JP2020031442A - Lock-in amplifier - Google Patents

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英毅 金
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英毅 金
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Abstract

To provide a lock-in amplifier that does not cause a measurement error even when a low-pass filter having a small time constant or order is used.SOLUTION: A lock-in amplifier (22) includes first phase detection means (phase detector 24-1), second phase detection means (phase detector 24-2), a low-pass filter (30), and at least one filter excluding the low-pass filter (band rejection filter 28). The first phase detection means converts a signal to be measured input to the first phase detection means into a plurality of frequency components, removes at least one of the plurality of converted frequency components by the filter, and converts the remaining frequency components into a direct current by the second phase detection means.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

この発明は、ノイズに埋もれた微小な繰り返し信号を検出するロックインアンプに関するものである。
The present invention relates to a lock-in amplifier that detects a minute repetitive signal buried in noise.

図9(A)に示す最も基本的なロックインアンプ102の動作の概要を説明する。被測定物112が出力する周波数fの被測定信号は、ロックインアンプ102の入力信号としてロックインアンプ102に与えられる。この周波数fの被測定信号は、必要に応じて増幅器やフィルタなどを通り、位相検波器104に与えられる。一方、参照信号発生部106でも被測定信号と同じ周波数fの参照信号が生成され、位相検波器104に与えられる。位相検波器104では、参照信号を用いて被測定信号の周波数変換を行い、f±fの周波数、すなわち2fの周波数を有する交流と直流(周波数=ゼロ)を出力する。この出力は、低域通過フィルタ(LPF:Low Pass Filter)110を通過することによって2fの周波数を有する交流が減衰し、直流のみの出力となる。この直流出力は被測定信号の振幅と比例するので、直流出力の電圧によって被測定信号の大きさを知ることができる。   An outline of the most basic operation of the lock-in amplifier 102 shown in FIG. 9A will be described. The signal under measurement having the frequency f output from the device under test 112 is supplied to the lock-in amplifier 102 as an input signal of the lock-in amplifier 102. The signal to be measured having the frequency f passes through an amplifier, a filter, and the like as necessary, and is provided to the phase detector 104. On the other hand, the reference signal generator 106 also generates a reference signal having the same frequency f as the signal under measurement, and supplies the reference signal to the phase detector 104. The phase detector 104 performs frequency conversion of the signal under measurement using the reference signal, and outputs AC and DC (frequency = 0) having a frequency of f ± f, that is, a frequency of 2f. This output attenuates an alternating current having a frequency of 2f by passing through a low-pass filter (LPF: Low Pass Filter) 110, and becomes an output of only a direct current. Since the DC output is proportional to the amplitude of the signal under test, the magnitude of the signal under test can be known from the voltage of the DC output.

ロックインアンプ102の動作の詳細を、図10と数式を用いて説明する。位相検波器104(同期検波)は基本的に2つの入力信号を乗算するものであり、参照信号側の入力に方形波を用いるもの、擬似正弦波を用いるものおよび正弦波を用いるものなどがある。ここでは正弦波を用いて説明する。   The operation of the lock-in amplifier 102 will be described in detail with reference to FIG. The phase detector 104 (synchronous detection) basically multiplies two input signals, and includes a type using a square wave, a type using a pseudo sine wave, and a type using a sine wave for the input on the reference signal side. . Here, description will be made using a sine wave.

被測定信号側の位相検波器104の入力が、単一周波数のみを含むと仮定すると、位相検波器104の入力(図9(A)の(1))はAcos(ωt+α)と書くことができる。ここで、Aは振幅、ω=2πf、tは時間、αは位相である。この入力は、図10(A)のように表すことができる。一方、参照信号側の位相検波器104の入力は、その周波数を被測定信号側の入力と同じfとし、便宜上振幅を2とすると、2cos(ωt)と書くことができる。   Assuming that the input of the phase detector 104 on the signal under test includes only a single frequency, the input of the phase detector 104 ((1) in FIG. 9A) can be written as Acos (ωt + α). . Here, A is amplitude, ω = 2πf, t is time, and α is phase. This input can be represented as shown in FIG. On the other hand, if the frequency of the input of the phase detector 104 on the reference signal side is the same as that of the input on the signal under test side and the amplitude is 2 for convenience, it can be written as 2 cos (ωt).

三角関数の積和の公式により、位相検波器104の出力(図9(A)の(2))は下記の数式(1)のようになる。この出力は、図10(B)のように表すことができる。   According to the product-sum formula of the trigonometric functions, the output of the phase detector 104 ((2) in FIG. 9A) is represented by the following equation (1). This output can be represented as shown in FIG.

位相検波器104の出力=Acos(ωt+α)×2cos(ωt)
=Acos(2ωt+α)+Acos(α) ・・・(1)
Output of phase detector 104 = Acos (ωt + α) × 2cos (ωt)
= Acos (2ωt + α) + Acos (α) (1)

数式(1)の前項は2fの周波数成分であり、後項は時間により変化しない直流成分である。いずれも、被測定信号側の位相検波器104の入力の振幅と比例する。   The first term of Equation (1) is a frequency component of 2f, and the second term is a DC component that does not change with time. Both are proportional to the input amplitude of the phase detector 104 on the signal under test.

この出力は低域通過フィルタ110(この低域通過フィルタ110は例えば、図10(B)中のLPFで示される透過率特性を有する。)を通過することによって2fの周波数成分が減衰し、低域通過フィルタ110の出力(図9(A)の(3))は、図10(C)に示すように、直流のみを含む出力となる。このようなロックインアンプ102によれば、被測定信号における参照信号と同じ周波数の信号を直流出力として検出することができ、
この直流出力は被測定信号側の位相検波器104の入力信号の振幅と比例するので、直流出力の電圧によって被測定信号の大きさを知ることができる。
This output passes through a low-pass filter 110 (this low-pass filter 110 has, for example, a transmittance characteristic indicated by an LPF in FIG. 10B), whereby the 2f frequency component is attenuated, and The output of the bandpass filter 110 ((3) in FIG. 9A) is an output including only DC, as shown in FIG. According to such a lock-in amplifier 102, a signal having the same frequency as the reference signal in the signal under measurement can be detected as a DC output,
Since this DC output is proportional to the amplitude of the input signal of the phase detector 104 on the signal under test side, the magnitude of the signal under test can be known from the voltage of the DC output.

以上の説明とほぼ同様の内容が、特許文献1の図2および段落0006〜段落0008に示されている。   Almost the same contents as those described above are shown in FIG. 2 and paragraphs 0006 to 0008 of Patent Document 1.

数式(1)の後項の通り、参照信号を基準とする被測定信号の位相によって、直流出力の電圧が変化するので、被測定信号と参照信号の位相は同期している必要がある。なお、位相同期は、慣用されている位相同期回路(PLL:Phase Locked Loop)などの位相同期機能部を用いて実現することができるので、位相同期の実現手段についての説明は省略する。   As shown in the latter part of Expression (1), the voltage of the DC output changes depending on the phase of the signal under measurement with respect to the reference signal, so that the phase of the signal under measurement and the phase of the reference signal need to be synchronized. Note that phase synchronization can be achieved using a phase synchronization function unit such as a commonly used phase locked loop (PLL: Phase Locked Loop), and a description of a means for achieving phase synchronization will be omitted.

図9(B)〜図9(D)に、位相同期の一例を示す。図9(B)は、被測定信号に基づいて参照信号を位相同期させる例である。図9(C)は、被測定物112から同期信号を受け取って参照信号を位相同期させる例である。図9(D)は、参照信号を被測定物112に与えて、被測定物112から得られる信号を測定する例である。なお、図9(B)〜図9(D)以外の図では位相同期機能部114は図示を省略しているが、いずれもこのような位相同期機能部114を備えることができる。なお、図9(C)と同様の内容が特許文献2の図2に、図9(D)と同様の内容が特許文献2の図1に、それぞれ示されている。   FIGS. 9B to 9D show an example of phase synchronization. FIG. 9B is an example in which the reference signal is phase-synchronized based on the signal under measurement. FIG. 9C is an example in which a synchronization signal is received from the device under test 112 and the reference signal is phase-synchronized. FIG. 9D illustrates an example in which a reference signal is supplied to the device under test 112 and a signal obtained from the device under test 112 is measured. Note that the phase synchronization function unit 114 is not shown in drawings other than FIGS. 9B to 9D, but any of them can be provided with such a phase synchronization function unit 114. 9 (C) is shown in FIG. 2 of Patent Document 2, and the same content as FIG. 9 (D) is shown in FIG. 1 of Patent Document 2.

数式(1)の後項の通り、被測定信号と参照信号が同相または逆相のときに直流出力の絶対値が最大になり、±90°のときには直流出力がゼロになるので、同期信号を基準として参照信号の位相を調整することによって、被測定信号の位相を知ることができる。   As shown in the latter part of equation (1), the absolute value of the DC output is maximum when the signal under measurement and the reference signal are in phase or opposite phase, and the DC output is zero when the signal is ± 90 °. By adjusting the phase of the reference signal as a reference, the phase of the signal under measurement can be known.

入力信号の位相をより容易に知るためには、2位相ロックインアンプが知られている。図11に示す2位相ロックインアンプ122では、位相が90°ずれた2つの参照信号と、それらに対応する2つの位相検波器104−1、104−2を用いる。   To more easily know the phase of an input signal, a two-phase lock-in amplifier is known. The two-phase lock-in amplifier 122 shown in FIG. 11 uses two reference signals whose phases are shifted by 90 ° and two corresponding phase detectors 104-1 and 104-2.

2つの位相検波器104−1、104−2の被測定信号側の入力は共通に接続されており、いずれも前述のようにAcos(ωt+α)とする。参照信号側の位相検波器104−1の入力を前述のように2cos(ωt)とし、位相検波器104−2の入力は−2sin(ωt)とする。この場合、位相検波器104−1の出力は前述の数式(1)の通りになり、位相検波器104−2の出力は下記の数式(2)のようになる。   The inputs of the two phase detectors 104-1 and 104-2 on the signal-under-measurement side are commonly connected, and both are Acos (ωt + α) as described above. The input of the phase detector 104-1 on the reference signal side is 2 cos (ωt) as described above, and the input of the phase detector 104-2 is −2 sin (ωt). In this case, the output of the phase detector 104-1 is as shown in the above equation (1), and the output of the phase detector 104-2 is as shown in the following equation (2).

位相検波器104−2の出力=Acos(ωt+α)×{−2sin(ωt)}
=−Asin(2ωt+α)+Asin(α) ・・・(2)
Output of phase detector 104-2 = Acos (ωt + α) × {−2 sin (ωt)}
= −Asin (2ωt + α) + Asin (α) (2)

各位相検波器の出力に設けられた低域通過フィルタ110−1、110−2により、数式(1)および(2)の前項(2fの周波数成分)が減衰される結果、位相検波器104−1側の第1の直流出力(X出力)には被測定信号のcos成分に比例する直流電圧が、位相検波器104−2側の第2の直流出力(Y出力)には被測定信号のsin成分に比例する直流電圧が現れる。   The low-pass filters 110-1 and 110-2 provided at the outputs of the phase detectors attenuate the preceding term (2f frequency component) in Equations (1) and (2), resulting in the phase detector 104- The first DC output (X output) on the 1 side has a DC voltage proportional to the cos component of the signal under test, and the second DC output (Y output) on the phase detector 104-2 has the DC voltage of the signal under test. A DC voltage proportional to the sin component appears.

以上の説明とほぼ同様の内容が、特許文献1の図3および段落0008〜段落0010にも示されている。   Almost the same contents as those described above are also shown in FIG. 3 of Patent Document 1 and paragraphs 0008 to 0010.

なお、数式(1)および(2)の各々の後項から、図12のように、被測定信号の振幅Aおよび位相αを知ることができる。   Note that the amplitude A and the phase α of the signal under measurement can be obtained from the latter part of each of the equations (1) and (2) as shown in FIG.

以上では、アナログ/ディジタルの区別なく、ロックインアンプの基本的な構成や動作原理を説明した。ロックインアンプの構成要素は各々、アナログ回路で実現することもできるが、近年は各構成要素をディジタル回路や、CPU(Central Processing Unit)、DSP(Digital Signal Processor)、FPGA(Field Programmable Gate Array)などのディジタル演算手段によって実現したディジタルロックインアンプも普及している。ディジタルロックインアンプでは例えば、被測定入力をADコンバータでディジタル信号に変換して、その後の位相検波器やフィルタ等の構成要素の必要部分を、ディジタル回路やディジタル演算手段によって実現している。(必要に応じて、部分的にアナログ回路と併用する場合もある。)   The basic configuration and operating principle of the lock-in amplifier have been described above without distinction between analog and digital. Each component of the lock-in amplifier can be realized by an analog circuit, but in recent years, each component has been replaced by a digital circuit, a CPU (Central Processing Unit), a DSP (Digital Signal Processor), and an FPGA (Field Programmable Gate Array). Digital lock-in amplifiers realized by digital arithmetic means such as those described above have also become widespread. In a digital lock-in amplifier, for example, an input to be measured is converted into a digital signal by an AD converter, and the necessary components such as a phase detector and a filter are realized by a digital circuit or digital arithmetic means. (If necessary, the analog circuit may be partially used together.)

1位相のディジタルロックインアンプの例は、特許文献1の図4および段落0010〜段落0011に示されている。また2位相のディジタルロックインアンプの例は、特許文献1の図5および段落0018〜段落0019や、特許文献3の第1図に示されている。   An example of a one-phase digital lock-in amplifier is shown in FIG. 4 and paragraphs 0010 to 0011 of Patent Document 1. Examples of a two-phase digital lock-in amplifier are shown in FIG. 5 and paragraphs 0018 to 0019 of Patent Document 1 and in FIG. 1 of Patent Document 3.

特開2007−003458号公報JP 2007-003458 A 特表2007−536519号公報JP-T-2007-536519 特開平01−093914号公報JP-A-01-093914

従来技術では、低域通過フィルタ110が2fの周波数成分を十分に減衰させる必要があるため、その時定数を大きく、つまりカットオフ周波数を低くする必要がある。しかし、被測定信号の大きさが変化する場合、低域通過フィルタ110の時定数が大きいと直流出力の変化が遅くなる、すなわち測定の応答が遅くなるという問題がある。   In the related art, since the low-pass filter 110 needs to sufficiently attenuate the frequency component of 2f, it is necessary to increase the time constant, that is, to lower the cutoff frequency. However, when the magnitude of the signal to be measured changes, there is a problem that if the time constant of the low-pass filter 110 is large, the change in the DC output becomes slow, that is, the measurement response becomes slow.

特に、フィルタの位相特性等を重視して次数の小さい低域通過フィルタ110を使用すると、その分時定数を大きくせざるを得なくなるので、この問題の影響がより大きくなる。   In particular, when the low-pass filter 110 having a small order is used with emphasis on the phase characteristics and the like of the filter, the time constant has to be increased accordingly, and the effect of this problem is further increased.

さらに、被測定信号が変調されている場合などスペクトル幅が広い場合には、図13に例示するように、以下の(1)、(2)、(3)に示す、相反する条件が生じるという問題が生じる。   Further, in the case where the spectrum width is wide such as when the signal under measurement is modulated, as shown in FIG. 13, the following contradictory conditions shown in (1), (2) and (3) occur. Problems arise.

(1) 時定数の大きい低域通過フィルタを使用すると、スペクトル幅内で平坦な周波数特性が得られないため、測定誤差が生じる。   (1) When a low-pass filter having a large time constant is used, a flat frequency characteristic cannot be obtained within a spectrum width, and a measurement error occurs.

(2) 時定数を小さくするために次数の大きい低域通過フィルタを使用すると、フィルタの位相特性等が犠牲になる。   (2) If a low-pass filter having a large order is used to reduce the time constant, the phase characteristics of the filter are sacrificed.

(3) 時定数の小さい低域通過フィルタを使用すると、2f近傍の周波数成分を十分に減衰させることが出来ないため、測定誤差が生じる。   (3) If a low-pass filter with a small time constant is used, a frequency component near 2f cannot be sufficiently attenuated, and a measurement error occurs.

そこで本発明の課題は、時定数や次数が小さい低域通過フィルタを使用しても測定誤差が生じないような、ロックインアンプを提供することである。

Therefore, an object of the present invention is to provide a lock-in amplifier in which a measurement error does not occur even when a low-pass filter having a small time constant or order is used.

上記目的を達成するため、本発明の一態様では、ロックインアンプは位相検波手段と低域通過フィルタおよび、低域通過フィルタを除く、少なくとも一つのフィルタを備える。前記位相検波手段は第1の位相検波手段と第2の位相検波手段とを備える。前記第1の位相検波手段に入力される被測定信号を前記第1の位相検波手段が複数の周波数成分に変換し、変換された前記複数の周波数成分のうちの少なくとも1成分を前記フィルタで除去し、残りの周波数成分を、前記第2の位相検波手段によって直流に変換する。   To achieve the above object, according to one aspect of the present invention, a lock-in amplifier includes a phase detection unit, a low-pass filter, and at least one filter excluding a low-pass filter. The phase detector includes a first phase detector and a second phase detector. The first phase detector converts the signal to be measured input to the first phase detector into a plurality of frequency components, and removes at least one of the plurality of converted frequency components by the filter. Then, the remaining frequency components are converted to direct current by the second phase detector.

上記ロックインアンプでは、前記フィルタは、帯域除去フィルタ、帯域通過フィルタまたは高域通過フィルタのいずれかでもよい。   In the lock-in amplifier, the filter may be any one of a band elimination filter, a band-pass filter, and a high-pass filter.

上記ロックインアンプでは、前記第1の位相検波手段に入力される前記被測定信号の周波数を検出し、検出された前記被測定信号の周波数に合わせて前記第1の位相検波手段および前記第2の位相検波手段それぞれに与えられる参照信号の周波数を制御する周波数検出・設定部を備えてもよい。   The lock-in amplifier detects a frequency of the signal under test inputted to the first phase detection means, and adjusts the first phase detection means and the second phase detection signal in accordance with the detected frequency of the signal under test. And a frequency detection / setting unit for controlling the frequency of the reference signal provided to each of the phase detection means.

上記ロックインアンプでは、前記位相検波手段、前記低域通過フィルタ、前記フィルタの一部または全てにディジタル回路またはディジタル演算手段を用いてもよい。   In the lock-in amplifier, a digital circuit or a digital operation means may be used for the phase detection means, the low-pass filter, and a part or all of the filter.

上記ロックインアンプでは、前記位相検波手段が、CORDIC法を用いたディジタル回路またはディジタル演算手段によって前記周波数の一部または全てを変換してもよい。   In the lock-in amplifier, the phase detection means may convert part or all of the frequency by a digital circuit or a digital operation means using a CORDIC method.

本発明によれば、次のような効果が得られる。   According to the present invention, the following effects can be obtained.

(1) 本発明のロックインアンプによれば、低域通過フィルタを除く、少なくとも一つのフィルタによって2f等の不要な周波数を減衰させるので、低域通過フィルタの時定数を大きく、つまりカットオフ周波数を低くする必要がない。このため、被測定信号の大きさが変化する場合でも、直流出力が速やかに被測定信号の変化に追従するため、測定の応答を速くすることができる。   (1) According to the lock-in amplifier of the present invention, an unnecessary frequency such as 2f is attenuated by at least one filter excluding the low-pass filter. Therefore, the time constant of the low-pass filter is increased, that is, the cutoff frequency is reduced. Need not be lowered. For this reason, even when the magnitude of the signal under measurement changes, the DC output quickly follows the change in the signal under measurement, so that the measurement response can be made faster.

(2) また、フィルタの位相特性等を重視して次数の小さい低域通過フィルタを使用することができる。   (2) It is possible to use a low-pass filter having a small order with emphasis on the phase characteristics and the like of the filter.

(3) さらに、被測定信号が変調されている場合などスペクトル幅が広い場合であっても、低域通過フィルタの選択の自由度を高くすることができる。
(3) Further, even when the signal to be measured is modulated and the spectrum width is wide, the degree of freedom in selecting the low-pass filter can be increased.

第1の実施の形態に係るロックインアンプの構成を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a lock-in amplifier according to the first embodiment. 第1の実施の形態に係るロックインアンプの動作の例を示す図である。FIG. 5 is a diagram illustrating an example of an operation of the lock-in amplifier according to the first embodiment. 第1の実施の形態に係る2位相ロックインアンプの構成を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a two-phase lock-in amplifier according to the first embodiment. 第2の実施の形態に係るロックインアンプの構成を示す図である。FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration of a lock-in amplifier according to a second embodiment. 第2の実施の形態に係るロックインアンプの動作の例を示す図である。FIG. 14 is a diagram illustrating an example of an operation of the lock-in amplifier according to the second embodiment. 第3の実施の形態に係るロックインアンプの構成を示す図である。FIG. 14 is a diagram illustrating a configuration of a lock-in amplifier according to a third embodiment. 第3の実施の形態に係るロックインアンプの動作の例を示す図である。FIG. 14 is a diagram illustrating an example of an operation of the lock-in amplifier according to the third embodiment. 第4の実施の形態に係るロックインアンプの構成を示す図である。FIG. 14 is a diagram illustrating a configuration of a lock-in amplifier according to a fourth embodiment. 従来技術に係るロックインアンプの構成を示す図である。FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration of a lock-in amplifier according to the related art. 従来技術に係るロックインアンプの動作の例を示す図である。FIG. 11 is a diagram illustrating an example of the operation of the lock-in amplifier according to the related art. 従来技術に係る2位相ロックインアンプの構成を示す図である。FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration of a two-phase lock-in amplifier according to the related art. 従来技術に係る2位相ロックインアンプの出力と振幅・位相の関係の例を示す図である。FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a relationship between an output of a two-phase lock-in amplifier and an amplitude / phase according to the related art. 従来技術に係るロックインアンプの課題を示す図である。FIG. 9 is a diagram illustrating a problem of the lock-in amplifier according to the related art.

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

〔第1の実施の形態〕   [First Embodiment]

第1の実施の形態は、帯域除去フィルタを用いて、位相検波器の出力に含まれる交流成分、つまり前述の数式(1)および数式(2)の前項(2fの周波数成分)を除去することによって、低域通過フィルタの時定数を小さくするロックインアンプを示している。   In the first embodiment, an AC component included in the output of the phase detector, that is, the preceding term (the frequency component of 2f) of the above-described equations (1) and (2) is removed using a band elimination filter. Indicates a lock-in amplifier that reduces the time constant of the low-pass filter.

図1は第1の実施の形態に係るロックインアンプ2の基本的な構成を示しており、図2はそのようなロックインアンプ2の基本的動作の一例を示している。さらに図3は、第1の実施の形態に係るロックインアンプ2によって2位相ロックインアンプを構成する場合の、基本的な構成を示している。   FIG. 1 shows a basic configuration of the lock-in amplifier 2 according to the first embodiment, and FIG. 2 shows an example of a basic operation of such a lock-in amplifier 2. FIG. 3 shows a basic configuration when a two-phase lock-in amplifier is configured by the lock-in amplifier 2 according to the first embodiment.

図1において、位相検波器4は、位相検波器4に入力される被測定信号を複数の周波数成分に変換する位相検波手段の一例である。位相検波器4には被測定物12が出力する被測定信号と、参照信号発生部6が出力する参照信号が入力される。位相検波器4の信号入力側の入力部に、図2(A)に示す周波数fの被測定信号が与えられ(図1の(1))、位相検波器4の参照信号側の入力部に周波数fの参照信号が与えられる結果、位相検波器4の出力(図1の(2))は前述の数式(1)により、Acos(2ωt+α)+Acos(α)のようになる。位相検波器4の出力は、図2(B)に示すように、周波数0および周波数2fの2つの周波数成分を含んでいる。位相検波器4の出力態様は、図9(A)に係る背景技術で説明したロックインアンプと同様である。   In FIG. 1, a phase detector 4 is an example of a phase detector that converts a signal to be measured input to the phase detector 4 into a plurality of frequency components. The measured signal output from the device under test 12 and the reference signal output from the reference signal generator 6 are input to the phase detector 4. A signal to be measured having a frequency f shown in FIG. 2A is given to the input unit on the signal input side of the phase detector 4 ((1) in FIG. 1), and the input unit on the reference signal side of the phase detector 4 is supplied to the input unit on the reference signal side. As a result of the provision of the reference signal having the frequency f, the output of the phase detector 4 ((2) in FIG. 1) is given by the above-mentioned equation (1) as Acos (2ωt + α) + Acos (α). The output of the phase detector 4 includes two frequency components of a frequency 0 and a frequency 2f, as shown in FIG. The output mode of the phase detector 4 is the same as that of the lock-in amplifier described in the background art of FIG. 9A.

第1の実施の形態では、位相検波器4の出力のうち2fの周波数成分を、帯域除去フィルタ(BEF:Band Elimination Filter)8によって除去する。つまり、帯域除去フィルタ8の出力(図1の(3))を図2(C)に示すように、数式(1)の後項の直流成分のみとする。帯域除去フィルタ8には、一部の周波数成分を減衰し、その他の周波数成分を通過させるように設計されたフィルタ回路を用いることができる。帯域除去フィルタ8は、例えば図2(B)中のBEFで示される透過率特性を有し、位相検波器4の出力に含まれる前述の交流成分(2fの周波数成分)、すなわち被測定信号の2倍の周波数を減衰するように設計される。   In the first embodiment, the 2f frequency component of the output of the phase detector 4 is removed by a band elimination filter (BEF) 8. That is, as shown in FIG. 2C, the output of the band elimination filter 8 ((3) in FIG. 1) is only the DC component in the latter term of the equation (1). As the band elimination filter 8, a filter circuit designed to attenuate some frequency components and allow other frequency components to pass can be used. The band elimination filter 8 has, for example, a transmittance characteristic indicated by BEF in FIG. 2B, and includes the aforementioned AC component (frequency component of 2f) included in the output of the phase detector 4, that is, the signal under measurement. It is designed to attenuate twice the frequency.

背景技術で説明したロックインアンプ102によれば、図9(A)に示す低域通過フィルタ110は図10(B)のLPFに示すように、2fの周波数成分を除去するため、大きな時定数を有している。しかし第1の実施の形態によれば、帯域除去フィルタ8が2fの周波数成分を除去するので、低域通過フィルタ10は、2fよりも高い周波数成分の除去を行うように設定することができる。したがって、低域通過フィルタ10は、2fの周波数成分を十分に除去できるような大きな時定数である必要はなく、2fの周波数成分を通過させるような小さな時定数に設定することができる。例えば図2(C)のLPFに示すように、その時定数を必要に応じて小さくすることができる。すなわち、低域通過フィルタ10の時定数を必要に応じて小さくしても、低域通過フィルタ10の出力(図1の(4))を、図2(D)に示すように、直流成分のみにすることができる。   According to the lock-in amplifier 102 described in the background art, the low-pass filter 110 shown in FIG. 9A removes the 2f frequency component as shown by the LPF in FIG. have. However, according to the first embodiment, since the band elimination filter 8 removes the frequency component of 2f, the low-pass filter 10 can be set to remove the frequency component higher than 2f. Therefore, the low-pass filter 10 does not need to have a large time constant that can sufficiently remove the 2f frequency component, but can set a small time constant that allows the 2f frequency component to pass. For example, as shown in the LPF of FIG. 2C, the time constant can be reduced as necessary. That is, even if the time constant of the low-pass filter 10 is reduced as necessary, the output ((4) in FIG. 1) of the low-pass filter 10 is reduced by only the DC component as shown in FIG. Can be

低域通過フィルタ10の時定数が小さければ、被測定信号の大きさが変化する場合でも、直流出力が速やかに被測定信号の変化に追従できるため、測定の応答を速くすることができる。また、2fの周波数成分を低域通過フィルタ10によって除去する必要がないので、フィルタの位相特性等を重視して次数の小さい低域通過フィルタ10を使用することもできる。さらに、被測定信号が変調されているなどの理由により被測定信号のスペクトル幅が広い場合に、低域通過フィルタ10の選択の自由度を高くすることができる(図13参照)。   If the time constant of the low-pass filter 10 is small, the DC output can quickly follow the change in the signal under measurement even when the signal under measurement changes, so that the measurement response can be made fast. Further, since it is not necessary to remove the frequency component of 2f by the low-pass filter 10, the low-pass filter 10 having a small order can be used with emphasis on the phase characteristics and the like of the filter. Further, when the spectrum of the signal to be measured is wide because the signal to be measured is modulated, the degree of freedom in selecting the low-pass filter 10 can be increased (see FIG. 13).

この第1の実施の形態では、ロックインアンプ2が、減衰させる周波数成分が異なる帯域除去フィルタ8および低域通過フィルタ10を備え、各フィルタが、減衰させる必要のある周波数成分の減衰を分担し、フィルタ全体で、減衰させる必要のある全ての周波数成分を減衰させる。   In the first embodiment, the lock-in amplifier 2 includes the band elimination filter 8 and the low-pass filter 10 having different frequency components to be attenuated, and each filter shares the attenuation of the frequency component that needs to be attenuated. , Attenuate all frequency components that need to be attenuated throughout the filter.

図1では、低域通過フィルタ10の前に帯域除去フィルタ8を設ける例を示したが、低域通過フィルタ10の後に帯域除去フィルタ8を設けることも可能である。   FIG. 1 shows an example in which the band elimination filter 8 is provided before the low-pass filter 10, but the band elimination filter 8 can be provided after the low-pass filter 10.

また、被測定信号に雑音(例えば交流電源の50Hzや60Hz)や妨害波(例えばAMラジオの電波)が含まれる場合に、それらを除去するための帯域除去フィルタをさらに追加することも可能である(以下に示す第2の実施の形態、第3の実施の形態および第4の実施の形態においても同様である)。   Further, when the signal to be measured includes noise (for example, 50 Hz or 60 Hz of an AC power supply) or an interfering wave (for example, an AM radio wave), it is also possible to further add a band elimination filter for removing these. (The same applies to the second embodiment, the third embodiment, and the fourth embodiment described below).

ロックインアンプ2は、背景技術で説明したロックインアンプ102と同様に、図3のように拡張することによって、2位相のロックインアンプ2を実現できる。2位相のロックインアンプ2の位相検波器4−1、帯域除去フィルタ8−1および低域通過フィルタ10−1はそれぞれ、1位相のロックインアンプ2の、位相検波器4、帯域除去フィルタ8、低域通過フィルタ10に対応する。2位相のロックインアンプ2の位相検波器4−2、帯域除去フィルタ8−2および低域通過フィルタ10−2はそれぞれ、1位相のロックインアンプ2の、位相検波器4、帯域除去フィルタ8、低域通過フィルタ10に対応する。   The lock-in amplifier 2 can be realized as a two-phase lock-in amplifier 2 by expanding the lock-in amplifier 2 as shown in FIG. The phase detector 4-1, the band elimination filter 8-1, and the low-pass filter 10-1 of the two-phase lock-in amplifier 2 are the phase detector 4, the band elimination filter 8 of the one-phase lock-in amplifier 2, respectively. , Low-pass filter 10. The phase detector 4-2, the band elimination filter 8-2, and the low-pass filter 10-2 of the two-phase lock-in amplifier 2 are respectively the phase detector 4, the band elimination filter 8 of the one-phase lock-in amplifier 2. , Low-pass filter 10.

2位相のロックインアンプ2では、位相が90°ずれた2つの参照信号のうちの一つ、例えば2cos(ωt)の参照信号が、位相検波器4−1の参照信号側の入力部に入力され、残りの一つ、例えば−2sin(ωt)の参照信号が、位相検波器4−2の参照信号側の入力部に入力される。このような2位相のロックインアンプ2では、2位相のロックインアンプ122と同様に、位相検波器4−1側の第1の直流出力(X出力)には被測定信号のcos成分に比例する直流電圧が、位相検波器4−2側の第2の直流出力(Y出力)には被測定信号のsin成分に比例する直流電圧が現れる。帯域除去フィルタ8−1、8−2は、帯域除去フィルタ8と同様に2fの周波数成分を除去するので、低域通過フィルタ10−1、10−2は、2fよりも高い周波数成分の除去を行うように設定することができる。   In the two-phase lock-in amplifier 2, one of two reference signals whose phases are shifted by 90 °, for example, a reference signal of 2 cos (ωt) is input to an input unit on the reference signal side of the phase detector 4-1. Then, the other reference signal, for example, −2 sin (ωt), is input to the input unit on the reference signal side of the phase detector 4-2. In such a two-phase lock-in amplifier 2, like the two-phase lock-in amplifier 122, the first DC output (X output) on the phase detector 4-1 side is proportional to the cos component of the signal under measurement. As a result, a DC voltage proportional to the sin component of the signal under measurement appears at the second DC output (Y output) on the phase detector 4-2 side. Since the band elimination filters 8-1 and 8-2 remove the frequency component of 2f similarly to the band elimination filter 8, the low-pass filters 10-1 and 10-2 remove the frequency components higher than 2f. Can be set to do.

また、第1の実施の形態においても、背景技術で説明したロックインアンプと同様、ロックインアンプの構成要素の各々をアナログ回路、ディジタル回路、ディジタル演算手段のいずれで実現するかは、自由に選択可能である。   Also in the first embodiment, similarly to the lock-in amplifier described in the background art, it is freely determined whether each of the components of the lock-in amplifier is realized by an analog circuit, a digital circuit, or a digital operation unit. Can be selected.

帯域除去フィルタ8や帯域除去フィルタ8−1、8−2は、LCフィルタ、ツインT型ノッチフィルタなどのCRフィルタや、アナログ回路による各種アクティブフィルタなどを含む様々な帯域除去実現手段により実現することができる。この帯域除去実現手段には、コムフィルタ、SINCフィルタ、CIC(Cascaded Integration Comb)フィルタなどのデジタルフィルタなども含まれる。図2(B)では、単一の周波数のみを除去する帯域除去フィルタを例示しているが、コムフィルタのように複数の周波数を除去するフィルタであっても、所定の周波数を除去するという機能は他の帯域除去フィルタと共通であるので、本願では帯域除去フィルタに含むものとする。(以下に示す第2の実施の形態から第4の実施の形態においても同様である。)   The band elimination filter 8 and the band elimination filters 8-1 and 8-2 can be realized by various band elimination realizing means including a CR filter such as an LC filter and a twin T-type notch filter, and various active filters using an analog circuit. Can be. The band elimination means includes a digital filter such as a comb filter, a SINC filter, and a cascaded integration comb (CIC) filter. FIG. 2B illustrates a band elimination filter that eliminates only a single frequency, but a function of eliminating a predetermined frequency even with a filter that eliminates a plurality of frequencies such as a comb filter. Is common to the other band elimination filters, and is included in the band elimination filter in this application. (The same applies to the second to fourth embodiments described below.)

なお、コムフィルタのように複数の周波数を除去するフィルタであれば、所定の周波数に加えて、各種の雑音中の一部の周波数も除去できるので、より好ましい場合がある。   It should be noted that a filter that removes a plurality of frequencies, such as a comb filter, may be more preferable because some frequencies in various types of noise can be removed in addition to a predetermined frequency.

低域通過フィルタ10や低域通過フィルタ10−1、10−2は、LCフィルタ、CRフィルタ、アナログ回路による各種アクティブフィルタなどや、各種のデジタルフィルタを含む様々な低域通過実現手段により実現することができる。(以下に示す第2の実施の形態から第4の実施の形態においても同様である。)   The low-pass filter 10 and the low-pass filters 10-1 and 10-2 are realized by various low-pass realizing means including an LC filter, a CR filter, various active filters using analog circuits, and various digital filters. be able to. (The same applies to the second to fourth embodiments described below.)

さらに第1の実施の形態では、帯域除去フィルタ8または帯域除去フィルタ8−1、8−2を用いることにより、低域通過フィルタ10、10−1、10−2を省略することも可能である。(以下に示す第3の実施の形態および第4の実施の形態においても同様である。)   Further, in the first embodiment, by using the band elimination filter 8 or the band elimination filters 8-1, 8-2, the low-pass filters 10, 10-1, 10-2 can be omitted. . (The same applies to the third embodiment and the fourth embodiment described below.)

第1の実施の形態では、被測定信号の2倍の周波数を除去できる帯域除去フィルタ8を使用している。このため、被測定信号の周波数が変化する場合には、被測定信号の周波数の変化に追従して帯域除去フィルタ8の周波数特性を変化させたり、複数のフィルタを備えてフィルタを切り替えればよい。   In the first embodiment, the band elimination filter 8 that can remove twice the frequency of the signal under measurement is used. For this reason, when the frequency of the signal under measurement changes, the frequency characteristic of the band elimination filter 8 may be changed according to the change in the frequency of the signal under measurement, or a plurality of filters may be provided to switch the filters.

帯域除去フィルタ8の周波数特性を変化させたり、多数のフィルタを備えると帯域除去フィルタ8が複雑になるとともに、帯域除去フィルタ8を制御する必要があるので、第1の実施の形態は一般的に、被測定信号の周波数が安定している場合に適用される。例えば、図9(D)のような位相同期の方法を用いる場合は、参照信号の周波数を一定にすることによって、第1の実施の形態を好適に用いることができる。   If the frequency characteristic of the band elimination filter 8 is changed, or if a large number of filters are provided, the band elimination filter 8 becomes complicated and the band elimination filter 8 needs to be controlled. This is applied when the frequency of the signal under measurement is stable. For example, when the phase synchronization method as shown in FIG. 9D is used, the first embodiment can be suitably used by keeping the frequency of the reference signal constant.

〔第2の実施の形態〕 [Second embodiment]

第2の実施の形態は、2つの位相検波器を備えるロックインアンプであり、この2つの位相検波器によって、被測定信号の周波数が変化するか否かに関わらずにロックインアンプを用いることができる。   The second embodiment is a lock-in amplifier including two phase detectors, and the two phase detectors use the lock-in amplifier regardless of whether the frequency of the signal under measurement changes. Can be.

図4は第2の実施の形態に係るロックインアンプ22の一例を示しており、図5はそのようなロックインアンプの基本的動作の一例を示している。   FIG. 4 shows an example of the lock-in amplifier 22 according to the second embodiment, and FIG. 5 shows an example of a basic operation of such a lock-in amplifier.

図4において、位相検波器24−1は、位相検波器24−1に入力される被測定信号を複数の周波数成分に変換する位相検波手段の一例である。位相検波器24−1の信号入力側の入力部には、図5(A)に示す周波数fの被測定信号が与えられ(図4の(1))、参照信号発生部26−1が出力する周波数f’の参照信号が、位相検波器24−1の参照信号側の入力部に与えられる。位相検波器24−1の信号入力側の入力は前述と同様、Acos(ωt+α)とし、位相検波器24−1の参照信号発生部26−1側の入力は、2cos(ω’t)とする。(ここで、ω’=2πf’である。)この結果、位相検波器24−1の出力(図4の(2))は下記の数式(3)のようになる。   In FIG. 4, a phase detector 24-1 is an example of a phase detector that converts a signal under measurement input to the phase detector 24-1 into a plurality of frequency components. A signal to be measured having a frequency f shown in FIG. 5A is supplied to an input unit on the signal input side of the phase detector 24-1 ((1) in FIG. 4), and the reference signal generator 26-1 outputs the signal to be measured. The reference signal having the frequency f ′ is supplied to an input unit on the reference signal side of the phase detector 24-1. The input on the signal input side of the phase detector 24-1 is Acos (ωt + α), and the input on the reference signal generator 26-1 side of the phase detector 24-1 is 2 cos (ω′t), as described above. . (Here, ω ′ = 2πf ′.) As a result, the output ((2) in FIG. 4) of the phase detector 24-1 is as shown in the following equation (3).

位相検波器24−1の出力=Acos(ωt+α)×2cos(ω’t)
=Acos{(ω+ω’)t+α}+Acos{(ω−ω’)t+α}・・・(3)
Output of phase detector 24-1 = Acos (ωt + α) × 2cos (ω′t)
= Acos {(ω + ω ') t + α} + Acos {(ω-ω') t + α} (3)

数式(3)の前項はf+f’の周波数成分であり、後項はf−f’の周波数成分である。従って、位相検波器24−1の出力は図5(B)に示すように、f±f’の周波数成分を含む交流になる。   The first term of Equation (3) is a frequency component of f + f ', and the second term is a frequency component of f-f'. Accordingly, the output of the phase detector 24-1 is an alternating current including a frequency component of f ± f 'as shown in FIG.

位相検波器24−1の出力は帯域除去フィルタ28(この帯域除去フィルタ28は例えば、図5(B)中のBEFで示される透過率特性を有する。)に入力される。この帯域除去フィルタ28がf±f’の周波数成分のうち、図5(B)に示すように、f−f’の周波数成分を除去する結果、図5(C)に示すように、f+f’の周波数成分のみが残る。   The output of the phase detector 24-1 is input to a band elimination filter 28 (the band elimination filter 28 has, for example, a transmittance characteristic indicated by BEF in FIG. 5B). As shown in FIG. 5B, the band elimination filter 28 removes the ff ′ frequency component from the f ± f ′ frequency components. As a result, as shown in FIG. 5C, f + f ′. Only the frequency component of remains.

f−f’の周波数成分を除去し、f+f’の周波数成分のみ残すためには、帯域除去フィルタ28の他、帯域通過フィルタ(BPF:Band−Pass Filter)や高域通過フィルタ(HPF:High−Pass Filter)などの低域通過フィルタ以外の他のフィルタを使用することもできる。このような帯域通過フィルタは例えば、図5(B)中の点線で示されたBPF部のような透過率特性を有し、f+f’の周波数成分およびf+f’近傍の周波数成分を通過させる。またこのような高域通過フィルタは例えば、図5(B)中の一点鎖線で示されたHPF部のような透過率特性を有し、f+f’の周波数成分およびf+f’よりも高い周波数成分を通過させる。低域通過フィルタを除いた、帯域通過フィルタや高域通過フィルタなどのフィルタを用いる場合であっても、f−f’の周波数成分を除去し、f+f’の周波数成分を残すことができる。低域通過フィルタを用いると、ロックインアンプの測定の応答が遅くなる場合があるが、低域通過フィルタ以外のフィルタを用いれば、測定の応答を速くする構成が可能になる。   In order to remove the frequency component of ff ′ and leave only the frequency component of f + f ′, in addition to the band elimination filter 28, a band-pass filter (BPF) or a high-pass filter (HPF: High-frequency filter). Other filters besides a low-pass filter, such as a Pass Filter, can also be used. Such a band-pass filter has, for example, a transmittance characteristic such as a BPF portion indicated by a dotted line in FIG. 5B, and passes a frequency component of f + f ′ and a frequency component near f + f ′. In addition, such a high-pass filter has, for example, a transmittance characteristic such as an HPF portion shown by a dashed line in FIG. 5B, and is capable of removing a frequency component of f + f ′ and a frequency component higher than f + f ′. Let it pass. Even when a filter such as a band-pass filter or a high-pass filter other than the low-pass filter is used, the frequency component of f−f ′ can be removed and the frequency component of f + f ′ can be left. When the low-pass filter is used, the response of the measurement of the lock-in amplifier may be slow. However, when a filter other than the low-pass filter is used, a configuration in which the response of the measurement is fast can be realized.

位相検波器24−2は、位相検波器24−2に入力される帯域除去フィルタ28の出力を複数の周波数成分に変換する位相検波手段の一例である。f+f’の周波数成分を含む帯域除去フィルタ28の出力(図4の(3))は、位相検波器24−2の信号入力側の入力部に与えられ、位相検波器24−2の参照信号側の入力部には、参照信号発生部26−2が出力する周波数f+f’の参照信号が与えられる。位相検波器24−2の信号入力側の入力は数式(3)の前項のAcos{(ω+ω’)t+α)}であり、位相検波器24−2の参照信号側の入力は、位相検波器24−2の信号入力側の入力と同じ周波数であり、振幅を2とする、2cos{(ω+ω’)t}とする。この結果、位相検波器24−2の出力(図4の(4))は下記の数式(4)のようになる。   The phase detector 24-2 is an example of a phase detector that converts the output of the band elimination filter 28 input to the phase detector 24-2 into a plurality of frequency components. The output of the band elimination filter 28 including the frequency component of f + f ′ ((3) in FIG. 4) is given to the input unit on the signal input side of the phase detector 24-2, and the reference signal side of the phase detector 24-2. Is supplied with a reference signal of frequency f + f ′ output from the reference signal generator 26-2. The input on the signal input side of the phase detector 24-2 is Acos {(ω + ω ′) t + α) in the preceding term of the equation (3), and the input on the reference signal side of the phase detector 24-2 is the phase detector 24. −2 cos {(ω + ω ′) t} where the frequency is the same as that of the input on the signal input side of −2, and the amplitude is 2. As a result, the output ((4) in FIG. 4) of the phase detector 24-2 is as shown in the following equation (4).

位相検波器24−2の出力
=Acos{(ω+ω’)t+α}×2cos{(ω+ω’)t}
=Acos{2(ω+ω’)t+α}+Acos(α) ・・・(4)
Output of phase detector 24-2 = Acos {(ω + ω ′) t + α} × 2 cos {(ω + ω ′) t}
= Acos {2 (ω + ω ') t + α} + Acos (α) (4)

数式(4)の前項は2(f+f’)の周波数成分であり、後項は時間によって変化しない直流成分である。従って、位相検波器24−2の出力は、図5(D)に示すように、2(f+f’)の周波数成分と直流成分を含む。   The first term of Equation (4) is a frequency component of 2 (f + f '), and the second term is a DC component that does not change with time. Therefore, the output of the phase detector 24-2 includes a frequency component of 2 (f + f ') and a DC component as shown in FIG.

この出力は低域通過フィルタ30(この低域通過フィルタ30は例えば、図5(D)中のLPFで示される透過率特性を有する。)を通過することによって2(f+f’)の周波数が減衰し、低域通過フィルタ30の出力(図4の(5))は、図5(E)に示すように、直流のみを含む出力となる。この低域通過フィルタ30は、図5(D)中の点線で示すような2fの周波数成分を減衰させる低域通過フィルタよりも時定数を小さくすることができる。したがって、測定の応答を速くすることができ、フィルタの位相特性等を重視して次数の小さい低域通過フィルタを使用することができ、さらに、被測定信号が変調されている場合などスペクトル幅が広い場合であっても、低域通過フィルタの選択の自由度を高くすることができる。   This output passes through a low-pass filter 30 (for example, the low-pass filter 30 has a transmittance characteristic indicated by an LPF in FIG. 5D), so that the frequency of 2 (f + f ′) is attenuated. Then, the output of the low-pass filter 30 ((5) in FIG. 4) is an output including only DC as shown in FIG. 5 (E). The low-pass filter 30 can have a smaller time constant than a low-pass filter that attenuates the frequency component of 2f as shown by the dotted line in FIG. Therefore, the response of the measurement can be made faster, a low-pass filter having a small order can be used with emphasis on the phase characteristics of the filter, and the spectrum width is increased when the signal under measurement is modulated. Even in a wide case, the degree of freedom in selecting a low-pass filter can be increased.

第1の実施の形態では、被測定信号の周波数が変化すると、帯域除去フィルタ8の周波数特性を周波数の変化に追従させて変更する必要がある。しかし第2の実施の形態では、参照信号発生部26−1が発生させる周波数f’の参照信号および参照信号発生部26−2が発生させる周波数f+f’の参照信号を被測定信号の周波数変化に追従して変更するだけで被測定信号の周波数の変化に追従することができ、帯域除去フィルタ28の周波数特性は一定のままにすることができる。   In the first embodiment, when the frequency of the signal under measurement changes, it is necessary to change the frequency characteristic of the band elimination filter 8 so as to follow the change in frequency. However, in the second embodiment, the reference signal of the frequency f ′ generated by the reference signal generation unit 26-1 and the reference signal of the frequency f + f ′ generated by the reference signal generation unit 26-2 are changed to the frequency change of the signal under measurement. It is possible to follow the change in the frequency of the signal under measurement only by changing the following, and the frequency characteristic of the band elimination filter 28 can be kept constant.

参照信号の変更には、例えば図4に示す周波数検出・設定部32が用いられる。周波数検出・設定部32が被測定信号の周波数fを検出し、帯域除去フィルタ28がf−f’の周波数成分を除去するように周波数f’を調整する。また、参照信号発生部26−1が周波数f’の信号を出力するように周波数検出・設定部32が参照信号発生部26−1を設定し、参照信号発生部26−2が周波数f+f’の信号を出力するように周波数検出・設定部32が参照信号発生部26−2を設定する。これによって、f−f’の周波数成分を除去する帯域除去フィルタ28は、その周波数特性を一定とし、変更する必要がない。   For changing the reference signal, for example, the frequency detection / setting unit 32 shown in FIG. 4 is used. The frequency detection / setting unit 32 detects the frequency f of the signal under measurement, and adjusts the frequency f 'so that the band elimination filter 28 removes the frequency component of f-f'. Further, the frequency detection / setting unit 32 sets the reference signal generation unit 26-1 so that the reference signal generation unit 26-1 outputs a signal of the frequency f ′, and the reference signal generation unit 26-2 sets the frequency f + f ′. The frequency detection / setting unit 32 sets the reference signal generation unit 26-2 to output a signal. Thus, the band elimination filter 28 for removing the frequency component of f-f 'has a constant frequency characteristic and does not need to be changed.

なお、参照信号発生部26−1、26−2は、その周波数を容易に設定変更できるので、参照信号発生部26−1の周波数f’や参照信号発生部26−2の周波数f+f’を容易に被測定信号の周波数fの変化に追従させることもできる。   Since the frequency of the reference signal generators 26-1 and 26-2 can be easily changed, the frequency f 'of the reference signal generator 26-1 and the frequency f + f' of the reference signal generator 26-2 can be easily set. Can follow the change of the frequency f of the signal under measurement.

なお、この第2の実施の形態では、図5(B)、図5(C)に示すように、f>f’である場合を例示したが、f<f’とすることも可能である。   In the second embodiment, a case where f> f ′ is illustrated as shown in FIGS. 5B and 5C, but f <f ′ may be set. .

第1の実施の形態において図1の基本構成によるロックインアンプ2を図3のように拡張して2位相ロックインアンプを実現したのと同様の方法によって、第2の実施の形態に係る2位相ロックインアンプを実現することができる。   In the first embodiment, the lock-in amplifier 2 having the basic configuration of FIG. 1 is expanded as shown in FIG. 3 to realize a two-phase lock-in amplifier. A phase lock-in amplifier can be realized.

また、第2の実施の形態においても、第1の実施の形態に係るロックインアンプや背景技術で説明したロックインアンプと同様、ロックインアンプの構成要素の各々をアナログ回路、ディジタル回路、ディジタル演算手段のいずれで実現するかは、自由に選択可能である。   Also, in the second embodiment, similarly to the lock-in amplifier according to the first embodiment and the lock-in amplifier described in the background art, each of the components of the lock-in amplifier includes an analog circuit, a digital circuit, and a digital circuit. Which of the arithmetic means is realized can be freely selected.

第2の実施の形態では、低域通過フィルタ30の時定数を小さくするため、帯域除去フィルタ28は、被測定信号の周波数(f)よりも低い周波数を除去している。   In the second embodiment, in order to reduce the time constant of the low-pass filter 30, the band elimination filter 28 removes a frequency lower than the frequency (f) of the signal under measurement.

〔第3の実施の形態〕 [Third Embodiment]

第3の実施の形態は、6つの位相検波器を備える2位相ロックインアンプであり、この6つの位相検波器によって、被測定信号の周波数が変化するか否かに関わらずに2位相ロックインアンプを用いることができ、帯域除去フィルタが除去できる周波数を被測定信号の周波数よりも高く選択することができる。   The third embodiment is a two-phase lock-in amplifier including six phase detectors. The six phase detectors enable the two-phase lock-in amplifier regardless of whether the frequency of the signal under measurement changes. An amplifier can be used, and a frequency that can be removed by the band elimination filter can be selected higher than the frequency of the signal under measurement.

図6は第3の実施の形態に係るロックインアンプの一例を示しており、図7はそのようなロックインアンプの基本的動作の一例を示している。   FIG. 6 shows an example of a lock-in amplifier according to the third embodiment, and FIG. 7 shows an example of a basic operation of such a lock-in amplifier.

図6において、位相検波器44−1、44−2は被測定信号を複数の周波数成分に変換する第1の位相検波手段の一例である。位相検波器44−1と位相検波器44−2の信号入力側の入力部には、共に図7(A)に示す周波数fの被測定信号が与えられる(図6の(1))。また位相検波器44−1と位相検波器44−2の参照信号側の入力部には、周波数f’で互いに90°位相のずれた参照信号が与えられる。この位相のずれた参照信号は参照信号発生部46−1から出力される。   In FIG. 6, the phase detectors 44-1 and 44-2 are an example of a first phase detector that converts a signal under measurement into a plurality of frequency components. A signal to be measured having a frequency f shown in FIG. 7A is supplied to both input sections on the signal input side of the phase detector 44-1 and the phase detector 44-2 ((1) in FIG. 6). Further, reference signals having a frequency f 'and a phase difference of 90 [deg.] From each other are given to the input parts on the reference signal side of the phase detector 44-1 and the phase detector 44-2. This out-of-phase reference signal is output from reference signal generation section 46-1.

位相検波器44−1と位相検波器44−2の信号入力側の入力は、前述と同様、Acos(ωt+α)とする。位相検波器44−1の参照信号側の入力は、2cos(ω’t)とし、位相検波器44−2の参照信号側の入力は、−2sin(ω’t)とする。(ここで、ω’=2πf’である。)この結果、位相検波器44−1の出力は下記の数式(5)のようになり、位相検波器44−2の出力は下記の数式(6)のようになる。   The input on the signal input side of the phase detector 44-1 and the phase detector 44-2 is Acos (ωt + α) as described above. The input of the phase detector 44-1 on the reference signal side is 2 cos (ω′t), and the input of the phase detector 44-2 on the reference signal side is −2 sin (ω′t). (Here, ω ′ = 2πf ′.) As a result, the output of the phase detector 44-1 is as shown in the following equation (5), and the output of the phase detector 44-2 is as shown in the following equation (6). )become that way.

位相検波器44−1の出力=Acos(ωt+α)×2cos(ω’t)
=Acos{(ω+ω’)t+α)}+Acos{(ω−ω’)t+α}・・・(5)
位相検波器44−2の出力=Acos(ωt+α)×{−2sin(ω’t)}
=−Asin{(ω+ω’)t+α)}+Asin{(ω−ω’)t+α}
・・・(6)
Output of phase detector 44-1 = Acos (ωt + α) × 2cos (ω′t)
= Acos {(ω + ω ') t + α)} + Acos {(ω-ω') t + α} (5)
Output of phase detector 44-2 = Acos (ωt + α) × {−2 sin (ω′t)}
= -Asin {(ω + ω ') t + α)} + Asin {(ω-ω') t + α}
... (6)

数式(5)と数式(6)の各々の前項はf+f’の周波数成分であり、後項はf−f’の周波数成分である。従って、位相検波器44−1、44−2の出力(図6の(2))はいずれも図7(B)に示すように、f±f’の周波数成分を含む交流になる。   The first term of each of the equations (5) and (6) is a frequency component of f + f ', and the second term is a frequency component of f-f'. Accordingly, the outputs of the phase detectors 44-1 and 44-2 ((2) in FIG. 6) are both alternating currents including frequency components of f ± f 'as shown in FIG. 7B.

ここでは、図7(B)に示すように、f+f’の周波数成分を帯域除去フィルタ48−1、48−2(帯域除去フィルタ48−1、48−2は例えば、図7(B)中のBEFで示される透過率特性を有する。)で除去する結果、図7(C)に示すように、f−f’の周波数成分、つまり数式(5)と数式(6)の各々の後項のみが残ることになる。   Here, as shown in FIG. 7B, the frequency components of f + f ′ are converted into band elimination filters 48-1 and 48-2 (the band elimination filters 48-1 and 48-2 are, for example, shown in FIG. 7B). As a result, as shown in FIG. 7C, only the frequency component of ff ′, that is, only the latter term of each of Expressions (5) and (6) is obtained. Will remain.

位相検波器44−3、44−4、44−5、44−6、反転器54および加算器56−1、56−2はf−f’の周波数成分を直流に変換する第2の位相検波手段の一例である。位相検波器44−1側のf−f’の周波数成分(数式(5)の後項)は、位相検波器44−4、44−6の信号入力側の入力部に与えられ、位相検波器44−2側のf−f’の周波数成分(数式(6)の後項)は位相検波器44−3、44−5の信号入力側の入力部に与えられる。位相検波器44−3、44−4、44−5、44−6の入力(図6の(3))は、いずれも図7(C)のように表される。   The phase detectors 44-3, 44-4, 44-5, 44-6, the inverter 54, and the adders 56-1, 56-2 convert the ff 'frequency component into a direct current. It is an example of the means. The frequency component of ff ′ on the side of the phase detector 44-1 (the latter term of the equation (5)) is given to the input unit on the signal input side of the phase detectors 44-4 and 44-6, and is output from the phase detector. The frequency component of ff ′ on the 44-2 side (the latter term of the equation (6)) is given to the input section on the signal input side of the phase detectors 44-3 and 44-5. The inputs ((3) in FIG. 6) of the phase detectors 44-3, 44-4, 44-5, and 44-6 are all represented as shown in FIG. 7C.

参照信号発生部46−2は、周波数f−f’のcos信号(コサイン信号)を位相検波器44−3、44−4に出力し、−sin信号(マイナスサイン信号)を位相検波器44−5、44−6に出力する。位相検波器44−3、44−4の参照信号側の入力は、2cos{(ω−ω’)t}とし、位相検波器44−5、44−6の参照信号側の入力は、−2sin{(ω−ω’)t}とする。   The reference signal generator 46-2 outputs the cosine signal (cosine signal) of the frequency ff ′ to the phase detectors 44-3 and 44-4, and outputs the −sin signal (minus sine signal) to the phase detector 44-. 5, 44-6. The input on the reference signal side of the phase detectors 44-3 and 44-4 is 2 cos {(ω-ω ') t}, and the input on the reference signal side of the phase detectors 44-5 and 44-6 is -2 sin. {(Ω−ω ′) t}.

この結果、位相検波器44−3の出力は下記の数式(7)、位相検波器44−4の出力は下記の数式(8)、位相検波器44−5の出力は下記の数式(9)、位相検波器44−6の出力は下記の数式(10)のようになる。   As a result, the output of the phase detector 44-3 is the following equation (7), the output of the phase detector 44-4 is the following equation (8), and the output of the phase detector 44-5 is the following equation (9). The output of the phase detector 44-6 is as shown in the following equation (10).

位相検波器44−3の出力
=Asin{(ω−ω’)t+α}×2cos{(ω−ω’)t}
=Asin{2(ω−ω’)t+α}+Asin(α) ・・・(7)
位相検波器44−4の出力
=Acos{(ω−ω’)t+α}×2cos{(ω−ω’)t}
=Acos{2(ω−ω’)t+α}+Acos(α) ・・・(8)
位相検波器44−5の出力
=Asin{(ω−ω’)t+α}×[−2sin{(ω−ω’)t}]
=Acos{2(ω−ω’)t+α}−Acos(α) ・・・(9)
位相検波器44−6の出力
=Acos{(ω−ω’)t+α}×[−2sin{(ω−ω’)t}]
=−Asin{2(ω−ω’)t+α}+Asin(α) ・・・(10)
Output of phase detector 44-3 = A sin {(ω−ω ′) t + α} × 2 cos {(ω−ω ′) t}
= Asin {2 (ω-ω ') t + α} + Asin (α) (7)
Output of phase detector 44-4 = Acos {(ω-ω ′) t + α} × 2 cos {(ω−ω ′) t}
= Acos {2 (ω-ω ') t + α} + Acos (α) (8)
Output of phase detector 44-5 = A sin {(ω−ω ′) t + α} × [−2 sin {(ω−ω ′) t}]
= Acos {2 (ω-ω ') t + α} -Acos (α) (9)
Output of phase detector 44-6 = Acos {(ω-ω ′) t + α} × [−2 sin {(ω−ω ′) t}]
= −Asin {2 (ω−ω ′) t + α} + Asin (α) (10)

位相検波器44−5の出力(前記数式(9))は、反転器54で反転させる。   The output of the phase detector 44-5 (the equation (9)) is inverted by the inverter 54.

加算器56−1では、位相検波器44−4の出力(前記数式(8))と、位相検波器44−5の出力(前記数式(9))の反転後の信号を加算する。数式(8)と、反転した数式(9)の前項同士が打ち消し合う結果、加算器56−1の出力は2Acos(α)となる。   The adder 56-1 adds the inverted signal of the output of the phase detector 44-4 (formula (8)) and the output of the phase detector 44-5 (formula (9)). As a result of the expression (8) and the inverted preceding expression (9) canceling out each other, the output of the adder 56-1 is 2Acos (α).

加算器56−2では、位相検波器44−3の出力(前記数式(7))と、位相検波器44−6の出力(前記数式(10))を加算する。数式(7)、(10)の前項同士が打ち消し合う結果、加算器56−2の出力は2Asin(α)となる。   The adder 56-2 adds the output of the phase detector 44-3 (the above equation (7)) and the output of the phase detector 44-6 (the above equation (10)). As a result of the previous terms of Expressions (7) and (10) canceling each other, the output of the adder 56-2 is 2 Asin (α).

数式(7)〜数式(10)において、前項は2(f−f’)の周波数成分であり、後項は時間によって変化しない直流成分である。反転器54と、加算器56−1、56−2によって前項同士が打ち消し合う結果、加算器56−1、56−2の出力(図6の(4))には、図7(D)に示すように、2(f−f’)の周波数成分は現れず、後項の直流成分のみが残る。   In Equations (7) to (10), the preceding term is a frequency component of 2 (ff−f ′), and the latter term is a DC component that does not change with time. As a result of the inverter 54 and the adders 56-1 and 56-2 canceling each other out, the outputs of the adders 56-1 and 56-2 ((4) in FIG. 6) are as shown in FIG. As shown, the frequency component of 2 (ff ') does not appear, and only the DC component of the latter term remains.

このため、低域通過フィルタ50−1、50−2(低域通過フィルタ50−1、50−2は例えば、図7(D)中のLPFで示される透過率特性を有する。)の出力(図6の(5))は、図7(E)に示すように直流成分のみにすることができ、低域通過フィルタ50−1、50−2は所望する最適の時定数や次数等を自由に選択できる。   For this reason, the output of the low-pass filters 50-1 and 50-2 (the low-pass filters 50-1 and 50-2 have, for example, the transmittance characteristic indicated by the LPF in FIG. 7D) ( 6 (5)), only the DC component can be used as shown in FIG. 7 (E), and the low-pass filters 50-1 and 50-2 can freely set the desired optimum time constant and order. Can be selected.

低域通過フィルタの時定数を小さくすることができるので、被測定信号の大きさが変化する場合でも、直流出力が速やかに被測定信号の変化に追従できるため、測定の応答を速くすることができる。また、f+f’の周波数成分を低域通過フィルタによって除去する必要がないので、フィルタの位相特性等を重視して次数の小さい低域通過フィルタを使用することができる。さらに、被測定信号が変調されているなどの理由によりスペクトル幅が広い場合であっても、低域通過フィルタの選択の自由度を高くすることができる。   Since the time constant of the low-pass filter can be reduced, the DC output can quickly follow the change in the signal under test even when the signal under test changes in size. it can. Further, since it is not necessary to remove the frequency component of f + f 'by a low-pass filter, a low-order filter having a small order can be used with emphasis on the phase characteristics and the like of the filter. Further, even when the signal to be measured is modulated and the spectrum width is wide, the degree of freedom in selecting the low-pass filter can be increased.

第3の実施の形態においても、第2の実施の形態と同様、周波数検出・設定部32を備えており、被測定信号の周波数に合わせて参照信号の周波数を制御するので、帯域除去フィルタ48−1、48−2の除去する周波数は一定のままにすることが可能である。   As in the second embodiment, the third embodiment also includes the frequency detection / setting unit 32, which controls the frequency of the reference signal in accordance with the frequency of the signal under measurement. The frequencies to be removed by -1, 48-2 can be kept constant.

なお図7ではf>f’である場合を例示したが、f<f’とすることも可能である。(以下に示す第4の実施の形態においても、同様である。)   Note that FIG. 7 illustrates the case where f> f ′, but f <f ′ is also possible. (The same applies to the fourth embodiment described below.)

また、残したい周波数が除去する周波数よりも高い場合などは、帯域除去フィルタ48−1、48−2に代えて、帯域通過フィルタや高域通過フィルタなどの低域通過フィルタ以外の他のフィルタも使用できる。(以下に示す第4の実施の形態においても、同様である。)   When the frequency to be retained is higher than the frequency to be removed, other filters other than the low-pass filter such as a band-pass filter and a high-pass filter may be used instead of the band-elimination filters 48-1 and 48-2. Can be used. (The same applies to the fourth embodiment described below.)

さらに、第3の実施の形態においても、第1の実施の形態に係るロックインアンプ、第2の実施の形態に係るロックインアンプや、背景技術で説明したロックインアンプと同様、ロックインアンプの構成要素の各々をアナログ回路、ディジタル回路、ディジタル演算手段のいずれで実現するかは、自由に選択可能である。   Further, also in the third embodiment, the lock-in amplifier according to the first embodiment, the lock-in amplifier according to the second embodiment, and the lock-in amplifier described in the background art. It is possible to freely select whether each of the above components is realized by an analog circuit, a digital circuit, or a digital operation means.

〔第4の実施の形態〕 [Fourth Embodiment]

第4の実施の形態は、第3の実施の形態における4つの位相検波器44−3、44−4、44−5、44−6、反転器54、および2つの加算器56−1、56−2に代えて、ディジタル演算部64を備える2位相ロックインアンプを示している。ディジタル演算部64は、第2の位相検波手段の一例であり、4つの位相検波器44−3、44−4、44−5、44−6、反転器54、および2つの加算器56−1、56−2と同等の機能、すなわち、2(f−f’)の周波数成分を生じさせることなくf−f’の周波数成分を直流成分に変換する機能をディジタル演算によって実現する。   In the fourth embodiment, the four phase detectors 44-3, 44-4, 44-5, 44-6, the inverter 54, and the two adders 56-1, 56 in the third embodiment are used. 2 shows a two-phase lock-in amplifier including a digital operation unit 64 instead of -2. The digital operation unit 64 is an example of a second phase detector, and includes four phase detectors 44-3, 44-4, 44-5, 44-6, an inverter 54, and two adders 56-1. , 56-2, that is, the function of converting the frequency component of ff ′ into the DC component without generating the frequency component of 2 (ff ′) by digital operation.

図8は、第4の実施の形態に係るロックインアンプの一例を示している。図8において図6と同一部分には同一符号を付してある。   FIG. 8 shows an example of the lock-in amplifier according to the fourth embodiment. 8, the same parts as those in FIG. 6 are denoted by the same reference numerals.

信号入力から位相検波器44−1、44−2を経て、帯域除去フィルタ48−1、48−2の出力にf−f’の周波数成分を生じさせるまでは、図6に示す第3の実施の形態と同様であり、説明を省略する。図8中の(1)〜(5)は各々、図6中の(1)〜(5)および図7(A)〜図7(E)に対応し、図8の基本的な動作は図7に示す動作と同様である。   Until the signal input passes through the phase detectors 44-1 and 44-2 to generate the ff 'frequency component in the output of the band elimination filters 48-1 and 48-2, the third embodiment shown in FIG. And the description is omitted. (1) to (5) in FIG. 8 correspond to (1) to (5) in FIG. 6 and FIGS. 7 (A) to 7 (E), respectively. 7 is the same as the operation shown in FIG.

帯域除去フィルタ48−1側のディジタル演算部64の入力信号をXとし、帯域除去フィルタ48−2側のディジタル演算部64の入力信号をYとする。   The input signal of the digital operation unit 64 on the band elimination filter 48-1 side is X, and the input signal of the digital operation unit 64 on the band elimination filter 48-2 side is Y.

ここでディジタル演算部64の入力、XとYはいずれも周波数f−f’のディジタル信号である。被測定信号がアナログ信号として与えられる場合、信号入力からディジタル演算部64の入力までの間にA/D変換器が備えられ、このA/D変換器によってアナログ信号をディジタル信号に変換すればよい。   Here, the inputs to the digital operation unit 64, X and Y, are all digital signals of the frequency f-f '. When the signal under measurement is given as an analog signal, an A / D converter is provided between the signal input and the input of the digital operation unit 64, and the A / D converter may convert the analog signal into a digital signal. .

また参照信号側のディジタル演算部64の入力信号Pは、周波数f−f’の、位相を示すディジタル信号であり、例えば±180度の範囲を取る。(0度〜360度等、他の範囲を取ってもよい。)   The input signal P of the digital operation unit 64 on the reference signal side is a digital signal indicating the phase of the frequency f-f ', and has a range of, for example, ± 180 degrees. (Other ranges, such as 0 to 360 degrees, may be taken.)

ディジタル演算部64の2つの出力はいずれもディジタル信号である。ロックインアンプ62の出力をアナログ信号にする場合には、ディジタル演算部64の出力から直流出力(第1の直流出力および第2の直流出力)までの間にD/A変換器が備えられ、このD/A変換器によってディジタル信号をアナログ信号に変換すればよい。   Both outputs of the digital operation unit 64 are digital signals. When the output of the lock-in amplifier 62 is an analog signal, a D / A converter is provided between the output of the digital operation unit 64 and the DC output (first DC output and second DC output). A digital signal may be converted into an analog signal by the D / A converter.

f−f’の周波数成分の時刻tにおける位相を(ω−ω’)tとすると、この位相に相当する信号が参照信号側のディジタル演算部64の入力信号Pに与えられている。ここで、(ω−ω’)=2π(f−f’)である。   Assuming that the phase of the frequency component of f-f 'at time t is ([omega]-[omega]') t, a signal corresponding to this phase is given to the input signal P of the digital operation unit 64 on the reference signal side. Here, (ω−ω ′) = 2π (ff−f ′).

周波数f−f’のディジタル演算部64の入力XとYを、直流成分に変換するため、時刻tにおける位相を−(ω−ω’)tだけ位相回転させる。(入力信号Pとして−(ω−ω’)tを与えることによって、正負の符号変換を省略することもできる。)   In order to convert the inputs X and Y of the digital operation unit 64 of the frequency f-f 'into DC components, the phase at the time t is rotated by-(?-?') T. (By giving − (ω−ω ′) t as the input signal P, positive / negative sign conversion can be omitted.)

第4の実施の形態では、この位相回転を行うディジタル演算部64の好適な一例として、以下CORDIC(Coordinate Rotational Digital Computer)法を例示して説明する。   In the fourth embodiment, a CORDIC (Coordinate Rotary Digital Computer) method will be described below as a preferred example of the digital operation unit 64 that performs this phase rotation.

この方法では、ある時刻tにおけるディジタル演算部64の入力信号XとYに基づく位相φが−(ω−ω’)tに近づくように、下記の数式(11)〜数式(13)の漸化式を用いてf−f’の周波数成分を位相回転させることによって、f−f’の周波数成分を直流成分に変換する。   In this method, the following Expressions (11) to (13) are regenerated so that the phase φ based on the input signals X and Y of the digital operation unit 64 at a certain time t approaches − (ω−ω ′) t. The frequency component of ff ′ is converted into a DC component by rotating the phase of the frequency component of ff ′ using the equation.

i+1=Xi[−/+](2-i×Yi) ・・・(11)
i+1=(2-i×Xi)[+/−]Yi ・・・(12)
φi+1=φi[+/−]tan-1(2-i) ・・・(13)
X i + 1 = X i [− / +] (2 −i × Y i ) (11)
Y i + 1 = (2− i × X i ) [+/−] Y i (12)
φ i + 1 = φ i [+/-] tan -1 (2- i ) (13)

数式(11)〜数式(13)において、iは繰り返し回数(イタレーション回数)であり、N回の演算を繰り返す場合は、iを0から(N−1)まで変化させながら、数式(11)〜数式(13)の演算を繰り返す。   In Expressions (11) to (13), i is the number of repetitions (the number of iterations). When N operations are repeated, the expression (11) is changed while changing i from 0 to (N−1). -Repeat the calculation of Expression (13).

ここで、あるiにおけるφiと−(ω−ω’)tの関係によって、Xi+1、Yi+1、φi+1を求めるときの数式(11)〜数式(13)における[+/−]と[−/+]は、下記のように取り扱う。 Here, depending on the relationship between φ i and − (ω−ω ′) t at a certain i, Xi + 1 , Yi + 1 , and φi + 1 in Equations (11) to (13) when Equation (13) are obtained. +/-] and [-/ +] are handled as follows.

φi≧−(ω−ω’)tである場合、[+/−]は「+」とし、[−/+]は「−」とする。 When φ i ≧ − (ω−ω ′) t, [+/−] is “+” and [− / +] is “−”.

φi<−(ω−ω’)tである場合、[+/−]は「−」とし、[−/+]は「+」とする。 When φ i <− (ω−ω ′) t, [+/−] is “−” and [− / +] is “+”.

この規則のもとで数式(11)〜数式(13)を繰り返すと、位相φが−(ω−ω’)tに近づいていく。   When Expressions (11) to (13) are repeated under this rule, the phase φ approaches − (ω−ω ′) t.

ある時刻tにおけるディジタル演算部64の入力信号X、YをそれぞれX0、Y0とし、φ0=tan-1(Y0/X0)とすると、数式(11)〜数式(13)の初期値(i=0)は、下記の数式(11’)〜数式(13’)のようになる。 Input signal X of the digital arithmetic unit 64 at a certain time t, and Y, respectively X 0, Y 0, When φ 0 = tan -1 (Y 0 / X 0), the initial equations (11) to Equation (13) The value (i = 0) is as shown in the following equations (11 ′) to (13 ′).

1=X0[−/+]Y0 ・・・(11’)
1=X0[+/−]Y0 ・・・(12’)
φ1=φ0[+/−]tan-1(1) ・・・(13’)
(数式(13’)において、tan-1(1)は45度である。)
X 1 = X 0 [− / +] Y 0 (11 ′)
Y 1 = X 0 [+/-] Y 0 (12 ′)
φ 1 = φ 0 [+/-] tan -1 (1) (13 ′)
(In the equation (13 ′), tan −1 (1) is 45 degrees.)

ここで、数式(11’)〜数式(13’)における[+/−]と[−/+]は、φ0と−(ω−ω’)tの関係によって、下記のように取り扱う。 Here, [+/−] and [− / +] in Expressions (11 ′) to (13 ′) are handled as follows according to the relationship between φ 0 and − (ω−ω ′) t.

φ0≧−(ω−ω’)tである場合、[+/−]は「+」とし、[−/+]は「−」とする。 When φ 0 ≧ − (ω−ω ′) t, [+/−] is “+” and [− / +] is “−”.

φ0<−(ω−ω’)tである場合、[+/−]は「−」とし、[−/+]は「+」とする。 When φ 0 <− (ω−ω ′) t, [+/−] is “−” and [− / +] is “+”.

数式(11’)〜数式(13’)を初期値(i=0)として、iが1から(N−1)まで数式(11)〜数式(13)を繰り返すと、最終的にXNとYNが得られる。これを時刻tにおけるディジタル演算部64の出力信号(図8の(4))とした上で、ディジタル演算部64の入力ディジタル信号(X、Y、P)の次のサンプルを待つ。 When the formulas (11 ′) to (13 ′) are set as initial values (i = 0), and the formulas (11) to (13) are repeated from 1 to (N−1), X N is finally obtained. Y N is obtained. This is set as an output signal ((4) in FIG. 8) of the digital operation unit 64 at time t, and the next sample of the input digital signal (X, Y, P) of the digital operation unit 64 is waited.

Nは、低域通過フィルタ50−1を経由して、第1の直流出力(X出力)となる。YNは、低域通過フィルタ50−2を経由して、第2の直流出力(Y出力)となる。 X N is a via a low-pass filter 50-1, the first DC output (X Output). Y N becomes the second DC output (Y output) via the low-pass filter 50-2.

演算回数のNは、ディジタル演算部64に与えられる入力ディジタル信号のサンプリング時間、演算速度や、必要な演算精度に基づいて決める。   The number of operations N is determined based on the sampling time of the input digital signal supplied to the digital operation unit 64, the operation speed, and the required operation accuracy.

まず、時刻tにおけるディジタル信号が与えられてから、1サンプリング時間後の次の時刻t’までの間に何回、数式(11)〜数式(13)を繰り返すことができるかを考慮して、Nを決める。一例として、ディジタル信号のサンプリング時間が2〔マイクロ秒〕、数式(11)〜数式(13)の演算1回あたり100〔ナノ秒〕かかる場合、理論的にはNは最大20となる。実際には演算の前後処理を考慮して、Nは19以下の回数に設定する。   First, considering how many times Equations (11) to (13) can be repeated between the time when the digital signal at time t is given and the next time t ′ after one sampling time, Decide N. As an example, if the sampling time of the digital signal is 2 [microseconds] and it takes 100 [nanoseconds] for each operation of Expressions (11) to (13), N is theoretically 20 at the maximum. Actually, N is set to 19 or less in consideration of the pre-processing and post-processing of the calculation.

N=6であればtan-1(2-6)≒0.895度であるので、±1度以上の精度を得ることができ、N=10であればtan-1(2-10)≒0.0560度であるので、±0.1度以上の精度を得ることができ、N=13であればtan-1(2-13)≒0.00699度であるので、±0.01度以上の精度を得ることができ、N=16であればtan-1(2-16)≒0.000874度であるので、±0.001度以上の精度を得ることができる。演算回数のNは、必要な精度を考慮して設定される。サンプリング時間内に必要な演算精度が得られない場合には、より高速なディジタル回路、ディジタル演算手段を用いればよい。またはサンプリング時間を長くすることによって、Nを大きくし、精度を上げるようにしてもよい。 If N = 6, tan -1 (2 -6 ) ≒ 0.895 degrees, so that an accuracy of ± 1 degree or more can be obtained, and if N = 10, tan -1 (2 -10 ) ≒ Since it is 0.0560 degrees, an accuracy of ± 0.1 degrees or more can be obtained. If N = 13, tan −1 (2 −13 ) ≒ 0.00699 degrees, and therefore ± 0.01 degrees The above accuracy can be obtained, and if N = 16, tan −1 (2 −16 ) ≒ 0.0000874 degrees, so that an accuracy of ± 0.001 degrees or more can be obtained. The number of operations N is set in consideration of the required accuracy. If the required calculation accuracy cannot be obtained within the sampling time, a higher-speed digital circuit or digital calculation means may be used. Alternatively, by increasing the sampling time, N may be increased to increase the accuracy.

なお、CORDIC法による数式(11)〜数式(13)では、回転できる位相は±90度までである。そこで、ある時刻tにおける−(ω−ω’)tが±90度の範囲を超える場合には、CORDIC法に下記のような±90度の変換処理や180度の変換処理を併用する。   In the equations (11) to (13) based on the CORDIC method, the rotatable phase is up to ± 90 degrees. Therefore, when − (ω−ω ′) t at a certain time t exceeds the range of ± 90 degrees, the following conversion processing of ± 90 degrees or 180 degrees is used in combination with the CORDIC method.

(+90度の変換処理) 位相を+90度変換するため、(X,Y)=(−Y、X)とする。つまり、変換前の−Yを変換後のXとし、変換前のXを変換後のYにする。   (Conversion process of +90 degrees) In order to convert the phase by +90 degrees, (X, Y) = (− Y, X). That is, -Y before conversion is set to X after conversion, and X before conversion is set to Y after conversion.

(−90度の変換処理) 位相を−90度変換するため、(X,Y)=(Y、−X)とする。つまり、変換前のYを変換後のXとし、変換前の−Xを変換後のYにする。   (-90 degree conversion process) In order to convert the phase by -90 degrees, (X, Y) = (Y, -X). That is, Y before conversion is set to X after conversion, and -X before conversion is set to Y after conversion.

(180度の変換処理) 位相を180度変換するため、XとYの各々の正負の符号を反転する。   (180 degree conversion process) In order to convert the phase by 180 degrees, the positive and negative signs of each of X and Y are inverted.

一例として、ある時刻tにおける−(ω−ω’)tが120度である場合、すなわち120度位相を回転させる必要がある場合には、例えば下記のように、±90度や180度の変換処理を併用して実現することができる。   As an example, when − (ω−ω ′) t at a certain time t is 120 degrees, that is, when it is necessary to rotate the phase by 120 degrees, for example, conversion of ± 90 degrees or 180 degrees is performed as described below. The processing can be realized in combination.

1.回転させる必要がある位相120度から90度を差し引き、+30度を得て、CORDIC法で+30度位相回転させた後で、さらに位相を+90度変換する。   1. After subtracting 90 degrees from the required phase of 120 degrees to obtain +30 degrees, the phase is rotated by +30 degrees by the CORDIC method, and then the phase is further converted by +90 degrees.

2.回転させる必要がある位相120度から90度を差し引き、+30度を得て、予め位相を+90度変換した上で、さらにCORDIC法で+30度位相回転させる。   2. By subtracting 90 degrees from the required phase of 120 degrees to obtain +30 degrees, the phase is converted by +90 degrees in advance, and the phase is further rotated by +30 degrees by the CORDIC method.

3.回転させる必要がある位相120度から180度を差し引き、−60度を得て、CORDIC法で−60度位相回転させた後で、さらに位相を180度変換する。   3. After subtracting 180 degrees from the required phase of 120 degrees, -60 degrees are obtained. After the phase is rotated by -60 degrees by the CORDIC method, the phase is further converted by 180 degrees.

4.回転させる必要がある位相120度から180度を差し引き、−60度を得て、予め位相を180度変換した上で、さらにCORDIC法で−60度位相回転させる。   4. By subtracting 180 degrees from the required phase of 120 degrees to obtain -60 degrees, the phase is converted 180 degrees in advance, and the phase is further rotated by -60 degrees by the CORDIC method.

数式(11)〜数式(13)において、2-iを掛け算する処理は、固定小数点のディジタル演算においてはビットシフトによって実現できる。ビットシフトによって2-iを掛け算する処理によれば、演算量を少なくすることができる。浮動小数点のディジタル演算では、指数部が2の階乗で表現されている場合には指数部の加減算によって2-iを掛け算する処理を実現できる。指数部の加減算によって2-iを掛け算する処理を行うことにより、演算量を少なくすることができる。 In Equations (11) to (13), the process of multiplying by 2- i can be realized by bit shifting in digital arithmetic of a fixed point. According to the process of multiplying 2- i by bit shift, the amount of calculation can be reduced. In the floating-point digital operation, when the exponent is expressed by the factorial of 2, a process of multiplying by 2- i by addition and subtraction of the exponent can be realized. The amount of calculation can be reduced by performing the process of multiplying 2- i by addition and subtraction of the exponent part.

またtan-1(2-i)の演算は、例えばiが0〜N−1についてのtan-1(2-i)の値の各々を定数として記憶部に記憶しておき、この記憶した値を参照することで行う。このような演算を行うことにより、演算量を少なくすることができる。記憶部はディジタル演算部64の内部または外部の何れに備えられていてもよい。 In the operation of tan -1 (2- i ), for example, each value of tan -1 (2- i ) for i = 0 to N-1 is stored in the storage unit as a constant, and the stored value By referring to. By performing such a calculation, the amount of calculation can be reduced. The storage unit may be provided inside or outside the digital operation unit 64.

CORDIC法ではこのように演算量を少なくして周波数の変換処理時間を短縮させることができるので、演算処理が低速で安価なディジタル回路やディジタル演算手段を用いたとしても、高精度な周波数変換を実行することができる。   In the CORDIC method, the amount of calculation can be reduced in this way to reduce the frequency conversion processing time. Therefore, even if a digital circuit or digital calculation means with a low speed calculation is used, high-precision frequency conversion can be performed. Can be performed.

また、第4の実施の形態においても、第1乃至第3の実施の形態に係るロックインアンプや、背景技術で説明したロックインアンプと同様、ディジタル演算部以外の構成要素の各々をアナログ回路、ディジタル回路、ディジタル演算手段のいずれで実現するかは、自由に選択可能である。   Also, in the fourth embodiment, similarly to the lock-in amplifiers according to the first to third embodiments and the lock-in amplifier described in the background art, each of the components other than the digital operation unit is replaced by an analog circuit. , Digital circuit, or digital operation means can be freely selected.

以上説明したように、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載され、または明細書に開示された発明の要旨に基づき、当業者において様々な変形や変更が可能であることは勿論であり、斯かる変形や変更が、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。
As described above, the embodiments of the present invention have been described. However, the present invention is not limited to the above description, and is based on the gist of the invention described in the claims or disclosed in the specification. It goes without saying that various modifications and changes can be made by those skilled in the art, and such modifications and changes are included in the scope of the present invention.

2、22、42、62 ロックインアンプ
4、4−1、4−2、24−1、24−2、44−1、44−2、44−3、44−4、44−5、44−6 位相検波器
6、26−1、26−2、46−1、46−2 参照信号発生部
8、8−1、8−2、28、48−1、48−2 帯域除去フィルタ
10、10−1、10−2、30、50−1、50−2 低域通過フィルタ
32 周波数検出・設定部
54 反転器
56−1、56−2 加算器
64 ディジタル演算部
2, 22, 42, 62 Lock-in amplifiers 4, 4-1, 4-2, 24-1, 24-2, 44-1, 44-2, 44-3, 44-4, 44-5, 44- 6 phase detector 6, 26-1, 26-2, 46-1, 46-2 reference signal generator 8, 8-1, 8-2, 28, 48-1, 48-2 band elimination filter 10, 10 -1, 10-2, 30, 50-1, 50-2 Low-pass filter 32 Frequency detection / setting unit 54 Inverter 56-1, 56-2 Adder 64 Digital operation unit

Claims (5)

位相検波手段と低域通過フィルタを備えるロックインアンプであって、
低域通過フィルタを除く、さらに少なくとも一つのフィルタを備え、
前記位相検波手段が第1の位相検波手段と第2の位相検波手段とを備え、
前記第1の位相検波手段に入力される被測定信号を前記第1の位相検波手段が複数の周波数成分に変換し、
変換された前記複数の周波数成分のうちの少なくとも1成分を前記フィルタで除去し、残りの周波数成分を、前記第2の位相検波手段によって直流に変換することを特徴とするロックインアンプ。
A lock-in amplifier including a phase detection unit and a low-pass filter,
Excluding a low-pass filter, further comprising at least one filter,
The phase detecting means includes a first phase detecting means and a second phase detecting means,
The first phase detector converts the signal under test input to the first phase detector into a plurality of frequency components,
A lock-in amplifier, wherein at least one of the plurality of converted frequency components is removed by the filter, and the remaining frequency components are converted to direct current by the second phase detection means.
前記フィルタは、帯域除去フィルタ、帯域通過フィルタまたは高域通過フィルタのいずれかであることを特徴とする、請求項1に記載のロックインアンプ。   The lock-in amplifier according to claim 1, wherein the filter is one of a band elimination filter, a band-pass filter, and a high-pass filter. さらに、前記第1の位相検波手段に入力される前記被測定信号の周波数を検出し、検出された前記被測定信号の周波数に合わせて前記第1の位相検波手段および前記第2の位相検波手段それぞれに与えられる参照信号の周波数を制御する周波数検出・設定部を備えることを特徴とする、請求項1または請求項2に記載のロックインアンプ。   Further, a frequency of the signal under test inputted to the first phase detection means is detected, and the first phase detection means and the second phase detection means are adjusted in accordance with the detected frequency of the signal under measurement. The lock-in amplifier according to claim 1, further comprising a frequency detection / setting unit configured to control a frequency of a reference signal provided to each of the lock-in amplifiers. 前記位相検波手段、前記低域通過フィルタ、前記フィルタの、一部または全てにディジタル回路またはディジタル演算手段を用いることを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載のロックインアンプ。   The lock according to any one of claims 1 to 3, wherein a digital circuit or a digital operation means is used for a part or all of the phase detection means, the low-pass filter, and the filter. In amp. 前記位相検波手段が、CORDIC法を用いたディジタル回路またはディジタル演算手段によって前記周波数の一部または全てを変換することを特徴とする請求項3または請求項4に記載のロックインアンプ。
5. The lock-in amplifier according to claim 3, wherein the phase detector converts part or all of the frequency by a digital circuit or a digital operation unit using a CORDIC method.
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