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位相検波

 

位相検波

 

  • Phase Detection
  • 相位检波
  • 위상검파

 

図

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。

右図のように、信号入力(sinα)と周波数、位相が同じ参照信号(sinβ)とで掛け算すると、三角関数の公式から

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ことになる。

 

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のような構成になっている。

 

ロックインアンプの基本構成

ロックインアンプの基本構成

 

同期・非同期入力信号

同期入力信号のときは、信号の大きさに比例した直流が出力される。   非同期入力信号のときは、出力の長期的な平均値はゼロとなる。雑音入力も非同期なのでゼロとなる。

 

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。

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。

 

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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