簡易ロックインアンプの「作り方」
ロックインアンプ－５の解説

２０２３年５月

１．概説
周期性の電気的微弱信号を抽出できる測定器です。既にロックインアンプに知見がある方には特に説明することはないでしょう。知見のない方はロックインアンプとはどのようなものなのかを事前に理解しておく必要があります。
ロックインアンプの製作については、本ホームページで幾つか紹介していました。が、電子工作に自信のない読者が「自作」するには説明が不十分であったようです。また、ダウンロードできるファイルを圧縮ファイルで提供していました。圧縮ファイルはもう時代遅れですね。解凍の手間がかかる上に、そのためのソフトのダウンロートが必要であり、かっては無料であったのですが、現在は有料となっているのに気がつきました。
前回の紹介時から、大分時は経っていますが、ロックインアンプは現時点でも非常に応用性のある微弱信号測定器であることに変わりはないと思っています。本稿ではより詳細に解説を試みます。より容易に、確実に製作できるようになると思います。
既存メーカーから優秀なロックインアンプが販売されていますが、定価は数十万円もします。製作する本ロックインアンプはメーカー品と比較すると性能及び使用の至便性はかなり劣りますがロックインアンプとしての動作は確実です。大事な点です、本ロックインアンプの必要な部品などの購入費用は１万５千程度と、極めて低費用です。
なお、本ロックインアンプを製作するには、電子工作工具一式以外にオシロスコープと発振器等が必要です。必ず準備してください。メーカー製のロックインアンプの使用時には、やはり必ずオシロスコープと発振器は必須ですね。
２．製作
写真１が出来上がったロックインアンプです。縦横８ｃｍ×１２ｃｍの片面基板です。
図１に回路図を掲載しています。２０１３年９月に紹介した回路 （１）とほぼ同じです。
従って、この文献をダウンロードして読了しておくことを勧めます。多少繰り返しになりますが、以下で回路の説明を行います。
基板への電源はＡＣ／ＤＣアダプター（ＡＣ１００Ｖ→ＤＣ＋９Ｖ）で供給しています。
商業用ＡＣ１００Ｖのない環境下では、乾電池などで容易に電源を供給できるようにしています。基板内で必要なリニア用電源として±５．５Ｖ、ロジック用電源として＋５．０Ｖを各々ＤＣ／ＤＣコンバータを利用し供給しています。回路図の左端部がそれらの回路部分です。
被測定信号はバッファアンプで受け取り、適宜増幅し、フィルター特性を高めるために多段化したＢＰＦ（バンドパスフィルター）を通過させています。回路図の上半分がそれらの回路です。メーカー品のように、ＢＰＦの通過周波数は本回路使用時には自在には設定できません。使用に先立って、回路図中の一連の抵抗とコンデンサの値を変更することで設定することになります。モジュレーション周波数（バンドパス周波数でもある）に近い値にＢＰＦの通過周波数を抵抗とコンデンサーの値で決めることになります。コンデン-1-

サの値で大まかに、抵抗の値で少し細かに設定できますが、最終的にはモジュレーション周波数が変更できる場合には、その周波数をＢＰＦの通過周波数に合わせるのが簡単でしょう。それが出来ないならば、ＢＰＦの通過周波数がモジュレーション周波数にほぼ一致するように、抵抗を複数組み合わせて必要な抵抗値にすることとなります。ＢＰＦを通過した信号は乗算器（入力Ｘ×入力Ｙ＝出力Ｚ）の一つの入力となります。
モジュレーション周波数を有する参照信号が、外部参照信号として回路に入力されます。
トランジスタのスイッチング動作で、矩形波が形成されます。従って、入力される参照信号は１周期で１回＋１Ｖを程度を越えれば十分でしょう。その後、矩形波がデューテイサイクル５０％（１サイクルでＨレベルが５０％、Ｌレベルが５０％）となるように２０ｋＶＲで調整します。そしてその後、位相調整部でこの矩形波の位相を必要に応じて（最終的には最終直流出力値が最大値になるように）スイッチと２０ｋＶＲで調整します。最終的出力はＨレベルが１．０Ｖ、Ｌレベルが０．０Ｖの矩形波として乗算器に出力されます。
これらの部分が回路図中の最下部分です。
乗算器では、図２で示している２つの入力の乗算が行われる。ここまでの調整が上手く進んでいれば、図２の右側のＺ出力が得られる。ここでは交流の半波整流の形になっている。これを適宜増幅し、そして平滑することで直流の出力を得ている。回路図中の乗算器から右下の部分がその回路です。

Ｘ入力
Ｚ出力
Y入力

１Ｖ０Ｖ

図２

乗算器での信号処理の概略図

写真１

基板の概観

-2-

図１ロックインアンプの回路図-3-50μ6TP11バッファVV+

Vin7805
TP23Vout
1μGnd

0.4μ8

TP22Vd=＋5.0V

ロジック電源50μ（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。

（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。

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。

1kTP10TP5

外部参照
信号入力

V－=－5.5V

アナログ－電源

TP612Ｒ
10k

Ｒ
10k10kＲ
10k

100μ100μ3130.1μ

60.1μ8X

LF412

0.032μ10k

21.1k

4510k6k
1500HzHPF

310k0.032μ 0.032μ 210k10k

LF41210k7TP3(HPF)

6k500HzHPF

510k0.032μ 0.032μ6567Z4Ｗ

510k
1500HzHPF

310k6k

25kVR
10.47μ20kVR

91081210k

LF412

3TP712131174HC00

910位相反転 (±π sw)
選択スイッチ

20kVR

19k

450V

1k4k

[0V～+1v]
TP9［0V～+5V］

TP86

τ=1s
τ=0.1sτ=0.01s

直流出力

C=100μF
C= 10μF
C= 1μF［正］TP12R=10k

平滑時定数τはＲＣで決まる

平滑部

1.5μ7Cout

位相偏移(Δφ VR)

87TP4(HPF)

6k500HzHPF

510k

R=10k0.47μ5610kCモニター
TP113出力
LF412
１倍～１１倍増幅部

500Ω

10k0.032μ 0.032μ6④最終利得調整のため
500Ω

10k0.032μ 0.032μ 2TP10＋出力

Ｗ＝Ｘ×Ｙ＋Ｚ[-2.5V～+2.5V]

11 C

74HC006 121800p

136k

500HzBPF(LPF)
0.032μ 500HzLPF

10k

10k

5k V＋
V－ 5k
5kVR
②微弱信号時のオフセット調整のために付加

Ｙ
1乗算器
AD835

7500HzLPF

326k

57(LPF)0.032μ 500HzLPF

10k

66k500HzBPF

参考「精選アナログ実用回路集」稲葉保、ＣＱ出版社、１９９１年

0.032μ10k10k①５０％設定の保証のために付加

C1815V－V＋ＣＣ
0.032μ 0.032μＲ
10kfl=1/(2πRC)
10k

1500HzLPF

326kfl=1/(2πRC)ＣＣ
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

母親はＮＭＲ用ＬＩＡ
キット用の回路図

V＋=＋5.5V

470μ50μ

1MVR

50μ78 TP2

アナログ＋電源LBI
Vref-Vout Gnd Lx 7
1 3 4 5VFB

1kVR

1601μ

TP2110kAdj

VoutLM317

Vin1μ56100kVR

超低オフセットＯＰアンプ推奨

LF412

1M4MAX635+Vs

TP2050μ

電源部

231k（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。

改良点

270

9V,1.0A

アダプター
AC100VＡＣ／ＤＣ

0.1μ

信号入力

増幅用ボリューム
Ａｍｐ１

ロックインアンプ－５

３．基板の作成
縦横１２ｃｍ×８ｃｍの片面感光基板を用意する。フリーソフトＰＣＢＥ（注記：２０２３年６月初め時点でも、インターネット経由でこのソフトは無料でダウンロードできることを確認済み）で作成した感光基板用フォトマスク（ファイル名

ＬＩＡ－４）の確認印刷のコピーを図３に、版下印刷のコピーを図４に示している。別途、ＰＣＢＥで作成したファイルをダウンロードできるように添付しているので、実物はそれをソフトＰＣＢＥで展開して利用する。従って、基盤を作成するためには、一連のフォトプロセス（マスクの作成、露光、現像、エッチング）をする必要がある。能力と用具が必要となる。

図３

ＰＣＢＥで作図のフォトマスクの確認印刷版。ここでは、空色部分がアース、赤色部分が配線部、黒丸部分がピンホール部となっている。

図４

ＰＣＢＥで作図のフォトマスクの版下印刷版-4-

（１）基板には何カ所かのジャンプ配線部分があるので、基板に素子を載せる前にそれを済ませておく。
（２）多端子ＩＣは基板に直付けではなく、ソケットを使用することを勧める。
（３）回路の動作確認のためには、図１中で示したＴＰ（テストポイント）位置でのチェックが必要となる。オシロスコープもフックを引っかけられるように、素子の取り付け方に少し工夫をするか、或いは基板中に別途ＴＰ端子を立てるのも良い。なを、後になって、多段のロータリースイッチを用いることにした。各テストポイントからロータリースイッ
チに配線をし、スイッチの切り替えで自在に出力をモニターできるようにした。これについては後述している。
（４）組上げの最初は電源関係とし、順次動作の確認を行う。信号関係は入力段から順次くみ上げ、そして正常な動作を確認する。
４．回路電源の調整の仕方（１）図１中のＴＰ２０をモニターし、電圧が約９Ｖであることを確認すること。
（２）アナログ正電圧の調整
ＬＭ３１７の１ｋＶＲを回し、ＴＰ２１を約＋５．５Ｖとする。
（３）アナログ負電圧の調整
ＭＡＸ６３５の１ＭＶＲを回し、ＴＰ２２を約－５．５Ｖとする。
（４）ロジック電圧の調整
７８０５の所のＴＰ２３が約＋５．０Ｖとなっていることを確認する。
５．ロック周波数の設定の仕方
回路図中のＢＰＦ部で赤で記しているＲ＝１０ｋΩの抵抗群とＣ＝０．０３２μＦのコンデンサー群は、モジュレーション周波数（抽出したい信号の周波数、ロック周波数）を約５００Ｈｚ前後としている場合である。当然ながら、必要に応じて、これらの値を変更し、モジュレーション周波数を変更することが出来る。そのため抵抗はソケットで差し替えできるようにしている。コンデンサはそうはしていない。
モジュレーション周波数が決まったならば、コンデンサの大凡の容量を決め、その後、抵抗で小刻みするのがベターとみた。図１中の外部参照信号処理回路部中の０．４７μＦの２つのコンデンサーはモジュレーション周波数が５００Ｈｚ当たりの時のものである。
モジュレーション周波数の大小に従って、このコンデンサの容量も変更する必要がある。
トライ＆エラーである。
ＢＰＦ部分の通過周波数（つまりロック周波数或いはモジュレーション周波数）は、ＲとＣの群の値を周波数公式
ｆｌ＝１／（２πＲＣ）（１）に代入することで設定できる。本回路は、一般市販のロックインアンプと違い動作中に自在にこのロック周波数を変更することは出来ない事に留意しなければならない。従って、本回路の使用に先立って、ＢＰＦの通過周波数を希望するロック周波数に設定することが必要となる。次のようにすると良い。

-5-

（１）ロック周波数ｆｌが限定されている場合
公式（１）に従って、大まかなＲとＣを決める。微調整は抵抗Ｒを変えて行うこととする。基板では、Ｒはソケットへの差し込み方式としているので、微調整に対応させている。
ＢＰＦ部分まで組み上げが終了したならば、信号入力端子に、発振器からのサイン波を入力させる。ＴＰ３そしてＴＰ４をオシロでモニターする。指定のロック周波数ｆｌ付近でサイン波の出力が最大になるのかを、発振器の発振周波数を変化させて確認する。希望しているｆｌとズレている場合には、Ｒ群の抵抗値を微調整する。これを繰り返し、最終的にＢＰＦの通過周波数がｆｌにほぼ一致するまで繰り返す。
（２）ロック周波数ｆｌが限定されていない場合、つまり自分で決められる場合
公式（１）に従って、大まかなＲとＣを決める。
ＢＰＦ部分まで組み上げが終了したならば、図５に示している略図のように、信号入力端子に、発振器からのサイン波を入力させる。ＴＰ３そしてＴＰ４をオシロでモニターする。発振器の発振周波数を変える。サイン波の出力が最大になる発振器の発振周波数が本回路のＢＰＦの通過周波数ｆｌとなる。このＢＰＦの通過周波数を、ロック周波数として選択決定をする。

適当な発振器

図５

信号入力

本回路

オシロ
ＴＰ３、
ＴＰ４

ロック周波数の設定及び確認のためのブロック図

６．参照信号処理回路の調整方法
以下の手順で行う。
（１）発信器の出力を周波数が大凡５００Ｈｚで、±１Ｖ程度の正弦波とし、外部参照信号端子から入力させる。（この信号は 1 周期で一度だけ＋約１Ｖを横切っていれば良い。）
この信号はＴＰ５でモニターできる。写真２中の上の波形を参照。
（２）ＴＰ６をモニターすると、１周期でＨレベルが＋５Ｖ、Ｌレベルが０Ｖのパルス波形が見られよう。写真２中の下の波形を参照。
（３）ＴＰ７をモニターし、デューティ比（Ｈレベルが５０％、Ｌレベルが５０％の矩形波）が５０％になるように手前の２０ＶＲを回して調整する。写真３参照。
（４）ＴＰ８をモニターし、位相反転スイッチと、その後の２０ｋＶＲを動かすと、矩形波が左右に移動したり反転することを確認すること。これで位相をずらすことが出来る。
この部分は実測において再調整するので、当面はそのままにしておいて良い。写真４参照。
（５）ＴＰ９をモニターし、Ｈレベルが約１Ｖであることを確認する。写真５参照。

-6-オシロ画面

写真２

写真４

横軸

０．５ｍｓ／ｄｅｖ

縦軸

１Ｖ／ｄｅｖ

１．と２．の様子

写真３

４．の様子

写真５

３．の様子

５．の様子

５．実際に測定抽出したい信号と同じ周波数の正弦波（が簡単）を利用しての回路の調整
発信器から正弦波出力を被測定信号及び参照信号として利用する。図のように測定ブロックをくみ上げる。

適当な発振器
適当な発振器

雑音

信号入力

加算器

本回路

オシロ参照信号入力

図６

測定ブロック図

なを、オシロスコープのプローブのクリップを各テストポイントに付け替える手間が煩-7-わしくなった。写真６に示しているように、基板の右端に１回路１２接点のロータリースイッチを取り付けた。図７中のＴＰの番号は、図１中に記入している各ＴＰ番号に対応している。モニター端子に、オシロスコープのプローブを接続しておくだけで、スイッチの切り替えで各テストポイントをモニターできるようにした。

写真６

基板にロータリースイッチを付加し、回路の動作チェックを容易にした

TP11
TP1 TP2TP4TP5 TP6 TP7 TP8TP10 TP12

モニターへ
図７

ロータリースイッチの配線図。ＴＰ１～１２は図１中のテストポイントの番号

調整その１．雑音の小さい状況下で、まず初期調整を行う。加算器で雑音成分を適当に小さくし、測定したい信号成分のみにして、基板の信号入力に入れる。
（１）ＴＰ１で入力信号をモニターする。ＴＰ２で信号をモニターし１００ｋＶＲを回して、増幅度を調整する。オーバーフローしないようにする。
（２）ＴＰ４をモニターする。現在は約５００Ｈｚのバンドパスフィルターとなっているが、正確に５００Ｈｚとは限らない。発信器の発信周波数を上げたり下げたりして、ＴＰ４のモニター信号がピークを示す周波数が、真のバンドパス周波数である。その所に発信器の発信周波数を固定する。
（３）ＴＰ５をモニターする。参照信号の源波形が見える。
（４）ＴＰ６をモニターする。確実な矩形波を確認する。
（５）ＴＰ７をモニターする。矩形波がデューテイ比５０％でなければ、なるように近傍-8-の２０ｋＶＲを回す。
（６）ＴＰ８をモニターする。位相を希望する位置にする。
（７）ＴＰ１０をモニターする。半波整流波形を確認する。ズレていれば、位相を調整。
オフセットが大きければ、演算器の近傍のオフセット用ＶＲを回して調整する。
（８）ＴＰ１１をモニターする。半波整流波形を増幅したければ、近傍の増幅用ＶＲを回す。
（９）ＴＰ１２をモニターする。信号の平滑した出力が得られる。入力信号の大小と比例することを確認する。
調整その２．加算器で雑音成分を大きくするか、抽出したい信号成分を小さくして、測定に取りかかる。例えば、信号成分：雑音成分＝１：１０としてみる。ＴＰ１でのモニター
では雑音に僅かながら信号成分が視認できよう。後は調整その１での手順を繰り返す。信
号成分が最終直流成分として得られることを確認する。
調整その３．信号成分：雑音成分＝１：１００としてみる。ＴＰ１でのモニターでは全く信号成分は視認できない、雑音成分にかき消されている。が、回路が正常に調整されていれば、最終直流成分が確認できよう。

製作後の感想（１）ＢＰＦ部のコンデンサーも抵抗と同じくソケットへの差し込み型とすれば、本回路は極めて広範囲な周波数での使用に耐えるものとなろう。
（２）後半に記したように、ロータリースイッチを使用すれば、基板の各テストポイントのモニターは、スイッチの切り替えだけとなり非常に容易となる。
（３）基板上に取り付けている動作調整用の可変抵抗も、この基板をやーシーなどのケースに収めるならば、シャーシに取り付けられる用にする方法も考えられる。
（４）現用している乗算器ＡＤ８３５ＡＮＺ（若松５４００円）は相対的に高価格であった。同様の乗算器にはＡＤ６３３ＡＮＺが秋月で２４００円で販売されている。足ピン配置も同じようである。２種ともアナログデバイズのものであり、使えるかもしれない。

-9-６．ロックインアンプ－５の部品について
２０２３年２月２８日
一般名称

素子名など

個数

購入先

ＬＦ４１２６個

秋月

乗算器

ＡＤ８３５ＡＮＺ

１個

若松

５４００円

３端子レギュレーター

ＬＭ３１７Ｐ

１個

秋月

２０５円

７８０５ＣＶ

１個

秋月

９６円

若松

８８０円

１個

秋月

６５円

２個

秋月

６５円×２

秋月

３４５円×７

ＯＰアンプ（２回路入り）

ＤＣ／ＤＣコンバーター
トランジスタロジックＩＣ
基板取り付け用ＶＲ

ＭＡＸ６３５ＡＣＰＡ＋ １個
２ＳＣ１８１５
７４ＨＣ００価格
２３４円×６１ｋ

１個

５ｋ

２個

２０ｋ

２個

１００ｋ

１個

１Ｍ

１個

４７０μ１個秋月

１５０円

感光基板（片面）

１２ｃｍ×８ｃｍ

１枚千国

７３０円

ＡＣ／ＤＣアダプター

入力１００Ｖ、１個

秋月

７００円

合計

１２１７５円μコイル

出力９Ｖ，１Ａ
その他
ＩＣソケット
ロータリースイッチ

デュアル８ピン

８個

秋月

３７円×８

デュアル１４ピン

２個

秋月

５７円×２

１回路１２接点

１個

秋月

１５０円

抵抗
セラミックコンデンサ

回路図と基板写真を参考にして適宜に選び出すこと

電解コンデンサ
参考文献（１）「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、２０１３
年９月、著者のＵＲＬで公開。」- 10 -