Tài liệu Nghiên cứu, thiết kế bộ khuếch đại lock in tương tự ứng dụng trong kính hiển vi lực nguyên tử (atomic force microscopy)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN NGỌC TUẤN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ KHUẾCH ĐẠI LOCK-IN TƯƠNG TỰ ỨNG DỤNG TRONG KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ (Atomic Force Microscopy) LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Huế – 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN NGỌC TUẤN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ KHUẾCH ĐẠI LOCK-IN TƯƠNG TỰ ỨNG DỤNG TRONG KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ (Atomic Force Microscopy) Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60.52.02.03 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. VÕ THANH TÙNG Huế – 2014 1 LỜI CẢM ƠN Trước hết cho tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành và lòng tri ân sâu sắc tới TS. Võ Thanh Tùng, người thầy đã luôn tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian tôi thực hiện luận văn này. Tôi xin gởi lời cám ơn đến tất cả các giáo viên hiện đang giảng dạy và công tác tại khoa Điện tử - Viễn thông, trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tận tình hướng dẫn cũng như trang bị cho tôi những kiến thức từ cơ bản cho đến chuyên sâu trong suốt quá trình vào giảng dạy tại trường Đại học Khoa học Huế. Và cuối cùng xin được cảm ơn các thầy, cô, anh, chị, các bạn trong khoa Điện tử - Viễn thông, trường Đại học Khoa học Huế đã tạo điều kiện giúp đỡ, chỉ bảo và cho tôi những lời khuyên vô cùng quý báu. Học viên Nguyễn Ngọc Tuấn 2 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận văn là do tôi nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của TS. Võ Thanh Tùng. Các số liệu kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Ngƣời viết Nguyễn Ngọc Tuấn 3 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ 1 LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... 2 MỤC LỤC ............................................................................................................. 3 DANH MỤC HÌNH VẼ ......................................................................................... 5 MỞ ĐẦU................................................................................................................ 8 1. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài .......................................................... 8 2. Mục đích và nội dung nghiên cứu ................................................................. 8 3. Ý nghĩa khoa học và khả năng ứng dụng thực tiễn của đề tài ....................... 9 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT KĨ THUẬT LOCK-IN ....................... 11 1.1. Tại sạo phải sử dụng kĩ thuật Lock-in [4] ................................................ 11 1.2. Bộ khuếch đại Lock-in là gì? .................................................................... 12 1.3. Nguyên lý làm việc của Lock-in............................................................... 14 1.4. Tín hiệu - Phase ........................................................................................ 15 1.5. Các kĩ thuật Lock-in ................................................................................. 17 1.5.1. Bộ khuếch đại Lock-in số (Digital Lock-in Amplifiers) ................... 17 1.5.2. Bộ khuếch đại Lock-in tương tự (Analog Lock-in Amplifiers) ......... 18 1.6. Đánh giá ưu, nhược điểm của các loại Lock-in? ...................................... 20 CHƢƠNG 2: KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ. KHUẾCH ĐẠI LOCK-IN ỨNG DỤNG TRONG KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ ................................ 22 2.1. Tổng quan SPM (Kính hiển vi quét đầu dò)............................................. 22 2.2. Nguyên lý hoạt động của AFM. ............................................................... 24 2.2.1. Nguyên lý chung ................................................................................ 24 2.2.2. Thiết bị dò .......................................................................................... 28 2.2.3. Sự phản hồi ......................................................................................... 28 2.3. Các chế độ hoạt động của AFM [8,14]..................................................... 29 4 2.3.1. Chế độ tiếp xúc ................................................................................... 29 2.3.2. Chế độ không tiếp xúc ........................................................................ 30 2.3.3. Chế độ dao động (Chế độ tiếp xúc liên tục) ....................................... 30 2.3.4. Ưu điểm và nhược điểm của các chế độ AFM................................... 32 2.4. AFM trong so sánh với các thiết bị khác [14,21] ..................................... 33 2.4.1. Kính hiển vi quét đường ngầm ........................................................... 33 2.4.2. Kính hiển vi quét điện tử .................................................................... 33 2.4.3. Kính hiển vi điện tử truyền qua.......................................................... 34 2.5. Lock-in trong AFM ................................................................................... 34 CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO LOCK-IN TƢƠNG TỰ. KẾT QUẢ, THẢO LUẬN ....................................................................................................... 36 3.1. Phát triển bộ khuếch đại Lock-in tương tự trong phòng thí nghiệm ........ 36 3.2. Mô tả nguyên lý mạch Lock-in ................................................................. 37 3.3. Đánh giá, kiểm tra thiết bị ........................................................................ 42 3.4. Phát triển bộ khuếch đại Lock-in tương tự trong kính hiển vi lực nguyên tử AFM............................................................................................................. 46 KẾT LUẬN, ĐỀ XUẤT ........................................................................................ 49 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ...................................................... 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 51 5 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ tổng thể một bộ khuếch đại Lock-in [4] Hình 1.2 Tín hiệu, tín hiệu Reference và tích của hai tín hiệu đồng pha và lệch pha góc 900 Hình 1.3 Tín hiệu Reference và tích của hai tín hiệu đồng pha và lệch pha góc 900 Hình 1.4 Bộ khuếch đại Lock-in số [4] ình 1.5 Sơ đồ khối của một bộ khuếch đại Lock-in tƣơng tự Hình 2.1 Sự khác nhau về cơ chế hoạt động giữa SPM và kính hiển vi truyền thống Hình 2.2 Họ gia đình kính hiển vi SPM Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý rung và phản xạ tín hiệu của đầu dò Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của AFM Hình 2.5 Nguyên lý thu nhận tín hiệu trên AFM Hình 2.6 Sơ đồ lực nguyên tử khi đầu dò quét trên bề mặt mẫu Hình 2.7 Các hƣớng của cantilever Hình 2.8 Que dò với 4 cantilever khác nhau với hằng số đàn hồi khác nhau (N/m) Hì h 3.1 Sơ đồ của LIA sử dụng 3 mạch tích hợp (IC) Hình 3.2 Sơ đồ mạch điện tử và mạch in của hệ LIA sử dụng 3 mạch tích hợp Hình 3.3 Mạch tạo nguồn lƣỡng cực Hình 3.4 Mạch Lock-in tƣơng tự hoàn chỉnh Hình 3.5 Kết nối cho hệ “đất ảo” khảo sát đƣờng trễ điện môi Hình 3.6 Đƣờng trễ của mẫu BZT-50BCT đƣợc đo bằng phƣơng pháp mạch “đất ảo” Hình 3.7 Kết nối hệ Lock-in với mạch đo đƣờng trễ để kháo sát tín hiệu đo 6 Hình 3.8 Kết quả tín hiệu đo thông qua sử dụng Lock-in Hình 3.9 Đầu dò và hệ kính hiển vi lực nguyên tử “Fork-AFM” Hình 3.10 Hình ảnh khảo sát bề mặt trên hệ hiển vi lực nguyên tử “ForkAFM” Hình 3.11 Khối mạch điện tử của Lock-in trong kết nối với mạch của hệ kính hiển vi lực nguyên tử “Fork-AFM” Hình 3.12 Khảo sát bề mặt của mẫu máu bằng kính hiển vi lực nguyên tử “Fork-AFM” 7 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AFM : Atomic Force Microscopy (Kính hiển vi lực nguyên tử) A/D : Bộ chuyển đổi tương tự/số AC : Dòng điện xoay chiều DC : Dòng điện một chiều DSP : Digital Signal Processor (Xử lý tín hiệu số) FM-AFM : Kính hiển vi lực nguyên tử điều tần IC : Mạch tích hợp LIA : Lock-in Amplifier (Bộ khuếch đại Lock-in) Op Amps : Khuếch đại thuật toán PSD : Phase Sensitive Detector (Bộ dò nhạy pha) PLL : Phase-Locked-Loop (Vòng khóa pha) SEM : Scanning Electron Microscope (Kính hiển vi quét điện tử) S/N : Tỉ số tín hiệu/nhiễu SPM : Scanning Probe Microscope (Kính hiển vi quét đầu dò) STM : Scanning Tunnel Microscope (Kính hiển vi quét đường ngầm) TEM : Transmission Electron Microscope (Kính hiển vi điện tử truyền qua) 8 MỞ ĐẦU 1. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài Ngày nay với sự phát triển rất nhanh của khoa học kĩ thuật, việc ra đời các thiết bị nhằm kiểm tra, đánh giá, khảo sát các tính chất bề mặt của vật liệu phát triển khá mạnh. Trong đó, kính hiển vi lực nguyên tử, viết tắt là AFM (Atomic force microscopy) là thiết bị công nghệ tiên tiến, hiện đại được sử dụng trong việc nghiên cứu tính chất bề mặt mẫu với độ phân giải cỡ nanomét. Có thể nói đây là thiết bị thuộc loại cao cấp nhất hiện nay cả về giá trị chất xám lẫn giá trị kinh tế, tổng hợp nhiều công nghệ cao. Hiện nay, hầu hết các thiết bị kính hiển vi đầu dò được trang bị trong nước khá hiện đại và có giá thành khá cao. Bên cạnh đó một vấn đề đặt ra là quá trình khai thác và sử dụng các trang thiết bị này, đặc biệt là quá trình nâng cấp rất hạn chế. Đặc biệt vì đây là hệ đóng kín, bảo hộ bản quyền, nên người dùng hoàn toàn thụ động và không dễ dàng can thiệp để thay đổi cũng như cập nhật. Chính vì vậy, tại Việt Nam từ năm 2001 đã hình thành một nhóm nghiên cứu, thiết kế chế tạo kính hiển vi lực nguyên tử AFM. Đến nay phiên bản thứ 2 của thiết bị này đã ra đời, song cũng vẫn chỉ ứng dụng trong phòng thí nghiệm. Việc triển khai mở rộng, thương mại hóa thiết bị này còn gặp rất nhiều khó khăn. Một trong những khó khăn đó là việc sử dụng kĩ thuật Lock-in trong thiết bị này nhằm để thu nhận tín hiệu tốt hơn trong quá trình quét đầu dò trên bề mặt mẫu. Dựa trên các phiên bản được cung cấp từ các thiết bị kính hiển vi đầu dò hiện có, nhiều phiên bản Lock-in số cũng đã được nhóm nghiên cứu thiết kế, thử nghiệm nhưng kết quả vẫn không đạt theo mong muốn. Xuất phát từ lý do đó, tác giả muốn thử nghiệm với kĩ thuật Lock-in tương tự và đề xuất tên đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế bộ khuếch đại Lock-in tương tự ứng dụng trong kính hiển vi lực nguyên tử (Atomic force microscopy)”. 2. Mục đích và nội dung nghiên cứu Mục đích đầu tiên của đề tài là hướng đến nghiên cứu, phát triển bộ khuếch đại Lock-in tương tự, từ đó đưa vào mạch của hệ kính hiển vi lực nguyên tử để có thể thu được hình ảnh quét tối ưu. Với các kết quả thu được, có thể tách bộ Lock-in tương tự thành một thiết bị riêng để có thể hỗ trợ các phép đo khác cũng như thương mại hóa thiết bị này. 9 Với mục đích đặt ra, nội dung nghiên cứu của luận văn hướng đến các nội dung chính sau: + Tổng quan lý thuyết kĩ thuật Lock-in. + Tìm hiểu kính hiển vi lực nguyên tử AFM và các chế độ hoạt động của kính hiển vi này. Tìm hiểu mục đích của kĩ thuật Lock-in ứng dụng trong mạch điện tử của họ kính hiển vi này. + Nghiên cứu, phát triển hệ Lock-in tương tự. Kết nối mạch với các thiết bị hiện có để khảo sát, kiểm tra tín hiệu đo. Ứng dụng kĩ thuật Lock-in tương tự vào mạch điện tử của họ kính hiển vi lực nguyên tử “Fork-AFM”. So sánh, đánh giá kết quả nhận được. + Đề xuất, kiến nghị. 3. Ý nghĩa khoa học và khả năng ứng dụng thực tiễn của đề tài Các kết quả nghiên cứu của luận văn sẽ đóng góp một nền tảng cơ bản về kĩ thuật Lock-in và họ kính hiển vi lực nguyên tử trong nghiên cứu bề mặt của vật liệu. Ngoài ra, luận văn còn trình bày việc ứng dụng kĩ thuật Lock-in trong việc nâng cao độ phân giải của họ kính hiển vi này. Luận văn thạc sĩ hoàn thành sẽ là cơ sở để tiếp tục nghiên cứu, phát triển và xây dựng họ kính hiển vi lực nguyên tử tại Việt Nam, cụ thể ở đây là tại Viện Vật lý Ứng dụng và Thiết bị khoa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam và khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học Huế. Ngoài ra luận văn hoàn thành sẽ hỗ trợ phương án thương mại hóa kĩ thuật Lock-in trên thị trường. Về cấu trúc, luận văn với 3 chương chính, cụ thể là: CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN LÝ THUYẾT KĨ THUẬT LOCK-IN Giới thiệu tổng quan về kĩ thuật Lock-in. Phát triển và ứng dụng của kĩ thuật này hiện nay. CHƢƠNG 2 : KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ. KHUẾCH ĐẠI LOCKIN ỨNG DỤNG TRONG KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ Trình bày khái quát về nguyên lý hoạt động của hệ kính hiển vi lực nguyên tử, các chế độ hoạt động của họ kính hiển vi này. Trong chương này còn trình bày nguyên nhân và lý do phải sử dụng kĩ thuật Lock-in đối với kính hiển vi lực nguyên tử. 10 CHƢƠNG 3 : NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO LOCK-IN. KẾT QUẢ, THẢO LUẬN Chế tạo mạch Lock-in tương tự sử dụng trong phòng thí nghiệm. Kết nối hệ đo để khảo sát, kiểm tra tín hiệu qua mạch Lock-in tương tự. Ứng dụng kĩ thuật này trong mạch điện tử của một hệ kính hiển vi lực nguyên tử “Fork-AFM”. Khảo sát hình ảnh đo và đưa ra các nhận xét về kết quả đạt được. Luận văn được thực hiện tại khoa Điện tử - Viễn thông, trường Đại học Công nghệ Hà Nội và trường Đại học Khoa học Huế. Thời gian thực hiện từ tháng 01/2012 đến hết tháng 9/2013. 11 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT KĨ THUẬT LOCK-IN Đối với các phòng thí nghiệm đo lường quang phổ đắt tiền thì kĩ thuật Lock-in không còn xa lạ gì nhưng đối với nhiều lĩnh vực khác thì đây là vấn đề còn khá lạ lẫm. Tuy nhiên, số người không biết về kĩ thuật này đã giảm đi rất nhanh. Hiện nay, kĩ thuật DSP (xử lí tín hiệu số) đã được ứng dụng trong các bộ khuếch đại Lock-in, và những cải tiến chính của kĩ thuật này làm cho nó rẻ tiền và dễ sử dụng hơn, đã và đang làm cho kỹ thuật Lock-in được ứng dụng trong tất cả các lĩnh vực mà trước đây chưa sử dụng đến. 1.1. Tại sạo phải sử dụng kĩ thuật Lock-in [4] Để đo các tín hiệu điện có biên độ nhỏ là nhiệm vụ rất khó khăn. Nguyên nhân bởi tại sự xuất hiện nguồn tín hiệu 50/60Hz từ đường nguồn trong cáp tín hiệu, nhiễu 1 từ bộ tiền khuếch đại tần cao, nguồn nhiễu nhiệt từ bộ sensor, sự f trôi dòng từ bộ phát tín hiệu quang (photodetector),… hay sự kết hợp của các vấn đề trên, các nguồn nhiễu của tất cả các loại và những tần số làm cản trở khả năng của các máy đo điển hình tốc độ nhanh, độ chính xác khi đọc các kiểu dữ liệu với tín hiệu nhỏ. Trong khi đo các tín hiệu là xoay chiều hay một chiều, các nhiễu xoay chiều hay sự trôi một chiều gây ra cho quá trình thu dữ liệu sự không ổn định và làm tăng độ không chắc chắn tính chính xác của dữ liệu thu được. Hằng số thời gian lớn có thể làm tăng độ chính xác của phép đo bởi nó sẽ làm trung bình nhiễu xoay chiều. Tuy nhiên, nếu phép đo chính nó trong thực nghiệm xuất hiện sự trôi một chiều trong thời gian đo, thì phép đo có thể chính xác như thế nào? Bên cạnh đó, không ai muốn đợi một thời gian dài để thu được dữ liệu của phép đo. May mắn thay, ứng dụng Lock-in đã cung cấp một kĩ thuật làm giảm cả nguồn nhiễu xoay chiều và một chiều trước khi tín hiệu được đo. Tín hiệu đo có thể được làm trung bình trong khoảng hằng số thời gian ngắn, cho phép đo nhanh hơn và độ chính xác cao hơn. Nếu chỉ có duy nhất một phép đo để thu tín hiệu thì nó sẽ không làm thay đổi đáng kể theo thời gian, và nó có thể chấp nhận được khi đợi một thời gian 12 dài để lấy tín hiệu sau khi tín hiệu đã thiết lập. Tuy nhiên, nếu có nhiều phép đo sẽ làm cho hằng số thời gian có lẽ chậm và thu được kết quả cũng khá chậm. Ta hãy xét một ví dụ, một bộ đầu dò điển hình với mức độ nhiễu r.m.s khoảng 10mV cho một khoảng thời gian 1s lấy tích phân, phép đo có thể cho tín hiệu cường độ 100mV. Nếu độ chính xác mong muốn của phép đo khoảng 1%, thì tín hiệu phải được lấy tích phân khoảng 100s trong khi sự suy giảm nhiễu biến thiên theo bình phương của thời gian tích phân. Nếu phép đo là một phần của máy đo ảnh phổ quét với dữ liệu khoảng 500 điểm, toàn bộ thời gian quét có thể kéo dài 14h, thực sự là quá dài cho một phép đo thực nghiệm thông thường. Khi biểu diễn các cách quét như nhau và sử dụng bộ khuếch đại Lock-in, hầu hết các tần số nhiễu sẽ đi qua bộ lọc, và nó sẽ làm giảm nhiễu đi nhiều lần. Trong thí dụ trên, nếu nhiễu bị giảm đi khoảng một trăm lần, thì mỗi điểm dữ liệu có thể nhận được với độ chính xác mong muốn trong khoảng 0.1s và thời gian quét sẽ giảm còn bé hơn một phút. Đây chính là nền tảng khi sử dụng kĩ thuật khuếch đại Lock-in trong hầu hết các phương pháp khác nhau của hệ thống đo lường. Tương tự, nếu tín hiệu đo là thời gian biến đổi hay đồng thời với một vài phép đo, nó có thể làm mất hoàn toàn hay biến đổi biên độ của những điểm của sự tương thích nếu thời gian tích phân là khá dài. Trường hợp này ví dụ như phép đo của phosphors. Những phép đo này có thể làm giảm cường độ và làm phân rã trong vài mili giây. Để nhận được sự chính xác phép đo khi sử dụng phương pháp một chiều có thể là không được bởi mức độ nhiễu trong khoảng thời gian ngắn sẽ lớn hơn tín hiệu rất nhiều. Bộ khuếch đại Lock-in có thể làm giảm nhiễu đến mức mà phép đo là có thể chấp nhận được. 1.2. Bộ khuếch đại Lock-in là gì? Bộ khuếch đại Lock-in được xem như là bộ đo lựa chọn tần và bộ phân tích phổ đơn kênh. Nguyên nhân là bởi vì nó đo biên độ của tín hiệu trong những dải tần số hẹp trong khi nó loại bỏ tất cả các thành phần của tín hiệu nằm ngoài dải tần số rất hẹp đó. Với cách quan sát đầu tiên, dường như ta cảm thấy nó rất đơn giản. Tất cả chúng đều yêu cầu một bộ lọc dải tần được đặt ở giữa nguồn tín hiệu và máy đo; nhưng dường như điều này ít khi có được kết quả mong muốn. Quá trình loại 13 nhiễu, tốc độ và độ chính xác của những bộ khuếch đại Lock-in tốt vượt quá những gì có thể được làm với bộ lọc đơn giản bởi nhiều bậc của biên độ. Bộ khuếch đại Lock-in có thể đo được những tín hiệu xoay chiều nhỏ bị lấp bởi một lượng lớn các nhiễu. Các tín hiệu xoay chiều có thể được tách ra ngay cả khi nó bị lấp trong nhiễu lớn. Khả năng đó chính là cơ sở của ứng dụng của bộ khuếch đại Lock-in.Về mặt định lượng khả năng đó được đánh giá bằng tỷ lệ tín hiệu/nhiễu S/N, được biểu diễn bởi đơn vị dB, mà bộ khuếch đại Lock-in có thể đạt được khi sai số phép đo là bé hơn 5%. Đối với bộ khuếch đại Lock-in tương tự thì có thể đạt đến 60dB(1000), nhưng bộ khuếch đại Lock-in DSP cơ bản có thể đạt được 100dB(100000) mà không cần đến bộ tiền khuếch đại. Để đạt được vấn đề này, bộ khuếch đại Lock-in phải được cung cấp với một tín hiệu so sánh sạch và cùng tần số sinh ra tín hiệu được đo. Nếu tín hiệu được đo là một chiều nó sẽ phải được điều biến với một sóng xoay chiều như các bộ điện (như trong máy đo sức căng với điện thế xoay chiều) hay bộ cơ (như sự đi qua của tia sáng của bộ chopper quang). Tín hiệu và sự điều biến tần số (được xem như là tín hiệu so sánh) đều phải đưa đồng thời vào bộ khuếch đại Lock-in. Về cấu trúc, bộ khuếch đại Lock-in gồm có các thành phần chính sau: bộ khuếch đại tín hiệu vào - ra, bộ lọc thông dải (bandpass filter), bộ trộn (mixer), bộ lọc thông thấp (lowpass filter) và bộ phát tín hiệu Reference (Hình 1.1). Hình 1.1. Sơ đồ tổng thể một bộ khuếch đại Lock-in [4] Có hai cách để thực thi sơ đồ trên: phương pháp thực hiện các chức năng của bộ Lock-in bằng kĩ thuật tương tự (analog), hoặc phương pháp dựa trên kĩ thuật số (digital). Chính vì vậy có hai cách chế tạo bộ khuếch đại Lock-in: bộ khuếch đại Lock-in tương tự và bộ khuếch đại Lock-in số. 14 1.3. Nguyên lý làm việc của Lock-in Trong thuật ngữ khuếch đại Lock-in, kĩ thuật này có thể được hiểu chung là bộ phát hiện độ nhạy pha (PSD). PSD bao gồm bộ nhân tín hiệu vào với tín hiệu so sánh, trong đó, tín hiệu so sánh có biên độ và pha trùng và cùng nguồn gốc với tín hiệu vào. Một vài bộ khuếch đại Lock-in sử dụng sóng so sánh vuông, một số khác sử dụng sóng sin. Sóng so sánh vuông bao gồm nhiều sóng điều hòa bậc lẻ với nguyên tắc cơ bản là nguyên nhân gây ra nhiễu tại những tần số điều hòa đã được phát hiện, và đây thường là điều không mong muốn. Mặt khác, một sóng so sánh hình sin hoàn thiện sẽ có kết quả chỉ là những phần cơ bản được phát hiện. Phương trình sóng tổng hợp, là tín hiệu nhân của hai sóng: (t )  V1 sin( w1t ).V2 sin( w2 t   )  0.5.V1V2 cosw1  w2 t     cosw1  w2 t    Với (1.1) V1 : biên độ của sóng thứ nhất V2 : biên độ của sóng thứ hai t : thời gian Để minh họa quá trình của bộ khuếch đại Lock-in, Hình 1.2 chỉ ra sự nhân tín hiệu hình sin bởi sóng sin chuẩn với cùng tần số w 1 = w2, đồng pha và lệch pha nhau góc 900. 15 Hình 1.2. Tín hiệu, tín hiệu Reference và tích của hai tín hiệu đồng pha và lệch pha góc 900 Phương trình của các sóng với w1=w2=w sau khi nhân đã được rút gọn lại là: (t )  0.5.V1V2 cos(0)  cos(2wt )  0.5.V1V2  0.5V1V2 cos(2wt ) (1.2) Nó bao gồm thành phần một chiều (số hạng thứ nhất) và một thành phần xoay chiều. Khi cho qua một bộ lọc thông thấp thành phần xoay chiều sẽ bị lọc bỏ còn lại thành phần một chiều mà giá trị của nó tỷ lệ với biên độ tín hiệu và pha so với tín hiệu so sánh. 1.4. Tín hiệu - Phase Khi pha của tín hiệu là không bằng zero, đầu ra của khuếch đại Lock-in không biểu diễn trực tiếp biên độ tín hiệu. Thay vào đó, mối liên hệ biến thiên theo hàm cos. Có hai phương pháp để giải quyết vấn đề này là: + Điều chỉnh pha của sóng chuẩn PSD đối với sóng chuẩn vào cho đến khi nó phù hợp 16 + Biểu diễn phép đo pha đối ngẫu Phép đo pha đối ngẫu có thể được hiểu là sử dụng bộ khuếch đại Lock-in đơn pha bằng cách lấy kết quả sự phối hợp hai phép đo, một với sóng chuẩn mà pha bằng với tín hiệu và một với sự dịch pha sóng chuẩn đi 900 từ tín hiệu đó. Hình 1.3. Tín hiệu Reference và tích của hai tín hiệu đồng pha và lệch pha góc 900 Với dữ liệu thu được, cả hai biên độ tín hiệu và pha có thể tính được. Kĩ thuật này phải giả thiết rằng tín hiệu là không thay đổi giữa hai phép đo. Bộ khuếch đại pha đối ngẫu biểu diễn hai phép đo một cách đồng thời. Trong bộ khuếch đại pha đối ngẫu, thực ra có hai phần PSD. Một PSD hoạt động với sóng sin chuẩn, và bộ kia hoạt động với sóng cos chuẩn (Hình 1.3). Bộ lọc thông thấp một chiều đưa ra tín hiệu một chiều của sóng sin PSD nói chung được gọi là tín hiệu ra X, còn phần ra cos của PSD được gọi là tín hiệu ra Y. Nếu tín hiệu có pha là lí tưởng với sóng chuẩn, đầu ra X là biên độ tín hiệu và của Y là zero. Nếu tín hiệu ra là lệch 900 so với tín hiệu chuẩn, đầu ra Y là biên độ tín hiệu và đầu ra X bằng zero. Nhưng không có vấn đề về pha, sự tổng hợp biên độ Vout của X và Y sẽ biểu diễn biên độ tín hiệu. Vout  X 2 Y 2 (1.3) Và pha của tín hiệu được xác định bằng công thức   arctan Y X (1.4) 17 1.5. Các kĩ thuật Lock-in 1.5.1. Bộ khuếch đại Lock-in số (Digital Lock-in Amplifiers) Sơ đồ khối của một bộ khuếch đại Lock-in số được chỉ ra trên hình sau (Hình 1.4) Hình 1.4. Bộ khuếch đại Lock-in số [4] Trong một bộ khuếch đại Lock-in số, phần lớn các quá trình xử lý được thực hiện trong miền số sử dụng phần mềm và dùng phần cứng là bộ xử lý tín hiệu số DSP. Hình 1.4 là một bộ khuếch đại Lock-in số điển hình, hệ thống này cũng có một bộ khuếch đại fron-end nhưng nó được nối bởi một bộ lọc Antialias Filter dùng để lọc bất kỳ tần số nào có tần số lớn hơn ½ tần số lấy mẫu. Bộ điều khiển tín hiệu số DSC (Digital signal controller) ở đây có thể xử dụng nhiều loại chip xử lý số chuyên dụng, ví dụ như dsPic chẳng hạn - dsPic là một chip xử lý số tương đối mạnh, tốc độ cao. Tín hiệu Reference trong bộ khuếch đại Lock-in số có thể được tạo ra bên trong hoặc bên ngoài. Trong trường hợp tín hiệu được phát ra từ bên trong, những điểm mẫu riêng lẻ của tín hiệu hiệu Reference có thể tính toán ở một mức độ chính xác cao. Trong bộ khuếch đại Lock-in số, tín hiệu Reference được dịch pha 900 bằng cách tra cứu bảng hoặc bằng những phép tính toán. Tín hiệu Reference và tín hiệu dịch pha Reference được nhân với tín hiệu vào bởi DSP và sinh ra hai kênh tín hiệu, một kênh tín hiệu đồng pha I và một kênh tín hiệu 18 vuông pha Q. Cuối cùng những kênh tín hiệu này được cho qua bộ lọc thông thấp số (cụ thể ở đây là bộ lọc số FIR) để thu được những kết quả cuối cùng. Bộ điều biến Lock-In DSP Tín hiệu khuếch đại là vào trực tiếp với tốc độ cao, bộ chuyển đổi A/D có độ phân giải cao. Bộ dao động chuẩn, quá trình PSD và bộ lọc thông thấp tất cả được thực hiện bằng các phần xử lí số. Một sóng sin được tạo ra từ DSP chất lượng tốt sẽ có độ méo điều hòa nhỏ nhất, và cho phép bộ PSD số đạt được các loại bỏ tốt nhất của nhiễu dải tần. Sự cải tiến này cho phép tỉ số S/N lớn hơn và độ chính xác góc pha tín hiệu - điển hình 0.0010 với DSP so với 10 của bộ khuếch đại Lock-in analog. Giả sử rằng, tốc độ và độ phân giải của các chip A/D và DSP là đều có ý nghĩa, sai số trong miền xử lí số sẽ là đáng kể, và sẽ không có sự trôi. Hơn thế nữa, bộ lọc thông thấp DSP sẽ là linh động hơn, khi mà nó là độc lập với phần cứng. Chừng nào mà DSP có đủ bộ nhớ và tốc độ, thực tế bất kì bộ lọc nào cũng có thể được thực hiện bởi một sự thay đổi về thuật toán và các hệ số bộ lọc. Ngoài ra, khi bộ PSD được thực hiện trong miền xử lí số, không có một phần thêm nào về giá bao hàm cả việc cung cấp bộ hoạt động đối pha. 1.5.2. Bộ khuếch đại Lock-in tƣơng tự (Analog Lock-in Amplifiers) Sơ đồ khối của một bộ khuếch đại Lock-in tương tự như sau (Hình 1.5) Hình 1.5. Sơ đồ khối của một bộ khuếch đại Lock-in tƣơng tự Hệ thống gồm một máy khuếch đại để tăng tín hiệu đầu vào cần đo đến một mức thích hợp cho các thao tác tiếp theo. Một bộ lọc thông dải được dùng để