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