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2022.03.05

Cosmo-Zのロックインアンプで1uVを測る

昨日の測定では、ファンクションジェネレータで0.5mVを作り、抵抗で100分の1に分圧して5uV付近の性能まで測りました。

今日はアッテネータを1/1000にして、より低い電圧まで測ってみることにします。

Dsc_3246

ちなみに、上の写真で奥のほうから2個目のコネクタに刺さっているのはこの基板。

Np1124

もともとは万能のLCフィルタ用に作った基板で、直列並列にいろいろなチップ部品を乗せられるものなのですが、抵抗を乗せればアッテネータになります。

 

まず、FGで振幅2Vの信号を作り、このアッテネータでちゃんと1000分の1になっているかどうかをオシロで見ます。

Scope_96

確かに、アッテネータはちゃんと1000分の1になっています。

そして、基板上のアンプのゲインは1000倍に。・・・したはずなのですが、なぜか600倍程度にしかなりません。100Ωと100kΩじゃ何かが足りないのかっ・・・。周波数特性的な問題でもなさそうです。

ゲインが上がらない原因はわかりませんが、570倍で我慢しましょう。

Att570

上の波形は、元の信号と、1/1000してから570倍したものです。元の信号の振幅が40mVなので、減衰後には40uVになっているはずです。それなりにノイズが多いのも仕方がありません。

ちなみに、どのくらいのノイズが乗っているのかというと、

時系列ではこのくらい揺れています。

Raw_20220306003901

ヒストグラムを取ってみると、標準偏差が48LSBで1LSB=61nVですから、±2.93μVの誤差があります。

Hist_20220306004001

周波数成分で見て見ると、このノイズは1/fノイズであるようです。

1fnoise

さて、昨日と同じように、横軸に分圧前、縦軸に分圧してから増幅した値をプロットしていきます。

わかりやすいように、横軸は入力に加わっているであろう電圧(FG出力の1/1000)、縦軸は表示された計測値にしています。

Plot

OPアンプのゲインが1000倍にしたはずなのに570倍にしかならないので傾きは1になりませんが、概ね直線上に乗っていることがわかります。昨日は入力換算電圧が5uV~でしか測れませんでしたが、今日は1uVまで測れています。

この直線がゼロ付近でどこまで正確になっているかを見たいのですが、電圧が小さいところでは数値だけ直感的にみても直線的ではないのがわかります。計測値として表示される電圧は2.2μV程度が下限のようです。

Lowvolt

そこで、20uV~100uVという比較的大きな入力電圧のときに得られた、入出力の近似直線(y=0.5798x+1.1455)をゼロのほうに伸ばしていって、この直線とのずれを計算してみることにしました。

その結果が次のグラフです。

Gosa

横軸が入力電圧で、縦軸が近似直線からのずれです。

入力電圧が10uV~100uVの範囲では、推定された振幅は±0.1μVの範囲に入っていますが、10uV以下になると誤差が大きくなってくるのがわかります。

最後に、このグラフでいうところの誤差を、入力電圧で割ってみます。

Gosa_parcent

結論としては、測りたい信号の振幅が10uV以上であれば測定誤差は1%以下になり、それ以下の領域では計測値は真の値より高めに出て誤差が大きくなると言えます。

1/fノイズを積分してしまっているのかもしれませんし、もしかしたら測りたい振幅(1uV)に対してトリガ信号(数V)が120dBも大きいのでごく微量でも回り込んできているのかもしれません。

1uVまで正確に測れるようにするには1/fノイズの対策をしたり、トリガが絶対に回り込まないように改良するしかなさそうですね。

 

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