Khối khuếch đại tớn hiệu và lọc tần số

Khối khuếch đại tớn hiệu và lọc tần số bao gồm 2 thiết bị của hóng Stanford Research Systems (Mỹ):

 Bộ tiền khuếch đại dải rộng nhiễu thấp SR560 với vai trũ khuếch đại tớn hiệu từ khối cảm biến trờn dải tần số rộng làm cơ sở cho quỏ trỡnh phõn tớch nhiễu của quang trở và đo đạc độ nhạy điện ỏp cũng như ngưỡng nhạy.

 Bộ khuếch đại Lock-in SR830 cú khả năng đo đạc cỏc tớn hiệu rất bộ trờn nền nhiễu lớn, cú khả năng phõn tớch nhiễu ở cỏc tần số khỏc nhau.

a) Bộ tiền khuếch đại dải rộng:

Sơ đồ mạch nguyờn lý của bộ tiền khuếch đại dải rộng trờn Hỡnh 2.11. Hai thành phần chớnh của bộ tiền khuếch đại dải rộng là hai bộ lọc tần số và mạch khuếch đại thuật toỏn.

Bộ tiền khuếch đại dải rộng SR560 cú hai bộ lọc tần số sử dụng mạch lọc tần kiểu R-C, mỗi bộ lọc bao gồm 16 mạch lọc tần số R-C. Một bộ lọc thụng thấp và một bộ lọc thụng cao sử dụng để cắt cỏc khoảng tần số khụng mong muốn. Cấu hỡnh tần số cắt của 2 bộ lọc cú thể thực hiện trực tiếp trờn mặt trước (Hỡnh 2.12) của thiết bị, dải tần số lọc trong khoảng từ 0,03 Hz đến 1 MHz.

Hỡnh 2.12. Bộ tiền khuếch đại dải rộng SR560 [14].

Hệ số khuếch đại tớn hiệu cú thể tựy chỉnh tăng hoặc giảm trong khoảng từ 1 đến 5.104 bằng cỏch sử dụng phớm bấm GAIN, cỏc mức khuếch đại tớn hiệu được cung cấp là: 1, 2 hoặc 5 nhõn với cỏc mức là 10, 100, 1000, 10000. Khối tiền khuếch đại cú thể kết nối và điều khiển trực tiếp từ mỏy tớnh thụng qua giao tiếp RS-232.

Tớnh năng chi tiết của bộ tiền khuếch đại thể hiện trong Bảng 2.4, với những ưu điểm là nhiễu phỏt sinh từ thiết bị rất bộ, mộo tớn hiệu nhỏ và độ ổn định cao.

Bảng 2.4. Tớnh năng bộ tiền khuếch đại dải rộng SR560.

Đầu vào tớn hiệu Tớn hiệu đơn hoặc tớn hiệu so sỏnh Trở khỏng lối vào 100 MΩ + 25 pF

Đầu vào cực đại 1 VDC; 3 VAC Dải tần khuếch đại 0,03 ữ 1 MHz

Nhiễu < 4nV/ Hz ở 1 kHz Hệ số khuếch đại 1 đến 5.104 Độ ổn định 200 ppm/ oC Độ trụi tớn hiệu DC 5àV/ oC Mộo tớn hiệu 0,01% Cụng suất 60 W

Điện ỏp và tần số làm việc 100/120/220/240 VAC, 50/60 Hz. Thời gian hoạt động sử dụng pin 15 giờ liờn tục

b) Bộ khuếch đại Lock-in:

Bộ khuếch đại Lock-in được sử dụng để đo đạc cỏc tớn hiệu nhỏ và phõn tớch nhiễu. Cỏc tớn hiệu nhỏ tới vài nanoVolt vẫn cú thể được đo đạc. Điểm đặc biệt nhất trong tớnh năng của bộ khuếch đại Lock-in là cỏc phộp đo đạc tớn hiệu vẫn cú thể được thực hiện trong trường hợp tớn hiệu nhiễu lớn gấp hàng nghỡn lần tớn hiệu cần đo. Bộ khuếch đại Lock-in sử dụng một kỹ thuật gọi là “phỏt hiện nhạy pha” (PSD) để nhận biết cỏc thành phần hợp thành ở một tần số tham chiếu riờng và pha. Cỏc tớn hiệu nhiễu ở tần số khỏc với tần số tham chiếu sẽ bị loại bỏ hoàn toàn và khụng ảnh hưởng tới kết quả đo. Hỡnh 2.13 là bộ khuếch đại Lock-in SR830 [15].

Tớnh năng cơ bản của bộ khuếch đại Lock-in được tổng hợp trong Bảng 2.5:

Bảng 2.5. Tớnh năng của bộ khuếch đại Lock-in SR830.

Đầu vào tớn hiệu Tớn hiệu đơn hoặc tớn hiệu so sỏnh Trở khỏng lối vào 10 MΩ+25 pF

Tớn hiệu đầu vào 1 nV ữ1 V

Nhiễu < 6 nV/ Hz ở 1 kHz

Dải tần hoạt động 1 mHz ữ 102 kHz Độ trụi của pha tớn hiệu tham chiếu < 0,01°/ °C Độ ổn định tần số 5 ppm/ oC

Cụng suất 40 W, 100/120/220/240 VAC, 50/60 Hz. Bộ khuếch đại Lock-in cú thể hoạt động ở chế độ đơn giản nhất là như một vụn-kế cú độ nhạy rất cao. Nú cú thể xỏc định tớn hiệu ở một tần số nhất định trong dải đo nhờ kỹ thuật nhạy pha.

Giả sử tớn hiệu tham chiếu là một súng dạng xung vuụng ở tần số ωr được lấy từ một mỏy phỏt tần số, tớn hiệu cần đo là một súng hỡnh sin cú dạng

sig r sig

V .sin(  t ), trong đú Vsig là biờn độ của tớn hiệu. Bộ khuếch đại Lock- in tự phỏt ra tớn hiệu tham chiếu hỡnh sin cú dạng V .sin(L   Lt ref).Tớn hiệu cần đo được nhõn với tớn hiệu tham chiếu, tớn hiệu tổng hợp Vpsd:

p sig r sig ref sig r sig sig r sig sd L L L L ref L L ref V V V V si n( t )si n( t ) 1 cos([ ]t ) = V 2 1 V 2 - V cos([ ]t )                (2.10)

Như vậy, trong thành phần tớn hiệu nhõn gồm cú hai tớn hiệu xoay chiều với tần số hiệu (ωr - ωL) và tần số tổng (ωr + ωL). Sau khi đi qua bộ lọc thụng thấp thỡ thành phần tần số tổng (ωr + ωL) bị loại bỏ, nếu tần số của tớn hiệu tham chiếu và tớn hiệu đầu vào cú giỏ trị bằng nhau thỡ tớn hiệu đầu ra sau bộ lọc sẽ chỉ cũn tớn hiệu một chiều tỷ lệ với biờn độ tớn hiệu vào:

psd 1 sigV cL sig ref

V V

2 os(  )

  (2.11)

Trong trường hợp tớn hiệu đầu vào (bao gồm cả nhiễu) ở nhiều tần số khỏc nhau, lỳc này bộ khuếch đại Lock-in kết hợp bộ lọc thụng thấp chỉ nhận biết cỏc tớn hiệu cú tần số rất gần với tần số tham chiếu. Nhiễu ở cỏc tần số khỏc biệt với tần số tham chiếu sẽ được lọc bỏ và khụng xuất hiện trong tớn hiệu ra của bộ khuếch đại. Nhiễu được lọc càng triệt để khi tần số tham chiếu càng gần tần số của tớn hiệu cần đo. Đõy chớnh là phương phỏp thực hiện phộp đo cỏc tớn hiệu vào trong trường hợp tớn hiệu này bị ảnh hưởng bởi cỏc nhiễu tạp ở cỏc tần số khỏc với biờn độ lớn hơn nhiều lần. Mặt khỏc đõy cũng là một phương phỏp rất hiệu quả trong xỏc định độ lớn của nhiễu tạp khi chưa đưa vào tớn hiệu cần đo.

Bộ khuếch đại Lock-in sử dụng một hệ thống “vũng lặp khúa pha” (PLL) để tạo ra tớn hiệu tham chiếu cựng tần số và cựng pha với tớn hiệu từ bờn ngoài thụng qua cỏc bộ phỏt dao động bờn trong. Do vậy, sự thay đổi của tớn hiệu tham chiếu từ bờn ngoài về tần số, pha khụng làm ảnh hưởng tới độ chớnh xỏc của phộp đo.

Sự phụ thuộc của tớn hiệu lối ra vào độ lệch pha của tớn hiệu tham chiếu và tớn hiệu lối vào được thiết bị loại bỏ bằng cỏch tạo tớn hiệu tham chiếu vuụng pha dạng: V .sin(L Lt ref

2)

    . Tớn hiệu đầu ra sau khi được lọc thụng thấp cú dạng:

psd 1 sigV sL sig ref

V V

2 in(  )

  (2.12)

Từ cỏc cụng thức (2.11) và (2.12), chỳng ta cú hai đầu ra, một tớn hiệu đầu ra tỷ lệ với cosθ, một tớn hiệu đầu ra tỷ lệ với sinθ. Bằng cỏch đưa hai tớn hiệu này vào hai kờnh X, Y của thiết bị, tớn hiệu tổng hợp sẽ khụng phụ thuộc vào độ lệch pha của tớn hiệu lối vào và tớn hiệu tham chiếu.