Fluxgate magnetometr se zpracováním signálu v jednočipovém mikrokontroléru

Abstract

Tato práce se zabývá návrhem tříosých fluxgate magnetometrů, které využívají digitální zpracování signálu. Princip zpracování signálu je založen na synchronní detekci druhé harmonické a následné diskrétní integraci detekovaného průběhu. Na rozdíl od předcho-zích řešení založených na FPGA, signálových procesorech či ASIC, využívá tato práce pro zpracování signálu mikrokontrolér STM32G474. V práci jsou navrženy tři verze magnetometru. První se zaměřuje na minimalizaci externí elektroniky a snížení ceny za pomoci interních operačních zesilovačů zvoleného mikrokontroléru. Tato verze dosa-huje šumu 934 pT/Hz^0.5 @ 1 Hz a nelinearity 384 ppm. Druhá verze nahrazuje interní operační zesilovače za externí s cílem snížit šum první navržené verze. Změnou operač-ních zesilovačů se snižuje šum na 159 pT/Hz^0.5 @ 1 Hz. Třetí verze dodatečně nahrazuje interní DA převodník mikrokontroléru za externí, jehož výstupní napětí je řízené stří-dou PWM signálu z mikrokontroléru. Ke generování PWM signálu je použita periferie HR timer, která díky vysokému rozlišení umožňuje nastavovat analogové napětí s vyš-ším rozlišením než integrovaný DAC. Tato verze dosahuje šumu 96 pT/Hz^0.5 @ 1 Hz a nelinearity 139 ppm.

This thesis deals with the design of three-axis fluxgate magnetometers which utilize digital signal processing. The signal processing is based on synchronous detection of the second harmonic followed by discrete integration of the detected waveform. Unlike previous solutions, which are based on FPGAs, signal processors or ASICs, this work uses the STM32G474 microcontroller for signal processing. Three versions of the magnetometer are proposed and designed. The first is focused on minimizing external electronics and reducing cost by utilizing the internal operational amplifiers of the chosen microcontroller. This version achieves noise of 934 pT/Hz^0.5 @ 1 Hz and nonlinearity of 384 ppm. The second version replaces the internal operational amplifiers with external ones in order to reduce the noise of the first designed version. By changing the operational amplifiers, the noise is reduced to 159 pT/Hz^0.5 @ 1 Hz. The third version additionally replaces the internal DAC of the microcontroller with an external one, whose output voltage is controlled by the HR timer peripheral. This alternative achieves higher resolution than the integrated DAC. The achieved noise is 96 pT/Hz^0.5 @ 1 Hz and a nonlinearity of 139 ppm.