DE4320038C1 - Anordnung zum Bewerten eines Meßsignals nach Betrag und Phase in Bezug auf ein Referenzsignal - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Bewerten eines Meßsignals nach Betrag und Phase in Bezug auf ein Referenzsignal gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 bzw. 3.

Aus den verschiedensten Gebieten der Meßtechnik, insbesondere der optischen Spektroskopie, ist es bekannt, Wechselwirkungen eines Signals mit einer Probe zur Bestimmung der Eigenschaften der Probe auszulösen bzw. diese Wechselwirkungen zu untersu­ chen. Zur Erhöhung der Empfindlichkeit darauf abgestellter Meßverfahren bzw. zur Verbesserung der Selektivität kann das benutzte Signal, z. B. Laserlicht in geeigneter Form moduliert werden.

Beispielsweise werden in der optischen Absorptionsspektro­ skopie Diodenlaser zur Untersuchung von z. B. Gasproben einge­ setzt und der Diodenlaser über den Injektionsstrom moduliert. Das hochfrequent modulierte Signal durchläuft dann z. B. eine mit dem zu untersuchenden Gas gefüllte Meßzelle und tritt in Wechselwirkung mit den dort befindlichen Gasmolekülen. Die spektralen Merkmale des in der Meßzelle befindlichen Gases oder Gasgemisches werden dann über einen optoelektronischen Detektor aufgenommen und mittels eines phasenempfindlichen Empfängers untersucht. Senderseitig wird ein Referenzsignal zur phasenempfindlichen Detektion bereitgestellt.

Zusammenfassend wird also ein hochfrequent moduliertes Signal auf eine Übertragungsstrecke geleitet, wo dieses Signal in Wechselwirkung mit einer Probe tritt. Ausgangsseitig der Über­ tragungsstrecke wird ein Detektorsignal gewonnen, welches nach Betrag und/oder Phase untersucht wird, um auf die Eigenschaf­ ten der Probe zu schließen.

Ein Verfahren zur Bewertung eines Meßsignales nach Betrag und Phase in Bezug auf ein Referenzsignal ist mit einem sogenann­ ten Lock-In Verstärker realisierbar. Ein derartiger Verstärker besteht im allgemeinen aus einem phasengesteuerten Gleichrich­ ter mit einem nachgeschalteten Tiefpaß. In der Anwendung er­ gibt sich eine Bandpaßcharakteristik, deren Mittenfrequenz durch die Referenzfrequenz und deren Bandbreite durch die Grenzfrequenz des Tiefpasses gegeben ist. Wie beschrieben, werden derartige Lock-In Verstärker in der selektiven Pegel­ meßtechnik eingesetzt.

Aus der EP 0 025 491 B1 ist ein Verfahren und eine Anordnung zur Untersuchung der spektralen Eigenschaften einer Probe be­ kannt. Die dort beschriebene Lehre löst das Problem der Fest­ stellung spektraler Merkmale mit einer charakteristischen Fre­ quenz in einer Probe auf der Basis einer spektroskopischen Un­ tersuchung.

Hierfür wird ein Lichtbündel mit einer in der Nähe der charak­ teristischen Frequenz eines festzustellenden Merkmals liegen­ den Mittenfrequenz moduliert, wodurch wenigstens ein Seiten­ band mit einer mit der charakteristischen Frequenz des Merk­ mals zusammenfallenden Frequenz entsteht. Das derartig modu­ lierte Lichtbündel wird auf die Probe geführt bzw. durchtritt diese.

Der Modulationsvorgang des Lichtbündels erfolgt phasenmodu­ liert mit einer einzigen Frequenz, wobei die Analyse des modu­ lierten Lichtbündels, welches die Probe durchtritt, durch Pho­ todetektion realisiert wird. Hierbei wird ein Schwebungssignal an der für die Phasenmodulation benutzten speziellen Hochfre­ quenz im Ausgangssignal ermittelt. Parallel dazu wird eine elektronische Auswertung der Amplitude des Hochfrequenz- Schwebungssignales vorgenommen.

Um mehrere verschiedene Stoffe oder Materialien, die in der Probe befindlich sind, nachweisen zu können, wird gemäß dem Gegenstand des EP 0 025 491 das hochfrequente Modulations­ signal sukzessive durchgestimmt, um aufeinanderfolgend ver­ schiedene spektrale Merkmale zu ermitteln. In beiden vorste­ hend beschriebenen Fällen erfolgt jedoch eine Modulation mit dem sogenannten Single-Tone-Verfahren, da konkret jeweils mit einer einzigen Frequenz, welche aus einem Oszillator bereitge­ stellt wird, gearbeitet wird.

In einer weiteren Ausführungsform des EP 0 025 491 erfolgt eine Phasenmodulation des erzeugten Lichtbündels gleichzeitig mit mehreren, unterschiedlichen Frequenzen. Ein phasenempfind­ licher Detektor bewertet das von einem Photodetektor be­ stimmte, durch die Probe beeinflußte mehrfach modulierte Lichtbündel.

Durch die Modulation mit mehreren Frequenzen soll das Durch­ stimmen des Phasenmodulators vermieden werden, so daß in einem einzigen Meßvorgang die Probe hinreichend untersucht werden kann. Nachteilig ist jedoch, daß auf der Seite des Phasendemo­ dulators im Multiplexbetrieb gearbeitet werden muß, wobei nur ein Teil der erhaltenen Signale aufgrund eines kritischen Signal/Rauschverhältnisses zur Auswertung herangezogen werden können.

Aus COOPER, D.; GALLAGHER, T.F.: Double frequency modulation spectroscopy; Applied Optics, Vol. 24, Nr. 9 vom 1. Mai 1985, S. 1327 ff. sowie der US-PS 4765736 ist ein Doppelfrequenzmodulationsverfahren zur An­ wendung in der Spektroskopie bekannt. Mit Hilfe dieses Verfah­ rens sollen die Anforderungen an die Bandbreite der Detektoren verringert werden, so daß kostengünstigere spektroskopische Vorrichtungen realisiert werden können.

Gemäß COOPER und GALLAGHER wird vorgeschlagen, entweder zwei Frequenzmodulatoren oder eine Kombination eines Frequenzmodulators mit einem Amplitudenmodulator vorzusehen. Bei der Doppelfrequenz- oder Zwei-Ton-Modulation werden dann zwei unterschiedliche Frequenzen gemischt und als Modulationssignal bereitgestellt. Im Ergebnis des Mischens entsteht die Summe und die Differenz der Eingangsfrequenzen. Die geringere der beiden Eingangsfrequenzen wird über einen Koppler ausgekoppelt und über einen Frequenzverdoppler dem phasenempfindlichen Detektor zur Verfügung gestellt. Bei einem derartigen Verfahren entstehen durch die Frequenzmischung stö­ rende harmonische Komponenten im Modulationssignal, welche eine Auswertung mittels eines phasenempfindlichen Detektors beeinträchtigen können.

Im übrigen ist unter Kostenaspekten die Auswahl geeigneter breitbandiger Detektoren bezogen auf die Aufwendungen für die verwendeten Laserdioden weniger kritisch.

Der oben genannte Stand der Technik läßt sich also unter Hin­ weis auf die Fig. 7 bis 9 wie folgt zusammenfassend charak­ terisieren.

Gemäß Fig. 7 ist eine Single-Tone- bzw. Ein-Ton-Modulations­ technik bekannt, bei der ein Oszillator 1 eine feste oder ver­ änderliche, d. h. durchstimmbare Frequenz erzeugt, welche über einen Verstärker 2 als Modulationssignal M zur Verfügung steht. Über einen Koppler 3 wird ein Signalteil S ausgekop­ pelt, um über einen weiteren Verstärker 4 als Referenzsignal für eine phasenempfindliche Detektion bereitzustellen.

Gemäß Fig. 9 wird das Modulationssignal M über ein Einkoppel­ glied 5 einem Sender, z. B. einer Laserdiode zugeführt, welche ein moduliertes Signal aussendet, das auf eine Übertragungs­ strecke gelangt und in Wechselwirkung mit einer Probe tritt. Das die Probe durchdringende modulierte Signal gelangt dann auf einem Empfänger und wird als Detektorsignal D über einen Verstärker 6 dem Phasendetektor 7 zugeführt. Der Phasendetek­ tor 7 besteht aus einem einstellbaren Phasenschieber 71, einem Mischer 72, einem Verstärker 73 sowie einem weiteren Verstär­ ker 74. Das Detektorausgangssignal gelangt auf den Eingang des Verstärkers 73 und wird dem Mischer 72 zugeführt. Der Mischer 72 erhält des weiteren ein Signal aus dem einstellbaren Pha­ senschieber 71, an welchem das Signal S oder T zur phasenemp­ findlichen Detektion anliegt. Am Ausgang des Verstärkers 74 steht dann ein Meßsignal CH1 zur Verfügung.

Alternativ kann gemäß Fig. 8 die Modulation in der bereits er­ wähnten Two-Tone bzw. Zwei-Ton-Technik erfolgen, indem zwei diskrete Frequenzen aus den Oszillatoren 8 und 9 mit Hilfe des Mischers 10 gemischt und über einen Verstärker 11 als Modula­ tionssignal M bereitgestellt werden. Das im Beispiel vom Os­ zillator 9 stammende Signal wird über ein Koppelglied 12 einer Frequenzverdopplung 13 unterzogen und über einen weiteren Ver­ stärker 14 als Signal T dem phasenempfindlichen Detektor 7 zu­ geführt.

Das Modulationssignal M gemäß Fig. 8 stellt sich dabei einmal als Summe und zum anderen als Differenz der Frequenzen aus den Oszillatoren 8 und 9 dar.

Je nach hardwaremäßiger Ausbildung der Modulationsstrecke und dem zugehörigem Detektionssystem können entweder die Ein-Ton- Technik oder die Zwei-Ton-Technik angewendet werden. Kommerzielle Lock-In-Verstärker stehen für den benötigten Frequenzbereich (Mhz - Ghz) nicht zur Verfügung.

Der Aufbau eines Lock-In Verstärkers zur Anwendung in der La­ serspektroskopie erfolgte bisher aufgrund der zur Verfügung stehenden Hardware und mit Blick auf die konkrete Meßaufgabe derart, daß nur jeweils eines der beiden oben genannten Ver­ fahren realisiert werden konnte. Daher ergibt sich ein hoher Aufwand bei geänderten Meßaufgaben, da eine entsprechende Änderung des Versuchsaufbaus bzw. der Auswerteelektronik notwen­ dig ist. Insbesondere ist es nicht möglich, bei einem zwei­ kanaligen Versuchsaufbau mit separatem Meß- und Referenzkanal wechselweise oder gleichzeitig die unterschiedlichen Verfahren zur Optimierung des Meßergebnisses anzuwenden.

Aus der DE 37 03 116 A1 ist ein Verfahren zur Störsignalre­ duktion in Meßaufbauten zur Untersuchung von Emissions- oder Transmissionsprozessen bekannt.

Bei dem dort gezeigten Verfahren sollen bei üblicher Modula­ tion auftretende Störungen beseitigt werden. Dies erfolgt da­ durch, daß die Modulation eines in der Meßstrecke geführten Signalanteils durch mehrere, in der Meßstrecke hintereinander angeordnete, einem möglichen Transmissionsobjekt vor- oder nachgeordnete Modulatoren mit einer Anzahl < 1 durchgeführt wird. Die Modulationssignalquellen werden mit unterschied­ lichen Frequenzen angesteuert und das Detektorsignal wird dann schmalbandig ausgewertet. Die Einzelmodulationsfre­ quenzen und die Auswertefrequenz werden so gewählt, daß die Auswertefrequenz nicht mit einer der Einzelmodulations­ frequenzen oder einer Harmonischen zusammenfällt.

Hierdurch kann zwar die Empfindlichkeit bei der Detektion schwacher Emissions- oder Transmissionsprozesse erhöht wer­ den, jedoch ist der Aufwand für die Bereitstellung der Viel­ zahl von Modulationsfrequenzen und die Abstimmung der Einzel­ modulatoren, bezogen auf die Auswertefrequenz, erheblich.

Aus der EP 0 447 931 A2 ist eine Anordnung zum Nachweis von Gasen in der Atmosphäre auf der Basis der Infrarotabsorption bekannt. Der dort verwendete stabilisierte Laser wird mit einer Wellenlänge im Frequenzbereich von 500 Hz bis 200 kHz moduliert, wobei das erhaltene Ausgangssignal der Meßzelle auf einen Lock-In-Verstärker geführt ist, welcher mit der doppelten Modulationsfrequenz synchronisiert ist. Durch die Modulation des Signales und die Durchstimmbarkeit der Modula­ tionsfrequenz soll die Auswertegenauigkeit erhöht und die Fehlerrate verringert werden. Ein gleichzeitiger Betrieb un­ terschiedlicher Modulationstechniken in unterschiedlichen Meßkanälen ist mit der dort gezeigten Lehre nicht möglich.

Die US-PS 5 076 699 schlägt ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zur portablen Messung von Gasen auf der Basis optischer Absorption vor. Der verwendete Trägerlichtstrahl wird durch einen ersten und einen zweiten optischen Modulator moduliert. Dadurch, daß die jeweiligen Modulatoren zusätzlich ein elek­ trisches Feld aufprägen, wird das periodische Transmissions­ spektrum, bezogen auf die Absorptionslinien umschaltbar, wo­ durch unterschiedliche Gase feststellbar sind. Auch bei der dort gezeigten Lösung ist es nicht möglich, unterschiedliche Modulationstechniken in unterschiedlichen Meßkanälen mit dem Ziel der Verbesserung des Signal/Rauschabstandes anzuwenden.

Die US-PS 4 594 511 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Doppelfrequenzmodulation für die Anwendung in der Spek­ troskopie. Bei der dort gezeigten Lösung kann ein Photodetek­ tor verwendet werden, welcher eine geringe Bandbreite besitzt. Durch die Doppelfrequenzmodulation entsteht eine Vielzahl von unterschiedlichen Seitenbändern mit einer Offset-Frequenz. Diese charakteristische Offset-Frequenz wird zur Bestimmung der nachzuweisenden spektralen Merkmale benutzt. Problema­ tisch ist dort die durch die notwendige Frequenzmischung re­ sultierende Ausbildung harmonischer Komponenten der Demodu­ lationssignale, die die Auswertung des Ausgangssignals am Photodetektor erschweren.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer Anordnung zum Bewerten eines Meßsignals nach Betrag und Phase in Bezug auf ein Referenzsignal, welche eine Modulation und eine pha­ senempfindliche Demodulation eines Signals für optisch spek­ troskopische Untersuchung von z. B. Spurengasen derart ermög­ licht, daß ein gleichzeitiger Betrieb unterschiedlicher Modu­ lationstechniken in unterschiedlichen Meßkanälen realisierbar ist. Des weiteren soll eine Modulation und Demodulation im Bereich höherer Frequenzen durchführbar sein, wodurch sich die Zeitauflösung der gewonnenen Meßsignale und der Signal/Rauschabstand erhöhen bzw. verbessern läßt und wobei mit einem unkomplizierten Lock-In-Verstärker im Demodulationsteil gearbeitet werden kann.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit den Merkma­ len der Patentansprüche 1 und 3, wobei die Unteransprüche vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Gegen­ standes der Erfindung zeigen.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, eine Anordnung vorzuschlagen, die einen simultanen Betrieb der Ein-Ton- und Zwei-Ton-Technik bei der Modulation bzw. Demodulation, z. B. des Signals eines Diodenlasers, zur Anwendung in der Spektro­ skopie ermöglicht, wodurch das Bewerten eines Meßsignals vereinfacht wird und eine flexible optimale Anpassung an experimentelle Gegebenheiten, wie z. B. Laser- Rauschcharakteristik, Untergrundstrukturen usw., gewährleistet ist.

Aufgrund der erzielbaren hohen Modulationsfrequenzen bis in den Megahertz- und Gigahertzbereich kann eine Anwendung so­ wohl in schnell durchgestimmten continuous-wave-(cw)Systemen als auch in gepulsten Systemen der Laserspektroskopie erfol­ gen, wodurch insgesamt eine Erhöhung der Zeitauflösung bei der jeweiligen Meßaufgabe realisierbar ist. Hierfür werden empfängerseitig zweckmäßigerweise breitbandige Detektoren ein­ gesetzt.

Bei einer zweikanaligen Auslegung der erfindungsgemäßen Anord­ nung können typische meßtechnische Aufgaben, z. B. der gleich­ zeitige Betrieb von unterschiedlichen Modulationstechniken im Meß- und Referenzkanal erfüllt werden. Dies ist von besonderer Wichtigkeit, da die Ein-Ton und die Zwei-Ton Technik nicht nur unterschiedliche Signalformen erzeugen, sondern auch unterschiedlich von Störungen beeinflußt werden. Da beide Techniken mit den jeweils innewohnenden Vorteilen selektiert und kombiniert werden können, ist eine Anpassung des Gesamtsystems in Abhängigkeit von den aktuellen Betriebsbedingungen möglich.

In einer ersten Ausführungsform des Modulationsteils der er­ findungsgemäßen Anordnung werden zwei unterschiedliche Fre­ quenzen ω₁ und ω₂ mit Hilfe eines Mischers zur Summe ω₁ + ω₂ und zur Differenz ω₁-ω₂ gemischt. Das Mischsignal steht nach entsprechender Pegelanpassung und gegebenenfalls erforderlich werdender Filterung als Modulationssignal M zur Verfügung. Ein Teil dieses Modulationssignals M wird über einen Koppler aus­ gekoppelt und nach geeigneter Filterung und Signalkonditio­ nierung entweder in Form von ω₁ + ω₂ oder in Form von ω₁-ω₂ als Ein-Ton Demodulationssignal S zum Betreiben eines Demodu­ lationsteils mit einem phasenempfindlichen Detektor bzw. zum Triggern des Lock-In-Verstärkers im Demodulationsteil bereit­ gestellt.

Um eine simultane Zwei-Ton Detektion auf der Basis eines Zwei- Ton Demodulationssignals T zu ermöglichen, wird eine der beiden Grundfrequenzen ω₁ oder ω₂ ausgekoppelt und nach Frequenzver­ doppelung pegelangepaßt und gegebenenfalls gefiltert. Das der­ art erhaltene Zwei-Ton Demodulationssignal T wird dann analog dem Ein-Ton Demodulationssignal S einem Demodulationsteil zugeführt.

Ausgehend von der vorstehend kurz beschriebenen Anordnung bzw. der sich aus dieser ergebenden Verfahrensweise ist es möglich, entweder in zwei separaten Meßkanälen simultan eine Ein-Ton und eine Zwei-Ton Demodulation nach Art eines simultanen Mischbe­ triebes durchzuführen oder in einem Meßkanal sequentiell nach­ einander bzw. abwechselnd mit der einen und anderen Modula­ tionstechnik zu arbeiten. Auch bei einer Veränderung der Fre­ quenzen ω₁ und/oder ω₂ beim Durchstimmen stellt sich durch die verwendeten Koppler unabhängig von der Art, welche Fre­ quenz gerade variiert wird, eine selbsttätige automatische Kopplung des Modulationssignales M zum Ein-Ton Demodulations­ signal S und zum Zwei-Ton Demodulationssignal T ein.

In einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anord­ nung wird vorgeschlagen, zwei separat erzeugte Modulationsfre­ quenzen ω₁ und ω₂ mit Hilfe eines Kombinationsgliedes zum Modulationssignal M zusammenzuführen, welches nun aus den beiden originalen, ursprünglichen Frequenzen ω₁ und ω₂ be­ steht. Hierbei ergibt sich der Vorteil, daß keine höheren har­ monischen Störkomponenten im Modulationssignal M selbst ent­ stehen und daß sich keine Nebenempfindlichkeitsstellen bei der Auswertung des Meßsignals bemerkbar machen. Zur Generierung der für die phasenempfindliche Detektion im Demodulationsteil notwendigen Signale werden von den beiden Frequenzen ω₁ und ω₂ Anteile ausgekoppelt und einem Mischer zugeführt. Aus­ gangsseitig des Mischers wird zweckmäßigerweise nach geeigne­ ter Filterung ein Differenzsignal ω₁-ω₂ zur Zwei-Ton Demodulation, d. h. ein Zwei-Ton Demodulationssignal T bereitgestellt.

Ein Ein-Ton Demodulationssignal S wird durch Auskopplung einer Frequenzkomponente, z. B. ω₁ oder ω₂ abgeleitet.

Wenn eine Kopplung der beiden Modulationsfrequenzen ω₁ und ω₂ gewünscht wird, kann dies in einfacher Weise durch eine ge­ meinsame Ansteuerung der Oszillatoren erfolgen, welche die Modulationsfrequenzen ω₁ und ω₂ erzeugen.

Es ist ersichtlich, daß auch bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung ein zweikanaliges Meßgerät bzw. eine Zweikanal­ meßstrecke, für z. B. spezielle spektroskopische Untersuchun­ gen erstellt werden kann.

Auf der Basis der beiden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Modulationsteiles der Anordnung zur Bewertung eines Meßsi­ gnals nach Betrag und Phase in Bezug auf ein Referenzsignal können Module erstellt werden, deren hardwareseitige Realisie­ rung auf übliche Hochfrequenz-Bauteile, z. B. ein Widerstands­ netzwerk oder eine Ringkernkopplung zur Realisierung des Kombinationsgliedes zurückgreift. Hierdurch sind Modulationsfrequenzen bis in den Megahertz- und Gigahertzbereich mit einfacher, kostengünstiger Technik beherrschbar.

Durch die höheren Modulationsfrequenzen und den simultanen Be­ trieb verschiedener Modulationstechniken kann unter den jeweiligen Betriebsbedingungen die optimale Technik ausgewählt werden, wodurch das Signal/Rauschverhältnis des aus dem noch zu beschreibenden Demodulationssignal abgeleiteten, zu bewertenden Meßsignals maximiert wird.

In der Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Demo­ dulationsteils für ein Zweikanalgerät werden jedem Kanal getrennt jeweils die aus dem Modulationsteil be­ reitgestellten Ein-Ton Signale S und Zwei-Ton Signale T zuge­ führt. Dabei ist jeder Kanal so ausgebildet, daß er Ein-Ton oder Zwei-Ton Signale S oder T verarbeiten kann.

In der Ausführungsform des Demodulations­ teils soll eine schmalbandige Filterung des Meßsigna­ les bei einer festen Zwischenfrequenz zur besseren Unter­ drückung von Rest-Oberwellen erreicht werden.

Das Demodulationsteil gemäß zweiter Ausfüh­ rungsform ist so aufgebaut, daß das Ein-Ton Signal S aus dem Modulationsteil auf einen Phasenschieber gelangt und mit dem Demodulationssignal auf eine feste Zwischenfrequenz gemischt und schmalbandig gefiltert wird. Das Zwei-Ton Signal T wird eben­ falls über einen Phasenschieber auf einen weiteren Mischer ge­ führt, welcher das Zwischenfrequenzsignal erhält. Hierdurch erfolgt ein zweiter Mischprozeß, in dessen Ergebnis das Aus­ gangssignal erhalten wird. Durch Einstellung bzw. Wahl einer festen Zwischenfrequenz, z. B. von 10,7 MHz besteht ein beson­ derer Vorteil der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemä­ ßen Detektionsteils darin, beim Einsatz in der spektroskopi­ schen Meßtechnik auf kostengünstige Komponenten aus der allgemeinen Hochfrequenz- und Rundfunktechnik zurückgreifen zu können.

Ein Betreiben des Demodulationsteils nach der zweiten Ausfüh­ rungsform der Erfindung ist neben den bereits vorgestellten Ausführungsformen des Modulationsteiles auch mit einem weite­ ren Modulationsteil möglich, bei welchem zwei Modulationsfre­ quenzen ω₁ und ω₂ mit Hilfe eines Mischers zur Summe ω₁ + ω₂ und zur Differenz ω₁-ω₂ gemischt werden. Im Gegensatz zur bekannten Zwei-Ton-Technik werden aber bei dieser Ausführungs­ form über Koppelglieder jeweils eine der beiden Modulations­ frequenzen ω₁ und ω₂ an den Ausgängen zur Verfügung gestellt.

Das am ersten Ausgang erhaltene Signal gelangt dann auf das Demodu­ lationsteil und wird dort, wie bereits erwähnt, mit dem Detek­ torsignal auf eine Zwischenfrequenz IF gemischt und schmalban­ dig gefiltert.

Mit dem zweiten Ausgangssignal erfolgt die zweite Mischung, um das Meßausgangssignal zu erhalten.

In einer weiteren Ausführungsform kann das Demodulations­ teil durch eine spezielle Pegelkontrolle ergänzt werden, um die Linearität des Meßsystems zu gewährleisten. Hierfür wird an den Eingängen des Mischers der jeweils anlie­ gende Pegel ausgekoppelt und überprüft, ob der Überlagerungsoszillator LO einen spezifizierten Mindestpegel erhält und ob der Pegel am RF Eingang des Mischers unter dem Kompressionspunkt liegt. Eine Pegelüberprüfung kann beispielsweise dadurch realisiert werden, indem die ausgekoppelten Pegel mit einem geeigneten Pegelmesser überwacht und die gemessenen Werte zur Ableitung einer Regelgröße einem Rechner zugeführt werden.

Zusammenfassend kann mit der vorgesehenen Anordnung, insbesondere in der spektroskopischen Meßtechnik eine Optimie­ rung und Anpassung des jeweiligen Meßaufbaus an die spezielle Meßaufgabe ohne eine aufwendige Änderung der elektronischen Hardware erfolgen. Speziell bei der Ausführungsform mit einer additiven Zusammenführung der Modulationsfrequenzen ω₁ und ω₂ werden harmonische Störkomponenten im Modulationssignal M ver­ mieden, so daß höhere Signal/Rauschverhältnisse realisierbar sind oder auf den Einsatz von besonders hochwertigen und teue­ ren Laserdioden beim Aufbau einer spektroskopischen Meßstrecke verzichtet werden kann.

Mit dem erfindungsgemäßen Zusammenwirken von Modulations- und Demodulationsteil, wobei letzteres auf das Prinzip eines Lock-In-Verstärkers zurückgreift, kann ein simul­ taner Mischbetrieb bekannter Modulationsverfahren, z. B. zur direkten Modulation von Diodenlasern zur Anwendung in der Spektroskopie in einfacher Weise erreicht werden. Dadurch, daß weitgehende Anschlußkompatibilität zu konventionellen Systemen vorgesehen ist, können derartige konventionelle Systeme durch einen Ergänzungsmodul leicht umgerüstet werden.

Die Erfindung soll nunmehr anhand von Figuren und Ausführungs­ beispielen näher erläutert werden.

Hierbei zeigen

Fig. 1 eine erste bevorzugte Ausführungsform des Mo­ dulationsteils mit einem Mischer;

Fig. 2 eine zweite bevorzugte Ausführungsform des Modulationsteils mit einem Kombinationsglied zur festen Verknüpfung der Modulationsfrequenzen;

Fig. 3 das Demodulationsteil in einer bevorzugten Ausführungsform als Zweikanalsystem mit Ein-Ton und Zwei-Ton Option;

Fig. 4 ein spezielles Modulationsteil mit zwei ausgekoppel­ ten Modulationsfrequenzen für das Zusammenwirken mit einem speziellen Demodulationsteil mit Zwischenfre­ quenzfilterung;

Fig. 5 ein Demodulationsteil in einer Ausführungsform für eine schmalbandige Filterung des Meßsignals bei ei­ ner festen Zwischenfrequenz;

Fig. 6 ein Demodulationsteil mit Pegelkontrolle;

Fig. 7 ein Modulationsteil zur Realisierung eines Ein-Ton Modulationsverfahrens nach dem Stand der Technik;

Fig. 8 ein Modulationsteil zur Realisierung eines Zwei-Ton Modulationsverfahrens nach dem Stand der Technik und

Fig. 9 ein Demodulationsteil nach Art eines Lock-In-Ver­ stärkers zur phasenempfindlichen Detektion nach dem Stand der Technik.

In einem ersten Ausführungsbeispiel soll auf die erste Ausfüh­ rungsform des Modulationsteils unter Verweis auf die Fig. 1 näher eingegangen werden.

Ein erster Oszillator 15 und ein zweiter Oszillator 16 stellen jeweils eine Modulationsfrequenz ω₁ bzw. ω₂ zur Verfügung. Ausgangsseitig werden die Signale der beiden Oszillatoren 15 und 16 auf einen Mischer 17 geführt, der beispielsweise als Diodenmischer ausgebildet ist. Der Mischer 17 stellt ein Sum­ men- und ein Differenzsignal ω₁ + ω₂ und ω₁-ω₂ bereit. Die­ ses Signal steht nach geeigneter Pegelanpassung und Filterung, beispielsweise mit Hilfe eines ersten Verstärkers 18 als Modu­ lationssignal M zur Verfügung. Ein Teil des Modulationssignals wird mischerausgangsseitig über einen zweiten Koppler 19 aus­ gekoppelt und über einen zweiten Verstärker 20 als Ein-Ton-De­ modulationssignal S bereitgestellt. Es liegen demgemäß als Ein- Ton-Signal S entweder die Summe ω₁ + ω₂ oder die Differenz ω₁-ω₂ an.

Um eine simultane Zwei-Ton Detektion auf der Basis eines Zwei- Ton Demodulationssignals T zu ermöglichen, wird von einem der beiden Oszillatoren 15 oder 16, im gewählten Beispiel vom Os­ zillator 16, ein Signalteil über einen ersten Koppler 21 aus­ gekoppelt und über einen Frequenzverdoppler 22 einem dritten Verstärker 23 zugeführt. Am Ausgang des dritten Verstärkers 23 liegt dann das Zwei-Ton Demodulationssignal T an.

Bei dem mittels der vorgestellten Anordnung gemäß erstem Aus­ führungsbeispiel realisierten Modulationsteil ist also das Ein-Ton und das Zwei-Ton Verfahren simultan realisierbar, d. h. es kann eine zweikanalige Meßanordnung aufgebaut werden, wo im Meß- und Referenzkanal jeweils ein Ein-Ton Demodulationssignal S bzw. ein Zwei-Ton Demodulationssignal T zur Verfügung steht. Damit kann beim meßtechnischen Betrieb in jedem Kanal eine un­ terschiedliche Betriebsart eingestellt werden, wobei der der­ art realisierte Mischbetrieb simultan, d. h. gleichzeitig er­ folgt.

Die in Fig. 2 beschriebene zweite bevorzugte Ausführungsform geht ebenfalls von zwei Oszillatoren 15 und 16 aus, die jeweils eine Modulations­ frequenz ω₁ und ω₂ liefern. Beide Oszillatoren sind mit Mit­ teln versehen, die ein gemeinsames Durchstimmen ermöglichen oder die zum Nachregeln im Sinne eines Drift-Ausgleiches ver­ wendet werden. Ausgangsseitig sind die beiden Oszillatoren 15 und 16 jeweils auf einen ersten Koppler 24 und einen zweiten Koppler 25 geführt. Die beiden Modulationsfrequenzen ω₁ und ω₂ der Oszillatoren 15 und 16 gelangen des weiteren auf ein Kombinationsglied 26, welches beispielsweise als Widerstandsnetzwerk oder mittels einer Ringkernkopplung ausgeführt ist.

Am Ausgang des Kombinationsgliedes 26 wird das oberwellenfreie Additionsergebnis der beiden originalen Frequenzen ω₁ und ω₂ erhalten und über einen ersten Verstärker 18 als Modulations­ signal M bereitgestellt.

Zur Generierung der für die phasenempfindliche Detektion not­ wendigen Signale werden die vom ersten und zweiten Koppler 24, 25 erhaltenen Signalanteile einem Mischer 27 zugeführt. Mi­ scherausgangsseitig wird über einen dritten Verstärker 23 ein Zwei-Ton Demodulationssignal T erhalten. Das Ein-Ton Demodulations­ signal S wird durch Auskopplung mit Hilfe eines dritten Kopp­ lers 28, welcher in die Signalverbindung vom zweiten Koppler 25 zum Mischer 27 eingeschleift ist, erhalten.

Alternativ ist es möglich, den dritten Koppler 28 in den Si­ gnalzweig ausgehend vom ersten Koppler 24 hin zum Mischer 27 anzuordnen. Hierdurch kann wahlweise entweder ω₁ oder ω₂ als Ein-Ton Demodulationssignal S nach geeigneter Verstärkung mit Hilfe eines zweiten Verstärkers 20 erhalten werden.

Die erwähnten Mittel zur Kopplung der Oszillatoren 15 und 16 können beispielsweise mechanisch oder elektronisch unter Zuhilfenahme einer PLL-Regelung oder über geeignete Software realisiert werden.

Ebenso wie beim ersten Ausführungsbeispiel ist mit der Anord­ nung nach Fig. 2 ein simultanes Zweikanalverfahren zum Bewer­ ten eines Meßsignals nach Betrag und Phase bezogen auf ein Re­ ferenzsignal möglich, wenn ein geeignetes, angepaßtes Demodu­ lationsteil verwendet wird. Durch das gewählte Additionsprin­ zip, also der Kombination der Modulationsfrequenzen ω₁ und ω₂ im Gegensatz zur Anwendung des Mischprinzips mit Hilfe des Mi­ schers 17, wie im ersten Ausführungsbeispiel erläutert, können harmonische Störkomponenten im Modulationssignal von vornher­ ein ausgeschlossen werden, wodurch sich die Selektivität, z. B. bei der spektroskopischen Untersuchung von Spurengasen mit Hilfe eines modulierten Laserstrahls, welcher mit einer Probe wechselwirkt, erhöht.

Unter Hinweis auf die Fig. 3 soll ein Zweikanal-Demodula­ tionsteil mit einer Ein-Ton und Zwei-Ton Option vorgestellt werden, wobei eine getrennte Einstellbarkeit für das Ein-Ton und Zwei-Ton Verfahren für jeden der vorgesehenen zwei Kanäle gegeben ist.

Im oberen Teil der Fig. 3 ist symbolisch dargestellt, wie ein Modulationssignal M über ein Einkoppelglied, z. B. ein Bias Tee auf einen Diodenlaser einwirkt, wobei das erhaltene Signal mit einer Meßstrecke bzw. einer Probe (symbolisiert mit dem Pfeil) wechselwirkt.

Im Meß- und Referenzkanal sind jeweils Empfänger vorgesehen, welche je ein Detektorsignal D liefern, welches mit Hilfe der Verstärker 29 bzw. 30 geeignet verstärkt auf jeweils einen Eingang je eines Kanals eines phasenempfindlichen De­ tektors 31, 32 gelangen. Jeder phasenempfindliche Detektor 31 und 32 verfügt je über einen einstellbaren Phasenschieber 33 und einen Mischer 34. Zur Pe­ gelanpassung bzw. Filterung weist jeder Kanal mindestens mischerein- und -ausgangsseitig weitere Verstärker und/oder Filter 35 auf. Das jeweils ausgangsseitig des Mischers 34 er­ haltene Signal wird dann über einen derartigen Verstärker bzw. Filter 35 als kanalspezifisches Meßsignal CH1, CH2 erhalten. Die Phasenschieber 33 der jeweiligen Kanäle können jeweils mit dem Ein-Ton Signal oder dem Zwei-Ton Signal angesteuert wer­ den, so daß eine einfache Umschaltung bzw. Auswahl eines vor­ gegebenen Verfahrens je Meß- und Referenzkanal möglich ist.

Unter Hinweis auf die Fig. 4 und 5 soll gemäß einem weite­ ren bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Demodulationsverfah­ ren auf der Basis einer schmalbandigen Filterung des Meßsi­ gnals bei einer festen Zwischenfrequenz erläutert werden, wo­ bei Fig. 4 ein zweckmäßigerweise hierfür zu verwendendes Modu­ lationsteil zeigt.

Gemäß Fig. 4 weist das spezielle Modulationsteil zwei Oszilla­ toren 15 und 16 auf, die jeweils eine Modulationsfrequenz ω₁ und ω₂ bereitstellen. Beide Modulationsfrequenzen gelangen auf einen Mischer 36, der ausgangsseitig über einen ersten Verstärker 18 das Modulationssignal M liefert. Mit einem er­ sten Koppler 37 und einem zweiten Koppler 38 wird jeweils je ein Teil des Ausgangssignals vom Oszillator 16 und vom Oszil­ lator 15 ausgekoppelt und über einen zweiten bzw. einen drit­ ten Verstärker 20, 23 als Signal 1 bzw. 2 zur phasenempfindli­ chen Detektion erhalten. Es stehen also an den Ausgängen Signale 1 bzw. 2 mit jeweils unterschiedlicher Frequenz und korrelierend mit den Frequenzen ω₁ bzw. ω₂ zur Verfügung.

Bezüglich des oberen Teils der Fig. 5 wird auf die Erläuterun­ gen zur Fig. 3 verwiesen.

Die aus dem Modulationsteil gemäß Fig. 4 erhaltenen Signale M, 1 und 2 werden, wie dargelegt, zur Modulation und zur phasen­ empfindlichen Detektion benutzt. Das Demodulationsteil bzw. der phasenempfindliche Detektor 39 gemäß Fig. 5 zeichnet sich dadurch aus, daß mit dem Signal 1 das Detektorsignal auf eine Zwischenfrequenz IF gemischt und dort schmalbandig gefiltert wird. Hierfür ist ein erster Phasenschieber 40 vorgesehen, welcher mit einem ersten Mischer 41 zusammenwirkt, wobei der erste Eingang des ersten Mischers 41 mit dem Ausgang des er­ sten Phasenschiebers 40 verbunden ist und dessen zweiter Ein­ gang über geeignete Verstärker bzw. Filter 42, 29 das Detek­ torsignal D erhält.

Das Ausgangssignal des ersten Mischers 41 gelangt über ein weiteres Filter 43 auf den ersten Eingang eines zweiten Mi­ schers 44, dessen zweiter Eingang mit einem zweiten Phasen­ schieber 45 verbunden ist. Der Eingang des zweiten Phasen­ schiebers 45 führt das Signal 2. Es wird also das Signal am Ausgang des Filters 43 mit dem Signal 2 ein zweites Mal ge­ mischt. Das Mischsignal wird auf einen Ausgangsverstärker 46 geleitet, welcher das Ausgangssignal CH1 des betrachteten Kanals führt.

Der phasenempfindliche Detektor 39 bzw. der in der Fig. 5 aufgezeigte einzige Meßka­ nal kann dupliziert werden, um einen weiteren oder mehrere Kanäle auszubilden bzw. zu erhalten. Ebenfalls kann anstelle des Modulationsteiles gemäß Fig. 4 eine Modulation mit den Anordnungen nach den Ausführungsbei­ spielen gemäß Fig. 1 und 2 vorgenommen werden, wobei in diesem Falle das Signal 1 und 2 jeweils entweder dem Ein-Ton Demodulationssignal S oder dem Zwei-Ton Demodulationssignal T ent­ spricht.

Der besondere Vorteil des Demodulationsteiles gemäß Fig. 5 liegt darin, daß mit der speziellen Art der schmalbandigen Filterung des Meßsignals eine bessere Unterdrückung möglicher­ weise vorhandener restlicher störender Oberwellen, beispiels­ weise bei einer Realisierung des Modulationsteils gemäß Fig. 1, erfolgen kann. Letztendlich läßt sich durch die Zwischen­ frequenzfilterung bei einer vorgegebenen Zwischenfrequenz von beispielsweise 10,7 MHz erreichen, daß kostengünstige, kommer­ zielle Bauteile, z. B. aus der Rundfunktechnik verwendet wer­ den können.

Die Möglichkeit der Implementierung einer Pegelkontrolle, um eine ausreichende Linearität des Meßsystems und damit der Mes­ sung zu gewährleisten, wird in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 gezeigt.

Hinsichtlich des oberen Teils der Fig. 6 sowie der Beschrei­ bung des phasenempfindlichen Detektors 31 wird auf die Erläu­ terungen zur Fig. 3 verwiesen.

Ergänzend wird bei der erfindungsgemäßen Pegelkontrolle an den jeweiligen Eingängen des Mischers 34 über ein erstes und ein zweites Koppelglied 47, 48 festgestellt, ob sich die Mischer­ eingangspegel in einem vorgegebenen Bereich befinden, d. h. ob der Lokaloszillator LO einen spezifizierten Mindestpegel er­ hält und ob der Pegel am RF Eingang des Mischers 34 unter dem Kompressionspunkt liegt. Diese Kontrolle erfolgt zweckmäßiger­ weise dadurch, daß die am ersten und zweiten Koppler 47, 48 ausgekoppelten Signale auf einen geeigneten Pegelmesser 49 bzw. 50 geführt und überwacht werden. Die Pegelmessung kann beispiels­ weise mit Hilfe eines HF-Millivoltmeters realisiert werden. Gleichzeitig könnten diese Werte digitalisiert und an einen Rechner zur Ableitung von Steuergrößen zur Optimierung des Be­ triebes des Verfahrens zur Bewertung des Meßsignales nach Be­ trag und Phase bezogen auf das Referenzsignal geführt werden.

Claims (9)

1. Anordnung zum Bewerten eines Meßsignals nach Betrag und Phase in bezug auf ein Referenzsignal, wobei ein Trägersignal mit einem Modulationssignal moduliert wird und mit einer Probe mit der Folge geänderter Phase und/oder Betrag wechselwirkt und mindestens die geänderte Phase des derart abgeleiteten, modulierten Meßsignals mittels phasenempfindlicher Demodulation unter Nutzung eines Referenzsignals bestimmt und zur Auswertung der Eigenschaften der Probe herangezogen wird, umfassend:

• - zwei Oszillatoren (15, 16) zur Erzeugung der Grundfrequenzen (ω₁, ω₂), deren Ausgänge auf einen Mischer (17) führen,
• - einen ersten Koppler (21), der zwischen einen der Oszillatoren (15; 16) und den Mischer (17) geschaltet ist, wobei das ausgekoppelte Teilsignal (ω₁; ω₂) auf einen Frequenzverdoppler (22) geführt ist,

dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Mischers (17) mit einem zweiten Koppler (19) zur Auskopplung eines der Mischsignale (ω₁+ω₂; ω₁-ω₂) der Grundfrequenzen (ω₁, ω₂) verbunden ist, daß gleichzeitig vom Ausgang des Frequenzverdopplers (22) ein Signal mit einer der verdoppelten Grundfrequenzen (2ω₁; 2ω₂) auf einen dritten Verstärker (23) geführt ist und an dessen Ausgang als Zwei-Ton-Referenzsignal (T) zur Weiterführung ansteht, daß das am Ausgang des zweiten Kopplers (19) anstehende Mischsignal (ω₁+ω₂; ω₁-ω₂) auf einen zweiten Verstärker (20) geführt ist und an dessen Ausgang ein Ein-Ton-Referenzsignal (S) zur Weiterführung ansteht und daß am Ausgang des Mischers (17) das Mischsignal (ω₁+ω₂ und ω₁-ω₂) ansteht, das auf einen ersten Verstärker (18) geführt ist und an dessen Ausgang als Modulationssignal (M) anliegt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillatoren (15, 16) einzeln durchstimmbar sind.

3. Anordnung zum Bewerten eines Meßsignals nach Betrag und Phase in bezug auf ein Referenzsignal, wobei ein Trägersignal mit einem Modulationssignal moduliert wird und mit einer Probe mit der Folge geänderter Phase und/oder Betrag wechselwirkt und mindestens die geänderte Phase des derart abgeleiteten, modulierten Meßsignals mittels phasenempfindlicher Demodulation unter Nutzung eines Referenzsignals bestimmt und zur Auswertung der Eigenschaften der Probe herangezogen wird, umfassend:

• - zwei Oszillatoren (15, 16) zur Erzeugung der Grundfrequenzen (ω₁, ω₂) sowie einen Mischer (27),

dadurch gekennzeichnet,
daß die Ausgänge der Oszillatoren (15, 16) je über einen ersten bzw. zweiten Koppler (24, 25) an ein Kombinationsglied (26) angeschlossen sind, wobei am Ausgang des Kombinationsgliedes (26) ein Signal ansteht, das auf einen ersten Verstärker (18) geführt ist und an dessen Ausgang als das Modulationssignal (M) anliegt;
daß die Ausgänge des ersten und des zweiten Kopplers (24, 25) auf einen Mischer (27) führen, an dessen Ausgang ein Signal ansteht, das auf einen dritten Verstärker (23) geführt ist und an dessen Ausgang als Zwei-Ton-Referenzsignal (T) anliegt, und außerdem in einen Verbindungszweig zwischen dem ersten oder zweiten Koppler (24, 25) und dem Mischer (27) ein dritter Koppler (28) angeordnet ist, an dessen Ausgang ein Signal ansteht, das auf einen zweiten Verstärker (20) geführt ist und an dessen Ausgang als Ein-Ton-Referenzsignal (S) anliegt.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillatoren (15, 16) mit Mitteln zum gemeinsamen Durchstimmen versehen sind.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß zur phasenempfindlichen Demodulation mit Zwischenfrequenzfilterung ein Demodulationsteil (39) einen ersten und einen zweiten Phasenschieber (40, 45) aufweist, an deren Eingänge jeweils unterschiedliche Referenzsignale (1, 2) anliegen, wobei der erste Eingang eines ersten Mischers (41) mit dem Ausgang des ersten Phasenschiebers (40) verbunden ist und am zweiten Eingang des ersten Mischers (41) das Meß- bzw. Detektorsignal (D) anliegt, wodurch das Meß- bzw. Detektorsignal (D) auf eine feste Zwischenfrequenz in Abhängigkeit von der Frequenz des Referenzsignals (1) am ersten Phasenschieber (40) gemischt wird;
daß das Ausgangssignal des ersten Mischers (41) auf den ersten Eingang eines zweiten Mischers (44) gelangt, dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang eines zweiten Phasenschiebers (45) verbunden ist, wobei am Eingang des zweiten Phasenschiebers (45) das Referenzsignal (2) anliegt und
daß am Ausgang des zweiten Mischers (44) das gefilterte, demodulierte Meßsignal abgreifbar ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an den Eingängen der jeweiligen ausgangsseitigen Mischer (34, 44) des Demodulationsteiles (31; 39) Mittel zur Überwachung der anliegenden Pegel zur Einstellung der Linearität der Meßanordnung vorgesehen sind.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die Pegelüberwachung in der Leitung vor dem ersten und dem zweiten Eingang des Mischers (34) jeweils ein Koppler (47, 48) angeordnet ist, wobei die Ausgänge der Koppler (47, 48) mit je einem Pegelmesser (49, 50) verbunden sind.