携帯型・周波数固定ロックインアンプの製作
金野茂男
１．始めに周期性微弱信号の測定装置としてＬＩＡ（ロックインアンプ）はよく知られている。通常メーカーの販売しているＬＩＡは実験室仕様であり、ＡＣ１００Ｖ電源下で使用する。多方面での使用を可能とするため、汎用性を持たせた上に、多機能性も持たせている機種が多い。そのため、購入価格は数十万を下らない。
ＬＩＡは物性量測定などにおいては、極めて有能な装置なので、そのような研究室では必須の装置でもある。が、研究費に余裕があれば購入もできよう。研究費が十分ではなく、どうしてもＬＩＡの必要性にせかされて、著者はかってＬＩＡを自作した。この製作についての論文は既に公表済である（１）、（２）。自作したＬＩＡに要した費用は実質的に１万円程度以下であった。が、性能は、かって使用していたメーカー製のＬＩＡ程ではないが、十分な性能を持ったものであった。物性実験以外に学生実験にも共用し、学生にＬＩＡ装置の効能を知らしめることには結構成功したと思っている。
今回、表題のＬＩＡを自作した。製作のきっかけは、著者の公開論文を目にした方からの問い合わせである。持ち運びができ、携帯でき、格安でのＬＩＡが出来ないものかとのことであった。参照信号周波数は固定式で十分であるとのことでもあった。問い合わせた方に、製作方法などを教えたが、何度か連絡し合っている内に、自分が製作した方が手っ取り早いと考えた。このようなわけで、製作に取りかかった。今回紹介するＬＩＡは携帯型（ｍｏｂｉｌ）で、固定（ｆｉｘ）周波数型なので、本論文では「ＭＦ・ＬＩＡ」と呼称する。
写真１が完成したＭＦ・ＬＩＡ装置及び外部装置の外観である。右半分がＭＦ・ＬＩＡである。電源の００６Ｐ乾電池２本は、この基板の下に鎮座している。左側が、製作したＭＦ・ＬＩＡの調整及び動作試験のために作成した「周波数同期発光装置＋受光装置」である。重々しい名称ではあるが、実体は単なるＬＥＤ・ホトトランジスタ回路である。

写真１

ＭＦ・ＬＩＡの外観

本装置は非常に応用範囲が広いと思う。本論文では基準参照信号周波数（ロック周波数）は５００Ｈｚ仕様になっているが、ロック周波数を希望する周波数に、若干の抵抗とコンデンサを変更するだけで、簡単に変更できる。本論文を読めば容易である。
２．製作
ＭＦ・ＬＩＡの基本ブロック図を図１に示す。このブロック図は、参考文献（１），（２）のブロック図とほぼ同じである。ＬＩＡは日本語で書くならば、周波数同期・位相同期の微弱信号抽出装置である。ここでの周波数とはＬＩＡの供給する基準参照信号の周波数のことである。本装置では、この基準参照信号の周波数はｆ ０＝５００Ｈｚに固定する。この基準参照信号周波数で変調された何らかの信号は、測定するべき入力信号として本装置の入力信号端子に入力する。通常、この信号は微弱なので、適宜増幅される。その後、入力信号に混在している５００Ｈｚの成分以外を除去するために、通過周波数が５００Ｈｚに設定されているＢＰＦ回路を通過させる。通過した信号は乗算器に送られる。一方、基準参照信号を発振している発振器からのデューティ比５０％の矩形波は、適宜位相調整-1-ができる回路を通過させた後、同じく乗算器に送られる。これら２つの信号は乗算された後、その結果が出力される。この乗算と後段の平滑器との組み合わせにより、ＢＰＦをくぐり抜けてきている５００Ｈｚに近い周波数成分は、効率よく除去され、ほぼ５００Ｈｚで位相が同期した信号成分のみが、平滑出力されることになる。

入力信号

ＡＭＰ

TP1TP2ＢＰＦ
fb=500Hz

TP3TP1
基準参照
信号出力

出力

乗算器

反転器
TP7平滑器
TP8TP9位相反転
位相調整

分圧
TP5TP4

TP6５００Ｈｚ発信器
Ｄ比＝５０％

図１

ＬＩＡの基本ブロック図。

図２に回路図を示す。基準参照信号は、発振専用ＩＣであるＮＥ５５５で供給している。ｆ ０＝５００Ｈｚで、デューティ比＝５０％の矩形波を発振させている。ＮＥ５５５の使用方法は、その使用説明書に譲る。が、簡単な説明をしよう。外付け抵抗Ｒ１とＲ２をＲ １＝Ｒ ２（＝Ｒ）とすれば、発振矩形波のデューティ比は５０％となる。発振周波数はＲＣに比例する。本回路では、Ｒ１＝Ｒ ２＝２ｋΩ、Ｃ＝０．４７μＦとして、５００Ｈｚの周波数を得ている。が、このままでは、若干周波数はずれている。精度良く５００Ｈｚにするためには次のようにする。Ｃを取り付けて、５００Ｈｚの発振周波数より、若干周波数が高い当りまでとする。その後、小さい容量のコンデンサΔＣを、このＣに並列接続し、５００Ｈｚになるような値のΔＣを選択すればよい。なを、ＮＥ５５５の発信周波数が安定するまで電源を入れてから結構時間がかかるので、周波数の設定には、この周波数が安定してから行う必要がある。或いはＣに並列に適当な大きさのバリコンを入れるのも方法である。
このｆ０を基準参照信号の周波数として外部装置で利用する。外部装置からは、このｆ０の周波数で変調された信号が送られてくる。が、位相がずれている場合もある。本装置内でこの位相のずれを処理できるようにしている。ロジックＩＣ７４００で形成した回路が位相調整回路である。スイッチで±πの位相の選択をし、１０ｋＶＲで位相の微調整が行える。７４００からの出力レベルはＬレベルが０Ｖ、Ｈレベルが＋５Ｖ。乗算器（ＸＹ＋Ｚ＝Ｗを計算）ではＹ入力としてＬレベルは０Ｖ，Ｈレベルは＋１Ｖとする。抵抗分圧で、これを行っている。
入力信号端子からの信号は、余分な直流成分をカットした後、適宜に増幅が行える。その後、ＢＰＦにはいる。本装置では、ＢＰＦはＬＰＦとＨＰＦを直列接続することで形成している。カット周波数は共に５００Ｈｚに設定している。フィルター部の回路構成、回路素子の抵抗とコンデンサの値の選択については、参考文献（３）を参照してほしい。ＬＰＦ，ＨＰＦ共に、２段のバタワース型フィルターとなっている。図３、図４に、本フィルターの特性グラフを提示しておく。図３はＬＰＦとＨＰＦの周波数特製グラフである。縦軸はフィルターへの入力電圧Ｖ ｉｎとフィルタからの出力電圧Ｖｏｕｔの比Ｖ ｏｕｔ／Ｖ ｉｎをとっている。フィルタの利得は必ずしも１となっていない点には注意しておいて損はない。グラフにはバタワースフィルタが１段だけの時と、直列に２段使用した時の２つを示している。図２の回路図からわかるように、バタワース２段のＬＰＦとＨＰＦを採用し、ＢＰＦを形成している。
乗算器にはアナログデバイセズ社製のＡＤ８３５を使用している。必要な電源電圧は±５Ｖである。
Ｘ端子とＹ端子に入力した２つの入力電圧Ｘ，Ｙに、Ｚ端子での電圧が加算され、ＸＹ＋Ｚの結果がＷ端子に出力される。当初、Ｚ端子をアース電位としていた。つまりＷ＝ＸＹの出力としていた。入力電圧Ｘの値が大きいときには気が付かなかったが、電圧Ｘが小さいと、Ｗに混入しているオフセット電圧が目に付くようになった。そのため、Ｚ端子に、このオフセット電圧を除去するため、適当な電圧を印加できるように可変抵抗を用いてＺ端子に直流電圧を印加できるようにしている。Ｘ信号はサイン似波形、Ｙ電圧は５００Ｈｚで交互に０Ｖと＋１Ｖに切り替わるので、乗算器からの出力電圧
Ｗは半波整流型の電圧信号となっている。乗算器からの出力は積分器で平滑される。積分器の外付けのコンデンサＣの値の選定で、時定数は自在に設定できる。現在Ｃ＝１０μＦに設定している。選択は自由である。出力電圧をメーター、レコーダー、電圧計などで視認し、必要な応答特性、ノイズ特性とすればよい。
携帯型なので、ＡＣ１００Ｖは使用しない。電源には乾電池を使用する。ＡＤ８３５には±５Ｖの電圧が必要である。ロジックＩＣの電源電圧は＋５Ｖである。このようなことから、回路中のＯＰアンプの電源は、通常の±１２Ｖではなく、±５Ｖとすることにした。３端子レギュレータ７８０５を２個、００６Ｐ乾電池を２個使用して、±５Ｖを供給する。本回路の試験動作で確認したところ、＋６Ｖの電源時で、電流量は＋５５ｍＡ程度であった。従って、３端子レギュレータには７８Ｌ０５（供給電流量 約１００ mA）を使用する。
-2-

±５Ｖの電源の供給として、チャージポンプＩＣを使用して、１個の乾電池から供給することも考えられる。が、実は、本装置の仕様の１つには「低費用」もあることを付け加えなければならない。
この事からチャージポンプＩＣは使用しないこととした。１個数千円するので。

図２

本装置の回路図
-3-

1.5

１段ＬＰＦ

１段ＨＰＦ

２段ＬＰＦ

２段ＨＰＦ

1.0

Vout/Vin

0.50100Hz

10500Hz

図３1k周波数

フィルタ特定グラフ

10k100k

ＬＰＦとＨＰＦ

1.5

ＢＰＦ
1.0Vout/Vin

0.50500Hz

100Hz

10

図４1k周波数

フィルタ特性グラフ

10k100k

ＢＰＦ

TP1

入力信号

TP2増幅

Ｘ信号
TP3fb=500Hzの周波数成分だけがBPFを通過。位相のずれまではここでは処理できない

BPF出力

TP4
参照信号

ΔφTP5
必要ならば位相シフト

Ｙ信号
TP6+1V

Ｗ信号
TP7+1V

入力信号と参照信号が乗算される。

+1V

参照信号に位相同期した５００Hzの信号成分だけが平滑出力されるX信号×Ｙ信号

乗算出力

TP9平滑出力

図５

本装置の信号などの流れ図-4-

図５に、ＭＦ・ＬＩＡの信号等の流れ図を示している。左端のＴＰ・・は、図１のブロック図、図２の回路図中のテストポイントの箇所の番号である。この箇所をオシロスコープでモニターしていれば、流れ図が良く理解できよう。ＴＰ１は入力信号を直流カットした後の信号波形である。必要な５００Ｈｚの信号成分以外に様々な雑音成分も混入しているはずである。ＴＰ２は増幅後の波形。ＴＰ３では、５００ＨｚのＢＰＦを通過した信号波形が見られる。実際にはこのように、２つの波の電圧が見られるわけではない。略図である。５００Ｈｚ前後の信号の総和電圧波形のはずである。これが乗算器のＸ入力となる電圧である。ＴＰ４では５００Ｈｚの基準参照信号の矩形波がモニターできる。
ＴＰ５では、位相調整を行った後の矩形波がモニターできる。この矩形波は[０Ｖ〜＋１Ｖ]に電圧を低減され、乗算器に入力される。Ｙ入力となる。ＴＰ６で、この電圧波形をモニターできる。Ｙ信号
はＬレベルが０Ｖ，Ｈレベルが＋１Ｖなので、出力Ｗは、Ｙ＝０Ｖの間は、Ｘ×Ｙ＝０となり、Ｙ＝＋１Ｖの間は、Ｘ×Ｙ＝Ｘとなる。つまり、ＴＰ７のような半波整流型の波形が見られることになる。
ＴＰ７で、乗算器からの出力電圧波形がモニターできる。その後、この電圧波形は平滑器としての積分器に入る。位相が参照信号と合致した成分のみが積分器で残り、最終的に直流成分となった信号成分が出力される。ＴＰ９で、この電圧をモニターできる。
本装置の調整及び動作試験のため、図６のような簡単な装置を組み立てた。反射率の測定、則ち、反射体からの反射光の測定装置である。ＮＦ・ＬＩＡから、発光・受光装置に基準参照信号（５００Ｈｚ周波数の矩形波）を送り、発光ダイオードを５００Ｈｚで点滅させる。この光で反射体を照射し、反射光をホトトランジスタの受光回路で検出する。この信号を、本装置の入力信号として測定する。
図７が、試験のために作成した周波数同期式発光・受光装置の回路である。特に説明するまでもないであろう。外観は写真１の左側に見えている。通常安く入手できるホトトランジスタは、殆どが赤外領域に感度のピークを持っている。可視領域にピークを持つホトトランジスタは簡単には入手できない。入手しても比較的値が張ろう。ＴＰＳ６０１Ａの感度ピークは８００ｎｍであり、赤より長いが、十分に赤にも感度がある。そのため赤の発光ダイオードを使用している。
反射光
信号入力
端子

受光回路 ホトＴｒ
反射体

参基準照信号
出力端子

発光回路

ＭＦ・ＬＩＡ

発光・受光装置

ＬＥＤ
照射光

図６

試験装置の概略図

発光回路

受光回路

+3VE+3V

C

200Ω
TPS601A
赤色ＭＦ・ＬＩＡの基準参照信号端子から

図７

TPS601A

パルス入力
200Ω

出力
SC18151k

ＭＦ・ＬＩＡの信号入力端子へ試験測定のための同期式発光・受光装置の回路図

３．本装置の調整方法と使用方法
ロックインアンプで使用できる装置があれば、それを利用して、本ＭＦ・ＬＩＡの調整を行っても良い。無ければ、図７で示している発光・受光装置を作り上げよう。以降は、この装置を利用しての調整方法を説明する。調整なので、市販のＬＩＡ使用時と同じように、オシロスコープは必須である。
ＬＰＦ、ＨＰＦのカット周波数を５００Ｈｚに完全に一致させるのは極めて困難であり、またそれほど厳密に５００Ｈｚとする必要もない。共に５００Ｈｚ前後に、カット周波数が納まっていれば、十分である。±１０％以上でも大丈夫そうである。回路図に示しているＬＰＦ，ＨＰＦ部の抵抗とコンデンサの値で十分に５００Ｈｚ近傍のＢＰＦは形成されている。それは、フイルター特性を示している図３，図４からも理解できよう。とにかく回路図に示しているＲ，Ｃの値を持った回路を作り上げる。
調整方法（１）参照信号の発信周波数がほぼ５００Ｈｚで、デューティ比がほぼ５０％であることを、オシロ-5-

スコープで確認する。そうでなければ、前節で説明している方法などで、そのようになるように、調整を行う。
（２）図７で示している試験装置を組上げる。調整のためには、ＭＦ・ＬＩＡの入力信号は大きい方が便利である。そのように発光ダイオードとホトトランジスタを配置する。ＴＰ１でモニターしたとき、１Ｖもあれば十分であろう。なを、ＴＰ１でモニターした光信号は、サイン波形ではなく、矩形波に近い。デューティ比が５０％の矩形波で発光ダイオードを点滅しているからである。増幅部の１００ｋＶＲを調整して、信号の増幅・減衰を行える。ＬＰＦもＨＰＦも利得が１以上となっているので、増幅が大きすぎると、フィルター部で信号のオーバーフローが起こる。起こらないように、増幅部の利得調整用１００ｋＶＲを調節する。
（３）乗算器の出力端子Ｗの電圧はＴＰ７でモニターできる。半波整流型の電圧波形が見られるはずである。波形ができるだけ大きな半波整流型になるように 半波波形を見ながら、±π切替スイッチと、位相偏移用１０ｋＶＲで位相を調節する。
（４）出力端子ＴＰ９をオシロスコープでモニターする。テスターなどでも良い。平滑直流出力がモニターできる。ホトトランジスタへの入射光を遮断する。入力信号はゼロになっているはずなので、ＴＰ９の出力電圧は０Ｖとなるはずである。そうでなければ、オフセット電圧が大きいので、乗算器のＺ端子に接続している１００ｋＶＲを調整して、出力電圧が０Ｖとなるようにする。光りの遮断、入射を何度か繰り返し、オフセット電圧の除去を行う。
（５）光りの遮蔽をやめ、発光ダイオードとホトトランジスタの配置を換えて、ＴＰ１をモニターしながら、入力信号電圧が前述の電圧の１００分の１以下にする。オシロスコープの電圧レンジを必要なだけ上げることになろう。ＴＰ９で出力電圧をモニターする。ホトトランジスタへの入射光を遮蔽したり、遮蔽しなかったりを繰り返す。ＴＰ９の出力電圧が上下することを確認する。遮蔽したときに、オフセットがあるならば、乗算器の所の１００ｋＶＲで、遮蔽時に出力電圧が０Ｖとなるように微調整をする。これを繰り返す。
以上で基本的な調整は終了である。
使用方法
ＬＩＡの原理と、市販のＬＩＡについての使用経験がある方には、特に本ＭＦ・ＬＩＡの使用方法を説明する必要はないであろう。前述の調整方法が理解でき、調整が完了すれば、あとは各読者の利用目的に合わせて本装置を利用したり、組み入れたりすればよい。そうでない読者のために、利用にあたって注意すべき点を何点か列記する。
（１）入力信号の増幅率を設定しているのは増幅部の１００ｋＶＲである。入力信号が大きすぎると、信号のオーバーフローを起こす。入力信号の程度に合わせて、この１００ｋＶＲを調整し、オーバーフローが起こらないようにすること。
（２）出力に現れる直流のオフセット電圧が気になるならば、乗算器のところの１００ｋＶＲで、オフセット電圧を除去するように調整をすること。
（３）最終直流出力で、ノイズの除去能力を設定しているのは、積分器（平滑器）に外付けしているコンデンサである。回路図ではＣ＝１０μＦとしている。このコンデンサの値を大小することで、自在に時定数を変更することができる。利用状況・目的に合わせて選択することができよう。
４．終わりに思うところを列記する。
（１）乗算器にアナログデバイセズ社のＡＤ８３５（ＤＩＰ型）を使用している。価格は１７９０円であった。８４０円のＡＤ６３３があった。が、フラット型（基板表面実装型）であった。安いのには魅力があったが、試作段階であったので、ＡＤ８３５を使用した。もう１度製作するならば、ＡＤ６３３を使用するかも知れない。
（２）本ＭＦ・ＬＩＡの基準参照信号周波数は５００Ｈｚとしている。が、数Ｈｚ〜数百ｋＨｚの周波数に変更することは、何の苦労もない。希望するロック周波数をｆ ０とする。次のようにすればよい。
①ＮＥ５５５をｆ０で発振するように、Ｒ１＝Ｒ２（＝Ｒ）とＣを変更する。
②参考文献（３）を手引きにして、ＬＰＦ，ＨＰＦのカット周波数がｆ ０となるように、外付けの抵抗とコンデンサ群の値を設定する。
③位相偏移部のコンデンサと可変抵抗の値を適宜に変更する必要もある。が、それほど難しくはない。
適当な値のものを持ってきて動作試験を行えばよい。不調ならば値を変えるだけである。
以上で、任意の周波数でロックが掛けられるＭＦ・ＬＩＡとすることができよう。
-6-（３）電源について。本装置の制作費を安く抑えるために、±電源として、乾電池００６Ｐを２個使用している。長期間の使用においては、００６Ｐ乾電池の交換が頻繁に必要となろう。００６Ｐ乾電池は２００円から４００円程度である。頻繁に００６Ｐ乾電池を交換しなければならないような利用環境では、００６Ｐ乾電池の代わりに、チャージポンプＩＣを用いた方が、長い目で見れば結果的には安く済むであろう。チャージポンプＩＣを用いれば、相対的に安い値段の１．５Ｖの乾電池１本から±電源を簡単に供給できる。が、肝心のＩＣは１個数千円する。初期投資の金額がはるが、長い目で見れば、チャージポンプＩＣを使用した方が安く済むのかも知れない。
（４）本ＮＦ・ＬＩＡの制作費について。諸々を積算しても、３千円は超えていないであろう。
（５）乗算器であるＡＤ８３５は、電気部品などをインターネット販売している「ＲＳコンポーネンツ」から購入した。近年、秋葉原の部品専門店では、特殊なＩＣ等を店頭には置いていない。特殊なＩＣの購入には、下調べもできるので、インターネット販売で購入する方が便利である。
参考文献（１）「電子機器の自作（その４）−ロックインアンプの製作−」金野茂男、田崎義久、岩本宜久、
小山高専工業安全教育研究センター「工業安全に関する研究集録」Ｎｏ．１２，１９９１年、３３頁。
（２）「ロックインアンプの改良」徳吉由紀夫、金野茂男、小山高専工業安全教育研究センター「工業安全に関する研究集録Ｎｏ．１５，１９９４年、５０頁。
（３）「精選アナログ実用回路集」稲葉保、ＣＱ出版社、１９９１年、３１７頁、３３０頁。
（２００９年１２月２４日）-7-