projects 2022

Lock-in ressurection (lock-in zmrtvýchvstání )

V rámci vědecké činnosti a průmyslové spolupráce potřebujeme často měřit šum námi vyvíjených fluxgate senzorů magnetického pole. Běžně používáme komerční lock-in zesilovač (např. SR830 thinkSRS.com) doplněný o vlastní konstrukci budící jednotky a LabView software pro zpracování dat. Komerční lock-in má ale nějaké nevýhody (velký, těžký, drahý, s velmi hlasitým kvílejícím ventilátorem, zbytečně univerzální…).

Vznikla tedy idea vytvořit téměř jednoúčelovou konstrukci specificky určenou pro výše uvedený účel. Tedy nízkošumový zesilovač s nastavitelným zesílením, AD převodník a FPGA obstarávající funkci lock-in zesilovače v číslicové doméně, to celé doplněné o modul buzení, čímž odpadne trápení s referenčním vstupem, který bude “vnitřní”. Jako poslední doplněk bude modul s DA převodníkem pro zpětnovazební kompenzaci, což by z celého zařízení učinilo jednoosý digitální fluxgate magnetometr.

Návrh, sestavení a oživení potřebných analogových HW modulů bylo již provedeno, stejně jako rozpracování základních bloků číslicového zpracování signálů – s použitím kitu Lattice MachXO2-7000HE a modulu pro ovládání a komunikaci (s uživatelem i PC) – založeného na STM32 Nucleo. Cílem projektu je dokončení implementace ve VHDL, kompletní elektrické a mechanické sestavení a testování. Ideálně též úprava existující aplikace v LabView pro finální zpracování dat.

Konkrétní popis činnosti
FPGA – naprogramovat čítače pro generování excitačních průběhů (řízení H-můstku), řízení vyčítání dat z AD převodníku přes SPI, číslicové násobení těchto dat se vzorky ideální sinusovky (to vše pro několik různých frekvencí), dolnopropustný filtr (FIR, IIR), odesílání dat do modulu STM32, případně integrace dat a delta-sigma modulátor pro přidání extra bitů k 20-bitovému DAC ve zpětnovazebním modulu (opět řízen přes SPI).

MCU – naprogramovat jednoduchý GUI pro základní ovládání přístroje (frekvence, amplituda excitace, nastavení vstupního zesilovače, posílání naměřených dat do PC, jednoduché orientační zobrazení naměřených dat v časové oblasti)

LabView -úprava existujícího software, který data z lock-inu přijímá přes VISA knihovnu a GPIB sběrnici, na příjem přes virtuální sériový port…

Proč si vybrat tento projekt?

Konečně pořádně zjistíte, co znamená to sprosté slovo “lock-in”, získáte/zlepšíte znalosti programování ve VHDL, porozumíte signal processingu, zažijete trochu pekla při boji s STM32 a STM32CubeIDE… Zjistíte, že při hodinové frekvenci 50+MHz již hraje zpoždění signálu v magnetickém izolátoru velkou roli, nebo že udělat dobrý a funkční digitální filtr typu dolní propust nemusí být ani s výkonným FPGA úplně jednoduché…

…tedy, není to určeno pro slabé povahy a mátohy : – )

Další info? napište mi mail petruvoj@fel.cvut.cz nebo se po domluvě stavte v lab.73…

Compensation current source board, 20-bit native resolution, will be expanded to 24-26-bits by PWM-delta/sigma modulation.
Fluxgate sensor excitation unit – H-bridge output, step-down converter with LDO with variable output voltage.
Analog front-end board (low-noise input amplifier, variable gain post-amplifiers, 20-bit ADC, low-noise symmetrical power supplies ).
Dual-axes flat-ring-core fluxgate sensor for testing.
Whole set with FPGA dev-kit board and STM32 Nucleo board.
Bread-board with shift-register used in the excitation unit – test of control before going on real circuit…
LabView GUI for testing.