مضخم صوت متزامن

مضخم الإشارة المتزامن هو نوع من المضخمات قادر على استخلاص إشارة ذات موجة حاملة معروفة من بيئة شديدة التشويش. وبحسب النطاق الديناميكي للجهاز، يمكن الكشف بدقة عن إشارات أصغر بمليون مرة من مكونات التشويش، حتى وإن كانت متقاربة في التردد. وهو في الأساس كاشف متجانس متبوع بمرشح تمرير منخفض ، غالباً ما يكون قابلاً للتعديل من حيث تردد القطع وترتيب المرشح.

غالباً ما يستخدم الجهاز لقياس إزاحة الطور ، حتى عندما تكون الإشارات كبيرة، ولها نسبة إشارة إلى ضوضاء عالية ولا تحتاج إلى مزيد من التحسين.

يتطلب استعادة الإشارات عند نسب الإشارة إلى الضوضاء المنخفضة إشارة مرجعية قوية ونقية بنفس تردد الإشارة المستقبلة. وهذا ليس هو الحال في العديد من التجارب، لذا لا يمكن للجهاز استعادة الإشارات المدفونة في الضوضاء إلا في ظروف محدودة.

يُعتقد عمومًا أن مُضخِّم القفل قد اخترعه الفيزيائي روبرت هـ. ديك من جامعة برينستون، الذي أسس شركة برينستون للأبحاث التطبيقية (PAR) لتسويق المنتج. مع ذلك، في مقابلة مع مارتن هارويت ، يدّعي ديك أنه على الرغم من أن الفضل يُنسب إليه غالبًا في اختراع الجهاز، إلا أنه يعتقد أنه قرأ عنه في مراجعة للمعدات العلمية كتبها والتر سي. ميشيلز ، الأستاذ في كلية برين ماور . ^{[ 1 ]} قد تكون هذه المراجعة مقالًا نُشر عام 1941 بقلم ميشيلز وكورتيس، ^{[ 2 ]} والذي بدوره يستشهد بمقال نُشر عام 1934 بقلم سي آر كوزنز، ^{[ 3 ]} بينما كُتب مقال آخر لا يزال ذا أهمية بالغة بقلم سي إيه ستوت عام 1949. ^{[ 4 ]}

بينما تستخدم مضخمات القفل التقليدية خلاطات التردد التناظرية ومرشحات RC لإزالة التضمين، فإن الأجهزة الحديثة تُنفذ كلتا الخطوتين بواسطة معالجة الإشارات الرقمية السريعة ، على سبيل المثال، على مصفوفة البوابات المنطقية القابلة للبرمجة (FPGA) . عادةً ما تتم إزالة تضمين الجيب وجيب التمام في آنٍ واحد، وهو ما يُشار إليه أحيانًا بإزالة التضمين ثنائية الطور. يسمح هذا باستخراج مُركبة الطور ومُركّبة التربيع، والتي يُمكن تحويلها بعد ذلك إلى إحداثيات قطبية، أي السعة والطور، أو معالجتها لاحقًا كجزء حقيقي وخيالي من عدد مُركب (مثلًا لتحليل تحويل فورييه السريع المُركب ).

يعتمد عمل مكبر الإشارة المتزامن على تعامد الدوال الجيبية . تحديدًا، عند ضرب دالة جيبية بتردد f₁ بدالة جيبية أخرى بتردد _f₂ ، _ثم تكامل الناتج على مدى زمني أطول بكثير من دورة الدالتين، تكون النتيجة قريبة من الصفر. أما إذا كان _f₁ مساويًا لـ f₂ وكانت الدالتان متوافقتين في الطور، فإن متوسط ​​القيمة يساوي نصف حاصل ضرب سعتيهما _.

باختصار، يقوم مكبر الإشارة المتزامن بأخذ إشارة الدخل، وضربها بإشارة مرجعية (سواءً كانت من المذبذب الداخلي أو من مصدر خارجي، وقد تكون موجة جيبية أو مربعة ^{[ 5 ]} )، ثم يُكاملها على مدى زمني محدد، عادةً ما يكون في حدود أجزاء من الثانية إلى بضع ثوانٍ. الإشارة الناتجة هي إشارة تيار مستمر، حيث يتم إضعاف أي إشارة لا تتوافق تردداتها مع تردد الإشارة المرجعية إلى حد كبير. كما يتم إضعاف مُركِّب الإشارة ذي الطور المعاكس الذي له نفس تردد الإشارة المرجعية (لأن دوال الجيب متعامدة مع دوال جيب التمام التي لها نفس التردد)، مما يجعل مكبر الإشارة المتزامن كاشفًا حساسًا للطور.

بالنسبة لإشارة مرجعية جيبية وشكل موجة دخل${\displaystyle U_{\text{in}}(t)}$إشارة خرج التيار المستمر${\displaystyle U_{\text{out}}(t)}$يمكن حساب ذلك لمضخم القفل التناظري كما يلي

${\displaystyle U_{\text{out}}(t)={\frac {1}{T}}\int _{tT}^{t}\sin \left[2\pi f_{\text{ref}}\cdot s+\varphi \right]U_{\text{in}}(s)\,ds,}$

حيث φ هي مرحلة يمكن ضبطها على القفل (يتم ضبطها على الصفر افتراضيًا).

إذا كان زمن المتوسط ​​T كبيرًا بما يكفي (أي أكبر بكثير من دورة الإشارة) لكبح جميع الأجزاء غير المرغوب فيها مثل الضوضاء والتغيرات عند ضعف التردد المرجعي، فإن الخرج يكون

${\displaystyle U_{\text{out}}={\frac {1}{2}}V_{\text{sig}}\cos \theta ,}$

أين${\displaystyle V_{\text{sig}}}$تمثل سعة الإشارة عند التردد المرجعي، و${\displaystyle \theta }$يمثل فرق الطور بين الإشارة والمرجع.

تتطلب العديد من تطبيقات مكبر الإشارة المتزامن استعادة سعة الإشارة فقط، بدلاً من الطور النسبي بالنسبة للإشارة المرجعية. في مكبر الإشارة المتزامن البسيط أحادي الطور، يتم ضبط فرق الطور (عادةً يدويًا) إلى الصفر للحصول على الإشارة الكاملة.

أما مكبرات الإشارة المتزامنة ثنائية الطور الأكثر تطوراً، فتضم كاشفاً ثانياً يقوم بنفس الحساب السابق، ولكن مع إزاحة طور إضافية قدرها 90 درجة. وبالتالي، يكون لدينا مخرجان:${\displaystyle X=V_{\text{sig}}\cos \theta }$يُطلق عليه اسم المكون "المتوافق في الطور"، و${\displaystyle Y=V_{\text{sig}}\sin \theta }$المكون "التربيعي". تمثل هاتان الكميتان الإشارة كمتجه بالنسبة إلى مذبذب مرجعي متزامن. بحساب مقدار ( R ) متجه الإشارة، يتم التخلص من اعتماد الطور.

${\displaystyle R={\sqrt {X^{2}+Y^{2}}}={\frac {V_{\text{sig}}}{2}}.}$

يمكن حساب الطور من

${\displaystyle \theta =\arctan \left({\frac {Y}{X}}\right).}$

تعتمد غالبية مضخمات التزامن الحديثة على معالجة الإشارات الرقمية عالية الأداء . على مدى العشرين عامًا الماضية، حلت مضخمات التزامن الرقمية محل النماذج التناظرية في كامل نطاق التردد، مما يتيح للمستخدمين إجراء قياسات تصل إلى تردد 8.5  جيجاهرتز. ^{[ 6 ]} وقد أمكن التغلب تمامًا على المشكلات الأولية التي واجهتها مضخمات التزامن الرقمية الأولى، مثل وجود ضوضاء الساعة الرقمية على موصلات الإدخال، من خلال استخدام مكونات إلكترونية محسّنة وتصميم أفضل للأجهزة. تتفوق مضخمات التزامن الرقمية الحالية على النماذج التناظرية في جميع معايير الأداء ذات الصلة، مثل نطاق التردد، وضوضاء الإدخال، والاستقرار، والاحتياطي الديناميكي. بالإضافة إلى الأداء الأفضل، يمكن أن تتضمن مضخمات التزامن الرقمية عدة وحدات فك تشفير، مما يسمح بتحليل الإشارة بإعدادات مرشحات مختلفة أو عند ترددات متعددة مختلفة في وقت واحد. علاوة على ذلك، يمكن تحليل البيانات التجريبية باستخدام أدوات إضافية مثل راسم الإشارة ، ومحللات طيف تحويل فورييه السريع، ومُجمِّع الإشارات ، أو استخدامها لتوفير التغذية الراجعة باستخدام وحدات تحكم PID داخلية . بعض نماذج مكبرات الصوت الرقمية ذات القفل يتم التحكم فيها بواسطة الكمبيوتر وتتميز بواجهة مستخدم رسومية (يمكن أن تكون واجهة مستخدم متصفح مستقلة عن النظام الأساسي ) ومجموعة مختارة من واجهات البرمجة .

تستغل تقنية استعادة الإشارة حقيقة أن الضوضاء غالبًا ما تنتشر على نطاق ترددي أوسع بكثير من نطاق تردد الإشارة. في أبسط حالات الضوضاء البيضاء، حتى لو كان متوسط ​​الجذر التربيعي للضوضاء أكبر بمقدار ^10³ مرة من الإشارة المراد استعادتها، فإذا أمكن تقليل عرض نطاق جهاز القياس بمعامل أكبر بكثير من 10⁶ ^حول تردد الإشارة، يصبح الجهاز غير حساس نسبيًا للضوضاء. في  نطاق ترددي نموذجي يبلغ 100 ميجاهرتز (مثل راسم الإشارة)،  يمكن تحقيق ذلك باستخدام مرشح تمرير نطاقي بعرض أقل بكثير من 100 ميجاهرتز. يحدد زمن المتوسط ​​لمضخم التزامن عرض النطاق، مما يسمح باستخدام مرشحات ضيقة جدًا، أقل من 1  هرتز عند الحاجة. مع ذلك، يأتي هذا على حساب استجابة بطيئة للتغيرات في الإشارة.

باختصار، حتى عندما يكون من غير الممكن التمييز بين الضوضاء والإشارة في المجال الزمني ، إذا كانت الإشارة تحتوي على نطاق تردد محدد ولم تكن هناك ذروة ضوضاء كبيرة داخل هذا النطاق، فإنه يمكن فصل الضوضاء والإشارة بشكل كافٍ في مجال التردد .

إذا كانت الإشارة متغيرة ببطء أو ثابتة (أي إشارة تيار مستمر)، فإن ضوضاء 1/ f عادةً ما تطغى عليها. عندئذٍ، قد يكون من الضروري استخدام وسائل خارجية لتعديل الإشارة. على سبيل المثال، عند الكشف عن إشارة ضوئية ضعيفة على خلفية ساطعة، يمكن تعديل الإشارة باستخدام عجلة تقطيع ، أو مُعدِّل صوتي-بصري ، أو مُعدِّل كهروضوئي بتردد عالٍ بما يكفي لتقليل ضوضاء 1/ f بشكل ملحوظ، ويتم ضبط مُضخِّم التزامن على تردد تشغيل المُعدِّل. في حالة مجهر القوة الذرية ، ولتحقيق دقة نانومترية وبيكونيوتن ، يتم تعديل موضع الناتئ بتردد عالٍ، ويتم ضبط مُضخِّم التزامن عليه أيضًا.

عند تطبيق تقنية الكشف المتزامن، يجب توخي الحذر لمعايرة الإشارة، لأن مكبرات الكشف المتزامن لا تكشف عادةً إلا عن متوسط ​​الجذر التربيعي لإشارة تردد التشغيل. بالنسبة للتضمين الجيبي، سيؤدي ذلك إلى إدخال عامل${\displaystyle {\sqrt {2}}}$بين خرج مكبر الإشارة المقفل وذروة سعة الإشارة، وعامل مختلف للتعديل غير الجيبي.

في حالة الأنظمة غير الخطية، تظهر توافقيات أعلى لتردد التضمين. ومن الأمثلة البسيطة على ذلك ضوء المصباح الكهربائي التقليدي عند تضمينه بتردد ضعف تردد التيار الكهربائي. كما تتيح بعض مكبرات الإشارة المتزامنة قياسات منفصلة لهذه التوافقيات الأعلى.

علاوة على ذلك، يعتمد عرض استجابة الإشارة المكتشفة (عرض النطاق الفعال) على سعة التضمين. وبشكل عام، تتسم دالة عرض الخط/التضمين بسلوك غير خطي متزايد بشكل رتيب.

• سكوفيلد، جون هـ. (فبراير 1994). "وصف مكبر الإشارة المتزامن في مجال التردد". المجلة الأمريكية للفيزياء . 62 (2). AAPT: 129-133 . Bibcode : 1994AmJPh..62..129S . doi : 10.1119/1.17629 .
• جاكييه، بيير آلان؛ جاكييه، آلان (مارس 1994). "مضخم إشارة رقمي متعدد القنوات بتقنية القفل الطوري بدقة جزء في المليون". مراجعة الأدوات العلمية . 65 (3). AIP: 747. Bibcode : 1994RScI...65..747P . doi : 10.1063/1.1145096 .
• وانغ، شياوي (1990). "مضخم إشارة رقمي عالي الحساسية باستخدام حاسوب شخصي" . مجلة الأدوات العلمية . 61 (70). AIP: 1999–2001 . Bibcode : 1990RScI...61.1999W . doi : 10.1063/1.1141413 .
• وولفسون، ريتشارد (يونيو 1991). "مضخم التزامن: تجربة طلابية". المجلة الأمريكية للفيزياء . 59 (6). AAPT: 569–572 . Bibcode : 1991AmJPh..59..569W . doi : 10.1119/1.16824 .
• ديكسون، بول ك.؛ وو، لي (أكتوبر 1989). "تقنيات مكبرات الإشارة الرقمية ذات النطاق العريض". مجلة الأدوات العلمية . 60 (10). AIP: 3329. Bibcode : 1989RScI...60.3329D . doi : 10.1063/1.1140523 .
• فان إكستر، مارتن؛ لاجيندايك، أد (مارس 1986). "تحويل راديو AM إلى مضخم إشارة عالي التردد في تجربة رامان محفزة". مراجعة الأدوات العلمية . 57 (3). AIP: 390. Bibcode : 1986RScI...57..390V . doi : 10.1063/1.1138952 .
• بروبست، ب.أ.؛ كوليت، ب. (مارس 1985). "مضخم إشارة رقمي منخفض التردد". مراجعة الأدوات العلمية . 56 (3). AIP: 466. Bibcode : 1985RScI...56..466P . doi : 10.1063/1.1138324 .
• تيمبل، بول أ. (1975). "مقدمة في مضخمات الإشارة الحساسة للطور: أداة طلابية غير مكلفة". المجلة الأمريكية للفيزياء . 43 (9). AAPT: 801–807 . Bibcode : 1975AmJPh..43..801T . doi : 10.1119/1.9690 .
• بيرديت، ريتشارد (2005). "إشارات تعديل السعة - مكبر الإشارة المتزامن". دليل تصميم أنظمة القياس . وايلي. doi : 10.1002/0471497398.mm588 . ISBN 978-0-470-02143-9.
• رحمان، أ.؛ آن، ت.؛ تشوي، و. (2024). "طريقة جديدة لاستخلاص مكونات التردد تعتمد على تضخيم التزامن لتحليل الأداء ومراقبة الطاقة للأنظمة المتصلة بالشبكة" . مجلة Energies . 17 (18). MDPI: 4850. doi : 10.3390/en17184580 .
• رحمان، أ.؛ تشوي، و.ج. (2024). "طريقة لقياس القدرة لأنظمة القيادة الكهربائية ذات التردد المتغير في السيارات". مجلة IEEE للمعاملات في التطبيقات الصناعية . 60 (5). IEEE: 7333-7341 . Bibcode : 2024IOJIA..60.7333R . doi : 10.1109/TIA.2024.3402191 .

• مبادئ الكشف بالتزامن وأحدث التقنيات من شركة زيورخ إنسترومنتس. نظرة عامة شاملة على أساسيات قياسات التزامن.
• حول مضخمات الإشارة المتزامنة من شركة ستانفورد للأبحاث. مذكرة تطبيقية تشرح بالتفصيل كيفية عمل مضخمات الإشارة المتزامنة.
• شرحٌ مُفصّلٌ لمُضخّمات التزامن من شركة بنثام إنسترومنتس. شرحٌ شاملٌ لأسباب وكيفية عمل مُضخّمات التزامن.
• ملاحظات فنية حول تقنية القفل: مجموعة من الملاحظات الفنية والتطبيقية التي تصف تصميم أجهزة القفل الرقمية والتناظرية، ودليل لمواصفاتها من استعادة الإشارة .
• أداة PCSC-Lock-in لاكتساب البيانات حول تردد تقطيع الصوت باستخدام بطاقة صوت الكمبيوتر.