Lockningstekniken

Lockningstekniken, ofta kallad lock-in-teknik eller fasstyrd detektion, är en metod inom signalbehandling som gör det möjligt att avläsa mycket svaga signaler i bakgrundsbrus. Tekniken används när signalen har en känd eller kontrollerbar frekvens och där målsignalens fas och frekvens inte kan urskiljas av traditionell filtrering.

Principen bygger på faskänslig detektion. Om signalen S(t) = A cos(ω0 t + φ) moduleras vid frekvensen ω0 och blandas med en referenssignal R(t) = cos(ω0 t), blir produkten S(t)R(t) = (A/2)[cos φ + cos(2ω0 t + φ)]. Den högfrekventa komponenten filtreras bort med ett lågpassfilter, och den kvarvarandeDC-komponenten är proportional med A cos φ. Genom att även använda en referens med sin(ω0 t) kan man få en quadrature-komponent och därmed bestämma både amplitud och fas. Resultatet är ett mycket smalt band runt referensfrekvensen, vilket ökar signal-till-brus-förhållandet.

Utrustning och genomförande. Den centrala anordningen är en lock-in- amplifier eller en digital motsvarighet som multiplikator och lågpassfilter. En referensgenerator producerar frekvensen som används för modulo och fasjustering. Signalens paket filtreras ned till en jämn DC-nivå som speglar mätvärdet vid referensfrekvensen.

Användningar. Lockningstekniken används inom optik, spektroskopi, elektronik och materialvetenskap för att mäta små förändringar i ljusstyrka, impedance, temperatur- eller strålningsrelaterade signaler. Den är central i lock-in thermography och i pump-probe-fysik samt i biologiska och elektrochemiska mätningar.

Fördelar och begränsningar. Tekniken ger mycket god SNR vid kända frekvenser och kan avlägsna bredbandigt brus, men kräver stabil referensfrekvens och sigenskalan. Tidskonstanten i lågpassfiltret bestämmer avvägningen mellan hastighet och noggrannhet; snabba förändringar kan inte följas lika väl. Lockningstekniken är inte lämplig för signaler utan klart definierad frekvens eller utan känd fas.