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、Moku:Labの波形発生器を50台使用し、LIAの信号と外部リファレンスをシミュレートしました。信号には1kHz、50mVppの正弦波を使用し、リファレンスには500kHz、1mVppの矩形波を使用しました（図1）。信号とリファレンスは同じクロック（位相同期）に基づいて生成され、互いに任意の位相関係を持ちます。これは、実際の実験セットアップの典型的な状況です。異なる電子部品には異なる機器応答関数と遅延があり、信号とリファレンス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
ローパスフィルタの帯域幅は、測定のSNRに大きな影響を与えます。一般的に、帯域幅が狭いほどノイズ除去性能は向上します。しかし、帯域幅が狭いと信号自体の高周波成分も除去されてしまうため、測定の時間分解能が低下します。この測定では、波形発生器から比較的安定した正弦波出力が得られると予想されます。フィルタ帯域幅は200Hz、スロープは12dB/オクターブに設定しました。
LIAの出力ゲインを設定する
LOの設定後、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+60dB程度まで上げ、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の分解能と範囲を完全に統一することができました。飽和を避けるため、X/Y出力のゲインと出力ゲインの合計は、2 そしてY2 1 V 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、直交座標から極座標への変換範囲を調整しました。最適な性能を得るには、飽和することなく信号を処理できる最小の範囲を選択します。X/Yモードに基づいて、出力振幅は約250mVと推定しました。7.5つの変換範囲設定を試した結果、6mVppで最良の結果が得られました。(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