Im Rauschen eingebettete Signale Schwache Signale mit Lock-in-Verstärkern hochgenau messen

In vielen Messtechnikanwendungen ist es nötig, tief im Grundrauschen eingebettete Signale mit niedrigen Frequenzen zu detektieren. Modulations- und Lock-in-Verstärker-Techniken erlauben das Messen solcher Signale mit hoher Genauigkeit.

Bei vielen elektrischen und physikalischen Systemen nimmt das Rauschen zu, wenn sich die Frequenz in die Nähe von 0 bewegt. Ein Beispiel hierfür ist das 1/f-Rauschen von Operationsverstärkern. Systeme für Lichtmessungen sind Rauschen ausgesetzt, das aus sich änderndem Umgebungslicht bei Sonneneinstrahlung oder aus von Glühlampen bzw. Leuchtstofflampen erzeugtem Licht resultiert. Falls man Messungen entkoppelt von diesen niederfrequenten Rauschquellen durchführen kann, lässt sich ein größeres Signal-Rausch-Verhältnis erzielen und wesentlich schwächere Signale detektieren.

Möchte man messen, wie viel Licht von einer Oberfläche reflektiert wird, ermöglicht die Modulation des von der Lichtquelle erzeugten Lichts mit einigen wenigen Kilohertz das Messen von Signalen, die sich bei niedrigeren Frequenzen normalerweise unterhalb des Grundrauschens befänden. Bild 1 zeigt, wie sich durch Modulation ein Signal, das sich unterhalb des Grundrauschens befindet, wiedergewinnen bzw. messen lässt.

Es gibt mehrere Methoden zur Modulation des Anregungssignals eines Sensors. Das einfachste Modulationskonzept besteht im wiederholten Ein- und Ausschalten des Anregungssignals. Dies funktioniert gut beim Treiben von LEDs oder bei der Spannung für eine Brücke für Dehnungsmessstreifen (DMS). Besonders gut arbeitet das Konzept, wenn sich die Anregungsquelle nur schwer elektronisch modulieren lässt, wie es bei herkömmlichen Glühbirnen in vielen Spektroskopie-Messgeräten der Fall ist. Dann lässt sich die Modulation genauso einfach wie das Choppen von Licht mit einer mechanischen Zahnradscheibe durchführen.