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2018.07.25

Cosmo-Z用ロックインアンプをリリースしました

フルディジタルなロックインアンプをリリースしました。

ロックインアンプというのは、微弱信号を計測するための計測回路で、入力信号に含まれる特定の周波数の成分の大きさを測定することができます。要するに、1つの周波数だけのフーリエ変換をやっているような感じです。

下の図は、650kHzの入力信号(矩形波)を入れて、それ自身と、に同期した正弦波の大きさと位相を測っています。

Lockin2

Cosmo-Zのロックインアンプは、下の図のような回路で、4chのアナログ入力のSINとCOS成分を同時に計算できます。

Lockin1

ロックインアンプは、参照信号という入力に同期した成分の信号を測るのですが、Cosmo-Zのロックインアンプでは、参照信号はADCからの入力信号の1つのチャネルを使ったり、外部トリガ入力を使ったりすることができるようにしています。

ADCからの入力信号を使う場合の問題点としては、入力に大きなノイズが乗っている場合があることです。

Lockin4_2

ノイズが乗っていると周期検出回路が正しく動作しないので、LPFやHPFを入れてある程度綺麗にすることができるようにしています。

Lockin3

参照信号として使用したい入力が0Vを横切らないような場合のために、HPFも入れられるようにしています。

Lockin5

このようなLPFやHPFを使うことで、入力信号の1つを参照信号として使用することはできますが、やはり、トリガはトリガとして矩形波を入れるのが一番ロックしやすいと思います。

小さな振幅のノイズに埋もれた正弦波で常に0V以上だと、さすがにロックは難しいですね。

乗算と積分を行った結果は任意のN周期分だけ加算することができます。積分が終了したときに波形を出力する「デシメーションモード」もあります。

下の図は、振幅変調された1MHzの正弦波の信号を、ロックインアンプ検波した結果をデシメーションし、表示したものです。デシメーション後のデータは2.23kHzと、遅くなっています。

Lockin6

このようなロックインアンプがFPGA内にフルディジタルで実装できました。

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