デジタルロックインアンプは、科学者やエンジニアが、ノイズフロアの下に埋もれてしまうことがある信じられないほど小さな交流 (AC) 信号の位相に敏感な測定を行うのに役立ちます (図１)。 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あっても、同じ周波数領域で対象の信号から位相と振幅の情報を抽出できます。
図 1: ロックインアンプの簡略化されたブロック図
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。 ただし、デジタルロックインアンプは、信号処理に対してより現代的なアプローチを使用します。 デジタルロックインアンプは入力信号をデジタル化し、アルゴリズムがほとんどの信号処理を実行します。 この場合、基準信号もデジタルであるため、完全な復調が可能になります。 ロックインアンプを使用した位相測定の詳細については、電子ブック「正確な位相の測定: 位相測定方法論のガイド」を参照してください。
研究者がロックインアンプを使用する理由
研究者は、物理学、光学、エレクトロニクス、材料科学などのさまざまな分野でロックイン検出を活用して、変調された信号を抽出して分析し、そこから位相と振幅の情報を取得しています。デジタルロックイン アンプは、レーザー周波数の安定化、超高速分光法、RF およびマイクロ波のテスト、暗黒物質検出などのアプリケーションを実行する多くの最先端の研究ラボの重要なコンポーネントです。
アナログ/デジタルロックインアンプの違い
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 (図２) 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。
図 2: 構成可能なバンドパス IIR フィルターのデジタル実装
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。
デジタルロックインアンプの使用用途
デジタルロックインアンプは、今日、生細胞イメージングから量子センシングまで、さまざまな用途で使用されています。
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デジタルロックインアンプによる細胞イメージングデジタルロックインアンプにより、誘導ラマン散乱 (SRS) 顕微鏡などの技術を使用したデュアルチャネルのリアルタイムイメージングが可能になります。高品質のデジタルロックインアンプを使用することで、研究者は生細胞サンプルの同時デュアルチャネルイメージングを実行できます。 |
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デジタルロックインアンプによる暗黒物質検出世界中の研究者たちは、暗黒物質の検出に成功するために素粒子物理学の限界を押し広げています。デジタルロックインアンプを使用することで、高レベルの柔軟性とパフォーマンスを活用して、nV レベルまで信号を測定できます。 |
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デジタルロックインアンプによる量子センシング量子センシングや光クロック開発などのアプリケーションでは、システムの安定性が最も重要です。デジタル計測器を使用すると、テスト設定全体を１つのデバイスに統合できるため、より安定した結果が得られ、システムの損失が削減されます。 |
FPGAベースのデジタルロックインアンプ
デュアルフェーズ、マルチチャンネルのロックイン検出を行うために、Mokuロックインアンプは低ノイズのアナログ・フロントエンドとFPGAの処理能力を組み合わせています。
Mokuロックインアンプを使用すると、最大4台の独立したロックイン・アンプを同時に配置したり、マルチ機器モードでスペクトラムアナライザやデジタルフィルターボックスなど、他のさまざまな機器とロックインを組み合わせたりすることができます（図３）。
図 3: マルチ機器モードのセットアップ インテル研究所でのフォトニクス IC テスト
適切なロックインアンプの選択
アナログまたはデジタルロックインアンプを使用しているかに関係なく、これらの機器は、物理学、化学などの無数の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。 テストに適切なタイプのロックイン アンプを選択するには、フォーム ファクター、柔軟性、仕様などを評価する必要があります。 ロックインアンプの原理や、Moku位相計などの代替位相測定機器の詳細については、このアプリケーションノートをご覧ください。
詳細について
デジタルロックインアンプを使用して最新の位相検出技術を実行する方法の詳細については、ウェビナーをご覧ください。または、当社までお問い合わせいただき、エンジニアにご相談ください。
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