同期検波(位相検波)

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ロックインアンプの基本原理は同期検波(位相検波)である。ロックインアンプの場合は、PSD(位相敏感検出器)と呼ぶことが多い。
図1のように、信号入力(sinα)と、周波数および位相が同じ参照信号(sinβ)とを掛け算すると、三角関数の公式からロックインアンプの基本原理は同期検波(位相検波)である。ロックインアンプの場合は、PSD(位相敏感検出器)と呼ぶことが多い。
図1のように、信号入力(sinα)と、周波数および位相が同じ参照信号(sinβ)とを掛け算すると、三角関数の公式から

図1 ロックインアンプの基本原理

sinα・sinβ={cos(α-β)-cos(α+β)}/2

ここで、α=βだから、上式は

{cos(0)-cos(2α)}/2

となる。

これは、信号入力の振幅に比例した直流分と2倍の周波数の交流分であるから、交流分はローパスフィルタ(LPF)で除去すると、信号分の直流が得られる。
従来のアナログ式ロックインアンプでは、参照信号を方形波とし、掛け算器にスイッチを使用した図2のような構成になっている。
同期検波への入力信号が正弦波なら、掛け算する参照信号が正弦波でも方形波でも(基本波の位相を基準にすれば)、「平均出力」は「信号振幅×cos(信号位相)」に比例する(図3)。

図2 ロックインアンプの基本構成
同期入力信号 : 信号の大きさに比例した直流が出力される。
非同期入力信号 : 出力の長期的な平均値はゼロ、雑音入力も非同期なのでゼロになる。

図3 同期入力と非同期入力

信号位相が一定なら、出力は信号振幅に比例し振幅検波になる。位相0°で振幅感度最大、位相感度最小である。信号振幅が一定なら、出力は信号位相の関数であり位相検波になる。位相+90°または-90°で出力ゼロ、位相感度最大である。

Topics  位相検波と微小信号

同期検波は、平均化のため後ろに積分効果のあるローパスフィルタを備えるので、雑音に強い信号検出法です。後ろのフィルタを効かせれば、雑音に埋もれた微少な信号も検出できます。この方式の位相検波器は、交流信号の小さな位相変化をとらえる各種センサに適しています。また、位相が直交した二つの参照信号を用いれば、信号の直交する2成分の大きさを求められます。周波数が決まっている正弦波信号は、振幅と位相で特徴付けられますが、信号の「直交する2成分」と「振幅と位相」は相互に変換できるので、直交2位相検波で完全に把握できます。
通信における位相検波では、位相変調された信号を増幅したのち、振幅リミッタで振幅を一定にそろえ、振幅一定の方形波参照信号と掛け算することで信号を復調します。振幅一定の方形波同士の掛け算では、出力は位相に対して線形に変化します。

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