DIPLOMOVÁ PRÁCE Lock-in zesilovač 500 khz 10 MHz Petr Sládek
Princip a použití lock-in zesilovače Im koherentní demodulátor f r velmi úzkopásmový Re příjem typ. 0,01 Hz 3 Hz zesilování harmonických měřený signál lock-in zesilovač amplituda fáze signálů s nízkým SNR zesilování harmonických (měření THD, fluxgate,...) ref. signál A [db] frekvenční charakteristika lock-inu fref 1 (n/m)fref fref 2 f (Hz)
Teoretické schéma lock-inu syntéza cos sig DP X X 2 Y 2 amplituda sig DP Y ref syntéza sin arctan Y X fáze sig Pozn. DP X, Y určuje šířku přijímaného pásma.
Praktické realizační problémy Celkově: nemožné digitalizovat s ADC 18 bitů / alespoň 50 Msps (ADC neexistuje) syntéza cos sig DP X X 2 Y 2 amplituda sig DP Y ref syntéza sin arctan Y X fáze sig problémy: - přeladitelnost v rozsahu dvou dekád - vysoká ortogonalita problémy: - offset a drift offsetu směšovače, - NF šum problémy: - DC zesílení až +100 db, - NF šum >> VF šum, - offset zesilovačů
Jedno z řešení konstrukčních problémů: heterodynní lock-in měřený signál MUX VF zes. analog. násobička PP sig MF zes. - vznik vyšší fázové chyby, nutná kalibrace kalibrace fáze VGA /attenuator oscilátor XTAL nebo TCXO DDS sin konstrukčně stejné pásmové propusti nízkofrekvenční lock-in 1-50kHz referenční signál PP ref MF reference čítač XOR násobička MCU digitální LIA přeladitelnost: - automaticky digitálně řízená DDS - měření ref. kmitočtu zabudovaným čítačem - nižší šum 1/f - offset a drift se neuplatní - AC zesílení až +100 db, - nižší šum 1/f - offset zesilovačů se neuplatní
Blokové schéma MF části REF clk BNC +,- stínění mixer+mf zesilovač LPA vstupní diferenciální zesilovač LDA pre-bandpass 1 st order bandpass LBPM-0 pregain postgain kalibrace fáze envelope ADC 18bit SAR attenuator XTAL DDS XOR bandpass LBPM-0 LIFD PLL envelope MCU COUNTER (CPLD) schmitt trigger ref. MF frekvence power supply filter konektor D-SUB15
Změřené parametry VF diferenciálního předzesilovače amplitudová char. přenos (db) 5 4,8 4,6 4,4 4,2 4 3,8 3,6 3,4 3,2 amplitudová frekvenční charakteristika LDA (vstupní diferenciální zesilovač) 3 100 1000 10000 100000 frekvence (khz) plochost 0-10 MHz: 0,1 db (nízká citlivost)
Změřené parametry VF diferenciálního předzesilovače - CMRR 80 CMRR diferenciálního stupně LDA (pag=3,ifg=5, low sens) CMRR (db) 70 60 50 40 30 20 100 khz 75 db 1 MHz 68 db 10 MHz 47 db 10 0 10 100 1000 10000 100000 frekvence (khz)
Změřené parametry MF bloku amplitudová charakteristika 50 45 40 amplitudová frekvenční charakteristika pro různá PAG vysokofrekvenčního předzesilovače - digitálně nastavitelné zesílení) přenos (db) 35 30 25 20 15 10 5 ifg=4, pag=1, low sens ifg=4, pag=2, low sens ifg=4, pag=3, low sens ifg=4, pag=4, low sens ifg=4, pag=5, low sens ifg=1, pag=4, high sens 0 100 1000 10000 100000 frekvence (khz)
Změřené parametry MF bloku, normalizovaná amplitudová charakteristika normalizovaná amplitudová frekvenční charakteristika pro různá PAG VF předzesilovače 2 1 plochost 0-10 MHz: 1 db (nízká citlivost) přenos (db) 0-1 -2-3 -4-5 ifg=4, pag=1, low sens ifg=4, pag=2, low sens ifg=4, pag=3, low sens ifg=4, pag=4, low sens ifg=4, pag=5, low sens ifg=1, pag=4, high sens plochost 0-10 MHz: 3 db (vysoká citlivost) 100 1000 10000 100000 frekvence (khz)
Změřené parametry MF bloku, fázová charakteristika změna fáze pro různá PAG 120 fáze (deg) 100 80 60 40 20 ifg=4, pag=1, low sens ifg=4, pag=2, low sens ifg=4, pag=3, low sens ifg=4, pag=4, low sens ifg=4, pag=5, low sens ifg=1, pag=4, high sens nízká citlivost vysoká citlivost 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 frekvence (khz)
Změřené parametry MF bloku, širokopásmová dynamická rezerva (DR) rezerva (db) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 dynamická rezerva v širokém pásmu (Vin=100 uv,1 MHz, do chyby údaje 5 %) - bez použití programovatelné pasivní pásmové propusti - MF 1 khz MF 20 khz MF=1 khz MF=20 khz Pozn. signál 70 db nad vlastním šumem zesilovače tj. ještě +40 db k DR pro pásmo 5 % noise floor, tj. DR cca 110 db 0 0,1 1 10 100 1000 10000 frekvence (khz) >70 db
Změřené parametry MF bloku, šumová hustota šum (nv/rthz) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 naměřená šumová hustota v závislosti na frekvenci MF= 1 khz MF= 20 khz 0 10 100 1000 10000 frekvence (khz) vliv DDS>>
Parametry - shrnutí šířka pásma: 70 khz 10 MHz, plochost: 1 db dynamický rozsah -1 až 130 db CMRR 100 khz: 75 db, 1 MHz: 68 db šum teoreticky 10 nv/rthz, změřeno 25-30 nv/rthz dynamická rezerva 60 110 db grupové zpoždění MF bloku typ. 18 ns, zvlnění 3-5 ns (f) možnost zesilování harmonických (pomocí měniče frekvence n/m) digitální signálové rozraní a řídící rozhraní UART
diferenciální zesilovač LDA 9,5 db nebo 30 db FastFET AD8065 bipol. AD8021 Fotografie rozebraný díl MF bloku
digitálně programovatelný filtr LP, HP Fotografie rozebraný díl MF bloku
digitálně programovatelný vysokofrekvenční předzesilovač Fotografie rozebraný díl MF bloku
signálový směšovač, oddělovač, detektor amplitudy Fotografie rozebraný díl MF bloku
mezifrekvenční filtry 1 khz,20 khz (signálové a referenční) Fotografie rozebraný díl MF bloku
mezifrekvenční digitálně programovatelný zesilovač 0 až +80dB Fotografie rozebraný díl MF bloku
digitální registr se sériovým rozhraním Fotografie rozebraný díl MF bloku
Fotografie rozebraný díl MF bloku JTAG pro CPLD (nahoře) ISP pro AVR (dole)
Fotografie MF blok PLL blok pro konverzi referenčního signálu M * f r nebo f r / N ADF4001 a TLC2933A
CPLD XC9572XL čítač pro měření referenční frekvence s ref. oscilátorem 50 MHz (72 MHz) Fotografie MF blok
AVR ATmega128 mikrokontrolér a rezonátor 6 MHz Fotografie MF blok
DDS AD9834, RLC filtry, dif. zesilovač AD8132 Fotografie MF blok
digitalizace MF ADC AD7982 18bit Fotografie MF blok
Fotografie rozvod napájení ±5 V, ±12 V, digitální 5 V
Fotografie MF blok s napájecím zdrojem
Děkuji za pozornost.