ロックインアンプとは

ロックインアンプ（Lock-In Amplifier）とは、ノイズに埋もれた微弱な交流（AC）信号を高感度かつ高精度に抽出・測定するための電子計測機器です。
本記事では、基本的な仕組みや量子光学、生物学、化学分野などの幅広い用途に加え、オシロスコープやデータロガーなど14以上の機能を1台に統合した次世代デジタルロックインアンプ「Mokuシリーズ」の特長まで詳しく解説します。

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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• レーザー制御・量子光学：レーザーの周波数安定化（レーザーロッキング）や、量子コンピュータ開発における量子ビットの制御に不可欠です。微弱な光信号の位相や振幅を高精度に捉え、リアルタイムなフィードバック制御を可能にします。
• 物理学（電気伝導率・磁化率などの測定）：極低温や強磁場といった極限環境下において、物質の基礎特性を示す微弱な応答信号をノイズから分離して精密に測定します 。
• 化学・材料科学（吸光度・蛍光測定、半導体・超伝導体の評価）：サンプルの吸光度や蛍光の測定 、次世代半導体や超伝導体の特性評価などにおいて 、浮遊光や熱ノイズを排除した高精度な分析を実現します。
• 生物学（神経細胞の活動電位の測定）：激しい生体ノイズが混在する環境下でも、神経細胞が発する極めて微弱な電気信号（活動電位）だけを同期検波によってクリアに抽出します 。
• その他の分野（振動・温度測定など）：製造現場における機械の微細な振動測定や、高精度な温度測定など、環境ノイズが大きい現場でのあらゆるセンシングに活用されています 。

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ロックインアンプは、主に以下のような厳しい条件下で精度の高いデータが必要な場面で使用されます。

• 微弱な信号の測定:光検出器で得られる微弱な光信号の測定などに用いられます。ノイズフロアの下に埋もれてしまうような、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。
• ノイズの多い環境での測定:モーターなどの振動ノイズが大きい環境下での測定に威力を発揮します。非常にノイズの多い環境であっても、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可能です。

特定の周波数成分の抽出: 複数の周波数の信号が混在している複雑な状況において、目的の周波数成分だけをピンポイントで抽出したい場合に使用されます。

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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。従来のアナログ機器が抱えていた課題を解決し、研究開発の現場に以下のような革新をもたらします。

ノイズに強い高精度・高安定な測定: デジタル信号処理を採用しているためノイズの影響をほとんど受けず、微弱な信号も正確に捉えます。また、温度変化や経年劣化によるドリフトが少なく、長期間にわたって安定した性能を発揮します。

14機能を統合した圧倒的な多機能性と省スペース: ロックインアンプ以外にも、オシロスコープ、スペクトラムアナライザ等14の計測機能を搭載した次世代計測器です。データロガーや信号発生器、PIDコントローラーなども備えた多機能計測器であり、測定だけでなくデータの分析や記録もこれ1台で完結します。複数の独立した機器の役割を同時に果たすため、実験台のスペースを節約し、システムの複雑さとコストを最小限に抑えられます。

直感的なUIと柔軟な設定: 複雑な設定も簡単に行える直感的な操作性を備えています。ソフトウェアを通じて機器を再構成できるため、急速に変化するテスト条件にも即座に適応可能です。 研究の進化に応える拡張性: 研究の進展に合わせて、さまざまな機能を柔軟に追加できます。デジタルフィルター（IIRやFIR）も簡単に実装できるため、対象の信号をより適切に分離することが可能です。

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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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現在、Mokuシリーズには3つのハードウェアがあります。仕様を比較して、最適なハードウェアをお選びください。
※画像クリックでハードウェア単体のwebページに遷移します。

Moku:Delta

5 GSa/sの8つの入出力チャンネル。2GHzアナログ帯域幅で14Bitと20BitのブレンドADC 生成AI機能を搭載した新モデルで、計測環境を簡単かつ自由に構築することができます。

Moku:Pro	Moku:Go
600MHzの帯域幅で、4つの入出力チャンネルを備えたフラグシップ機モデル	30MHzの帯域幅で、アナログ入出力 各 2 ch、最大サンプリングレート 125 MSa/s。

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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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