Der Lockin-Verstärker

Das Prinzip des Synchrongleichrichters

Funktion des Lockin-Verstärkers

Wer heute an vorderster Front in den Naturwissenschaften neue Erkenntnisse gewinnen will muss oft mit sehr empfindlichen Messtechniken arbeiten. Die Signale sind meist vom immer vorhandenen Rauschen kaum noch zu trennen, ansonsten wären die Effekte ja schon lange gefunden worden. Für empfindliche Messungen wird oft ein Lockin-Verstärker verwendet. Dieses Messprinzip kann immer angewendet werden wenn periodische Signale von einem hohen Stör- oder Rauschhintergrund getrennt werden müssen. Während die in der Industrie und Forschung verwendeten Lockin's hoch komplexe und sehr teure Geräte sind kann das Prinzip mit wenig Aufwand auch in einfacheren Messgeräten implementiert werden, wie z.B. in der beschriebene Feldmühle.

Das vereinfachte Prinzip des Synchrongleichrichters, der wesentliche Bestandteil eines Lockin-Verstärkers ist nachfolgend beschrieben. Wichtig ist, dass ein zum Messsignal synchrones Referenzsignal vorliegt. Mit Hilfe eines Inverters wird aus dem Messsignal ein um 180° Phasenverschobenes Signal erzeugt. Ein im Takt des Referenzsignals arbeitender elektronischer Schalter schaltet abwechselnd das Mess- und das Phasenverschobene Signal auf den Eingang eines Tiefpasses. Ist das Synchronsignal im Takt zum Messsignal, entsteht am Eingang des Tiefpasses eine pulsierende Gleichspannung und am Ausgang eine geglättete Gleichspannung. Dem Messsignal überlagerte Störspannungen, welche nicht den Synchronbedingungen entsprechen werden durch den Tiefpass unterdrückt. Je länger die Zeitkonstante dieses Tiefpasses ist um so besser werden Störungen unterdrückt. Eine große Zeitkonstante erhöht aber auch die Reaktionszeit des Gerätes auf Änderungen des Messsignals, die Zeitkonstante muss an das Messproblem angepasst werden.
Ein einfacher Synchrongleichrichter kann mit nur wenigen Bauteilen realisiert werden. Der erste Operationsverstärker arbeitet je nach Zustand des Fet-Transistors als invertierender oder nicht invertierender Verstärker. Leitet der Fet ist der + Eingang des OP's mit der Masse verbunden ist und der OP arbeitet als normaler invertierender Verstärker mit einfacher Verstärkung. Sperrt der Fet arbeitet der OP als nicht invertierender Verstärker mit ebenfalls einfacher Verstärkung. Am Ausgang erhält man dann die gewünschte pulsierende Gleichspannung. Auf die Schaltstufe folgt ein passiver Tiefpass. Der zweite OP dient nur zur Impedanzwandlung des hochohmigen Tiefpasses auf normale Werte. Da der verwendete Sperrschicht-Fet BF245 eine negative Gatespannung verlangt wird das Gate über eine Kapazität mit den Synchronpulsen angesteuert.

Einfacher Synchrongleichrichter

Noch einfacher, aber etwas teurer wird die Realisierung des Gleichrichters mit speziellen Ic's zur Signalverarbeitung z.B. mit dem AD 630 von Analog Device. Die integrierte Schaltung beinhaltet in einem 20 poligen Dil-Gehäuse alle notwendigen Funktionen eines Synchrongleichrichters.

Einfacher Lockin-Verstärker mit dem AD630 (aus Datenblatt AD630 Analog Device)
 

Das Datenblatt des Bausteins zeigt einige Anwendungsschaltungen, unter anderem eine einfache Verstärkerschaltung mit der ein Signal wieder gewonnen wird, das in einem 100000 größeren Rauschsignal verborgen ist. Man sieht das große Potenzial dieser Messtechnik.

Messungen mit dem Lockin-Verstärker

Vielfach findet der Lockin-Verstärker in der optischen Messtechnik Anwendung.
Ein typischer Versuchsaufbau zeigt das folgende Bild.

Optische Messung mit dem Lockin-Verstärker

Der Lichtstrahl wird durch eine rotierende Chopperscheibe periodisch unterbrochen, am Ausgang der Fotozelle entsteht dann ein Wechselspannungssignal. Das Synchronsignal für den Lockin-Verstärker wird mit einer Lichtschranke an der Chopperscheibe abgenommen.
Sowohl das Rauschen des optischen Empfängers wie auch Störungen durch Umgebungslicht werden durch die Lockin-Technik eliminiert.

Die der folgenden Schaltung können magnetische Eigenschaften verschiedener Proben gemessen werden. Wird eine magnetische Probe hin- und herbewegt erzeugt sie in einer umgebenden Spule eine Induktionsspannung deren Höhe unter anderem von der Magnetisierung abhängt. Für den einfachen Aufbau wird die Probe in einem Strohhalm befestigt und dieser mit einem kleinen Lautsprecher in einer Messspule hin- und herbewegt. Die Messspule steckt in einer größeren Spule mit der ein Gleichfeld zur Magnetisierung der Probe erzeugt wird. Die in der Messpule induzierte Spannung ist sehr klein weshalb zu ihrer Messung die Lockin-Technik verwendet wird. Die den Lautsprecher antreibende Wechselspannung dient als synchronspannung für den Lockin-Verstärker.
Zur Messung der Magnetisierungskurven wird der Strom in der äußeren Spule verändert und die gemessene Induktionsspannung notiert. Die aufgenommenen Datenpaare ergeben dann die Magnetisierungskurve.

Magnetometer, VSM (vibrating sample magnetometer)

Der Verfasser testete drei Proben, eine Nickelfolie, ein Streifen metallisches Glas aus einer Diebstahlsicherung und einen Tropfen Ferrofluid-Flüssigkeit. Die Nickelfolie zeigt die übliche Hysteresekurve. Das amorphe, metallische Glas zeigt ein extrem weichmagnetisches Verhalten mit äußerst schmaler Hysteresekurve. Das Ferrofluid hat keine Hysterese sondern die Kurve geht für negative und positive Magnetisierung durch den gleichen Nullpunkt

Magnetisierungskurven