JPH0418814A - デジタルロックイン検出法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、周期的な信号の位相敏感検出方法に関し、さ
らに詳しくは実験室、工場などにおける微弱な周期信号
を高信鯨性で検出する、正弦波を参照波とするデジタル
ロックイン検出法および装置に関する。

〔従来の技術〕

本来、位相敏感検波法あるいはロックイン検出法は、周
期信号と一定の位相関係にある正弦波参照波との４象元
の乗算を実行し、次に得られる信号を低域周波数通過フ
ィルタ（ＬＰＦ）を通すことより狭帯域検出を行ってＳ
／Ｎ比の改善を行い、周期信号レベルより大きな雑音の
中から信号を回復し検出する方法である。

しかしながら、この本来のロックイン法は、現状の４象
元乗算器の大きな利得変動、出力ドリフト、雑音レベル
の影響がＬＰＦの出力に与える影響を無視し得ないとい
う問題点、ならびにＬＰＦ自身のドリフ１−などの問題
点により実用化されないできた。

このため、従来用いられてきたロックイン検出法は、そ
のほとんどが参照波として正弦波の代わりに矩形波を使
用するものであった。この矩形波の乗算は実際の装置で
は増幅利得の単なるスイッチに等価であるため、回路も
簡単となり多く実用的なロックイン検出器に利用されて
きている。

この検出法の持つ第１の問題点は、周期信号に成分とし
て種々の奇数次高調波雑音が重畳している場合に、その
高調波雑音による出力信号ひずみからは原理的に逃れら
れないという点である。第２の問題点は、利得スイッチ
の出力における利得変動とドリフトの存在であり、これ
は次段のＬＰＦ出力に誤差として現れる点である。第３
の問題点は、ＬＰＦの出力のドリフトによりＬＰＦに帯
域幅の実用上の下限が存在し、その下限によりＳ／Ｎ比
の改善が限られる点にある。

第１の問題点である高調波ひずみの影響は、参照波とし
て矩形波を用いる場合に特徴的なものであり、これを現
実的に低減する方法が用いられてきた。その１つの方法
は、乗算器（利得スイッチ）の前段に、周期信号の周波
数に中心周波数を合わせた帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）
を設け、同期信号に含まれる高調波雑音の成分を低減し
ようとするものである。しかし、ＢＰＦの通過帯域幅に
おける実用上の下限およびＢＰＦのセトリングタイムに
実用上の上限があるため、周期信号の周波数の低下とと
もにＢＰＦによる高調波雑音の低減はきわめて困難とな
り、この方法は実際的でなくなる。他の１つの方法は、
参照波である矩形波にパルス幅変調を行い、結果的に正
弦波参照波と周期信号との４象元乗算と同じ効果を得よ
うとするものである。この方法は高調波ひずみを除くこ
とができるが、上に述べた第２および第３の問題点であ
る利得スイッチのドリフトおよびＬＰＦのドリフトによ
る誤差を除くことができない。これらの問題点はアナロ
グロックイン法に特徴的なものであり、ロックイン装置
の実用上のＳ／Ｎの改善の上限を与えている。

二の第２．第３の問題点を除く目的で、デジタル口、フ
ィン検出法が多く提案されてきている。

その１つはＡＤ（アナログ／デジタル）変換器を用い、
周期信号をデジタル化し、次に矩形波参照波の利得スイ
ッチに対応してデジタル化された信号の加減算を行い信
号回復を行うものである（例えばＲｅｖ、Ｓｃｉ、Ｉｎ
５ｔ、、　５０．３３０．１９１９：　Ｊ、Ｄｅｂｒｉ
ｅｅｔ　ａｌ、）。他の１つは周期信号の■Ｆ（電圧／
周波数）変換を行い、矩形波参照波の利得スイッチに対
応してＶＦ変換出力である入力電圧で変調されたパルス
列のアップカウントダウンカウントを行い信号回復を行
うものである（例えばＲｅｖ、Ｓｃｉ、Ｉｎ５ｔ、、　
５０．２９６．１９７９：　Ｓ、Ｃｏｖａ、　Ａ、Ｌｏ
ｎｇｏｍ＞。しかしながら、これらの方法は、高調波ひ
ずみの影響を除いていない点で不十分なものである。ま
た他の方法として、周期信号をＡＤ変換後すべてデジタ
ルプロセスとして参照正弦波データとの４象元デジタル
乗算、さらにデジタル加算を行う方法（特開平１−９３
９１４号公報、特開平１−１０６５１５号公報）がある
が、これは本来のロンフィン法をデジタル化しているこ
とから上に述べた問題点を持っていないが、システムが
複雑、高価になるという問題点がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

以上述べたように従来のロックイン法および装置は、第
１に高調波ひずみ、第２に利得スイ・ンチ（復調器）の
ドリフト、そして第３にＬＰＦのドリフトが出力に与え
る誤差のうち少なくとも１つの誤差の原因を持つため、
満足できるものではないか、またはこれらの問題点を除
けるとしても、複雑、高価である。

本発明の目的は、以上の述べたような従来の問題点を原
理的に除くこと、すなわち高調波ひずみアナログ回路系
のドリフトの影響を受けることなく、信号レベルの小さ
な信号に対してもその信号検出を可能とするためのシン
プルかつ安価な、正弦波を参照波とするデジタルロック
イン検出の方法および装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段］ 本発明は、周期的に変化する信号の信号／雑音比を改善
するための方法であって、 信号の周期と同じ周期の同期したあるいは一定の位相差
を持った正弦関数の絶対値と信号との乗算を２象元以上
の乗算器において行い、その結果得られる信号をｎ進数
（ｎ＝２．　８．１０．１６）あるいは他の離散的な表
現によりデジタル化し、さらに正弦関数の所定の周期数
の間、得られるデジタル信号を正弦関数の符号を乗算し
て加算することにより信号を回復し検出することを特徴
とする。

また本発明は、周期的に変化する信号の信号／雑音比を
改善するための装置であって、信号の周期と同じ周期の
同期したあるいは一定の位相差を持った正弦関数の絶対
値と信号との乗算を行う、２象元以上の乗算器を１つ以
上具備し、乗算の結果得られる信号をｎ進数（ｎ＝２．
８゜１０、１６）にデジタル化するＡＤ変換器を１つ以
上具備し、 正弦関数の所定の周期数の間、得られているデジタル信
号を正弦関数の符号を乗算して加算を実行し信号を回復
し検出する、１つ以上のデジタルアキュムレータを具備
することを特徴とする。

さらに本発明は、周期的に変化する信号の信号／雑音比
を改善するための装置であって、信号の周期と同じ周期
の同期したあるいは一定の位相差を持った正弦関数の絶
対値と信号との乗算を行う、２象元以上の乗算器を１つ
以上具備し、乗算の結果得られる電圧信号を離散的なパ
ルス周波数にデジタル化する電圧／周波数変換器を１つ
以上具備し、 正弦関数の所定の周期数の間、得られているパルス列信
号を正弦関数の符号に対応してカウントアツプあるいは
カウントダウンを実行し信号を回復し検出するカウンタ
を１つ以上具備することを特徴とする。

〔作用〕

本発明においては、その特徴である周期信号と正弦波参
照波との絶対値乗算、その乗算結果の信号のＡＤ変換、
および変換後のデジタルデータの周期信号の周期数にわ
たる符号付き加算は、容易に理解されるように周期信号
と正弦波参照波との４象元乗算とその結果の加算平均に
同等である。

従って、本発明による方法および装置は、〔従来の技術
〕の項の冒頭に示した本来の位相敏感検波法あるいはロ
ックイン法と原理的に同等の効果、あるいは作用を持っ
ている。従って、本発明のロックイン法によれば、周期
信号と異なる周波数成分はロックイン出力に影響せず、
周期信号の周波数の極近傍の周波数幅内の雑音成分のみ
が出力に影響を与える狭帯域検出法となる。すなわち本
発明における方法は、奇数次高調波雑音がロックイン出
力に影響を与えることを原理的に除いている。

また本発明は、本来のロックイン法における４象元乗算
とＬＰＦ４こよる信号プロセシングを、２象元絶対値乗
算、ＡＤ変換とその出力デジタル値の周期信号の周期数
にわたる符号付き加算に分けてプロセシングにした点に
ある。デジタル値の符号付き加算は、アナログロックイ
ン法におけるＬＰＦのドリフトという問題点を回避する
と同時に、前段の乗算器のドリフトの影響を受けないと
いう利点を有する。一方、この利点により加算平均を行
う周期信号の周期数をいかようにも大きくし得ることか
ら、検出帯域幅すなわち雑音帯域幅はいかようにも狭め
ることが可能となり、従って大きな信号回復能力が期待
できる。

以上により本発明の方法が従来のロックイン法の問題点
をことごとく解決していると同時にきわめてシンプルな
構成であり、安価性と高性能を両立した多くのを用件を
持つことがわかる。

このような方法に基づく正弦波を参照波とするデジタル
ロックイン検出装置の１つは、周期信号と正弦波参照波
の絶対値との乗算を行う２象元以上の乗算器を１つ以上
と、その出力信号を２進値あるいは他の離散値に変換す
るＡＤ変換器を１つ以上持ち、さらにその出力値を正弦
波参照波の符号に同期して符号付き加算を行うデジタル
アキュムレータを１つ以上具備している。ここで、通常
の４象元乗算器において面倒なゼロ点、利得の調整、な
らびに大きなドリフトなどの問題点が、ここで用いられ
る２象元乗算器では軽減できる利点がある。この利点は
本発明の装置において本質的に必要な事柄ではないが、
実用上では装置の製作。

調整を容易にする上で有用である。さらに正弦波参照波
の符号と周期信号のＡＤ変換後のデジタル値との乗算は
、単に正弦波参照波の符号に対応した加減算のモード切
り替えを行う符号付き加算としてデジタルアキュムレー
タにおいて簡単に実行される。この周期信号の周期数に
わたる符号付き加算により、乗算器を含む前段のアナロ
グ系のドリフトが除かれる。また符号付き加算がデジタ
ル的に遂行される点は、このアキュムレータがドリフト
レスであることを保証している。

また、デジタルロックイン検出装置の他の１つは、周期
信号と正弦波参照波の絶対値との乗算を行う２象元以上
の乗算器を１つ以上と、その出力信号をパルス周波数に
ＶＦ（電圧／周波数）変換するデバイスを１つ以上と、
さらに出力パルスを正弦波参照波の符号に応じてアンプ
カウントまたはダウンカウントするカウンタを１つ以上
具備している。この装置においても、従来装置の持つ高
調波ひずみ、ドリフトが出力に誤差を与えるという問題
点をことごとく克服していることは容易にわかる。

〔実施例〕

次に本発明の実施例について説明する。

第１図は本発明の正弦波を参照波とするデジタルロック
イン検出装置の実施例を示したものである。この実施例
では、乗算型ＤＡ変換器１　（ＭＤＡＣニア５２４ＬＮ
、　ＡＤ社製）を２象元乗算器として使用した。この乗
算型ＤＡ変換器は通常のアナログ乗算器に比べ入力等価
雑音レベルが低く、利得安定性に優れた可変利得増幅器
として用いた。

このＤＡ変換器１の利得制御は、正弦波参照波ｓｉｎΩ
ｔの１／４周期に相当するデータを格納したＲＯＭ４か
ら１ｓｉｎΩｔｉに比例するデジタルデータを読み出し
、これをＤＡ変換器１の利得制御デジタル入力へ与える
ことにより行った。

ＡＤ変換器２は、１２ビット分解能の素子（ＡＤＣ６０
０に、ＢＢ社製）を用いた。ＡＤ変換後のデジタル信号
の符号付き加算を行うアキュムレータ３は、４ビツトパ
ラレルバイナリアキユムレータを８個シリーズに接続し
、３２ピントアキユムレータとして用いた。

ＤＡ変換器１にデジタルデータを供給するＲＯＭ、ＡＤ
変換器２および３２ピントアキユムレータ３の制御は、
コンパレータ、ＶＣＯ（電圧制御発信器）、積分器およ
び８ビツトマイクロブロセ・ンサと種々のＴＴＬ−ＩＣ
によるコントローラ５により行う。このコントローラは
、正弦波参照波ＳｉｎΩＬからＲＯＭ４のアドレス、Ａ
Ｄ変換器２の制御、アキュムレータ３の制御の各デジタ
ル信号を作成し供給する。アキュムレータ３には、正弦
波参照波の符号ＳＧＮ　（ｓ　ｉ　ｎΩｔ）が供給され
る。

また第２図は本発明における正弦波を参照波とする他の
デジタルロックイン検出装置の実施例を示したものであ
る。この実施例では、乗算器はアナログ乗算器１１　（
４２０６に、　ＢＢ社製）を用いた。

乗算器１１の一方の入力は周期信号であり、他方は正弦
波参照波ｓｉｎΩｔを全波整流回路（絶対値回路）１６
に入力して得られる絶対値１ｓｉｎΩｔ出力を用いた。

乗算器出力は、その変動範囲が正電圧になるようにオフ
セット（Ｏ３）ＩＩＪ？卸回路１２でオフセットを与え
られ、ＶＦ変換器（ＶＦＣ６２ＣＭ、ＢＢ社製）に入力
される。このような入力電圧で周波数変調されたＶＦ変
換器１３の出力パルス列は、４ビツトのアップ・ダウン
カウンタ１０個を直列接続した４０ビツトカウンタ（バ
イナリアップ・ダウンカウンタ）１４に入力される。

正弦波参照波を入力とするコンパレータ１５のＴＴＬレ
ベル出力は、正弦波参照波の符号５ＧＮ（ｓｉｎΩｔ）
に対応しており、これを４０ピントカウンタ１４のアン
プカウント１　ダウンカウントのモード切り替え用の制
御信号として符号付きカウントを実行した。

上述した正弦波を参照波とするデジタルロックイン検出
装置の各実施例において、周波数シンセサイザを用いて
調整された試験信号Ａ（ｓｉｎΩｔ＋ｓ　ｉｎ３Ωｔ）
を用いて、高調波の影響の除去の性能を試験した。それ
によれば、３倍波（Ｓｉｎ３Ωｔ）の成分は基本波ｓｉ
ｎΩもの成分の１０万分の１以下であった。また３倍波
のみの振幅の変化する入力に対し出力の値は変化しなか
った。

また、試験信号Ａｓ１ｎΩｔ＋Ｂｔなる入力を用いてド
リフトの影響除去の性能を試験した。−桁以上のＢの値
の変化に対し本発明の装置の出力は影響を受けなかった
。

〔発明の効果） 以上述べたように、本発明によれば従来技術の問題点て
あった、高調波ひずみ、アナログ回路系のドリフトがロ
ックイン検出装置出力に与える影響を排除することがで
き、高い雑音レベルに埋もれた信号をその信号を特徴付
ける周波数の極近傍に限る狭帯域で検出することにより
回復することができる。すなわち本発明において、簡便
で忠実な（高調波ひずみなし、ドリフトなし）ロックイ
ン検出方法と装置を見いだしたのである。

特に興味ある応用は、正弦的に振動する外場（電場、磁
場、力場）の下で、系に誘起される種々の応答、とくに
雑音に埋もれてしまうような微弱な応答の検出方法とし
て優れている。また、微小な応答であってもそれが非線
形応答を含む場合、本発明による方法および装置は線形
、非線形応答を識別できる点にも応用の道がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、デジタルロックイン検出装置の一例を示すブ
ロック図、 第２図は、デジタルロックイン検出装置の他の例を示す
ブロック図である。 １・・・乗算型ＤＡコンバータ ２・・・１２ビツトＡＤコンバータ ３・・・３２ビツトバイナリアキユムレータ４・・・デ
ジタル参照波データを格納したＲＯＭ ５・・・コントローラ １１・・・アナログ乗算器 １２・・・オフセント制御回路 １３・・・電圧／周波数変換器 １４・・・バイナリアンプ・ダウンカウンタ１５・・・
コンパレータ １６・・・絶対値回路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）周期的に変化する信号の信号／雑音比を改善する
   ための方法であって、 信号の周期と同じ周期の同期したあるいは一定の位相差
   を持った正弦関数の絶対値と信号との乗算を２象元以上
   の乗算器において行い、その結果得られる信号をｎ進数
   （ｎ＝２、８、１０、１６）あるいは他の離散的な表現
   によりデジタル化し、さらに正弦関数の所定の周期数の
   間、得られるデジタル信号を正弦関数の符号を乗算して
   加算することにより信号を回復し検出するデジタルロッ
   クイン検出法。
2. （２）周期的に変化する信号の信号／雑音比を改善する
   ための装置であって、 信号の周期と同じ周期の同期したあるいは一定の位相差
   を持った正弦関数の絶対値と信号との乗算を行う、２象
   元以上の乗算器を１つ以上具備し、乗算の結果得られる
   信号をｎ進数（ｎ＝２、８、１０、１６）にデジタル化
   するＡＤ変換器を１つ以上具備し、 正弦関数の所定の周期数の間、得られているデジタル信
   号を正弦関数の符号を乗算して加算を実行し信号を回復
   し検出する、１つ以上のデジタルアキュムレータを具備
   することを特徴とするデジタルロックイン検出装置。
3. （３）周期的に変化する信号の信号／雑音比を改善する
   ための装置であって、 信号の周期と同じ周期の同期したあるいは一定の位相差
   を持った正弦関数の絶対値と信号との乗算を行う、２象
   元以上の乗算器を１つ以上具備し、乗算の結果得られる
   電圧信号を離散的なパルス周波数にデジタル化する電圧
   ／周波数変換器を１つ以上具備し、 正弦関数の所定の周期数の間、得られているパルス列信
   号を正弦関数の符号に対応してカウントアップあるいは
   カウントダウンを実行し信号を回復し検出するカウンタ
   を１つ以上具備することを特徴とするデジタルロックイ
   ン検出装置。