Miten toimivat vaiheherkät detektorit ja niiden sovellukset mittauksissa?

Vaiheherkät detektorit (PSD) ovat olennainen osa monia mittausjärjestelmiä, erityisesti silloin, kun halutaan erottaa signaalin infaasi- ja kvadratuurikomponentit. Näiden detektoreiden avulla voidaan parantaa mittausten tarkkuutta ja herkkyyttä. Vaiheherkkä detektori toimii yhdistämällä signaalit tietyllä tavalla, jolloin halutut osat signaalista voidaan eristää ja mitata tarkasti. Tämä menetelmä on erityisen tärkeä sähköisissä mittauksissa, kuten impedanssien ja kapasitiivisten/induktiivisten komponenttien mittaamisessa.

Vaiheherkkä detektori voi olla esimerkiksi kertomatyypin (multiplier type) tai synkronoitut (switching type) laitteet. Molemmat laitteet käyttävät matemaattisia operaatioita signaalien yhdistelemiseen, mutta niiden toiminta eroaa hieman toisistaan. Kertomatyypin PSD käyttää signaalin kertomista referenssivaiheella, kun taas synkronoidut detektorit perustuvat kytkentään, joka vaihtaa signaalia riippuen sen faasista. Molemmat menetelmät mahdollistavat tarkempien signaalikomponenttien mittaamisen.

Toisaalta, synkronoidussa vaiheherkässä detektorissa (synchronous type PSD) käytetään kytkinmekanismia, joka valitsee signaalin faasin mukaan. Tämä kytkinohjausmekanismi toimii analogisesti valitsemalla joko positiivisen tai negatiivisen signaalin riippuen sen vaiheesta. Kun signaali valitaan oikein, tulos voidaan integroida ja saadaan vastaava ulostulo, joka on myös faasiriippuvainen. Synkronoidut laitteet tarjoavat yksinkertaisemman ja usein luotettavamman vaihtoehdon verrattuna kertomatyypin detektoreihin, koska ne eivät ole niin herkkiä komponenttien virheille ja lämpötilan muutoksille.

Tässä yhteydessä on tärkeää huomioida, että synkronoidut detektorit ovat nykyään yleisemmin käytössä, erityisesti integroiduissa piireissä, kuten Analog Devicesin AD630. Tämän kaltaiset piirit mahdollistavat tarkan ja tehokkaan signaalin mittauksen ja soveltuvat erityisesti "synchronous detection" -tekniikoihin, joita käytetään muun muassa lukitussa vahvistimessa (Lock-in amplifier). Tällöin voidaan saada samanaikaisesti sekä infaasi- että kvadratuurikomponentit, mikä mahdollistaa erilaisten mittausten suorittamisen suurella tarkkuudella.

Kun tarkastellaan vaiheherkkiä detektoreita induktanssin tai kapasitanssin mittauksessa, voidaan käyttää niin kutsuttuja lähes tasapainomenetelmiä (quasi-balance). Tällöin vaiheherkkä detektori asetetaan mittaamaan induktorin tai kondensaattorin reaktanssia ja resistanssia tarkasti. Näissä mittauksissa IPSD:llä voidaan säätää mittauspisteet niin, että ulostulo $v_{op}$ on nolla, mikä osoittaa tasapainotilan. Kun tasapaino on saavutettu, voidaan laskea tarvittavat suureet kuten induktanssi, kapasitanssi tai niiden vastavuoroiset komponentit.

Mikä on impedanssin mittaus ja sen merkitys signaalin prosessoinnissa?

Impedanssimittari on laite, joka käyttää samanlaisia vaiheherkkiä detektoreita (IPSD ja QPSD) kuin lukitusvahvistin, mutta sillä on joitakin tärkeitä eroja mittausperiaatteissaan ja käyttötarkoituksissaan. Impedanssimittarissa on käytössä kolme vaiheherkkää detektoria – kaksi IPSD:tä ja yksi QPSD – ja jännitteen lähteen taajuus ja jännite voivat vaihdella. Tuntematon komponentti X saa syötteenään sinimuotoista jännitettä, ja sen kautta kulkeva virta muunnetaan jännitteeksi käyttäen operaatiovahvistimen virrasta jännitteeksi muunninta. Tämä muunnos perustuu kaavaan $v_{iX} = R_s i_X$, jossa $R_s$ on vastus, joka on kytketty operaatiovahvistimen inverting-tulojen väliin.

Toisessa tilassa, admittanssimittauksessa, tuntematon komponentti mallinnetaan rinnakkaisena resistanssina ja reaktanssina. Tässä tilassa mittaus perustuu virran ja jännitteen vaihekomponenttien erottamiseen, jotka antavat suoraan mahdollisuuden laskea admittanssi- ja conductanssikomponentit. Tämä mittaus mahdollistaa komponentin rinnakkaisten piirteiden tarkastelun ja on erityisesti hyödyllinen silloin, kun pyritään analysoimaan komponentin käyttäytymistä tietyissä taajuuksissa.

Impedanssimittareita käytetään usein tilanteissa, joissa täytyy arvioida komponentin käyttäytymistä vaihtuvissa olosuhteissa, kuten taajuuden tai jännitteen vaihdellessa. Ne voivat olla erityisen hyödyllisiä tutkittaessa komponentteja, kuten kondensaattoreita, keloja ja vastuksia, jotka ovat herkkiä taajuuden ja jännitteen muutoksille.

Impedanssin mittaaminen vaatii usein korkean taajuusresoluution, ja nykyaikaiset impedanssimittarit voivat tehdä mittauksia taajuusalueella 20 Hz – 120 MHz. Esimerkiksi Keysightin E4990A-malli pystyy tuottamaan nämä mittaukset tehokkaasti. Tällaiset mittarit voivat tuottaa tarkkoja taajuusvasteita, jotka auttavat suunnittelijoita arvioimaan komponenttien suorituskykyä ja käytettävyyttä laajemmin sähköisissä sovelluksissa.

Impedanssimittarin ja admittanssimittarin käyttö ei rajoitu pelkästään yksinkertaisiin komponenttien tarkasteluihin; nämä laitteet ovat keskeisiä monilla alueilla, kuten mikroelektroniikassa, RF-sovelluksissa ja jopa maadoitusturvallisuuden arvioinnissa. Maadoitusmittaukset, jotka ovat osa sähköisten turvajärjestelmien asennuksia, voivat myös hyötyä tarkistaessaan maadoituskenttien tehokkuuden ja varmistamalla, että sähköjärjestelmä on turvallinen käyttöön.

Endtext