UHF演算ユニット

Zurich Instrumentsはロックインアンプとボックスカー計測の結果を演算処理する初の機能ユニットを導入します。UHF演算ユニットは各UHF機器に含まれますが、もちろんUHF-BOXやUHF-PIDがインストールされるような上級アップグレードでその機能が増加します。

4つの演算ユニット

  • 50以上の入力パラメータ
  • 加算、減算、乗算、除算復調器サンプル(X、Y、R、Θ)
  • 加算、減算、乗算、除算復調器サンプル
  • ボックスカー出力サンプル(要UHF-BOXオプション)
  • 任意の直交座標復調器出力の極座標変換
  • 固定係数と倍率としてのAUX入力
  • AUX出力コネクタでの利用可能な結果とPID入力(要UHF-PIDオプション)
  • ホストコンピュータへの高速ストリーミング

4つの演算ユニット (AU) は復調器、ボックスカーユニット、AUX入力コネクタの計測結果を入力パラメータとして、リアルタイムの操作を可能にします。UHFLIを例に挙げると、2系統の信号入力と合計8つのデュアルフェーズ復調器で50以上の異なる入力パラメータを結合する機会を提供します。可能な演算は加算、減算、乗算、除算、スケーリング、さらに複素数の絶対値と位相角計算(例:1 + i*Y2)等です。

LabOneの統合

LabOneユーザーインターフェース内の専用タブは4つの演算ユニットに対応します。このユニークな統合環境により、演算の迅速なグラフィカル定義と結果のリアルタイムの表示が可能となります。これらの結果は確かにホストコンピュータが設定できるレートでのストリームで送られ、ホスト上でハードディスクに保管されるか、もしくはタイムドメインか周波数ドメインかのどちらかで解析されます。そのツールが LabOne:

  • プロッタ
  • スイーパ
  • 数値データ
  • ソフトウェアトリガ

AUの使用は特に演算操作の結果が直接実験的設定にフィードバックされるようなアプリケーションにおいて有効です。例えば演算結果がPIDコントローラの入力として直接使用される場合(要UHF-PIDオプション)や、AUX出力のどれかに直接利用可能な場合等です。結果はAUX出力にも使えるので、復調器の入力としての選択もできます。それはタンデム復調の第2ロックインステップを許可します。

幅広いアプリケーション

平衡検出:差動計測によるノイズ抑制

\(c_0\cdot\{R_2,X_2,Y_2,\Theta_2\} - c_1\cdot\{R_1,X_1,Y_1,\Theta_1\}\)

差動信号計測はある程度のノイズ成分をキャンセルする強力な方法で、信号のS/N比を改善します。この方法はかなり普遍的で幅広い状況に適用できます。例えば光学領域において、レーザーの分光法と画像の設定がレーザーの振幅雑音によって制限される場合等です。これらの制限を打破するために、レーザービームを実際のセットアップを通過するプローブビームと、通過しない参照ビームに分離し、別々のフォトダイオード (PD) でキャプチャします。電子PD信号を差し引いて、両ビームに共通するノイズ成分をキャンセルし、周期信号(パルスレーザー、ヘテロダイン等)の計測に不要なDC成分も除去し、ストリームのより詳しい信号解析を改良できます。

フォト電流を直接減算する程2つのPDを充分近くに設定できない場合は、ロックインアンプの2つの入力に接続して同1設定の2つの復調器で計測します。特に発振器とフィルタの設定を同じにします。復調器の出力の減算により、計測信号のコヒーレント雑音を減じ、S/N比を増加します。

このスキームの1つの制限は、2つのライトビームの強度を慎重に合わさなければならないことで(対称検出セットアップを想定)、その場合にノイズの抑制効果が最大になります。プロセスは退屈かも知れませんが、プローブビームの伝送で重大な変化を経験する設定用に、自動バランスアプローチは計測の全過程に渡ってノイズ抑制を維持するために有用です。これは実信号より低い帯域幅(LP、ローパスフィルタ)でスケーリングパラメータをゆっくりと変化させることで達成できます。例えばg = LP(Rsig)/LP(Rref) です。結果の信号はc0 * Rsig - g * Rrefとして得られるでしょう。c0は調整できる倍率で、性能を最大化します。

正規化と相対測定

\(\frac{R_1}{R_2}\)

信号自体が数桁に渡る変化をする間に、2つのサンプル間での微小な違いを検出する必要がある場合での計測では - そう珍しいことでは無く、例えばインピーダンスと光学伝送の計測等 - 2信号の分割による相対測定が関係する計測量の経過を適切に追う助けになります。また実際の信号レベルとは別に、数字上のスケーリングにより信号を増幅することが簡単にできます。これは信号がPIDコントローラでさらに処理されて実験的設定にフィードバックを供給する場合でも便利です。このような状況では信号レベルが変化してもコントローラのパラメータをそのたびに再調整する必要はありません。これは例えば分光法の設定で用いられます。その場合はレーザー周波数を調節して定義されたガスセルの光の透過を起こします。

AMおよびFM信号用変調パラメータ出力

  • \(R_m=\frac{\sqrt{(X_2+X_3)^2+(Y_2+Y_3)^2}}{R_1}\) (正規化したAM変調)
  • \(R_m=\frac{\sqrt{(X_2-X_3)^2+(Y_2-Y_3)^2}}{R_1}\) (正規化したFM変調)
  • \(h_{AM}=\frac{X_1}{X_2}\) (AM変調インデックス)

振幅、周波数もしくは位相変調信号のような多重周波数信号の解析には直接側波帯抽出が簡便に行えます。UHF-MODオプションは復調出力X、Yをキャリア(復調器1)と側波帯(復調器2、3)に独立して供給します。実験に最初の2つの側波帯を含む全信号が必要な場合はいつでも、今やそれは簡単に決定できますし、キャリアを正規化すらできます。側波帯の加算(AMの場合)もしくはおのおのの差(FMの場合)によって、1つの側波帯での計測に比べてS/N比が√2要因改善できます。

デュアル周波数レゾナンストラッキング (DFRT)

\(R_1-R_2 \)

信頼できるレゾナンス周波数トラッキングはしばしばフェーズロックループに依存します。その位相情報を利用して高速フィードバックを行います。しかし、物理的要因によって位相信号のS/N比がフィードバックに不充分な場合や曖昧な場合、例えば領域境界で位相が180度反転するような極性物質の近接場スキャニングのようなケースがあります。

位相信号に頼る代わりに、デチューンした2つの周波数のレゾナンスを調べ、レゾナンス中心周波数の右側と左側の1番急峻な傾斜を見つけます。2つの信号の大きさの違いにより、エラー信号をPIDコントローラに知らせる優れた手段が実現できます(要UHF-PIDオプション)。DFRT方法ブログ記事に、実際の実装の詳細情報が掲載されています。

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