§位相検波器／低価格版§

（あくまで参考です：電源は含みません）

＊＊測定器には色々有り，数多くが市販されているが
　　　波形の三要素、即ち振幅（電圧等），周波数（周波数成分），位相
　　　だが、殆ど単独での位相計は市販が極めて少ないようだ。
　　　電圧計と組合わせたベクトルメータとも云う。
　　　多くの周波数分析器、インピーダンス計、ネットワーク分析計の
　　　測定アイテムとして記載はされているが。
　　　ひとつの要因として簡単に校正が出来ないのも一因だ。
　　　インピーダンス・抵抗・電圧・周波数は，比較的比較対応の
　　　入手が易しいが，位相標準器は高価で，あまりカタログに載っていないようだ。
　　　周波数区分的に低中周波と高周波帯に分類され
　　　１ｈｚ〜数百ＫＨＺ：１Ｍ〜ビデオ帯：高周波帯に製品として分類・製作される。
　 　　市販品モジュールも有るが、位相角と出力電圧は直線的ではなく
　　　(乗算型なので）出力はコサイン状に変化するので、変換または
　　　テーブル変換が必要に成り、面倒な上に２回の変換を必要とするので
　　　使いがっては良く無さそう。又、周波数があがってくると位相(乗算器）も
　　　シフトして来るので、レンジ切り替えと、位相補正コンデンサの切り替えも
　　　必要。

＊＊動作状の分類として測定部のみか、発信器内蔵かに分かれるる。
　　　位相は簡単に言えば，基準波との時間差を角度にした物だから
　　　必ず基準信号が必要で，内蔵品か別途用意するかだ。
　　　分析方法的にはデジタル演算で導く物。
　　　アナログ乗算・ＰＬＬ回路の応用した物・サンプリングで低周波に
　　　変換し低周波の位相検波で出力するもの。
　　　抵抗器ブリッジとＢＴＬ信号源で抵抗値と電圧比で出す方法。
　　　差動ＡＭＰの変形応用した物。アナログ／デジタル演算で行う物。
　　　スペック的には範囲：＋−１８０度　精度：＋−０．１度位が多い。
　　　検波部分のモジュールも市販されているが，例えば理化学分析
　　　や、物性分析でｔａｎδや誘電体分析で使用する場合もう少し
　　　分解能が欲しい。特に〇度近辺が。
　　　気お付けないといけないのは、振幅依存性が大なり小なり
　　　あるので、手動で振幅調整するか、自動振幅調整機能を
　　　付けて0.1ｄＢ以下にしないと、使い物にならない物が多い。

＊＊デジタル演算で行う：高速のサンプリングでＡ−Ｄ変換を
　　　するか，２ＣＨのＡＤで同時ＳＡＭＰＬＥする。
　　　時間の関数として基準波・被測定波の計測を行い、ＤＳＰ又は
　　　パソコンで演算する。１周波数に対し５−１０波を
　　　計り、ピークかバレー（最大・最低値）の時間から
　　　周期を演算し時間差を角度に変換する。
　　　最大のメリットは入力電圧の管理があまり要らない事。
　　　各種波形に対応可能かつ正弦波の場合
　　　多少の歪やノイズが，演算処理で行える事だ。
　　　但しハードの価格とＳＯＦＴの製作が必要。
　　　物性試験機等の出力は，ＯＦＦＳＥＴやノイズが混入している
　　　と考えて良く、そのままでは使用出来ない事が多い。
　　　但しＡＤ変換・フイルタプログラム・ＦＦＴ等使えるレベルに
　　　持って行くのは、相当に大変そうだ。
　　　例えばＢＩＴ数をどこまで上げるか。
　　　チョット前までは、デバイスのコストやＢＩＴ落ちの問題も有り
　　　１２ＢＩＴクラスが多かった。デジタル演算では完全に０から
　　　０までのサンプル取得は難しいので、窓関数の問題が
　　　発生してくる。取り込んだ波形をノイズフイルタ処理と補完
　　　処理の後に０から０までの数波形分ＤＡＴＡを新たに作成し
　　　そこで演算後、振幅と位相を、基準波･被測定波を求め
　　　解を求めるが、微小位相の場合に実測と乖離している場合が
　　　多い。単純な積み上げでは無理があるようだ。
　　　物性試験機のような、周波数成分が１００ｈｚ以下
　　　の様な場合に限ると言える。
　　　アナログ演算処理した場合の方が早い解決の場合もある。
　　　信号の振動数や帯域によって、選択するしかない。
　

＊＊ハード（機器を使用か作製する）を使用。
　　　原則として入力波形は歪が小さく（１％以下が望ましい）
　　　Ｓ／Ｎが良い事が前提となる。
　　　基準信号併設の場合はＤＤＳで正弦波を作れば０ポインが
　　　ハッキリするのので基準位相出力０．００１度もそれ程
　　　難しくない。
　　　別の方法として、サンプリングで行う方法だ。
　　　現在１００Ｍ帯の発信モジュールも安価に手に入るので、
　　　このＰＵＬＳＥで入力をサンプリングする。出力には、
　　　入力レベルに対応したサンプルパルスが出てくるので
　　　サンプルパルスがマイナス極性からプラスに転じたところが
　　　０ポイントなので、次の０ポイント検出まで数えて、
　　　基準波と被測定波のカウント差が位相量(時間換算）
　　　となる。別の方法として信号に１００ＭＨｚパルスを加算しても良い。
　　　この場合も信号が０点を境にして振幅が急転するので
　　　コンパレートし易い。信号のみだと変化が緩く、そのままだと
　　　コンパレータ時間が遅れるので。更にスライサーｏｒリミッターで
　　　入力波形を制限した方が、処理しやすい。
　　　誤差は１カウント１０ｎｓだから、１Ｋｈｚ（１ｍＳ）では
　　　１Ｅ−３と１Ｅ−８故に１Ｅ−５となり、１周期は３６０度なので、
　　　３．６Ｅ−３＝０．００３６度となるが、１００Ｋｈｚでは０．３６度
　　　なり、１ＧＨｚ使用で0.036度(理想状態で）。
　　　この場合は振幅依存性が強くないのであるが、高速動作デバイス
　　　が必要となり、検証・調整・評価に高価な測定器が必要になることである。
　　　うまくアナログＩＣ等を活用すれば、比較的楽かも知れないが、
　　　課題も多い。
　　　周波数が低い時、処理はしやすいが時間が長くかかる。
　　　例えば１Ｈｚの時、検波出力が安定するのに１０波長分は
　　　必要となり１０秒掛かる。実用的では無い。乗算器で波長を
　　　逓倍するか、Ｓ／Ｈ回路を使用するかだが、
　　　それでも１０ＨＺくらいが下限になっているのは、この辺の理由による。　
　　
＊＊自作の場合の参考資料　
　　　レンジは通常＋−１８０度だが、方式により＋−３６０度
　　　や＋−９０度かが決まる。
　　　周波数範囲は１０ＨＺ〜２００ＫＨｚと想定する。
　　　参考文献はインターネットにも役に立ちそうな資料は少ない。
　　　ＰＬＬや変復調・フイルタの本に少しずつ出ている程度。
　　　比較的作り易そうなのは、ゼロポイント検出法と
　　　アナログスイッチを使ったスッチング法で，後者は
　　　多くのロックインアンプに多用されている。
　　　因みにどこかでの時点で入力波をパルス化する必要があるが、
　　　ＯＰ　ＡＭＰの一種の高速コンパレータを使用するかシュミットゲートを
　　　利用するかだ。後者の魅力はとにかく低価格につきる。
　　　４回路・２入力・シュミットＮＡＮＤが３００￥以下で入手出来る事。
　　　しかも２５+-１０度くらいの範囲では閾値が安定している。
　　　配線パターンと電源電圧に注意する必要とヒステリシスの
　　　ＶＨ／ＶＬが決まっており変更出来ないので，対称波形が必要な場合
　　　ＦＦで分周する。立ち上がりは早く実測で１０ｎｓ以下だ。
　　　高速コンパレータの場合は設計自由度が大きい。
　　　但し発振対策とＯＦＦＳＥＴの考慮が必要。１、０００￥以下で
　　　５〜１０ｎｓが入手出来る。現在では７００Ｐｓクラスも１，０００￥
　　　以下で購入可能。精度を上げるにはミキサで周波数を下げるか、
　　　サンプリングで周波数を落とすのが良いのだが、例えば１Ｈｚ
　　　の場合、平滑回路が安定するのに１０周期くらい必要とする為、
　　　１０秒掛かるが、これはかなりキツイ。
　　　通常、試験装置等は１秒が限度の感じだ。
　　　位相角が１０のー５乗を求める用途も有るので、
　　　低周波の位相検波も考えて於かねばならない。
　　　パルス化した場合Ｒ−Ｓ　ＦＦやＥＸ−ＯＲで位相演算するか、
　　　PLL ICの位相比較＋チャージポンプ部を利用するかだ。
　　　但しいかに、正弦波を周波数が変化しても同一条件で
　　　方形波に変換するか。ＰＬＬの場合はそこまでは求めないので
　　　いいのだが、基準波と被測定波を同一条件で整形するのは
　　　かなり難しい。
　　　ＩＣの値段は安く３００￥以下でＯＫ。
　　　仮に１８０度時１０Ｖ出力で０度時１ｍＶの検出ノイズとすると、
　　　１８０度Ｘ１ｍＶ／１０Ｖで位相換算分解能は０．０１８度で
　　　電源・ノイズ・デバイス等多少強化すれば０．００５度（但し全体帯域は
　　　難しいかも知れないが）は実現できるかも知れない。

　　　一例：ブロック図

　　ＩＮＰＵＴ　ＡＭＰ−−＞リミッタＡＭＰ−−＞０点補償・整形回路−−＞位相演算ーー＞ＬＰＦ−−＞ＤＣ　出力

＊＊＊現在２〜３万程度で上記ＳＰＥＣを満足できるＵＮＩＴを開発中！！
　　　　完成したら，報告する予定。