학부 및 대학원 물리학 실험실에서 학생들은 기본적인 전자기학 개념을 배우는 것뿐만 아니라 함수 발생기, 오실로스코프, 스펙트럼 분석기와 같은 표준 계측 장비에 익숙해지는 것이 매우 중요합니다. 록인 증폭기는 분광학, 양자 광학, MEMS 등 다양한 분야에서 활용됩니다. 하지만 록인 증폭기의 높은 가격 때문에 많은 학생 실험실에서 록인 검출 원리를 제대로 가르치지 않는 경우가 많습니다.
인도 마드라스 공과대학교 물리학과에서, Moku:Go 이 활동은 실험 수업의 일환으로 록인 현상 탐지 원리에 대한 실습 학습을 촉진하기 위해 사용됩니다. 이 활동은 학부생 및 대학원생을 대상으로 주당 6~9시간 동안 진행되도록 설계되었습니다.
Moku:Go이는 소프트웨어로 정의된 테스트 및 측정 도구 모음을 제공하는 재구성 가능한 장치입니다. 파형 발생기, 오실로스코프 락인 증폭기이러한 모듈을 활용하여 수십 명의 학생들이 비용 효율적인 방식으로 동시에 학습할 수 있도록 다음과 같은 활동들이 설계되었습니다.
a) 주어진 정현파 신호를 내부 기준 신호(정현파 신호)와 동기화하는 경우와 동기화하지 않는 경우의 효과를 연구하십시오.
b) 두 개의 주파수 성분을 가진 신호를 측정합니다.
c) 구형파 열 형태의 신호를 측정합니다.
d) 매우 낮은 저항값(일반 멀티미터로 측정할 수 있는 값보다 낮은 값)을 측정하십시오.
난제
록인 검출은 광학 간섭계, RF 반사 측정법 등 신호의 위상과 진폭을 측정해야 하는 다양한 응용 분야에 필수적입니다. 기본적으로 이 방법은 복잡한 신호 내의 특정 주파수 성분에 "록온"하여 배경 신호로부터 해당 성분을 분리하고 추출합니다. 잡음과 고주파 성분을 제거함으로써 록인 검출은 탁월한 감도를 제공하며, 잡음 레벨 아래에 있는 신호까지 복구할 수 있습니다.
록인 검출은 입력 신호를 원하는 주파수로 설정된 기준 신호(국부 발진기)와 비교하는 방식으로 작동합니다. 신호는 기준 주파수에서 복조되는데, 주파수 영역에서 이 기준 주파수는 신호를 0Hz에 중심을 둡니다. 그 후 저역 통과 필터를 통해 고주파 성분을 제거하고 관심 있는 성분의 진폭만 남깁니다. 거의 모든 최신 록인 증폭기는 이중 위상 복조 방식을 사용하는데, 이는 90도 위상차가 있는 두 개의 국부 발진기를 이용하여 입력 신호의 위상과 진폭을 모두 추출하는 방식입니다. 록인 증폭기의 블록도는 그림 1에 나와 있습니다.
물리학 및 공학 연구실에서 널리 사용됨에도 불구하고, 록인 증폭기는 일반적으로 다른 시험 및 측정 장비에 비해 가격이 비쌉니다. 이러한 가격적 특성 때문에 여러 대를 구비하여 모든 학생들이 직접 사용해 볼 수 있도록 해야 하는 대규모 학부 물리학 실험실에서는 록인 증폭기의 활용이 제한적입니다.
해법
IIT 마드라스 물리학과는 학생들이 직접 실습 경험을 쌓을 수 있도록 9대의 Moku:Go 기기를 도입했습니다. 락인 증폭기 악기.
첫 번째 연습에서 학생들은 주기적인 사인파를 생성하고 입력 진폭 및 LO 주파수와 같은 록인 증폭기의 매개변수를 조정합니다. 그런 다음 이러한 매개변수가 복조 진폭에 미치는 영향을 측정합니다. Moku:Go를 사용하여 이 작업을 수행합니다. 파형 발생기 이와 동시에 학생들은 회로에 노이즈를 주입하여 신호 대 잡음비(SNR)가 낮더라도 신호를 복구할 수 있음을 발견했습니다.
이 장비는 AC 저항을 정밀하게 측정하는 방법도 제공합니다. 록인 증폭기는 전압 분배기 구성(그림 2 참조)에서 AC 전압 소스의 전압 강하를 저항 중 하나에 걸쳐 정량화합니다. 이렇게 추출된 저항 값은 저항의 공칭 값과 비교됩니다. 록인 증폭기의 잡음 제거 기능이 추가됨으로써, 이 방법은 표준 DC 전압 분배기보다 높은 정밀도를 제공합니다. 또한 단순한 DC 저항 측정과 달리, 전체 임피던스 Z를 통해 저항의 기생 정전 용량까지 정량화할 수 있습니다.
마지막으로, 학생들은 Moku를 사용하여 구형파의 다양한 고조파를 측정했습니다. 학생들은 주기적인 구형파 신호를 록인 증폭기에 입력하고 국부 발진기 주파수를 중심 주파수와 각 홀수 고조파 주파수로 조정했습니다. 각 고조파의 복조된 진폭을 측정함으로써 구형파를 구성하는 다양한 성분과 고차 고조파의 진폭이 감소하는 현상을 시각화할 수 있었습니다.
결과
Moku:Go는 학생들에게 록인 증폭기 개념을 소개하는 데 비용 효율적인 방법을 제공하는 것으로 나타났습니다. IIT 마드라스 물리학과는 Moku:Go에 포함된 다른 장비, 예를 들어 PID 컨트롤러를 활용한 실험을 설계하여 학생들에게 피드백 제어 개념을 가르치는 연구를 진행하고 있습니다.