudem mittels eines Widerstandes (145), der parallel zum Kondensator (144) liegt und mit diesem zusammen eine Tiefpassfunktion realisiert, verhindert werden, dass der Integrator (genauer: dass das die Integration nachbildende Element, das hier durch die Kapazität eines Kondensators vorliegt) den zulässigen Spannungsbereich verlässt. Es ist zu beachten: Die sich damit ergebende Zeitkonstante ist nicht mit den Zeitkonstanten der Lock-In-Verstärker auf dem Stand der Technik zu verwechseln; sie ist von ganz anderer Natur.In this arrangement of the can also be done using a resistor ( 145 ) parallel to the capacitor ( 144 ) and a low-pass function is implemented together with this, prevents the integrator (more precisely: the element that simulates the integration, which is present here due to the capacitance of a capacitor) from leaving the permissible voltage range. Please note: The resulting time constant should not be confused with the time constants of the lock-in amplifier based on the state of the art; it is of a completely different nature.
Wenn ein Operationsverstärker (147) in einer Subtraktionsschaltung genutzt wird, kann der Widerstand (145) auch entfallen und die Tiefpassfunktion in die Gesamtschaltung mit der Kapazität und den Widerständen (146) integriert werden. Diese Schaltung ist besonders einfach, bietet dennoch die gewünschte Funktionalität und ist in erfindungsgemäßen Lock-In-Verstärker-Anordnungen eine bevorzugte Realisation einer Signal-Integration mit anschließender Differenzbildung.When an operational amplifier ( 147 ) is used in a subtraction circuit, the resistance ( 145 ) are also omitted and the low-pass function in the overall circuit with the capacitance and the resistors ( 146 ) to get integrated. This circuit is particularly simple, but nevertheless offers the desired functionality and is a preferred implementation of signal integration with subsequent subtraction in lock-in amplifier arrangements according to the invention.
zeigt eine modifizierte Schaltung, in der die Schalter-Kapazitäts-Anordnung (insgesamt mit c bezeichnet) zusammen mit einer in Reihe liegenden Induktivität (180) in den negativen Rückkopplungsweg eines Operationsverstärkers (178) geschaltet ist. Der Widerstand (152), der Operationsverstärker (178) und der rückkoppelnde Zweig ( ) bilden im Prinzip eine Integrator-Standardschaltung aus, in der aber die integrierende Kapazität (157) ständig mit der Frequenz des Schalteransteuerungs-Signals (181) umgepolt wird. Ausgang ist auch hier die sich am Kondensator (157) ausbildende Spannung. Die Induktivität (180) deutet an, dass für den kurzen Zeitpunkt des Schalterwechsels Maßnahmen zur Glättung notwendig sind. Die durch die Induktivität (157) bedingten notwendigen zusätzlichen Maßnahmen sind nicht dargestellt, weil für das für den erfindungsgemäßen Gedanken nicht relevant ist. Der Widerstand (153) ist zum Ausgleich eines Bias-Stroms sinnvoll. shows a modified circuit in which the switch-capacitance arrangement (denoted as a whole with c) together with an inductance ( 180 ) into the negative feedback path of an operational amplifier ( 178 ) is switched. The resistance ( 152 ), the operational amplifier ( 178 ) and the feedback branch ( ) in principle form a standard integrator circuit, but in which the integrating capacitance ( 157 ) constantly with the frequency of the switch control signal ( 181 ) is reversed. Here, too, the output is at the capacitor ( 157 ) developing tension. The inductance ( 180 ) indicates that smoothing measures are necessary for the short time when the switch is changed. The inductance ( 157 ) Required additional measures are not shown, because this is not relevant for the inventive concept. The resistance ( 153 ) is useful to compensate for a bias current.
Die Spannung über dem Kondensator (144) (157) darf nicht wesentlich belastet werden. Deshalb werden in die Anschlusspunkte der Kapazität durch Impedanzanpassungen (hochohmige Pufferverstärker) (176) (177) abgegriffen. Erst diese Spannungen werden dann subtrahiert (154). Die nur angedeutete Subtraktionsstufe (154) entspricht der in unten dargestellten Operationsverstärker-Standardschaltung (155).The voltage across the capacitor ( 144 ) ( 157 ) must not be significantly burdened. Therefore, in the connection points of the capacitance by means of impedance adjustments (high-impedance buffer amplifiers) ( 176 ) ( 177 ) tapped. Only these voltages are then subtracted ( 154 ). The only indicated subtraction level ( 154 ) corresponds to the in Operational amplifier standard circuit shown below ( 155 ).
Die hier verwendete Kapazität bzw. der dargestellte Kondensator (157) ist i.a. kein diskretes Bauelement, sondern wird zur Vermeidung von Störeffekten, die bei der Richtungsumkehr auftrennen können, durch eine kapazitiv wirkende, aber auch induktive Elemente enthaltende Bauteilkombination realisiert. Das ist mit der Induktivität (180) angedeutet. (Während der kurzen Zeitdauer der Umschaltung, in der die Schalter oder die Schalterfunktion in einem Zwischenzustand sind, liegt praktisch ein unendlich hoher Rückkopplungswiderstand für den Operationsverstärker (178) vor)The capacitance used here or the capacitor shown ( 157 ) is generally not a discrete component, but is implemented by a component combination that acts capacitively, but also contains inductive elements, to avoid interference effects that can break up when the direction is reversed. That's with inductance ( 180 ) indicated. (During the short duration of the switchover, in which the switches or the switch function are in an intermediate state, there is practically an infinitely high feedback resistance for the operational amplifier ( 178 ) in front)
Durch die aufgezeigten erfindungsgemäßen Lock-In-Verstärker-Schaltungen der und kann auf dem Stand der Technik ein Lock-In-Verstärkermodul so weit miniaturisiert werden, dass es als Baugruppe, als Modul, als diskretes Bauteil oder als Integrierte Schaltung (IC) bereitgestellt werden kann. unten recht deutet das bereits an.By the lock-in amplifier circuits of the invention shown and In the prior art, a lock-in amplifier module can be miniaturized to such an extent that it can be provided as an assembly, as a module, as a discrete component or as an integrated circuit (IC). this already suggests at the bottom right.
Da die Einsatzmöglichkeiten von Lock-in-Verstärkern vielfältig sind, kann vorgesehen werden, die verschiedenen Applikationsmöglichkeiten durch ein Baukastensystem zu unterstützen. Indem Module bereitgestellt werden, die in einfacher Weise kombiniert werden können, kann für die jeweilige Anwendung in einfacher Weise eine geeignete Lock-In-Verstärker-Anordnung zusammengestellt werden.Since the application possibilities of lock-in amplifiers are diverse, provision can be made to support the various application possibilities with a modular system. By providing modules that are easy to use can be combined, a suitable lock-in amplifier arrangement can be put together in a simple manner for the respective application.
Dazu kann vorgesehen werden, die beschriebenen typischen Elemente und Funktionen, also die Frequenzerzeugung und die analoge Verarbeitung getrennt zur Verfügung zu stellen, aber für spezielle Anwendungen auch Fertigmodule bereitzustellen.For this purpose, provision can be made for the described typical elements and functions, that is to say the frequency generation and the analog processing, to be made available separately, but also ready-made modules to be made available for special applications.
zeigt dazu Beispiele von Modulen zur Frequenzerzeugung: Die Zuordnung der in den dargestellten Modulen enthaltenen Komponenten ist durch die Beibehaltung der verwendeten Bezeichner unter Beachtung von einfach; Funktionen der Bauelemente können durch die Beschreibung zur nachvollzogen werden. shows examples of modules for frequency generation: The assignment of the components contained in the modules shown is due to the retention of the identifiers used, taking into account easy; Functions of the components can be found in the description for be understood.
Von oben nach unten werden die mit schon dargestellte Funktionen isoliert und immer weiter generalisiert: oben zeigt bzgl. der Signalerzeugung die Gesamtfunktionalität der : das zugehörige Modul (rechts vom Schaltbild mit IC bezeichnet) stellt das Messignal mit einer ersten Signalfrequenz f1 (Pin c) und das Schalter-Ansteuerungssignal mit einer zweiten Signalfrequenz f2 (Pin b) bereit und liefert zudem das Referenzsignal (120) (Pin a) zur exakten Auswertung applikationsspezifischer Parameter. Die Funktionalität der Komponente ist mit bei gleichen Bezeichnungen nachvollziehbar.From top to bottom the with Functions already shown isolated and generalized further and further: above shows the overall functionality of the : the associated module (labeled IC on the right of the circuit diagram) provides the measurement signal with a first signal frequency f1 (pin c) and the switch control signal with a second signal frequency f2 (pin b) and also provides the reference signal ( 120 ) (Pin a) for the exact evaluation of application-specific parameters. The functionality of the component is with understandable if the names are the same.
Mitte zeigt eine Anordnung, bei der das Messsignal von extern zugeführt werden kann. Das zugehörige Modul (rechts vom Schaltbild mit IC bezeichnet) reicht das bei (d) zugeführte Messignal mit einer ersten Signalfrequenz auf den Ausgang (Pin c) weiter. Das benötigte Schalter-Ansteuerungssignal mit der Frequenz f2 (Pin b) wird vom IC-Baustein bereitgestellt. Auch hier wird das Referenzsignal (120) (Pin a) intern gebildet und am Ausgang (Pin a) bereitgestellt. Auch hier kann die Funktionalität durch Vergleich mit nachvollzogen werden. Middle shows an arrangement in which the measurement signal can be supplied externally. The associated module (labeled IC on the right of the circuit diagram) forwards the measurement signal supplied at (d) with a first signal frequency to the output (pin c). The required switch control signal with the frequency f 2 (pin b) is provided by the IC module. Here too the reference signal ( 120 ) (Pin a) formed internally and made available at the output (Pin a). Here, too, the functionality can be compared with be understood.
unten zeigt eine Anordnung, bei der sowohl das Messsignal (Pin d), als auch das Schalter-Ansteuerungssignal (Pin e) von extern zugeführt werden. Das zugehörige Modul (rechts vom Schaltbild mit IC bezeichnet) reicht die beiden Signale lediglich auf die Ausgänge (Pin c) und (Pin b) weiter, stellt aber auch hier das Referenzsignal (Pin a) bereit. below shows an arrangement in which both the measurement signal (pin d) and the switch control signal (pin e) are supplied externally. The associated module (labeled IC on the right of the circuit diagram) only passes the two signals on to the outputs (pin c) and (pin b), but also provides the reference signal (pin a) here.
Das in der Darstellung jeweils vom (Pin d) nach (Pin c) nur durchgereichte Messsignal kann z.B. im Modul noch aufbereitet werden, so dass das zugeführte Signal digital, das weitergereichte Signal aber analog, z.B. eine Sinusfunktion ist und damit das Messignal der hier definierten erfindungsgemäßen Lock-In-Verstärker-Anordnungen darstellt.That in the representation Measurement signal only passed from (pin d) to (pin c) can, for example, still be processed in the module, so that the supplied signal is digital, but the signal passed on is analog, e.g. a sine function and thus the measurement signal of the lock-in according to the invention defined here Amplifier arrangements.
zeigt Modulbeispiele für die Analogverarbeitung und stellt damit die eigentlichen erfindungsgemäßen Lock-In-Verstärker dar. Hier kann die Zuordnung der in diesen Modulen enthaltenen Komponenten zur und mit der Beschreibung dazu nachvollzogen werden. Das ist hier aber nicht wirklich relevant, da nur die Konzentration aller Baugruppen in einem Modul bzw. einem ASIC oder IC verdeutlicht werden soll. shows module examples for analog processing and thus represents the actual lock-in amplifier according to the invention. Here, the assignment of the components contained in these modules to and can be understood with the description. However, this is not really relevant here, since only the concentration of all assemblies in a module or an ASIC or IC is to be clarified.
Die zu den Schaltungen zugehörigen Module (rechts vom Schaltbild mit IC bezeichnet) bekommen das zu analysierende Signal bei (A) zugeführt, bilden die beschriebenen Operationen „Integration“ und „Differenzbildung“ nach und stellen - wie oben beschrieben - am Ausgang (O) ein der Phasenlage des Nutzsignals im aufgeschalteten Messsignal entsprechendes Signal bereit, das bzgl. des Schalteransteuerungssignals referenziert werden kann. Die Anordnung der unten unterscheidet sich von der oben nur dadurch, dass die benötigte Kapazität extern zugeschaltet werden kann, was - wie oben bereits dargestellt - für eine Signalintegrität u.U. wichtig sein kann.The modules belonging to the circuits (labeled IC on the right of the circuit diagram) receive the signal to be analyzed at (A), simulate the operations described “Integration” and “Difference” and - as described above - set the output ( O ) a signal corresponding to the phase position of the useful signal in the applied measurement signal is ready, which can be referenced with regard to the switch control signal. The arrangement of the below is different from that above only because the required capacity can be switched on externally, which - as already shown above - can possibly be important for signal integrity.
zeigt Modulbeispiele, in denen komplette Lock-In-Verstärker-Anordnungen mit der zugehörigen Umgebung integriert sind. Wie man sehen kann, sind die Module als 6-polige oder 8-polige ICs sehr einfach einzusetzen: zwischen dem Signalausgang M und dem Eingang A liegt jeweils die in der jeweiligen Anwendung benötigte Messstrecke. Das benötigte Schalteransteuerungssignal (c) wird intern, evtl. auch von extern zugeführt. Ausgegeben wird das bzgl. des Referenzsignals (R) mit niedriger Frequenz einzuordnende Signal (O), in dem sich die Phasenlaufzeit, wie oben beschrieben, repräsentiert. shows module examples in which complete lock-in amplifier arrangements are integrated with the associated environment. As you can see, the modules are very easy to use as 6-pin or 8-pin ICs: the measuring section required for the respective application is located between signal output M and input A. The required switch control signal (c) is supplied internally, possibly also externally. The output is related to the reference signal ( R. ) signal to be classified with low frequency ( O ), in which the phase delay is represented as described above.
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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DE 10351416 A1 [0057]DE 10351416 A1 [0057]
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DE 10233604 [0058]DE 10233604 [0058]
