- 특징 -
- 디지털처리로 인한 높은 안정성
위상안정도 0.01˚ /˚C, 게인 안정도 ±100ppm/˚C
- 1mHz부터 측정가능
적외선분광이나 온도응답 등 저속신호해석이 가능.
- 고속이면서 매끄러운 응답
최소시정 수 10μs, 동기필터장비, 설정전환에도 즉시 응답
- 복잡한 측정도 간단하고 확실하게 조작
자동기능, 알기 쉬운 키 배치, 대형표시기, 아날로그미터, 모디파이 다이얼 장비
- 2라인업
충실한 다기능 디지털 락인 앰프 LI 5640
기본성능을 심플하게 살린 이코노미타입 LI 5630
| 기능 | LI 5640 | LI 5630 | | 입력 | 전압입력 | ○ | ○ | | 전류입력 | ○ | － | | 참조신호 | 내부·외부·신호 | 외부 | | 출력 | 측정항목 | X, Y, R, θ, NOISE, AUX IN | X, Y, R, θ | | 수치, 미터, 외부DC출력 | 2출력 | 1출력 | | X, Y, R, θ 갱신레이트 | 256k샘플/초 | 256k샘플/초 | | 내부발진기 | ○ | － |
::::: 잡음에 붇힌 신호의 측정 :::::
1. 잡음에 묻힌 신호를 측정하려면
각종 물리량 (온도·가속도 등)의 측정은 센서에서 전기신호로 변환하여 분석기 (측정기)에 입력됩니다.
필요한 신호만을 얻는 것은 무척 어려우며, 보통 불필요한 신호(즉, 잡음)도 함께 측정됩니다. 잡음은
여러 곳에서 뒤섞여 들어옵니다.
잡음은 전기신호 뿐만이 아니라 측정하는 물리량 그 자체에 포함되는 경우도 있습니다. 또한
경우에 따라서는 목적 신호보다 훨씬 큰 레벨이 되는 경우도 있습니다. 측정하고자 하는 신호가
미소한 레벨이 되면 상대적으로 잡음이 커집니다.
여기서는 레벨이 다른 1kHz의 정현파 신호를 교류전압계로 측정한 결과를 살펴 보겠습니다.
신호로써 0.1Vrms의 화이트 노이즈를 했습니다. 일반적인 교류전압계와 미소신호측정 전용의
(특수한) 교류전압계인 락인앰프를 비교해 보겠습니다.
일반적인 교류전압계와 미소신호측정 전용의 (특수한) 교류전압계인 락인앰프를 비교해 보겠습니다.
일반적인 교류전압계는 잡음도 함께 측정합니다. 디지털멀티미터(DMM)로 측정해도 마찬가지
결과가 산출됩니다.그에 반해 락인앰프는 1,000배 크기의 잡음 속에 묻힌 목적신호 (1kHz 정현파)를
거의 정확하게 검출해냅니다.
2.[가인앰프]는 왜 잡음에 강할까요??
락인앰프가 잡음의 영향을 잘 받지 않는 이유는 잡음 (화이트노이즈)과 목적신호 (정현파)의 성질차를
잘 이용하기 때문입니다.
여기서는 화이트노이즈의 성질과 정현파의 성질을 정리하면서 락인앰프가 왜 잡음에 강한지를 설명합니다.
1) 잡음(화이트노이즈)의 성질 넓은 주파수 범위에서 거의 일정한 주파수 스펙트럼을 가지는 신호입니다. 순시레벨은 예상불가능한
랜덤치입니다.
2) 대역폭으로 측정전압이 변화
일반적인 교류전압계에서 화이트노이즈를 측정하면 화이트노이즈의 스펙트럼대역폭 (BandWidth : B.W.)
의 평방근 및 레벨에 비례한 값을 얻을 수 있습니다. 아래 그림의 물색 부분의 면적에 비례한 전압치가 됩니다.
똑같은 노이즈라도 밴드패스필터(BPF)로 대역을 제한하면 측정 전압치는 달라집니다.
측정된 잡음전압(Vrms)을 대역폭의 평방근으로 나눈 값은 잡음의 크기를 나타내는 단위로
잡음전압밀도(V/√Hz)라고 합니다. 대역폭을 1/100로 하면 측정되는 잡음전압은 1/10이 됩니다.
3) 정연파의 성질
■ 주파수 스펙트럼이 집중되어 있음.
1kHz의 정현파 신호 스펙트럼은 1kHz에만 존재하고 그 외의 스펙트럼레벨은 제로입니다.
■ 대역폭에 상관없이 측정 전압은 일정.
스펙트럼이 집중되어 있기 때문에 대역폭에 상관없이 일정한 전압이 측정됩니다. 다만
신호주파수가 대역 내에 존재해야만 합니다.
교류전압계로 측정한 전압은 대역폭에 상관없이 위 그림의 V가 됩니다.
4) 화이트 노이즈와 정현파 합성신호
화이트노이즈와 정현파신호가 가산된 신호라도 대역폭에 따른 측정전압은 각각 앞에서 설명한
것과 같이 동일합니다.
따라서 밴드패스필터의 대역폭을 좁히면 아래와 같이 됩니다.
- 측정하고자 하는 신호의 레벨은 변하지 않는다.
- 화이트노이즈의 크기는 감소한다.
- 험잡음(hum noise) 등의 주파수가 다른성분도 당연히 감소한다.
위의 사실에서 잡음에 묻힌 신호를 측정하기 위해서는 밴드패스필터의 대역폭을 좁히면 된다는
것을 알 수 있습니다.
대역폭을 1/N로 하면 잡음은 1/√N로 감소, 신호는 그대로이므로 결과적으로는 SN비 (신호잡음비)는
1/√N로 개선됩니다.
지금까지 「락인앰프는 잡음과 목적 신호의 성질차를 이용하여 잡음의 영향을 줄인다」는 것을 설명하기
위하여, 아래의 사항을 설명하였습니다. ("BACK"을 클릭하면 각 항목으로 되돌아갑니다)
- 잡음 (화이트노이즈)의 성질
- 정현파의 성질
- 화이트노이즈와 정현파의 합성신호로부터 밴드패스필터를 이용하여 목적 신호 (정현파신호)를 부각시킨다
밴드 패스 필터의 한계
■협대역화의 한계
측정하고자 하는 주파수만을 통과시키는 밴드패스필터를 사용함으로써 잡음을 억제하고 목적 신호를
부각시킬 수 있습니다.
그러나 밴드패스필터의 대역폭을 좁히는 것은 한계가 있습니다.
밴드패스필터에서 중심 주파수와 대역폭의 비를 Q라고 하고, 밴드패스필터의 성능 지수로 사용합니다.
Q가 클수록 대역폭이 좁고 잡음제거능력이 높아집니다. 그러나 일반적인 필터로 실현 가능한 Q는
100정도입니다. 1kHz의 중심주파수에 대하여 대역폭으로 10Hz 정도가 한계입니다. Q를 그 이상 크게
할 수 없는 이유는 필터를 구성하는 부품의 정도나 온도/시간 안정도에 한계가 있기 때문입니다.
이것을 락인앰프와 비교해 보겠습니다.
| Q (중심주파수/대역폭) | 중심주파수 | | 밴드패스필터 | 100정도 (10Hz@1kHz) | 고정 (가변은 힘듬) | | 락인앰프 | ～107 정도 (0.1mHz@1kHz) | 측정신호에 추종 |
락인앰프는 특수한 방법을 사용하여 Ｑ가 107 정도 (일반 밴드패스필터는 100 정도)이고, 중심주파수를
측정주파수에 자동으로 맞출 수 있는 밴드패스필터를 실현하였습니다.
::::::[락인앰프]는 어떤 구롲의 측정기입니깐? ::::::
락 인 앰프의 원리
락인앰프는 무선회로에서 널리 알려진 헤테로다인 기술을 이용하여 측정신호를 직류로 주파수 변환합니다.
헤테로다인에서 국발 (Local OSC) 이라고 하는 곱셈용 신호는 락인앰프에서 참조신호라 하고
외부에서 입력합니다. 락인앰프는 참조신호와 같은 주파수 성분을 검출합니다. 측정신호에
포함된 각 종 신호 중에서 참조신호 주파수와 같은 성분만이 직류가 되어 LPF를 통과할 수
있습니다. 다른 성분은 주파수≠0Hz의 교류신호로 변환되기 때문에 LPF에서 제거됩니다.
주파수 영역은 아래 그림과 같습니다.
락인앰프의 잡음제거 능력은 위 그림의 LPF의 컷오프주파수로 결정됩니다. 예를 들어 10kHz를
측정할 때 1mHz의 LPF를 이용하면 등가적으로는 10kHz±1mHz의 밴드패스필터를 사용할 때와
잡음제거능력이 동일해집니다. Q로 환산하면 5ⅹ106에 해당합니다. 이 정도로 높은 Q를 보유한
BPF는 제작이 불가능하나 락인앰프는 손쉽게 실현 가능합니다.
전항의 설명처럼 협대역 밴드패스필터 (BPF)는 중심주파수와 측정신호 주파수가 어긋나면
측정오차가 발생하여 최악의 경우에는 측정신호 그 자체도 제거해 버립니다.
이에 비해 락인앰프는 로패스필터의 컷오프주파수에 다소 문제가 있더라도 직류만 통과한다면
측정결과에 큰 영향을 미치지 않습니다. 밴드패스필터에 비하여 협대역 로패스필터는 실현하기가
쉽고 얼마든지 협대역화가 가능합니다. 그러므로 락인앰프는 잡음 속에 묻힌 신호 검출에 탁월합니다.
* 실제 락인 앰프는...
■ 곱셈기에는 PSD를 사용.
주파수변환은 곱셈으로 한다는 것을 앞서 설명드렸습니다. 일반 아날로그승산회로는 직선성이나
온도 안정도에 문제가 있기 때문에 실제 락인앰프에서는 스위치소자로 동기검파를 하여 주파수변환을
실현하고 있습니다. 스위치소자를 이용하는 동기검출회로를 PSD(Phase Sensitive Detecter)라고 하며
락인앰프의 심장부를 이루고 있습니다.
참조신호에는 방형파를 사용하고 참조신호에 동기하여 측정신호의 극성을 반전, 즉 ⅹ1/ⅹ(-1)을 전환합니다.
■ 위상조정이 필요.
PSD출력신호는 아래 그림과 같이 측정신호와 참조신호의 위상차로 인해 크게 달라집니다.
당연히 LPF출력 (락인앰프에 의한 계측치) 도 달라집니다.
위상차 0°이하에서는 측정신호 크기를 제대로 측정할 수 없습니다. 그러므로 참조신호와 측정신호
간의 위상차를 0°로 조절하여 PSD에 입력합니다. 이를 위한 회로를 위상변이회로(Phase Shifter)라고
하는데, 락인앰프에서는 빼놓을 수 없는 회로입니다.
상기 구성의 락인앰프는 「1위상 락인앰프」입니다. 진폭·위상을 제대로 측정하기 위해서는
위상변이회로를 조정하는 「위상조정」이 필요합니다. 참조신호에 90°위상을 어긋나게 한 2개의
PSD를 이용하여 위상조정이 필요 없도록 만든 「2위상 락인앰프」도 있습니다.
::::: [락인앰프]는 어떤 구조의 측정기입니까? :::::
■ 다이나믹리저브란?
보통 전압계에는 측정레인지가 있습니다. 10V레인지에서는 10V까지의 전압을 측정할 수 있으나 10V를
넘으면 레인지를 올려서, 예를 들면 20V레인지에서 측정합니다.
락인앰프도 전압계이므로 당연히 측정레인지가 있습니다. 그러나 락인앰프는 잡음에 묻힌 미소신호를
측정하므로 통상의 측정레인지 외에도 "다이나믹리저브"라고 하는 패러미터가 있습니다. 측정레인지의
몇 배까지의 노이즈를 허용할 수 있는가를 나타내는 것으로 이하의 식으로 정의합니다
대부분의 락인앰프는 측정신호에 맞추어 다이나믹리저브를 몇 단계로 바꿀 수 있습니다.
예를 들어 처음에 소개한 「0.1mVrms의 목적신호에 0.1Vrms(≒0.8Vp-p)의 노이즈가 중첩된
신호를 측정」하는 예에서는 측정레인지를 0.1mV레인지로 설정하면 78dB 이상의 다이나믹리저브가
필요합니다. |
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