[Tanya 4]

Нет, достаточно сделать равными времена работы ключа. Тут нужен коммутатор 3 - 1. 1 такт +1, второй -1, остальное время (до следующей вспышки) 0 - т.е вход интегратора на 0.

А еще полезно встречно включить идентичный приемник, который бы видел только фон.

Пусть хоть процентов 80 фона убъет - и то +.

Что-то с тремя состояниями интегратора не уяснил. Как эти такты соотнести с фазой импульсов света?

Насчёт идентичного компенсирующего ФД думал, не получается. Если направить его в другую сторону, его могут заслонить и разность засветок изменится непредсказуемо. Если в том же направлении - вообще смысла нет. Вот, может, применить RGB-сборку (хоть MCS3AO фирмы MAZeT, я с ними работал). Тогда G- и B- уровни можно использовать для компенсации. Тоже недешёвое решение... Кроме того, если бы у меня был зелёный лазер, тогда да...

Поясняю... Имеется в виду, что во время импульса коммутатор подключает на вход интегратора сигнал с датчика , потом такое же точно время инвертированный сигнал (так вычитается фон). В третьей фазе на вход подается ноль пока лазер не вспыхнет - первая фаза.

По поводу компенсирующего датчика. Не зная Вашей геометрии и географии, трудно сказать, куда его направить. Может на небо? Такой подход имеет смысл, если компенсацию вводить до усилителя, чтобы снизить требования к его линейности.

[Herz 5]

Поясняю... Имеется в виду, что во время импульса коммутатор подключает на вход интегратора сигнал с датчика , потом такое же точно время инвертированный сигнал (так вычитается фон). В третьей фазе на вход подается ноль пока лазер не вспыхнет - первая фаза.

Надо понимать, первая фаза - со включенным лазером, вторая (в точности той же длительности) - с выключенным, и оставшееся время (лазер выключен) - третья фаза. Наверное, имеет смысл, если импульсы света короче пауз. При меандре третья фаза не нужна, верно?

 

Итак, по рекомендациям участников обсуждения:

Начну с модулятора. Поскольку каждый импульс обмерять не надо, МК от функции модуляции освободить, генератор применить внешний, заодно меандр обеспечить проще. Частоту модуляции повысить килогерц до 15-ти - 20-ти, но оставить кратной 50 Гц. Синхроимпульсы с генератора через фазовращатель - на ключ интегратора.

Приёмник. Трансимпедансное включение ФД со смещением (подачей на неинв. вход ОУ). ОРА350 не подойдёт, подобрать высоковольтнее. За ним ключ и интегратор.

Естественно, интегратор надо с шунтирующим резистором, а еще лучше фильтр второго порядка на одном ОУ. Тогда небольшая неидеальность меандра приведет просто к постоянному смещению. Что не страшно.

Тут непонятно. Вместо интегратора фильтр? Или после?

И, наконец, сигма-дельта АЦП. (какой? нужно ли привязывать частоту сэмплирования к частоте модуляции?) Кроме того, интегратор, фильтр - уже входят в сигма-дельта, ими бы воспользоваться...

[MosAic 0]

Выслушайте IMHO :)

 

Вам потребуются:

1) Оптика с хорошим полосовым оптическим фильтром с полосой около 50 нм (лучше интерференционным, но дороже). Впрочем, это можно отложить до готовности электроники.

2) В качестве излучающего элемента следует взять светодиод, а не лазер т. к. он имеет очень линейную зависимость ток-излучение, причем практически от ноля.

3) Фотодиод с обратным смещением + резонансный предусилитель на несущую частоту с очень узкой полосой (порядка 1 Гц) и пиковый детектор после него. В качестве резонансного элемента я бы попробовал применить часовой кварц. Входной каскад лучше сделать на малошумящем полевом транзисторе с pn-переходом.

4) Сигнал с выхода пикового детектора (его постоянная времени, как уже говорилось, порядка 1 с) стабилизировать путем регулировки излучаемой мощности светодиода. Таким образом выходным сигналом будет амплитуда тока в светодиоде.

 

Думаю получится очень большой динамический диапазон. Постоянная составляющая засветки восприниматься не будет вообще. Основной вклад в шумы будет вносить дробовой шум детектора, но мы так сильно сузили полосу пропускания устройства, что это будет очень маленькая величина, несколько больше sqrt(2*q*I), где I - ток засветки, q - заряд электрона.

 

P.S.

По поводу книжки - переносится на завтра. Под рукой только английские, но где-то есть и русская, ищу.

[Herz 5]

Выслушайте IMHO :)

Спасибо. По этому поводу:

1) Оптика с хорошим полосовым оптическим фильтром с полосой около 50 нм (лучше интерференционным, но дороже). Впрочем, это можно отложить до готовности электроники.

С таким?

2) В качестве излучающего элемента следует взять светодиод, а не лазер т. к. он имеет очень линейную зависимость ток-излучение, причем практически от ноля.

Есть подозрение, что спектр светодиода тоже зависит от тока и в требуемом диапазоне пик может сместиться более, чем на 50 нм.

3) Фотодиод с обратным смещением + резонансный предусилитель на несущую частоту с очень узкой полосой (порядка 1 Гц) и пиковый детектор после него. В качестве резонансного элемента я бы попробовал применить часовой кварц. Входной каскад лучше сделать на малошумящем полевом транзисторе с pn-переходом.

Интересная мысль. Может, в книжке будут примеры, хотелось бы взглянуть, как это решается схемотехнически. И почему пиковый детектор, а не интегратор?

[MosAic 0]

Фильтр неплохой, но "тарапица не нада" :) Когда электроника заработает станет ясно насколько нужно упираться в этом направлении.

 

Спектр светодиода слабо зависит от тока, даже очень слабо. Он ведь работает на эффекте спонтанного излучения. Эта зависимость скорее связана с повышением температуры кристалла. Насколько помню, характерное смещение максимума излучения в рабочем диапазоне температур порядка 20 нм. Но лучше смотреть даташник. Есть вариант как учесть смещение спектра, несмотря даже на присутствие светофильтра и неравномерности характеристики фотодиода - мониторный фотодиод.

 

В книжке есть много примеров, но именно такого, пожалуй, нет. Придется немного дофантазировать. А теория изложена очень хорошо.

 

Про интегратор я не понял. Несущая частота 16384 Гц, постоянная составляющая отсекается разделительным конденсатором. Модулируя амплитуду тока в светодиоде удерживаем постоянной амплитуду сигнала после фотоприемника - эдакий "трансимпедансный антиМДМ усилитель" (шутка ;))

[Stanislav 0]

То есть, имеется в виду трансимпедансное включение со смещением, как предлагал DS_?

Да, верно. Только нужно бы предполагаемую схему выложить, дабы был повод... поправить. :)

Я бы порекомендовал Вам ещё ознакомиться с устройством усилителей фототока для... пультов ДУ. :) Надо сказать, они неплохо отстраиваются от помех. Правда, у Вас требования пожёстче, но некоторые принципы можно взять на вооружение.

 

3) Фотодиод с обратным смещением + резонансный предусилитель на несущую частоту с очень узкой полосой (порядка 1 Гц) и пиковый детектор после него. В качестве резонансного элемента я бы попробовал применить часовой кварц.

Боюсь, 1 Гц получить нереально. Даже с с кварцем и умножителем его добротности - такая схема будет очень неустойчивой, а уж звон на резкие перепады освещённости давать - ой-ой. Кроме того, часовые кварцы сильно плывут с температурой, в приёмнике потребуется АПЧ, что приведёт к усложнению системы.

 

Входной каскад лучше сделать на малошумящем полевом транзисторе с pn-переходом.

4) Сигнал с выхода пикового детектора (его постоянная времени, как уже говорилось, порядка 1 с) стабилизировать путем регулировки излучаемой мощности светодиода. Таким образом выходным сигналом будет амплитуда тока в светодиоде.

Мне кажется, что способ, предложенный Вами, имеет несомненные достоинства, но нуждается в некоторой доработке.

 

Во-первых, смущает применение пикового детектора, из-за его плохой помехоустойчивости. Удовлетворительный результат можно получить только при очень узкой полосе приёма, что, как я уже и писал, сделать весьма затруднительно.

Во-вторых, вместо фильтра на часовом кварце я бы изготовил гетеродин на нём же, дающий квадратурные составляющие (можно даже на цифровых микросхемах). Далее - комплексный перемножитель, простейшие фильтры НЧ и дешевый двухканальный медленный сигма-дельта АЦП. Всю остальную обработку вести в цифре, с помощью недорогого МК. Об оптимальных методах обработки уместно поговорить позже. Можно обойтись и без перемножителя и гетеродина, тактируя АЦП удвоенной частотой модуляции, но это может быть неудобно.

В-третьих, вряд ли возможно обеспечить постоянный уровень сигнала фотодетектора при малой отражающей способности объекта. Сам принцип, конечно, неплох, но следует доработать его для этого случая (измерений при неизменном предельно допустимом токе через СД). Тоже лучше делать в цифрЕ.

[_artem_ 0]

3) Фотодиод с обратным смещением + резонансный предусилитель на несущую частоту с очень узкой полосой (порядка 1 Гц) и пиковый детектор после него. В качестве резонансного элемента я бы попробовал применить часовой кварц.

 

Боюсь, 1 Гц получить нереально. Даже с с кварцем и умножителем его добротности - такая схема будет очень неустойчивой, а уж звон на резкие перепады освещённости давать - ой-ой. Кроме того, часовые кварцы сильно плывут с температурой, в приёмнике потребуется АПЧ, что приведёт к усложнению системы.

 

 

Если фильтр делать как комбинацию активного и второго на переключаюших кондерах (допустим штук 8 на частоту 30 кГц) используя один и тот же кварц (30 * 8) как задаюший генератор для фильтра и модуляционный для светодиода - проблем с нестабильностью частоты вроде бы не должно быть

при узкой полосе задаваемой переключаюшимся фильтрoм.

[DS 0]

Тут непонятно. Вместо интегратора фильтр? Или после?

И, наконец, сигма-дельта АЦП. (какой? нужно ли привязывать частоту сэмплирования к частоте модуляции?) Кроме того, интегратор, фильтр - уже входят в сигма-дельта, ими бы воспользоваться...

 

Фильтр вместо интегратора. Постоянная времени не менее 10 полных периодов измерения АЦП. Это надо, чтобы в принципе избежать неприятностей с переносами спектра шума. Фильтр в АЦП докончит дело. На входе дельта-сигма сигнал не должен меняться за время между его внутренними сэмплами более чем на один квант, поэтому фильтр на входе нужен.

 

С часовым кварцем не стоит здесь экспериментировать - я думаю, что устройство выйдет слишком сложным, а сигнал/шум он не добавит т.к. все равно его придется ставить после фотодиода.

А вот просто подрезать полосу перед "знакоменятелем", например гираторным фильтром можно, но не очень узкополосным, чтобы фаза не вертелась от температуры и прочих дрейфов.

 

При 6000 Гц бессмысленно синхронизировать с сетью - это не телевизор с 50 герцовой разверткой, где биения могут быть огромными. Частоту выше 20 - 30 Кгц не задирайте - проблемы с быстродействием ТИ операционника начнуться.

 

Если будете работать от напряжения 10 В и больше - берите ad825, он хоть и старый но для данного дела, как показало множество экспериментов, подходит лучше всего.

 

У сведодиодов спектр может быть и постоянным, и плавать. Все зависит от технологии изготовления диода - их сейчас очень много. Сверхъяркие диоды уже имеют структуры, весьма похожие на лазерные. Но при прочих равных яркость лазера поболе будет.

[MosAic 0]

То есть, имеется в виду трансимпедансное включение со смещением, как предлагал DS_?

Да, верно. Только нужно бы предполагаемую схему выложить, дабы был повод... поправить. :)

Я бы порекомендовал Вам ещё ознакомиться с устройством усилителей фототока для... пультов ДУ. :) Надо сказать, они неплохо отстраиваются от помех. Правда, у Вас требования пожёстче, но некоторые принципы можно взять на вооружение.

 

3) Фотодиод с обратным смещением + резонансный предусилитель на несущую частоту с очень узкой полосой (порядка 1 Гц) и пиковый детектор после него. В качестве резонансного элемента я бы попробовал применить часовой кварц.

Боюсь, 1 Гц получить нереально. Даже с с кварцем и умножителем его добротности - такая схема будет очень неустойчивой, а уж звон на резкие перепады освещённости давать - ой-ой. Кроме того, часовые кварцы сильно плывут с температурой, в приёмнике потребуется АПЧ, что приведёт к усложнению системы.

 

Входной каскад лучше сделать на малошумящем полевом транзисторе с pn-переходом.

4) Сигнал с выхода пикового детектора (его постоянная времени, как уже говорилось, порядка 1 с) стабилизировать путем регулировки излучаемой мощности светодиода. Таким образом выходным сигналом будет амплитуда тока в светодиоде.

Мне кажется, что способ, предложенный Вами, имеет несомненные достоинства, но нуждается в некоторой доработке.

 

Во-первых, смущает применение пикового детектора, из-за его плохой помехоустойчивости. Удовлетворительный результат можно получить только при очень узкой полосе приёма, что, как я уже и писал, сделать весьма затруднительно.

Во-вторых, вместо фильтра на часовом кварце я бы изготовил гетеродин на нём же, дающий квадратурные составляющие (можно даже на цифровых микросхемах). Далее - комплексный перемножитель, простейшие фильтры НЧ и дешевый двухканальный медленный сигма-дельта АЦП. Всю остальную обработку вести в цифре, с помощью недорогого МК. Об оптимальных методах обработки уместно поговорить позже. Можно обойтись и без перемножителя и гетеродина, тактируя АЦП удвоенной частотой модуляции, но это может быть неудобно.

В-третьих, вряд ли возможно обеспечить постоянный уровень сигнала фотодетектора при малой отражающей способности объекта. Сам принцип, конечно, неплох, но следует доработать его для этого случая (измерений при неизменном предельно допустимом токе через СД). Тоже лучше делать в цифрЕ.

Хорошо, что подключились к обсуждению этого варианта. Несомненно, замечания очень дельные и мне очень интересно Ваше мнение. Давайте тогда обсудим три варианта реализации и выясним какой более предпочтителен (а может появятся и другие):

 

1) Фильтрация в цифре, как Вы и предложили. Наверняка хорошо реализуется.

2) Уменьшение несущей частоты до разумного компромисcа с уровнем розового шума и реализация аналоговой фильтрации с полосой 1 Гц. Этот вариант требует проработки на предмет сложности реализации по сравнению с первым - это единственное потенциальное преимущество.

3) Превратить систему в генератор т. е. построить, например, кварцевый генератор с обратной связью через оптический канал и поддерживать его амплитуду постоянной регулируя излучаемую мощность и/или усиление приемника (кстати, можно в некоторых пределах и добротностю резонатора). Этот вариант родился вчера вечером.

 

Кстати, кто знает каковы свойства (добротность) низкочастотных кварцевых резонаторов? У меня валяется несколько штук на единицы кГц, советского периода, в небольших стеклянных колбах с гибкими выводами. Интересно.

 

Книжка в upload/DOCs - Микрофотоэлектроника.rar

[Herz 5]

Хорошо, что подключились к обсуждению этого варианта. Несомненно, замечания очень дельные и мне очень интересно Ваше мнение. Давайте тогда обсудим три варианта реализации и выясним какой более предпочтителен (а может появятся и другие):

 

1) Фильтрация в цифре, как Вы и предложили. Наверняка хорошо реализуется.

2) Уменьшение несущей частоты до разумного компромисcа с уровнем розового шума и реализация аналоговой фильтрации с полосой 1 Гц. Этот вариант требует проработки на предмет сложности реализации по сравнению с первым - это единственное потенциальное преимущество.

3) Превратить систему в генератор т. е. построить, например, кварцевый генератор с обратной связью через оптический канал и поддерживать его амплитуду постоянной регулируя излучаемую мощность и/или усиление приемника (кстати, можно в некоторых пределах и добротностю резонатора). Этот вариант родился вчера вечером.

Давайте, я тоже вмешаюсь. :)

1) Цифровую фильтрацию программно мне будет реализовать непросто - программист я посредственный, с алгоритмами цифровой фильтрации не работал, а привлечь в помощь пока некого.

И времени на изучение сейчас нет. Так что, разве только ЦФ, встроенные в АЦП, "железные".

2) Может, быть, не обязательна полоса 1 Гц? Действительно, мне сложно представить, как это реализовать. Вот это нельзя использовать?

3)Должен отметить, что фазовыя задержка тракта получается весьма большой. В прежних опытах получал значения более 1 мкс. Возможно, будет, даже больше. Допустимо ли это для построения кварцованного генератора?

Несмотра на красоту и оригинальность Вашей идеи (даже идей) со светодиодом, её проверку "в железе" пока оставлю "на потом". Это потребует времени и переделки уже готовых частей конструктива. (Да и очень трудно бороться с собственными стереотипами, поверьте. )

(Моя признательность Вам от этого ничуть не меньше).

Книжка в upload/DOCs - Микрофотоэлектроника.rar

Я не понял, где это. На всякий случай: доступа к FTP у меня нет. Она большая по объёму?

[Herz 5]

Я бы порекомендовал Вам ещё ознакомиться с устройством усилителей фототока для... пультов ДУ. :) Надо сказать, они неплохо отстраиваются от помех. Правда, у Вас требования пожёстче, но некоторые принципы можно взять на вооружение.

В ПДУ несколько другая специфика... Во-первых, ИК, к дневному свету они практически слепы; во-вторых, там задача распознать код, а не измерить амплитуду импульсов. Мне кажется, это существенное отличие. Но ознакомлюсь поближе обязательно.

Во-вторых, вместо фильтра на часовом кварце я бы изготовил гетеродин на нём же, дающий квадратурные составляющие (можно даже на цифровых микросхемах). Далее - комплексный перемножитель, простейшие фильтры НЧ и дешевый двухканальный медленный сигма-дельта АЦП.

Нельзя ли чуть развить эту мысль?

И, как Вы думаете, ADS1252 подойдёт? Или, может, ADS1210? Цена здесь не играет роли.

Изменено 26 мая, 2006 пользователем Herz

[Stanislav 0]

Во-вторых, вместо фильтра на часовом кварце я бы изготовил гетеродин на нём же, дающий квадратурные составляющие (можно даже на цифровых микросхемах). Далее - комплексный перемножитель, простейшие фильтры НЧ и дешевый двухканальный медленный сигма-дельта АЦП.

Нельзя ли чуть развить эту мысль?

И, как Вы думаете, ADS1252 подойдёт? Или, может, ADS1210? Цена здесь не играет роли.

Возможно, я немного поторопился. Придётся забежать немного назад.

Передатчик, как уже и писали, лучше всего сделать с модуляцией яркости луча в диапазоне 10-30кГц (цифра очень приблизительная) током прямоугольной формы. Важно: излучающий диод должен иметь возможно большее отношение пикового рабочего тока к среднему.

Система приёма, близкая к оптимальной (то есть, дающая наилучшее отношение С/Ш из всех возможных), мне видится принципиально состоящей из четырёх последовательно включенных блоков:

1. Фотодетектор с оптическим фильтром на нужный частотный диапазон;

2. Линейный усилитель-преобразователь с хорошим динамическим диапазоном (можно селективный, или ФВЧ, только добротность не должна быть большой);

3. Синхронный детектор с простым ФНЧ на выходе. Если нет прямой возможности синхронизации приёмника и передатчика, тогда детектор придётся делать квадратурным, с удвоением "железа". И тот, и другой могут быть реализованы на аналоговых ключах, но об этом позже;

4. АЦП и система обработки сигнала и выдачи данных на МК. Обработка не будет сложной - почти всё необходимое реализовано в аналоге.

Стоит обратить внимание на предложение MosAic о петле регулировании мощности - оно позволит снизить требования к динамическому диапазону системы. Хотя, здесь также могут быть подводные камни.

Сейчас времени нет, прервусь.

[Herz 5]

Пока предварительные соображения:

- в качестве источника излучения пока всё-таки будет использоваться лазер, в ключевом режиме, т.е. со 100% модуляцией. Частоту модуляции предполагаю не выше 20 кГц, кратной 50 Гц и степени двойки. Кстати, есть ли смысл согласовывать её с тактовой частотой для АЦП?

- с усилителем фототока, кажется, всё понятно. Осталось лишь выбрать и заказать ОУ, видимо, это будет АD825, как советовал DS_. Оптический фильтр тоже постараюсь заказать.

- склоняюсь к применению ADS1210. ИМХО, более гибкий, хоть и не такой компактный, как ADS1252. (Это то, что есть в наличии. Если надо, закажу другие). Скорость сэмплирования - самая низкая.

Перед ним- полнодиференциальный ОУ для увеличения динамич. диапазона. Ещё не вибирал. Если прямо на нём ФНЧ не получится, то перед ним - отдельный ФНЧ второго порядка. Кстати, может, UAF42?

- синхронный детектор, он же - интегратор с коммутатором (по рекомендациям Tanya и DS_)

Тоже предстоит определить, на чём. К нему - обязательно регулируемый фазовращатель - сдвиг фазы придётся настроить, другого пути не вижу.

Кажется, всё. Схему ещё даже не успеваю набросать, пока не окончательно сформировалась концепция. :)

Изменено 26 мая, 2006 пользователем Herz

[DS 0]

Пока предварительные соображения:

- в качестве источника излучения пока всё-таки будет использоваться лазер, в ключевом режиме, т.е. со 100% модуляцией. Частоту модуляции предполагаю не выше 20 кГц, кратной 50 Гц и степени двойки. Кстати, есть ли смысл согласовывать её с тактовой частотой для АЦП?

- с усилителем фототока, кажется, всё понятно. Осталось лишь выбрать и заказать ОУ, видимо, это будет АD825, как советовал DS_. Оптический фильтр тоже постараюсь заказать.

- склоняюсь к применению ADS1210. ИМХО, более гибкий, хоть и не такой компактный, как ADS1252. (Это то, что есть в наличии. Если надо, закажу другие). Скорость сэмплирования - самая низкая.

Перед ним- полнодиференциальный ОУ для увеличения динамич. диапазона. Ещё не вибирал. Если прямо на нём ФНЧ не получится, то перед ним - отдельный ФНЧ второго порядка. Кстати, может, UAF42?

- синхронный детектор, он же - интегратор с коммутатором (по рекомендациям Tanya и DS_)

Тоже предстоит определить, на чём. К нему - обязательно регулируемый фазовращатель - сдвиг фазы придётся настроить, другого пути не вижу.

Кажется, всё. Схему ещё даже не успеваю набросать, пока не окончательно сформировалась концепция. :)

ADS1210 похоже подходит, хотя я с ней конкретно не работал. Перед ним ставьте ФНЧ второго порядка на ОУ с хорошими JFETами на входе с низми уровнем шума на чатстоте <10 Гц, резисторы больше 10 Ком в этом фильтре не ставьте. Других особых мер не надо. Этот же ФНЧ и будет интегратором. Подстройку фазы ключа можно сделать на таймере т.к. частота у вас стабильна. Это можно и на МК реализовать, и на CPLD.

Сделать фильтр с частотой среза 1 Гц и низкими шумами очень сложно, поэтому рекомендую 10 Гц и 100 Гц скорость работы АЦП. 100 Гц до 1 Гц усредните в МК фильтром первого порядка.

[Herz 5]

ADS1210 похоже подходит, хотя я с ней конкретно не работал. Перед ним ставьте ФНЧ второго порядка на ОУ с хорошими JFETами на входе с низми уровнем шума на чатстоте <10 Гц, резисторы больше 10 Ком в этом фильтре не ставьте. Других особых мер не надо. Этот же ФНЧ и будет интегратором. Подстройку фазы ключа можно сделать на таймере т.к. частота у вас стабильна. Это можно и на МК реализовать, и на CPLD.

Сделать фильтр с частотой среза 1 Гц и низкими шумами очень сложно, поэтому рекомендую 10 Гц и 100 Гц скорость работы АЦП. 100 Гц до 1 Гц усредните в МК фильтром первого порядка.

Смущает одно: где же будет происходить собственно усиление полезного сигнала? :ohmy: Можно, конечно, ПУ сделать усилителем переменного напряжения, отказавшись от ТИ-включения. Но даже в этом случае селективность будет недостаточной. ФНЧ-интегратор, выделяющий разностный сигнал, вряд ли стоит делать с коэфффициентом передачи выше 1, PGA АЦП, ИМХО, маловато. Напрашивается усилитель между интегратором и АЦП, Вы не находите? Низкочастотный, но прецизионный.