Prezentace MF bloku

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 2Y 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 2Y 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.