Σχεδίαση και Υλοποίηση Ψηφιακού Lock-In Amplifier για Μαγνητόμετρο Fluxgate

Abstract

Η μέτρηση ασθενών μαγνητικών πεδίων στην περιοχή του νανοτέσλα απαιτεί την ανάκτηση ε νός σήματος που βρίσκεται βαθιά μέσα στον θόρυβο. Το μαγνητόμετρο πύλης-ροής (fluxgate) αντιμετωπίζει το πρόβλημα μεταφέροντας την πληροφορία του πεδίου στη δεύτερη αρμονική της διέγερσης, όπου μπορεί να εξαχθεί με φασικά ευαίσθητη ανίχνευση (phase-sensitive detection, PSD). Η ανίχνευση αυτή υλοποιείται παραδοσιακά είτε με αναλογικά κυκλώματα είτε με εξειδι κευμένα όργανα lock-in, λύσεις με υψηλό κόστος και περιορισμένη ευελιξία. Στην παρούσα εργασία σχεδιάζεται και υλοποιείται ένας πλήρως ψηφιακός phase-sensitive detec tor για μαγνητόμετρο fluxgate, με εξαρτήματα ευρείας διαθεσιμότητας και μικροελεγκτή γενικής χρήσης. Η αλυσίδα του σήματος περιλαμβάνει τη γεννήτρια κυματομορφής AD9833 και τον ε νισχυτή οδήγησης LM7332 για τη διέγερση στα 10 kHz, τον ενισχυτή οργάνων INA828 για τη λήψη, και τον μετατροπέα ταυτόχρονης δειγματοληψίας AD7606-4. Η επεξεργασία εκτελείται εξ ολοκλήρου στο firmware ενός ESP32-S3, με δειγματοληψία 100 kSPS κλειδωμένη σε χρονιστή υλικού. Το κεντρικό στοιχείο της εργασίας είναι ότι ολόκληρη η φασικά ευαίσθητη ανίχνευση εκτελείται σε λογισμικό: κλείδωμα στη συχνότητα διέγερσης, ορθογώνια αποδιαμόρφωση I/Q στη δεύτερη αρμονική, βαθυπερατό φιλτράρισμα και εξαγωγή πλάτους και φάσης, χωρίς αναλογικό αποδιαμορ φωτή και χωρίς εξωτερικό όργανο lock-in. Ο ανιχνευτής παραμένει κλειδωμένος στη διέγερση καθ΄ όλη τη διάρκεια της λειτουργίας και αποδίδει την τιμή του πεδίου σε πραγματικό χρόνο, με ρυθμό περίπου 24 αποτελεσμάτων ανά δευτερόλεπτο, ενώ η δειγματοληψία των 100 kSPS τρέχει αδιάλειπτα σε παράλληλη εργασία. Το όργανο βαθμονομήθηκε με πηνίο Braunbek και χαρακτηρίστηκε πειραματικά. Η ευαισθησία είναι 72.08 mV/µT με μη γραμμικότητα 2.6% πλήρους κλίμακας. Ο θόρυβος της εξόδου είναι 12.2 nT rms σε εύρος ζώνης 1 Hz, ενώ η απόκλιση Allan ελαχιστοποιείται στα 0.68 nT για μεσοποίηση περίπου δύο λεπτών. Σε συνεχή καταγραφή 48 ωρών το όργανο κατέγραψε την ημερήσια μεταβολή του γεωμαγνητικού πεδίου, σε συμφωνία με έξι γεωμαγνητικούς σταθμούς (συντελεστής συσχέτισης 0.992 με τον πλησιέστερο), με σταθερή φάση και χωρίς απώλεια δε δομένων. Η αποτίμηση του θορύβου της ίδιας της αλυσίδας ανάγνωσης δίνει στάθμη τρεις τάξεις μεγέθους χαμηλότερη από τη μετρούμενη, δείχνοντας ότι το όριο τίθεται από τον αισθητήρα και το αθωράκιστο περιβάλλον και όχι από τα ηλεκτρονικά.