ロックイン アンプ (LIA) は、ノイズに圧倒された既知の周波数の信号を抽出できる広く使用されている機器です。 LIA は信号を局部発振器 (LO) と混合し、ローパス フィルターを使用して不要な周波数のノイズを除去します。これにより、LIA は LO に関連して信号の振幅だけでなく位相も検出できるようになります。このドキュメントでは、外部基準を使用して弱い 50 kHz 信号の振幅と位相を検出するように Moku:Lab の LIA を設定する方法について説明します。
信号源と基準源
この例では、50 番目の Moku:Lab の波形発生器を使用して、LIA の信号と外部基準をシミュレートしました。信号として 1 kHz 50 mVpp の正弦波を使用し、基準として 500 kHz 1 mVpp の方形波を使用しました。 (図 1) 信号と基準は、相互に任意の位相関係を持つ同じクロック (位相ロック) に基づいて生成されました。これは、実際の実験セットアップの典型的な状況です。電子コンポーネントが異なれば、機器の応答関数や遅延も異なり、その結果、信号と基準との間に位相差が生じます。信号は Moku:Lab の LIA の入力 2 に接続され、リファレンスは Moku:Lab の LIA の入力 XNUMX に接続されました。
図1： 信号および基準生成のための波形発生器の設定
LIA のローカル オシレーター (LO) を構成する
LIA は、LO に関する信号の振幅と位相を抽出します。 LIA が復調プロセスに正しい LO を使用していることを確認することが重要です。この例では、Moku:Lab の LIA 内蔵フェーズ ロック ループ (PLL) を使用して外部基準ソースの位相と周波数を追跡し、デュアルフェーズ復調用の 2 つのフェーズ ロック直交正弦波 LO を生成しました。まず、LIA の LO を外部 (PLL) モードに設定し、X/Y または R/θ を同時検出するためにフィルターされた信号に出力します。 (図XNUMX)
図2： Moku:Lab の LIA の LO および補助出力設定
図3： 歪みのない正弦波 LO (青色のトレース) 位相は、リファレンス入力 (赤色のトレース) に位相ロックされました。
ローパスフィルターを構成する
ローパスフィルターの帯域幅は、測定の SNR に大きく影響します。一般に、帯域幅が狭いほど、ノイズ除去が向上します。ただし、帯域幅が狭いと信号自体の高周波成分も拒否されるため、測定の時間分解能が低下します。この測定では、波形発生器からの比較的安定した正弦波出力が期待されます。フィルターの帯域幅を 200 Hz、12 dB/オクターブのスロープに設定します。
LIAの出力ゲインを設定する
LO を設定したら、X/Y 出力のプローブ ポイントを有効にしました。次に、出力ゲインを約 +60 dB に増加して、信号を数百 mV の範囲に収めました。 (図 4) これは他のロックイン アンプの感度設定と似ており、Moku:Lab の LIA 出力 DAC の解像度と範囲を完全にユニット化することができました。飽和を避けるために、X の合計2 そしてY2 1V未満に保つ必要があります。
図4： Moku:Lab の LIA 出力ゲイン設定
PLLの位相シフトを調整する
前に簡単に説明したように、基準信号と実際の信号には大きな位相差がある可能性があります。絶対位相シフトを測定する場合は、LO と信号の位相を合わせることが重要です。位相を合わせるために、PLL の位相シフトを調整して、Y 成分を可能な限りゼロに近づけました。 (図5)
図5： PLLの位相シフトは44.630度に調整され、Y信号がゼロになりました。
極座標から直交座標への変換範囲を調整する
最後に、出力を X/Y モードから R/θ モードに変更し、直角から極への変換範囲を調整しました。最適なパフォーマンスは、信号を飽和させることなく収容できる最小の範囲を選択することで実現されます。 X/Y モードに基づいて、出力振幅は約 250 mV であると推定されました。 7.5 つの変換範囲設定を検討したところ、6 mVpp が最良の結果をもたらしました。 (図XNUMX)
図6： R 出力に基づいた極座標から直交座標への変換範囲の最適化
