Compact embedded for lock-in measurements and experiment active control

Abstract

Presentamos un kit de herramientas multipropósito para procesamiento digital, adquisición y control de retroalimentación, diseñado para laboratorios de física. El kit proporciona, en un dispositivo compacto, las funcionalidades de varios instrumentos: generador de funciones, osciloscopio, amplificador lock-in, filtros proporcional-integral-derivativo, generador de rampa-scan y control lock-in. El diseño combina procesamiento de matriz de puertas programable en campo y programación de microprocesadores para lograr precisión, facilidad de uso y versatilidad. Puede operarse remotamente a través de la red con diferentes niveles de control: desde una sencilla interfaz gráfica de usuario web estándar hasta control remoto mediante scripts o programación interna del dispositivo. En este trabajo se presentan tres ejemplos de aplicaciones en espectroscopía láser y experimentos de lock-in láser. Los ejemplos incluyen el lock-in de franjas laterales, el lock-in de picos mediante demodulación lock-in, modulación y demodulación completas Pound-Drever-Hall internas a 31,25 MHz y ejemplos avanzados de adquisición, como la transmisión de datos en tiempo real para almacenamiento remoto.

We present a multi-purpose toolkit for digital processing, acquisition, and feedback control designed for physics labs. The kit provides in a compact device the functionalities of several instruments: function generator, oscilloscope, lock-in amplifier, proportional-integral-derivative filters, ramp scan generator, and a lock-control. The design combines field-programmablegate-array processing and microprocessor programing to get precision, ease of use, and versatility. It can be remotely operated through the network with different levels of control: from simple off-the-shelf Web graphical user interface to remote script control or in-device programmed operation. Three example applications are presented in this work on laser spectroscopy and laser locking experiments. The examples include side-fringe locking, peak locking through lock-in demodulation, and complete in-device Pound–Drever–Hall modulation and demodulation at 31.25 MHz and advanced acquisition examples like real-time data streaming for remote storage.

Apresentamos um kit de ferramentas multifuncional para processamento digital, aquisição e controle por realimentação, projetado para laboratórios de física. O kit fornece, em um dispositivo compacto, as funcionalidades de vários instrumentos: gerador de funções, osciloscópio, amplificador lock-in, filtros proporcional-integral-derivativa, gerador de varredura em rampa e um controle de lock-in. O projeto combina processamento de matriz de portas programável em campo e programação por microprocessador para obter precisão, facilidade de uso e versatilidade. Pode ser operado remotamente pela rede com diferentes níveis de controle: desde uma simples interface gráfica de usuário pronta para uso na Web até controle remoto por script ou operação programada no dispositivo. Três exemplos de aplicações são apresentados neste trabalho sobre espectroscopia a laser e experimentos de lock-in a laser. Os exemplos incluem travamento de franja lateral, travamento de pico por demodulação lock-in e modulação e demodulação Pound-Drever-Hall completas no dispositivo a 31,25 MHz, além de exemplos avançados de aquisição, como streaming de dados em tempo real para armazenamento remoto.