使用 LabVIEW 與鎖相放大器技術，量測雜訊中的小型訊號

應如何從 100 dB 的噪音中擷取訊號？應如何於量測中減少背景噪音？請想像：要從 5 V 振幅的白噪音訊號中，擷取 5 mV 的正弦波。有可能進行這種量測嗎？答案是肯定的！

此份文件將說明應如何使用新的 LabVIEW 鎖相放大器入門套件，搭配 NI 資料擷取介面卡，以高於傳統方式 30 倍的速度，縮短開發時間並產生應用。

何謂鎖相放大器？

針對部分或完全陷於雜訊中的AC 訊號，鎖相放大器為進行精確量測的技術。透過參考訊號的頻率，可於輸入訊號上執行修改過的快速傅利葉轉換 (FFT)，以移除雜訊。鎖相放大器將以窄帶帶濾波器(窄至 1 mHz) 的性質，使用近似於參考訊號的頻率，以減少意料之外的雜訊。等於每 10 ms 執行超過FFT 的 1,000,000,000 個點，並僅保留所需訊號的振幅。

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應如何設定？

雖然使用者可於多個領域中套用鎖相技術，但下列範例將為光線量測應用，並可延伸為光譜、核子、原子、分子與光學應用。在圖 1 中，可看到調變為 10 kHz 的手電筒 A (橘色光) 正指向光偵測器 (photodetector)。陽光為系統不需要的雜訊。光偵測器將陽光與手電筒 A 的光線轉換為電子訊號。從光偵測器連接至通道 0 的電子訊號則讀取為 6 V (大部份為不需要的陽光)。使用者則需要電子方式或斷波器 (chopper) 以調變光線。相同的調變方式，將產生由鎖相放大器所使用的參考訊號。在此範例中，參考訊號來自於手電筒 A 開/關；該手電筒連接通道 1 – 讀取範圍從 0 (手電筒關) 至 5 V (手電筒開)。NI PCI-4472 則數位化其資料。NI 鎖相放大器入門套件將處理該筆資料，與擷取自陽光的手電筒單訊號 (5 mV)。手電筒 B (綠光) 於通道 2 上以 1 kHz 進行調變。在增加該手電筒後，即可使用來自於光偵測器 (通道 0) 的相同電子訊號，以擷取手電筒 A 與手電筒 B 的訊號資訊。

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需要哪種資料擷取硬體？

此量測小型訊號新方式的最大優點之一，即是可使用現成的多工能資料擷取硬體，以取得更大的彈性。當選擇擷取裝置時，使用者必須牢記下列 4 個關鍵特性：

• 動態範圍–由於較高的動態範圍可縮短變更增益與等待趨穩的時間，因此將加快量測速度。針對高動態範圍，可使用 24 位元的裝置，如最高 160 dB 的NI 4472。若要放大小型訊號，可使用包含數個增益級(Gain stage) 的 NI 4451，與最高 120 dB 的動態範圍。
• 同步取樣–為了執行精確的鎖相量測，擷取裝置必須進行同步取樣，以取代因趨穩所進行的多工。如NI 動態訊號擷取介面卡 (NI 4472、NI 4452、NI 4542) 與 NI 同步取樣多功能 DAQ 介面卡 (NI 6115)，每通道均具有 1 組 ADC，與通道之間的小型相位失配 (phase-mismatch)。
• 取樣率–取樣率至少應為參考訊號最大頻率的 2 倍。換句話說，輸入訊號的最大頻率，應低於或等於取樣率的一半。針對 45 kHz ~ 500 kHz 的參考，可使用 NI 6115；3 Hz ~ 45 kHz 的參考，可使用 NI 4472；45 kHz ~ 100 kHz 的參考，可使用 NI 4x5x 介面卡。
• 抗交疊：若需確定已限制住輸入訊號的頻率範圍，則可於取樣器與ADC 之前，新增低通濾波器或抗交疊濾波器。抗交疊濾波器將放行低頻率，並衰減高頻率。

 

裝置	動態範圍	同步取樣	取樣率	抗交疊
NI 4472	24 位元 – 最高 160 dB	有	102.4 kS/s	有 – 自動設定為取樣率的 1/2
NI 4451、NI 4452、NI 4551、NI 4552	16 位元 – 最高 120 dB	有	204.8 kS/s	有 – 自動設定為取樣率的 1/2
NI 6115	12 位元 -- 70 dB	有	10 MS/s	有 -- 50 kHz 與 500 kHz

 

 

並有多通道裝置可使用其中某些通道為鎖相放大器，其他通道可讀取其他訊號，如溫度、振動、執行 FFT、功率頻譜，與更多。在範例中使用 NI PCI-4472，可利用 8 組類比輸入訊號，以整合多種參考與訊號輸入。LabVIEW 鎖相放大器入門套件，可擴充系統彈性，以符合應用的需要。

可能選項包含：

• 1 個參考通道與最多 7 個訊號通道
• 最高 4 對參考與訊號
• 7 組參考訊號與 1 個訊號輸入通道

將如何於 LabVIEW 中作業？

新的鎖相入門套件包含 3 個 VI：

1. LockinPLL.vi – 相位鎖定迴圈(PLL) 的軟體建置
2. LockinDemodulatorSettings.vi – 計算解調器(demodulator) 的設定
3. LockinDemodulator.vi – 擴充輸入訊號的頻率要件

1. LockinPLL.vi – 相位鎖定迴圈 (PLL) 運算式的軟體建置，主要可量測參考訊號的頻率與相位。參考訊號具有 mHz 至 MHz 的頻率範圍，並包含正弦波與方波。PLL 運算式將於參考訊號資料的區塊中進行作業，並可擴充所需的資訊。區塊的尺寸越大，則越容易進行最佳化。此為通用建置，可使用於數種應用中，以精確地量測頻率。此外更影響了 LabVIEW 多年的開發，產生許多穩定又可靠的結果。

此 VI 包含於「Reference Info」叢集資料中，其主要輸出為：

• fr – 所量測的參考頻率
• Phase – 所量測的參考相位，包含資料區塊開始的概念
• Order – 階次控制的強迫(coerced) 值value (如有必要)
• Updated – 若已更新此次呼叫中的參考資料，則成立
• Block Size – 透過訊號(in) 控制，傳送至VI 的資料區大小
• fs – 透過fs 控制，傳送至VI 的取樣頻率

2. LockinDemodulatorSettings.vi – 針對解調器 VI 中的混合器與低通濾波區塊，此 VI 可計算某些於內部使用的設定，亦包含實際低通濾波器的時間常數與趨穩時間。低通濾波器的參數，如時間常數 (TC)、rolloff (Rolloff)，與類別 (Type)，均為此 VI 的重要輸入。此 VI 的主要輸出為「LP 濾波器設定」，可回復為鎖相引擎的專屬濾波器設定。

3. LockinDemodulator.vi – 此 VI 可擴充來自於輸入訊號的頻率元件，以指定頻率與相位；該輸入訊號使用參考訊號。此 VI 的主要輸出為「Data (out)」，為包含輸入訊號 X 與 Y 元件的 2D 陣列，所有濾波器 roll-off 值 (每欄為 1) 的參考訊號頻率。請注意，我們計算了所有必要的過濾級 (filter stage)，以平行取得不同的 roll-off。因此使用者不需付出與獨立設備有關的大量「再趨穩 (resettling) 時間」，即可取得任何級 (stage) 的輸出。

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真的有用嗎？

NIWeek 2002 的主題演說之一，即使用此篇文章所討論的相同手電筒設定。在此實驗中，我們量測小型手電筒所放射的光線密度。來自於光偵測器的原始類比輸入訊號 (不含鎖相技術) 可接近 10 V (由於環境的光線雜訊，該訊號具有良好 120 Hz 正弦波與高 DC 補償)。

透過新的 LabVIEW 鎖相放大器入門套件，我們將手電筒的參考訊號鎖定為 2.345738 kH，並於輸入訊號雜訊中，發現有 1.2 微伏的訊號遭 160 dB 雜訊所掩蓋。為了針對 1,500 的 NIWeek 與會者進行更進一步的示範，我們移去手電筒，並看到訊號密度下降至 100 nV 以下 (介面卡的雜訊層)。

我們亦透過 350 kHz 以上的參考訊號頻率，測試 NI 的鎖相放大器；然而唯一的限制因素為處理功率。我們的測試儀器為 1.7 GHz – 相較於今天的標準已經不敷使用。

 
「NI 鎖相放大器Demo」：Dr. Aljosa Vrancic 與Armando Valim，4:47 分鐘

結論

透過新的 LabVIEW 鎖相放大器入門套件 (Lock-In Amplifier Start-Up Kit)，使用者可透過現成的擷取硬體與 NI LabVIEW，以量測 160 dB 雜訊中的訊號，或去除以前限於獨立環境中才能移除的背景雜訊。事實上，NIWeek 主題演講已展現過 NI 4472 介面卡，並從 9 V 以上的雜訊訊號中擷取 1.2 微伏的訊號。使用免費的入門套件，使用者可用更低的成本，達到更好的彈性與效能。

相關連結

• 下載免費的 NI LabVIEW 鎖相放大器 (Lock-In Amplifier) 入門套件
• 使用 DAQmx 的鎖相放大器範例
• 包含鎖相 (Lock-In) 放大器的高通道數應用