ロックインアンプとは

ロックインアンプ（Lock-In Amplifier）とは、非常に小さな交流（AC）信号を高感度かつ高精度に測定するための電子機器です。本記事ではロックインアンプについてわかりやすく解説します。

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ロックインアンプ とは科学者やエンジニアが、ノイズフロアの下に埋もれていることもある、非常に小さな交流 (AC) 信号の位相感度測定を行うのに役立ちます (図 1)。基本的な動作原理は、入力信号と参照信号を掛け合わせ、その結果をローパスフィルタを通すことで、特定の周波数成分のみを抽出することにあります。ロックインアンプに基準信号を提供することで、研究者は、非常にノイズの多い環境でも、同じ周波数領域の対象信号から位相と振幅の情報を引き出すことができます。

図1 : ロックインアンプの簡略化されたブロック図

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その秘密は、ロックインアンプが特定の周波数と位相を持つ信号（参照信号）に同期して、目的の信号だけを抽出する仕組みにあるからです。

・具体的な仕組み

1.信号の掛け合わせ : 測定信号に、参照信号を掛け合わせます。
2.ローパスフィルター : 掛け合わせた信号をローパスフィルターに通すことで、目的の信号成分のみを直流信号に変換します。
3.ノイズの除去 : その他のノイズ成分は交流信号のままとなり、ローパスフィルターによって除去されます。

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ロックインアンプはその汎用性から様々な業界で使用されています。

• 物理学 : 物質の電気伝導率、磁化率などの測定
• 化学 : 吸光度、蛍光などの測定
• 材料科学 : 半導体、超伝導体の特性評価
• 生物学 : 神経細胞の活動電位の測定
• その他 : 振動測定、温度測定など

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• 微弱な信号の測定: 例えば、光検出器で得られる微弱な光信号の測定
• ノイズの多い環境での測定: 例えば、モーターなどの振動ノイズが大きい環境での測定
• 特定の周波数成分の抽出: 例えば、複数の周波数の信号が混在している場合、目的の周波数成分だけを抽出

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丸文が提供するMokuのデジタルロックインアンプは、最新技術を駆使した高性能な測定器です。
以下はその主な特徴です：

• 高精度測定 : 微弱な信号も正確に捉え、測定します。
• 多機能性 : 測定だけでなく、データの分析や記録も一台でこなす多機能性を持ちます。
• ユーザーインターフェース : 直感的な操作性を備え、複雑な設定も簡単に行えます。
• 拡張性 : 研究の進展に合わせて、さまざまな機能を追加できます。

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従来のロックインアンプは、主にアナログ回路を使用して信号を混合、フィルタリング、復調します。一方、デジタルロックインアンプは、より現代的な信号処理手法を採用しています。デジタルロックインアンプは、入力信号をデジタル化し、アルゴリズムが信号処理の大部分を実行します。この場合、基準信号もデジタルであるため、完全な復調が実現します。

・精度と正確さ

アナログロックインアンプは慎重に調整されたコンポーネントで高レベルの精度を提供できますが、ドリフト、温度変動、環境ノイズに対してより敏感です。
デジタルロックインアンプはノイズの影響をほとんど受けないため、アナログコンポーネントに比べて本質的にシステムに導入される損失がはるかに少なくなります。さらに、デジタル信号処理(DSP) を使用すると、ロックインアンプと一緒にデジタルフィルターを簡単に実装できます。アナログコンポーネントを変更せずにデジタル無限インパルス応答 (IIR) フィルターまたは有限インパルス応答 (FIR) フィルター を追加できるため、対象の信号をより適切に分離できます。

・周波数範囲と性能

アナログコンポーネントは外部干渉に対してより敏感になる傾向がありますが、デジタル信号では事実上ノイズのない環境が可能になります。デジタル ロックインアンプは、アナログロックインアンプの周波数依存性によって制限されないため、広範囲の周波数をカバーすることもできます。これは、デジタル回路が、アナログ回路が直面するような性能の低下なしに、より広範囲の入力周波数を処理できることを意味します。また、デジタルロックインアンプは、本質的に、柔軟で調整可能な DSP アルゴリズムによる信号処理において、より高い解像度と精度を提供します。

・柔軟性

アナログロックインアンプは完全に確立されており、パラメータを変更するにはアナログコンポーネントを調整する必要があります。しかし、デジタルロックインアンプを使用すると、ソフトウェアを使用して機器を再構成し、パラメータを調整できるため、急速に変化するテスト条件に適応できます。一部のデジタルロックインアンプでは、複数の機器の導入が可能です。つまり、1 つのデバイスで複数の独立したロックロックインアンプを同時に使用して、実験台のスペースを節約し、コストを最小限に抑え、システムの複雑さを軽減できます。

・安定性

デジタル ロックイン アンプ、特にフィールド プログラマブル ゲート アレイ (FPGA) などの安定したデジタル回路で実装されたアンプは、アナログ ロックイン アンプよりも時間の経過によるドリフトがはるかに少ない傾向にあり、その性能が長期間安定していることを意味します。また、FPGA はアナログ コンポーネントよりも温度変化の影響をはるかに受けにくいため、デジタル ロックイン アンプはさまざまな環境条件においてより安定します。

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Mokuには3種類のモデルがあり、各モデルによって測定できる周波数帯やサンプリング数が異なります。

技術仕様

製品名称	Moku:Pro	Moku:Lab	Moku:Go
チャンネル	4	2	2
復調周波数	1mHz～600MHz	1mHz～200MHz	1mHz～30MHz
二相復調	X/Y または R/θ	X/Y または R/θ	X/Y または R/θ
復調モード	内部、外部 (直接局部発振器入力または 0.125x ～ 250x の周波数逓倍器を備えた位相ロックループ)、ミキサー ステージをバイパスするオプション有り	内部、外部 (直接局部発振器入力または 0.125x ～ 250x の周波数逓倍器を備えた位相ロックループ)、ミキサー ステージをバイパスするオプション有り	内部、外部 (直接局部発振器入力または 0.125x ～ 250x の周波数逓倍器を備えた位相ロックループ)、ミキサー ステージをバイパスするオプション有り
ダイナミックリザーブ	> 120 dB	> 120 dB	> 100 dB
フィルター時定数	12.8 ns ～ 0.215 秒	32 ns ～ 0.537 秒	128 ns ～ 2.15 秒
入力インピーダンス	50Ω / 1MΩ	50Ω / 1MΩ	1 MΩ
出力ゲイン範囲	-80 〜 +160 dB	-80 〜 +160 dB	-80 〜 +160 dB
局部発振器出力	可変振幅で最大 600 MHz	可変振幅で最大 200 MHz	可変振幅で最大 20 MHz

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アナログロックインアンプとデジタルロックインアンプのどちらを使用しているかに関係なく、これらの機器は、物理学、化学など、さまざまなアプリケーションで環境ノイズから弱い信号を抽出するために不可欠です。
この機会にぜひ導入を検討してみてはいかがでしょうか。

多機能測定器Mokuを導入する際は、ぜひお気軽にご相談ください。

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