学部および大学院の物理学実験では、学生が電磁気学の基礎概念を学ぶだけでなく、ファンクションジェネレータ、オシロスコープ、スペクトルアナライザといった標準的な計測機器の使い方にも精通することが重要です。ロックインアンプは、分光法、量子光学、MEMSなど、幅広い分野で利用されています。しかしながら、ロックインアンプの高額な費用のため、多くの学生実験ではロックイン検出の原理が教えられていません。
インド工科大学マドラス校物理学科では、 Moku:Go 実験コースの一環として、ロックイン検出の原理を実践的に学習することを目的としています。このアクティビティは、学部生および大学院生を対象に、週6～9時間のセッションとして設計されています。
Moku:Goは、ソフトウェア定義のテストおよび測定機器スイートを提供する再構成可能なデバイスであり、 波形発生器, オシロスコープ の三脚と ロックインアンプこれらのモジュールを使用して、数十人の学生がコスト効率よく並行して学習できるように、次のアクティビティが設計されています。
a) 与えられた正弦波信号を内部基準（正弦波信号）に同期させた場合と同期させない場合の影響を調べる
b) 2つの周波数成分を持つ信号を測定する
c) 方形波列の信号を測定する
d) 非常に低い抵抗を測定する（通常のマルチメーターで測定できる値よりも低い）
課題
ロックイン検出は、光干渉計、RF反射率測定など、信号の位相と振幅を測定する必要がある多くのアプリケーションに不可欠です。この手法は、複雑な信号内の特定の周波数成分に「ロックオン」し、その成分を背景から分離・抽出します。ノイズや高周波成分を除去することで、ロックイン検出は優れた感度を実現し、ノイズフロア以下の信号も復元できます。
ロックイン検出は、入力信号を、所望の周波数に設定された局部発振器と呼ばれる基準周波数と比較することで機能します。信号は基準周波数で復調され、周波数領域では信号の中心周波数は0Hzになります。次に、ローパスフィルタによって高周波成分が除去され、対象となる成分の振幅のみが残ります。ほぼすべての最新のロックインアンプは、90度位相をずらした2つの局部発振器を用いて入力信号の位相と振幅の両方を抽出するデュアル位相復調方式を採用しています。ロックインアンプのブロック図を図1に示します。
ロックインアンプは物理学や工学の研究室で広く使用されているにもかかわらず、他の試験・計測機器に比べて一般的に高価です。そのため、大規模な学部物理学実験室では、すべての学生が実践的な実験を行えるよう複数のユニットが必要となるため、ロックインアンプの導入は限られています。
ソリューション
IITマドラス校物理学科は、学生が個別に実践的な経験を積むために9台のMoku:Goデバイスを導入しました。 ロックインアンプ 楽器。
最初の演習では、周期的な正弦波を生成し、ロックインアンプの入力振幅やLO周波数などのパラメータを調整します。そして、これらのパラメータが復調振幅に与える影響を測定します。Moku:Goを使用します。 波形発生器 並行して、学生たちは回路にノイズを注入し、SNR が低くても信号を回復できることを発見しました。
この計測器は、交流抵抗を正確に測定する方法も提供します。ロックインアンプは、分圧器構成における抵抗器の1つにかかる交流電圧源の電圧降下を定量化します（図2参照）。抽出された抵抗値は、抵抗器の公称値と比較されます。ロックインアンプによるノイズ除去機能も加わることで、この方法は標準的な直流分圧器よりも高い精度を実現します。また、単純な直流抵抗ではなく、抵抗器の寄生容量をインピーダンスZ全体にわたって定量化します。
最後に、生徒たちはMokuを使って矩形波の様々な高調波を測定しました。周期的な矩形波信号をロックインアンプに入力し、局部発振器の周波数を中心周波数に調整してから、奇数次高調波をそれぞれ測定しました。各高調波の復調振幅を測定することで、矩形波を構成する様々な成分と、高調波の振幅が減衰していく様子を視覚的に確認することができました。
結果
Moku:Goは、学生にロックインアンプの概念を低コストで導入する方法であることが確認されています。インド工科大学マドラス校物理学科は、Moku:Goの他の機器、例えばPIDコントローラなどを活用した実験の設計に取り組んでおり、学生にフィードバック制御の概念を指導しています。
