LockInVerstärker

Der Lock-In-Verstärker ist ein Messinstrument, das gezielt die Amplitude und die Phase eines Signals mit bekannter Trägerfrequenz aus einem stark verrauschten Hintergrund extrahieren kann. Er nutzt eine Referenzfrequenz, die mit dem zu messenden Signal synchronisiert ist, und wandelt das gemessene Signal durch Phasenempfindliche Demodulation in ein niederfrequentes Ausgangssignal um.

Funktionsprinzip: Das Eingangssignal wird mit einer Referenzgröße gemischt, typischerweise in Form von Sinus- und Kosinuskomponenten. Dadurch entsteht eine Gleichkomponente, die proportional zur gesammelten Signalamplitude und dem Phasenunterschied ist. Eine anschließende Tiefpassfilterung entfernt die hochfrequenten Anteile, sodass ein Gleichspannungsausgang erhalten bleibt, der die modulierte Signalgröße widerspiegelt. Die Methode wird oft als Phasenempfindliche Demodulation bezeichnet. Häufig werden zwei Kanäle genutzt (X und Y) zur Bestimmung von Amplitude und Phase.

Aufbau und Betriebsparameter: Typischerweise bestehen Lock-In-Verstärker aus einer Referenzoszillator, Mischern, Phasenverschiebung, Verstärkern und Tiefpassfiltern. Wichtige Einstellparameter sind Die Zeitkonstante des Tiefpasses (Bestimmung der Messbandbreite und Rauschunterdrückung), Empfindlichkeit (Nachweisgrenze), sowie die Phasenlage. Digitale Lock-In-Verstärker verwenden DSP-Techniken, ermöglichen beliebige Referenzfrequenzen, Mehrfachdemodulation und bessere Flexibilität.

Anwendungen: Sie finden Anwendung in der Spektroskopie, Optik (Photolumineszenz, Absorption), Raman-Spektroskopie, Messungen elektrischer Impedanzen, Materialwissenschaft, Biophysik und Astronomie. Sie eignen sich besonders, wenn das gewünschte Signal moduliert oder zeitlich kohärent angeregt wird und der Rauschpegel hoch ist.

Vorteile und Einschränkungen: Der Lock-In-Verstärker bietet hohe Rauschunterdrückung und eine definierte Messbandbreite, ist aber auf kohärente Referenz angewiesen. Nichtkohärente Signale oder schnelle zeitliche Änderungen außerhalb der Messbandbreite erfordern andere Messmethoden.