CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN LÝ THUYẾT KĨ THUẬT LOCK-IN
3.2. Mô tả nguyên lý mạch Lock-in
Sơ đồ mạch được thể hiện như ở Hình 3.1. Hình 3.2 thể hiện mạch điện tử và mạch in của thiết bị này. Mạch có thể được tạm chia thành ba phần: một IC thực hiện việc tách sóng nhạy pha (ví dụ, mạch dò Lock-in), một bộ khuếch đại lối vào để nâng tín hiệu trước khi nó được gửi đến mạch dò pha này, và một bộ khuếch đại-lọc ở lối ra. Chip dò nhạy pha thuộc họ IC AD630 được cung cấp bởi hãng Analog Devices. Theo sơ đồ kết nối ở Hình 3.1, các thiết bị được kết cấu ở hai mode tương đồng, nhằm đáp ứng yêu cầu thay đổi ở bộ khuếch đại lối vào. Chúng tôi đã thử nghiệm cả hai trường hợp sử dụng IC AD630J và AD630K. IC AD630J ít tốn kém hơn, đáp ứng đầy đủ các ứng dụng của chúng tôi về mạch này và phù hợp với hầu hết các phòng thí nghiệm sinh viên.
Vấn đề được nêu ra ở đây là một sóng sin hay sóng vuông được sử dụng cho tín hiệu Reference của bộ khuếch đại Lock-in. Thử nghiệm với lối ra "TTL" từ các loại máy phát chức năng chi phí thấp thường được tìm thấy trong các phòng thí nghiệm giảng dạy đã thu được ít hơn kết quả mong muốn do chất lượng kém của tín hiệu "TTL". Ngõ vào 9 và 10 có thể được kết nối với tín hiệu Reference và đất tương ứng, nếu không muốn thay đổi pha. Ngoài ra, như trong Hình 3.1, chúng có thể được kết nối với tín hiệu Reference và đất thông qua một chuyển mạch phân cực đảo ngược hai cực đôi (DPDT). Tác động này như một sự dịch chuyển pha 1800 cho tín hiệu Reference, cho phép người sử dụng được lựa chọn các cực ở lối ra. Để đơn giản, thường thì giai đoạn kiểm soát pha được loại bỏ ở cấp độ nghiên cứu bộ khuếch đại Lock-in. Đây cũng là trường hợp trong hầu hết các mục đích thương mại hóa bộ khuếch đại Lock-in ở "cấp độ
sinh viên". Tương tự như vậy, một máy phát dao động ký để phát tín hiệu Reference thay vì được cung cấp từ máy phát chức năng chi phí thấp là có sẵn và là thiết bị tiêu chuẩn trong hầu hết các phòng thí nghiệm giảng dạy.
Hình 3.2. Sơ đồ mạch điện tử và mạch in của hệ LIA sử dụng 3 mạch tích hợp
Phần thứ hai, bộ khuếch đại đầu vào, là một thiết bị khuếch đại vi mạch chuẩn, và độ lợi được thiết lập bằng cách đóng ngắt một điện trở duy nhất. Chúng tôi đã sử dụng cả hai linh kiện đó là Texas Instruments (Burr-Brown) INA114 và Analog Divices AD620. Loại đầu tiên INA114 có bảo vệ lối vào tốt hơn (lên đến 40V), trong khi loại còn lại AD620 đạt được độ lợi lớn tại băng thông cao hơn (>10 kHz so với 1kHz của INA114). Việc kích hoạt linh kiện làm
việc ở chế độ khuếch đại thấp hơn và việc bổ sung một op-amp giai đoạn khuếch đại thứ hai sẽ mở rộng băng thông. Một ví dụ về một thiết kế như vậy được tìm thấy trong mạch tiền khuếch đại của LIA kỹ thuật số ở mục tham khảo [22]. Đối với các thiết kế hiện hành, chúng tôi đã lựa chọn để giảm thiểu lượng chip thay thế. Việc kết nối đầu vào ở một chế độ khác biệt sẽ cung cấp việc loại bỏ nhiễu tốt hơn chế độ thông thường, nhưng tất cả các thí nghiệm của sinh viên chúng tôi đều cung cấp kết quả đầu ra duy nhất đến LIA. Tuy nhiên chúng tôi kết nối lối vào thấp của bộ khuếch đại với đất thông qua một điện trở 10 để giảm tác động của các vòng lặp nối đất (sai số đầu vào). Lưu ý rằng việc thiết kế những điện trở có sẵn tăng độ lợi bên trong các linh kiện khuếch đại sẽ có chi phí cao hơn. Tuy nhiên số lượng các lợi ích có sẵn lại bị hạn chế. Chúng tôi đã sử dụng điện trở kim loại màng mỏng dung sai 1% cung cấp độ chính xác đầy đủ về độ lợi cho hầu hết các thí nghiệm của sinh viên. Nếu đạt được độ chính xác cao hơn, điện trở với dung sai chặt chẽ hơn hoặc biến trở thu nhỏ, có thể được sử dụng để điều chỉnh giá trị chính xác. Lưu ý rằng các phương trình cho các giá trị tăng so với mức tăng điện trở tương tự nhưng hơi khác nhau cho INA114 và AD620. Trong Hình 3.1. chúng tôi sẽ biểu diễn các giá trị dành cho INA114.
Lối vào được khớp nối AC bằng cách chèn một tụ điện giữa khớp nối lối vào với mạch tiền khuếch đại. Người ta thích chọn khớp nối AC hơn vì khi tín hiệu lối vào có chứa một thành phần DC đáng kể có thể sẽ làm quá tải các bộ khuếch đại đầu vào, đặc biệt là khi cần tăng độ khuếch đại. Tụ điện và điện trở ở lối vào tạo thành bộ lọc thông cao ở khớp nối AC, khớp nối DC được ưa thích hơn khi tần số tham chiếu (và do đó kéo theo tần số tín hiệu mong muốn) là thấp và sự suy giảm và dịch pha đến bộ lọc này phải được tránh. Đối với hầu hết các thí nghiệm trong ngành giáo dục mà chúng tôi đã phát triển thì khớp nối AC là điều mong muốn. Hình 3.1 mô tả khớp nối AC thông qua tụ 0,47F.
Phần thứ ba của mạch bao gồm bộ lọc thông thấp và mạch khuếch đại DC lối ra. Bộ lọc là một mạch lọc phân nhánh RC đơn giản với một điện trở cố định 1M và tụ điện có thể chuyển đổi để thay đổi hằng số thời gian. Hằng số thời gian từ 0,01 đến 2.2s có sẵn với các thành phần được hiển thị, một vài trong số những tụ điện này có thể được loại bỏ để đơn giản hóa việc xây thiết kế mạch. Ngoài ra, việc kết hợp một bộ lọc hai giai đoạn sẽ lọc bỏ tiếng ồn tốt hơn. Một chip Texas Instruments OP-27 (các nhà sản xuất khác cũng có tung ra thị trường chip này) được sử dụng làm mạch khuếch đại lối ra. Nó có thể hoạt động ở cả
hai chế độ đơn nhất hoặc "x10". Điện trở 10 k có tác dụng hạn chế dòng ở lối vào khi hằng số thời gian thay đổi.
Hình 3.3. Mạch tạo nguồn lƣỡng cực
Hình 3.4. Mạch Lock-in tƣơng tự hoàn chỉnh
Hình 3.3 cho thấy nguồn được sử dụng ở đây là một bộ nguồn lưỡng cực 15V, nhưng cũng có thể thay thế bằng một bộ nguồn 12V với chỉ một sự mất
mát hiệu suất không đáng kể. Tuy nhiên ở đây, nhóm tác giả đã thiết kế bộ nguồn 15V khá ổn định dựa trên VAT1-S5-D15-SMT. Dòng tiêu thụ của toàn bộ mạch nhỏ hơn 50mA. Hình ảnh mạch Lock-in bước đầu hoàn thiện của bộ chuyển đổi được thể hiện trong Hình 3.4.