Os amplificadores lock in têm extrema importância em laboratórios de instrumentação para testes em equipamentos. Tal amplificador tem como função principal recuperar sinais de amplitudes extremamente baixas e realizar medida de fase deles, bem como gerar um sinal de erro para funcionar como correção em outras partes de um sistema completo de instrumentação. O amplificador aqui mostrado será utilizado em experimentos de física atômica, tendo como função gerar um sinal de erro para outras etapas de um sistema completo de driver de laser de diodo, esse sinal servirá como correção para o sistema.
Para o circuito funcionar, ele precisa gerar a forma de onda que modula todo sistema, ou seja, precisa ter a mesma referência de frequência para modular um laser e realizar o batimento do sinal (demodulação) na etapa final de geração de erro do circuito. Tendo isso em vista, este sistema opera com frequência na faixa dos 100 kHz, podendo variar 10% por conta do tipo de oscilador utilizado, mas isso não é problema, uma vez que o batimento do sinal recuperado na entrada do circuito é feito na mesma frequência do sinal de modulação.
No projeto há possibilidade de ajustes grosso e fino de fase, sendo o grosso para os valores 0º, 90º, 180º e 270º em relação ao sinal original de modulação, e uma faixa de aproximadamente 15º (ajuste fino) dentro de cada fase grossa.
O ajuste de velocidade de atuação do filtro de saída regula o quão rápida será a resposta de visualização de mudanças de fase no sinal de entrada. Nossa visualização gera um nível DC de 0 V (para sinal em fase), -10 V (para sinal pelo menos 180º defasado) e +10 V (para sinal pelo menos 0 ou 360º defasado). Para sinais defasados em 90º ou 180º, os níveis são de +5 V ou -5 V, respectivamente, com pequenas variações para mudança de fase de menor magnitude.
O circuito é composto pelos seguintes blocos:
- Geração de modulação (circuito oscilador com ponte de Wien) - ~100 kHz;
- Conversão senoidal / quadrada para atuar nos circuitos digitais;
- Filtragem e amplificação do sinal de entrada (~100 kHz);
- Demodulação do sinal de entrada (AD630);
- Filtragem do sinal demodulado e geração do sinal de erro para que a próxima etapa do sistema de driver possa gerar a correção necessária para estabilizar o laser;
- Geração de um sinal de visualização da magnitude da defasagem do sinal lido na entrada do circuito a partir do sinal de erro.
O circuito possui uma banda de aproximadamente 20 kHz.
Na figura 1 temos o diagrama de blocos do lock in projetado:
Em versões anteriores, o circuito realizava a demodulação com frequência de 50kHz e utilizava como "coração" um demodulador a base de duas chaves digitais e dois amplificadores operacionais. Subsitituimos esse demodulador pelo AD630, que tem internamente toda estrutura montada com os circuitos anteriores. Podemos observar na figura 2 a placa de circuito do lock in:
Figura 2: PCB do Lock in.
Figura 3: Geração do sinal de modulação (oscilador por ponte de Wien) e conversores do sinal senoidal em quadrado.
Figura 4: CIs para fazer ajuste de fase fino (74HC123) e grosso por seleção (74HC125). 74HC123 envia sinal para o AD630
Figura 5: Filtros de entrada e AD630 (demodulador).
FIgura 6: filtros de saída (sinal de erro e saída de visualização).
Figura 7: Montagem frontal do amplificador.
Simbologia:
FG - Fase Grosso;
AT - Velocidade de Atuação;
GE - Ganho do sinal de Erro;
GM - Ganho da modulação;
FF1 - Fase Fino 1;
FF2 - Fase Fino 2;
Erro - Saída do Sinal de Erro;
Mon - Saída de Monitoramento;
Mod - Saída de Modulação;
FI - Entrada do fotodetector (sinal de entrada).
Agora, mostrarei algumas imagens com sinais correspondentes ao funcionamento do Lock in:
Figura 8: Sinal de modulação gerado pelo oscilador Wien interno do lock in.
Figura 9 e 10: Sinal de batimento no AD630 para realizar demodulação.
Figura 11: Injetando o sinal de modulação na entrada do circuito e fazendo ajustes finos de fase obtemos o seguinte sinal na saída de erro:
Figura 12: Saída de monitoramento, sinal pequeno, entrada e demodulação praticamente em fase.
Figura 13: Sinal fora de fase (180º) , saída de monitoramento:
Abaixo, um vídeo demonstrando a resposta da saída de monitoramento com frequência de entrada no Lock in em 150 kHz e fazendo mudanças bruscas e repentinas de fase, na tentativa de simular algumas condições em que o sinal de erro é gerado e a fase do sinal é alterada.
Concluímos então que o Lock in é um amplificador que recupera sinais extremamente pequenos em meios ruidosos e que ele pode além de recuperá-los e de gerar um sinal de erro para atuar em sistemas de correção, também, o Lock in pode gerar sinais para termos uma ideia do quão fora de fase está nosso sinal em análise e com isso fazermos as devidas correções.
O projeto é open source e encontra-se disponível em meu Github: https://goo.gl/XoXn8k