LIA(Lock-in Amplifier)는 잡음에 의해 압도되는 알려진 주파수의 신호를 추출할 수 있는 널리 사용되는 장비입니다. LIA는 신호를 국부 발진기(LO)와 혼합하고 저역 통과 필터를 사용하여 원치 않는 주파수에서 잡음을 제거합니다. 이를 통해 LIA는 LO와 관련된 신호의 진폭뿐만 아니라 위상도 감지할 수 있습니다. 이 문서에서는 외부 참조를 통해 약한 50kHz 신호의 진폭과 위상을 감지하도록 Moku:Lab의 LIA를 구성하는 방법을 안내합니다.
신호 및 기준 소스
이 예에서는 두 번째 Moku:Lab 파형 발생기를 사용하여 LIA의 신호와 외부 기준 신호를 시뮬레이션했습니다. 신호로는 50kHz, 1mVpp 사인파를, 기준 신호로는 50kHz, 500mVpp 구형파를 사용했습니다. (그림 1) 신호와 기준 신호는 동일한 클럭(위상 고정)을 기반으로 생성되었으며, 서로 임의의 위상 관계를 가지고 있습니다. 이는 실제 실험 환경에서 흔히 볼 수 있는 상황입니다. 각 전자 부품은 서로 다른 계측기 응답 함수와 지연을 가지므로, 신호와 기준 신호 사이에 위상 차이가 발생합니다. 신호는 Moku:Lab LIA의 입력 1에, 기준 신호는 Moku:Lab LIA의 입력 2에 연결되었습니다.
그림 1 : 신호 및 기준 생성을 위한 파형 발생기 설정
LIA의 로컬 발진기(LO) 구성
LIA는 LO에 대한 신호의 진폭과 위상을 추출합니다. LIA가 복조 프로세스에 올바른 LO를 사용하는지 확인하는 것이 중요합니다. 이 예에서는 Moku:Lab의 LIA에 내장된 위상 고정 루프(PLL)를 사용하여 외부 참조 소스의 위상과 주파수를 추적하고 이중 위상 복조를 위해 두 개의 위상 고정 직교 정현파 LO를 생성했습니다. 먼저 LIA의 LO를 외부(PLL) 모드로 구성하고 X/Y 또는 R/θ 동시 감지를 위해 필터링된 신호로 출력했습니다. (그림 2)
그림 2 : Moku:Lab의 LIA에 대한 LO 및 보조 출력 설정
그림 3 : 왜곡되지 않은 정현파 LO(파란색 트레이스) 위상은 기준 입력(빨간색 트레이스)에 위상 고정되었습니다.
저역통과 필터 구성
저역 통과 필터의 대역폭은 측정 신호 대 잡음비(SNR)에 상당한 영향을 미칩니다. 일반적으로 대역폭이 좁을수록 잡음 제거 성능이 향상됩니다. 그러나 대역폭이 좁으면 신호 자체의 고주파 성분도 제거되어 측정 시간 분해능이 떨어집니다. 이 측정에서는 파형 발생기에서 비교적 안정적인 정현파 출력이 나올 것으로 예상합니다. 필터 대역폭을 200Hz로 설정하고 기울기를 12dB/옥타브로 설정했습니다.
LIA의 출력 게인 구성
LO가 설정되면 X/Y 출력에 대한 프로브 포인트를 활성화했습니다. 그런 다음 출력 게인을 약 +60dB로 높여 신호를 수백 mV 범위로 조정했습니다. (그림 4) 이는 다른 록인 앰프의 감도 설정과 유사했으며, 이를 통해 Moku:Lab의 LIA 출력 DAC는 분해능과 범위를 완전히 단일화할 수 있었습니다. 포화를 방지하기 위해 X의 합은2 및 Y2 1V 이하로 유지해야 합니다.
그림 4 : Moku:Lab의 LIA 출력 게인 설정
PLL의 위상 편이 조정
앞서 간략하게 언급했듯이 기준 신호와 실제 신호는 상당한 위상 차이를 가질 수 있습니다. 절대 위상 변이가 측정되는 경우 LO와 신호의 위상을 정렬하는 것이 중요합니다. 위상을 정렬하기 위해 PLL의 위상 변이를 조정하여 Y 구성 요소를 가능한 한 5에 가깝게 만들었습니다. (그림 XNUMX)
그림 5 : PLL의 위상 변이는 Y 신호를 무효화하기 위해 44.630도로 조정되었습니다.
극좌표에서 직사각형으로의 변환 범위 조정
마지막으로, 출력을 X/Y 모드에서 R/θ 모드로 변경하고 직각-극축 변환 범위를 조정했습니다. 최적의 성능을 얻으려면 신호가 포화되지 않고 수용 가능한 가장 작은 범위를 선택해야 합니다. X/Y 모드를 기준으로 출력 진폭은 약 250mV로 추정했습니다. 세 가지 변환 범위 설정을 모두 적용한 결과, 7.5mVpp가 가장 좋은 결과를 보였습니다. (그림 6)
그림 6 : R 출력을 기반으로 Polar-Rect 변환 범위 최적화