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技術情報:計測講座

    位相検波器
    位相検波器とは

 

微小信号を検出する測定器である当社のロックインアンプは、大きな雑音に埋もれた数μVオーダーの微小信号の測定が可能です。そのキーテクノロジーデバイスとして位相検波器(Phase Sensitive Detector 略してPSD) が使われています。そこで今回は当社のCD-552シリーズでモジュール化もされている位相検波器について解説します。

 

■  基本的な考え方

位相検波器を心臓部とするロックインアンプは単一周波数の微小信号を検出する事に特化しています。処理している内容は測定対象の信号を減衰させずにノイズ成分のみを減衰させるというシンプルな考えに基づいています。

ノイズ成分はホワイトノイズに代表されるように全周波数帯域で存在しているので、測定対象を単一周波数とすれば対象周波数以外に存在するノイズ成分をフィルタにて除去する事によりSN比を向上させることができます。

単一周波数以外を減衰させるフィルタとしてバンドパスフィルタ (BPF) がありますがBPFの帯域を狭めるのには設計上の限界があり、例えば10kHzの中心周波数で1Hz帯域幅のBPFを作ることは困難です。それに対しローパスフィルタ(LPF)は回路が単純なため遮断周波数を低く抑える事が可能で、1Hzに遮断周波数を設定することも容易です。ここに注目して位相検波器では、対象信号を直流成分に変換したのち遮断周波数が低いLPFでノイズ成分を除去することによりSN比を向上させる、という手法を取っています。

信号成分を直流に変換した後1Hz帯域のLPFを通過させる事は、元の周波数の信号に1Hz帯域幅のBPFを通過させるのと同等の雑音除去能力となります。ホワイトノイズに関してはフィルタの帯域幅を1/10にすると理論的にSN比は10dB (約3.2倍) 改善しますので、本手法の効率が高いことが分かります。

 

     1. 検波器による信号振幅測定

位相検波器には2つの入力(信号入力と参照入力)と1つの出力(位相検波出力)があります。前述の手法を実現するため、参照入力の周波数は信号入力の周波数と同一にします。(同一周波数信号を乗算器で混合すると直流成分と倍周波数成分が生じます。

 

  三角関数の積和公式 shiki1
  より ω1 = ω2 = ωのときに直流成分と倍周波数の成分が生じる。

 

そしてLPFを通過させて倍周波数成分を取り除いた直流出力電圧値は入力波形の特性を用いて式1、2で表されます。

 

式1. サイン検波器の場合
Vo = A・sinθ
または
式2. コサイン検波器の場合
Vo = A・cosθ

 

ここでAは信号入力に印加される正弦波の振幅(pk値)、θは信号入力と参照入力の位相差とします。

位相検波器の出力は信号の大きさと参照信号との位相差で決まり、図1、2のようにサイン検波器は位相差がゼロの時に出力電圧が0Vになります。コサイン検波器は位相差がゼロの時に最大出力になり、信号入力の大きさAが直流電圧に変換・出力されます。

 

pd_img01

図1. サイン検波器 位相差-出力電圧特性
Vo = A・sin(θ)

 

 

 

pd_img02

図2. コサイン検波器 位相差-出力電圧特性
Vo = A・cos(θ)

 

ここで信号入力の大きさを求めるためには、位相検波器の出力が最大値になるように参照信号の位相を調節する必要が出てきます。ところが出力の最大値付近は位相差に対する出力電圧変化が小さいため位相差の調整精度が良くありません。このような時は位相検波器の出力を位相差に対する電圧変化が大きい領域にある0Vの出力となるよう可変移相器で位相を調整し、その後90°位相を変えると容易に出力の最大値と位相を精度よく測定できます。

次の三角関数の公式 cosθ = sin(θ+90°) から分かるようにサイン検波器の位相を90°ずらすとコサイン検波器の特性が得られます。当社のCD-552シリーズの位相検波器は90°移相機能を内蔵しておりサイン検波・コサイン検波を外部信号により切り替えることができるので、前述した測定を容易に行う事ができます。上図で言うと図1サイン検波器出力を参照信号の位相調整にて0Vにした後、検波器の位相を90°変えて図2コサイン検波器の出力に切り替える事により検波器出力の最大値を容易に測定することができます。

また位相差を調整する方法として当社では電圧制御移相器モジュール CD-951 シリーズを用意しております。外部電圧制御にて参照信号の位相を360°移相させる事ができますので、どのような入力信号の位相とも同期させることが可能となります。

 

 

   

2. 位相検波器の信号処理過程

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