La détection synchrone : application

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1 La déecion synchrone : applicaion (Anglais: lock-in amplifier) La cigale chane U IN () Mais il y a du brui + beaucoup de brui. U OUT () Quelle es l'ampliude du chan de la cigale? Commen exraire le signal inéressan d'une mesure bruié?

2 L'idée : éape #1 Faire comme nore oreille Le brui es rès for, mais il es large bande. Le signal es concenré dans une bande fine. U IN () Transformaion F(U())(ν) Filre passe bande de Fourier Brui ν U OUT () La fréquence du signal es connue Mesure d'ampliude (mulimère, oscilloscope)

3 L'idée : éape #2 Le brui es généré par beaucoup d'événemens aléaoires Le brui se disingue du signal égalemen par la disribuion aléaoire de sa phase. Profier de la relaion de phase consane du signal. La mesure qui rejee un maximum de brui prend en compe seulemen la composane de U IN () qui a à la fois la bonne fréquence ET la bonne phase (réglable). (La condiion de la bonne phase inclu la condiion de la bonne fréquence)

4 Principe de foncionnemen des déecions synchrones (lock-in amplifiers) Le principe 2.) (Une manière de faire) 1.) Sin(a) * Sin(b) = 1/2 * ( Cos(a-b) - Cos(a+b) ) a, b complexes 1 1 C 2π >> C cos( T ) d 0 0 En muliplian le signal à mesurer (Sin(a)) avec une référence (Sin(b)), e en inégran le signal résulan sur "longemps", on mesure principalemen la parie de Sin(a) qui à la même fréquence (e la même phase) que Sin(b). Schéma de principe: Si 1 >> T Signal U IN () Ampli d'enrée Signal de référence Réglage de phase Muliplicaeur Filre passe bas (inégraion) Mesure de l'ampliude

5 Applicaion: mesures phoohermiques Le bu de la mesure Mesurer une absorpion opique faible (niveau ppm) Le principe de mesure 1. Un laser pompe es absorbé par une impureé 2. L'impureé chauffe, e par cela chauffe le maériau hôe 3. Le maériau hôe se dilae e change donc son indice de réfracion 4. Le faisceau sonde, qui rase la zone chauffée, es dévié grâce au gradien de l'indice de réfracion. Sources de brui - Flucuaions du laser sonde - courans d'air - vibraions de la able, du bâimen - brui du capeur Laser pompe Laser sonde Déviaion dû à l'échauffemen

6 Applicaion: mesures phoohermiques Monage expérimenal: Laser coninu (pompe) focalisaion échanillon Laser coninu (sonde) chopper référence Lock-in signal Trappe de faisceau Echauffemen périodique e localisé dans l'échanillon Ordinaeur (Labview) mulimère Déviaion périodique! Phoodiode à 4 quadrans (sensible à la POSITION du faisceau)

7 Signal Inpu Inpu Impedance Damage Threshold Bandwidh Full Scale Sensiiviy Gain Accuracy Gain Sabiliy Performances ypiques Rejecion du brui: (dynamic reserve) > 60 db Rappor oléré enre, l'ampliude du signal le plus for qu'on ne veu pas mesurer, e le "full scale", avan que la précision de mesure ne soi réduie. 60 db: V eff (brui) 1000 * V eff (signal) (plus si assez éloigné de la fréquence à mesurer) 50 Ω or 1 MΩ 30 pf. ±5 V (DC+AC) 25 khz o 200 MHz. 100 nv o 1V rms < 50 MHz ±0.25 db < 200 MHz ±0.50 db 0.2%/ C Coheren Pickup from reference channel f < 10 MHz < 100 nv (ypical) f < 50 MHz < 2.5 µv (ypical) f < 200 MHz < 25 µv (ypical)

8 La bande de déecion d'une déecion synchrone La largeur de la bande de déecion dépend du emps d'inégraion. Si ν S es la fréquence du signal (chopper), la bande de déecion associé au emps d'inégraion T i es: [ ν S 1/(2*T i ), ν S + 1/(2*T i ) ] Un brui don l'ampliude es mille fois supérieure à celle du signal e don la fréquence es en dehors de la bande de déecion n'empêche pas la mesure du signal avec la précision indiquée. Une idée des prix: 3'000 9'000 $

9 Les analyseurs de specres Bu: Caracériser le specre d'un signal radiofréquence Les différens ypes d'analyseurs de specres: 1. Analyseurs de Fourier Deux noms pour la même approche 2. Analyseurs vecoriels 3. Analyseurs de balayage Première éape (commune à ous les ypes) On s'inéresse uniquemen à la parie variable des signaux. L'enrée es donc câblée en AC. V in = V moy + V ~ () V ~ ()

10 Analyseurs de specres ype 1 e 2 Ampliude Inpu Aénuaeur Converisseur vers basses fréquences CAN FFT * Phase Re Im Converisseur de fréquence: muliplicaeur Toue combinaison des aures sories possibles Inpu ω a Passe bas ω a - ω b Référence ω b Sin(a) * Sin(b) = 1/2 * ( Cos(a-b) - Cos(a+b) ) * FFT = Fas Fourier Transform

11 Analyseurs de specres ype 3 Analyseurs de balayage Fréquence fixe: f M Inpu f in A. Passe bas Mul. Ampli. Passe bande Déeceur d'enveloppe Généraeur de rampe Oscillaeur local f L Oscillaeur de référence X Y Affichage (écran cahodique) L'oscillaeur balaye (en foncion de la ension de rampe) des fréquences de f L, min = f M + f in, min àf L, max = f M + f in, max Souven les insrumens on plusieurs éapes de conversion (vers le bas) C'es un monage de ype super héérodyne, comme il es aussi uilisé en radio AM.

12 Comparaison analyseurs de specres Analyseurs de Fourier e Analyseurs vecoriels Foncionne avec des impulsions Analyseurs à balayage Nécessie un signal sable pendan un balayage Limié à < 6 GHz Disponible en version microonde jusqu'à 26 GHz Très cher si haue fréquence Caracérisaion complèe du signal Pour les appareils puremen analogiques seulemen sorie en ampliude ou puissance La limie pour la résoluion en fréquence es oujours donnée par le emps d'acquisiion f = 1/T acq

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