Diseño de sistema de amplificación lock-in basado en FPGA para aplicaciones en laboratorios de óptica

MARCELO LUDA; JORGE CODNIA

La Plata

Congreso; 103ª REUNIÓN DE LA ASOCIACIÓN FÍSICA ARGENTINA; 2017

Asociación Física Argentina

La técnica de amplificación lock-in, también conocida como detección sensible a fase, se utiliza regularmente en laboratorios de enseñanza y de investigación para realizar mediciones de señales muy débiles. La misma consiste en modular una señal que excita a un sistema físico para luego medir la respuesta del sistema en la frecuencia de modulación. Para ello la señal de respuesta es multiplicada por la de modulación y luego se la filtra con un pasabajos. El filtrado selectivo permite mejorar la relación señal/ruido, aumentando la sensibilidad efectiva del proceso de medición.Existen múltiples formas de implementar esta técnica: mediante software, electrónica analógica o electrónica digital. En este trabajo se realizó una implementación en electrónica digital programable [2] (FPGA). Se aprovecharon las ventajas de la tecnología de dispositivos embebidos SoC (Sistema en Chip) para diseñar un sistema versátil, controlable de forma remota con una interfase web de operación o mediante scripts de programación. Para ello se utilizó la plataforma Red Pitaya (r) que provee un hardware con capacidades de conversión A/D en radiofrecuencia, un sistema operativo GNU/Linux embebido y la implementación de aplicaciones de osciloscopio y generador de funciones con una interfase web (liberadas como software libre).Se desarrollaron módulos FPGA para la generación de una señal de modulación de frecuencia f y para la demodulación de una señal de entrada en f, 2f y 3f, así como también filtros pasabajos con frecuencia de corte configurable, que permiten implementar la técnica de lock-in. También se desarrollaron elementos accesorios como filtros de procesamiento PID, un generador de barridos en voltaje y un sistema de (de)multiplexores para configurar entradas y salidas, lo que permite adaptar el dispositivo a múltiples implementaciones de laboratorio. Los módulos son controlados mediantes interfases web y por línea de comando mediante scripts en python o programas en C.Integradas, estas herramientas componen un kit versátil y económico para la realización de varias tareas típicas de los laboratorios de óptica, y de física e ingeniería en general: medición de señales mediante la técnica lock-in, sintonización y estabilización de variables de un sistema físico (como la frecuencia de emisión de un láser [3]) a patrones externos (como cavidades resonantes o transiciones atómicas/moleculares [4]), implementación de la técnica Pound-Drever-Hall [5], entre otras.Se corroboró la efectividad del diseño, utilizando frecuencias de modulación en el rango de 1 kHz a 30 MHz, pudiendo medir señales con una sensibilidad de 0.1 uV. Se realizaron ensayos de demodulación lock-in y estabilización de un láser a un patrón de gas de Rubidio como prueba de concepto. Las herramientas de control y adquisición desarrolladas resultaron útiles para la operación en tiempo real y para la adquisición de datos. La versatilidad que se incorpora a través de la interfase programable permitió extender las capacidades de control y medición, que entonces no se reducen solamente a la combinación de un osciloscopio y un amplificador lock-in. Como ejemplo se reporta una medición de horas de duración con resolución de milisegundo que fue almacenada de forma remota en un ordenador mediante streaming por red.