携帯型・周波数可変ロックインアンプの製作
金野茂男、飯島洋祐
１．はじめに周期性微弱信号の検出装置として、ロックインアンプは極めて有効な装置である。多くの分析装置などでは、その名を潜めて働いている優れものである。当然単体としてもメーカーから提供されているが、多機能性を持たせていることもあり、高価であり、ケースも大きく、ＡＣ１００Ｖ仕様である。そういうわけで、著者は独自に、携帯型・周波数固定
ロ ッ ク イ ン ア ン プ 製 作 し 、 そ の 結 果 に つ い て は 既 報 で あ る （ １ ）、（ ２ ）、（ ３ ）。 メ ー カ ー 品 の よ うに自在に周波数を変えることができないが、それはそれなりに応用性に富んでいると著者
は 考 え て い る 。が 、携 帯 型 で 周 波 数 が 可 変 な ら ば ，非 常 に 利 便 性 が 良 い の は 明 ら か で あ る 。
著者の製作したロックインアンプ中には、ＢＰＦ（バンド・パス・フィルター）回路が入っている。この回路で、通過周波数（＝ロック周波数）を可変とするためには、複数の抵抗、或いは、複数のコンデンサの値を、同時に同値で変更させる必要がある。例えば、図１の回路図を参照。そのためには、複数連可変抵抗器と多段ロータリスイッチを必要とする。ＢＰＦの性能を良くするためには、ＢＰＦを多段とすれば良いのであるが、そうすると、更なる多段の可変抵抗器と、多段のロータリスイッチが必要となる。そのような方法も良いのであろうが、そうすると、機械的部分で、ロックインアンプの体積の大部分が、それらの部品で占められるようになり、携帯性とは名ばかりになってしまう。更なる問題
点は、そのような多段の可変抵抗器は、特別に組み合わせるなどをしなければ実現できそうもないところにもある。
少し発想を変えて考えてみる。著者の既報の自作ロックインアンプの基板上にあるＢＰＦのロック周波数を決めている、同値の抵抗値を持っている抵抗群を、希望するロック周波数を与える別の抵抗値の抵抗群に差し替える方法としてみよう。この方法ならば、多段の可変抵抗器や多段のロータリスイッチは全く必要としない。回路基板の大きさも、既報のロックインアンプ基板の大きさのままで済むことになる。しかし、ロック周波数を切り替える毎に、抵抗群の差し替えが必要となる。大変なような気がするかもしれない。が、通常、メーカー製のロックインアンプの使用において、一人の使用者においては、ロック周波数は、普通は特定で一定の周波数に固定して使用しているものである。つまり、ロックインアンプの初期設定が済めば、その後は、特定のロック周波数で、使用を続けているものである。従って、今提案している、ロック周波数を抵抗群の差し替えで変更するという 方 法 に お け る 手 間 は 、ロ ッ ク イ ン ア ン プ の 初 期 設 定 の 段 階 だ け で の こ と で あ る 。従 っ て 、メーカー品の場合と同じく、ロック周波数を固定すれば、後は手間がかからない。
本 論 文 で は 、 Ｂ Ｐ Ｆ の 抵 抗 群 を 差 し 替 え る 方 法 に よ る 、「 周 波 数 可 変 」 の ロ ッ ク イ ン ア
ンプの製作について紹介をする。メーカー品と比較すると、初期設定に少し手間暇がかかるかもしれないが、５０万円の購入費用が、１万円以下の制作費で済む点にも、装置としてはそれなりの価値があると思う。装置は手の平サイズ以下である。
完成したロックインアンプの、対応できるロック周波数は１０Ｈｚ以下から９０ｋＨｚである。交換用に使用する抵抗群は（１／４）Ｗのものである。市販では、１袋１００本が約３００円で販売されている。１本当たり３円である。抵抗値が飛び飛びであるが、コンデンサより，より細かい値の抵抗が提供されているので、任意の周波数領域に使用するべき抵抗値の抵抗は容易に見つけられよう。或いは、抵抗群で設定したロック周波数に、入力信号のモジュレーション周波数を一致させるようにしても良いであろう。
完成し、動作試験も終了した本装置の上面の様子を写真１で示している。参考文献で紹介している装置と、ほぼ同じである。なを、現時点では、電源は＋９Ｖ出力のＡＣ／ＤＣ
ア ダ プ タ ー を 使 用 し て い る が 、こ の ア ダ プ タ ー を 乾 電 池 や 蓄 電 池 に す れ ば 、携 帯 型 と な る 。
-1-写真１ 装置基板の上面写真。ＢＰＦに関係する抵抗群、及び参照信号系のコンデンサ群がシングルソケットに差し込まれている状態を見てとれる。左端の灰色同軸線は信号入力線。その下の、黄・黒線は参照信号入力線。その右隣の黒２線はＡＣ／ＤＣアダプタからの電源線。中央右の灰色同軸線は乗算器からの出力のモニタ線。右端の灰色同軸線は最終直流出力線。電源線の上のスイッチは電源スイッチ。左端少し上のスイッチは参照パルスの位相反転スイッチ。

２．製作
紹介する本回路は、参考文献の回路とほぼ同じである。従って，ロックインアンプ及び本回路の詳細な説明については，参考文献に譲る。
図１の回路図中のＢＰＦのロック周波数は、ＢＰＦ部の抵抗Ｒとコンデンサの値ＲとＣからｆｌ＝１／（２πＲＣ）（１）で決まる。この式に従って、本ロックインアンプの動作時のロック周波数は、ＢＰＦのロック周波数を決めている同一抵抗値の抵抗群で選択をすることとする。この場合、ロック周波数の選択は、同一容量値のコンデンサー群の変更で決める方法もある。が、市販されているコンデンサ値は結構飛び飛びの値のものである。それに比較すると、市販されている抵抗値は、結構小刻み幅で提供されている。本ロックインアンプの性能からすると、結果論であるが，それで結構十分である。著者が製作した既報のロックインアンプでは、ＢＰＦのロック周波数に関係する抵抗群は、全て基盤に半田付けをしていた。が、今回紹介するロックインアンプでは、それらの抵抗取り付け位置に、基板用シングルソケットを半田付けをし、そのソケットに抵抗を差し込み、必要に応じて差し替える方法とした。テストボードにおいて，素子等の差し込み引き抜きをするように。
主たるこの変更に伴い、更なる装置の改良のため、既報のロックインアンプに、以下のような幾つかの変更を行った。

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図１製作した携帯型・周波数可変ロックインアンプの回路図-3-50μ650μTP11バッファV-

1k56V+

1kVR160

Vout
Adj

VFB8MAX635

VinLM3177805
Vin Vout
1μGnd
1μ10k

0.4μ50μVd=＋5.0V

ロジック電源50μV－=－5.5V（３）入力増幅部のＯＰアンプを超低オフセットのものとする。

それに伴い、参照部の時定数用コンデンサも変更できるようにすること。
（２）ＳＮ改善策の一つとして、ロジック電源を独立させること。

外部参照
信号入力
1kTP102
1Ｃ10kＲＣ10kＲ10kＲＣ10k100μ100μ330.1μ60.1μ51.1k457(LPF)
0.032μ 500HzLPF

10k66k10k10k6k

1500HzHPF

310k0.032μ 0.032μ 2500HzBPF

LF41210k

7TP3(HPF)

6k500HzHPF

510k0.032μ 0.032μ 610k

18X

LF412

2567Z

0.47μ

5TP71500HzHPF

310k

6k

2

120kVR

91081210k

LF412

モニター
TP83出力LF412
１倍～１１倍増幅部

500Ω

5kVR

3121374HC00

910位相反転 (±π sw)
選択スイッチ

1110k

620kVR

19k

TP9450V

1k

TP64k[0V～+1v]［0V～+5V］

TP56τ=1sτ=0.1sτ=0.01s

直流出力

C=100μF
C= 10μF
C= 1μF［正］R=10k

平滑時定数τはＲＣで決まる

平滑部

1.5μ7Cout

位相偏移(Δφ VR)

8C

7TP4(HPF)

6k500HzHPF

R=10k0.47μ

510k

510k

0.032μ 0.032μ 6④最終利得調整のため
500Ω

10k

0.032μ 0.032μ 2

10k

5k V＋
5kVR
②微弱信号時のオフセット調整のために付加

4Ｗ＋出力

Ｗ＝Ｘ×Ｙ＋Ｚ[-2.5V～+2.5V]

11 C

74HC006 121800p

136k

500HzBPF(LPF)
0.032μ 500HzLPF

10k

V－ 5kＹ1乗算器
AD835

710k0.032μ10k

参考「精選アナログ実用回路集」稲葉保、ＣＱ出版社、１９９１年

500HzLPF3210k0.032μ10k①５０％設定の保証のために付加

C1815

V－V＋

0.032μ 0.032μ

Ｃ

10k

Ｒ

6kfl=1/(2πRC)
10k

1500HzLPF

326kfl=1/(2πRC)

0.032μ 0.032μ9k

VdTP2の出力電圧範囲約－１Ｖ～約＋１Ｖこれ以上大きくなると、ＢＰＦで信号のオーバーフローを起こす

アナログ－電源470μ50μV＋=＋5.5V

アナログ＋電源

1MVR

1μ78 TP2

超低オフセットＯＰアンプ推奨

LF412

1M

4LBI
Vref-Vout Gnd Lx 7
1 3 4 5+Vs

電源部

23

改良点
（１）カット周波数ｆｃを抵抗群の変更で行えるようすること。

270ＡＣ／ＤＣ
アダプター
AC100V
9V,1.0A

0.1μ

信号入力

100kVR

増幅用ボリューム
Ａｍｐ１

周波数領域
１０Ｈｚ～７００Ｈｚ
２００Ｈｚ～１０ｋＨｚ
３ｋＨｚ～９０ｋＨｚ
表２

コンデンサ値
１０μＦ
０．４７μＦ
０．０３３μＦ

ロック周波数と参照回路部のコンデンサの容量Ｃの対応表（１）今まで２段であったＢＰＦを４段として、Ｑ値の向上を図った。ＢＰＦの周波数特性は図２に示している。
（２）今まで使用していたＯＰアンプは、安価な汎用ＯＰアンプであった。ところで、入力信号が小さい電圧の場合、初段の増幅部で大きく増幅をしなければならない。大利得とすると、ＯＰアンプのオフセット電圧が極めて大きくなっていた。無視できない。そのため、このオフセット電圧を除去するために、ＤＣカット回路も付加した場合もあった。今回 、超 低 オ フ セ ッ ト Ｏ Ｐ ア ン プ（ Ｌ Ｆ ４ １ ２ ）を 使 用 す る こ と と し た 。数 百 倍 の 利 得 で も 、全くオフセットが出てこない。また高い周波数での特性も格段に良い。優れもののＯＰアンプである。が、少し高価。といっても１個当たり２００円～３００円位か。
（３）少しでもノイズを低減し、装置のＳＮ比の向上を図るため、ロジック回路部の電源＋５．０Ｖを、アナログ電源から切り離し、独立させた。
製作した装置の回路図を図１に示している。基本的な部分及び大部分は参考文献の回路とほぼ同じである。従って回路図の詳細な説明は参考文献に譲る。
ＢＰＦのロック周波数は、同値の抵抗群（１６本、図１の回路図の赤色の抵抗群）を差し替えることで、１０Ｈｚ以下から９０ｋＨｚ以上まで、設定可能である。図２にＢＰＦ部におけるフィルター特性を示している。回路図の図１からわかるように、ＢＰＦは４段で形成されているので、２段までの特性と４段までの特性曲線を示している。予想通りである。
ロック周波数は１０Ｈｚ～９０ｋＨｚまで可変とすることができる。提示している回路
図では、ロック周波数として５００Ｈｚを選択した場合である。ところで、選択する周波数に対応して、参照信号回路部における時定数の変更が必要である。参照信号からデューティ・サイクルが５０％のパルスを形成する部分と、パルスの位相をシフトする部分である。回路図中では、赤色の文字Ｃと０．４７μで示している２つのコンデンサである。これらの部分では、ＲＣの時定数でパルスを形成しているので、設定予定のロック周波数の周波数領域に対応させて、Ｃの値を変更しなければならない。これらの２つのコンデンサは同値としておくと良い。交換を容易とするために、ＢＰＦでの抵抗群と同じように、基板用シングルソケットを基板に半田付けをしており、コンデンサの差し入れが自由に行えるようにしている。表１に、選択ロック周波数と、それに対応して使用するべきコンデンサ容量の対応表を与えている。が、これらは大凡の値である。その当たりの値のコンデンサで十分であろう。初期設定時に、オシロスコープで確認をすれば良い。
式（１）でロック周波数を決めることができる。抵抗の抵抗値を選択しても、正確なロック周波数を確認しなければならない。信号入力端子に、周波数可変の発信器からサイン波を入力させ、ＢＰＦからの出力電圧をモニターする。発信器からの出力周波数を変えながら、モニタ電圧を確認する。式（１）で決まる周波数当たりで、出力のピークが確認できよう。ピーク時の周波数が、装置の実際のロック周波数である。あまり誤差は無いと思うが、気になるならば、抵抗の抵抗値を変更する必要がある。誤差の程度を考慮し、より正確な抵抗値を算出する。基本抵抗に，直列に補正分の抵抗値の抵抗を接続し、正確な抵抗値となるようにする。それを１６組分作る。そして差し替える。
-4-

なを、参照信号のモジュレーション周波数を変更し、ロック周波数に一致させることができる場合ならば、その方が極めて簡単に済む。

相対強度

fl=52Hz

fl=500Hz

２段
４段

fl=33kHz

出力電圧／入力電圧
100Hz

1kHz

周波数10kHz100kHz

図２ ＢＰＦの周波数特性。片対数グラフである。横軸は周波数を対数で、縦軸は入力電圧と出力電圧の相対強度を線形で表示している。実線がＢＰＦが２段の場合、点線がＢＰＦが４段の場合である。

３．おわりに思う所を列記する。
（１）参照信号部で、ロジックＩＣの７４００を使用している。今まで、この部分に、７４ＨＣ００を使用していたが、基板製造時に、生憎現有がなく、現有の７４ＬＳ００を使 用 し た 。調 整 不 調 及 び 動 作 不 良 と な っ た 。Ｈ Ｃ に 交 換 す る と 、定 常 に 動 作 調 整 が で き た 。
従って、本回路ではＬＳシリーズは薦められない。
（２）ＢＰＦの特性曲線から、２段より４段の方が当然フィルターのＱ値が上がっている。更に段数を付加すれば、Ｑ値も更に向上するであろう。例えば、８段としても、回路的には、同じ回路部分を直列に付け足すだけである。８段としても、基板の大きさが少し大きくなるだけであろう。希望するならばそうするのも良いであろうが、交換すべき抵抗群は１６本×２＝３２本となる。が、抵抗の価格は１００本で３００円である。
（３）本ロックインアンプシリーズでは、ＯＰ用マイナス電源の供給源として、ＤＣ／ＤＣコンバータＩＣであるＭＡＸ６３５を使用している。大分古い素子である。入手が容易な最新ＤＣ／ＤＣコンバータに変更するのも良いであろう。そのようにするならば、前もってテストボードなどで動作試験を行うことを勧める。同様に、使用している乗算器ＡＤ８３５も古参素子である。最新のものに変更するのも良いであろう。この場合でも、前もってテストボードなどで動作試験を行うことを勧める。

参考文献（ １ ）「 携 帯 型 ・ 周 波 数 固 定 ロ ッ ク イ ン ア ン プ の 製 作 」、 金 野 茂 男 、 小 山 工 業 高 等 専 門 学校電子制御子学科、２０１０年１月、著者のＵＲＬで公開。
（ ２ ）「 携 帯 型 ・ 周 波 数 固 定 ロ ッ ク イ ン ア ン プ の 製 作 － そ の ２ 」、 金 野 茂 男 、 小 山 工 業 高-5-

等専門学校電子制御子学科、２０１１年２月、著者のＵＲＬで公開。
（ ３ ）「 携 帯 型 ・ 周 波 数 固 定 ロ ッ ク イ ン ア ン プ の 製 作 － そ の ３ 」、 金 野 茂 男 、 小 山 工 業 高等専門学校電子制御子学科、２０１２年３月、著者のＵＲＬで公開。
２０１３年９月-6-