[Herz 4]

В теме о применении ОРА380 я уже описывал свою задачу, вкратце напомню.

Необходимо измерить степень рассеяния света некоторой поверхностью. С этой целью освещаю её лазером видимого диапазона, с импульсной модуляцией частотой 6,4 кГц (для удобства усреднения).

Проблема в фоновой засветке, не позволяющей различить весьма слабый полезный сигнал. Попытки скомпенсировать фон мне пока не удались. Точнее, отстроиться от медленно меняющегося солнечного света несложно, гораздо неприятнее искусственное освещение, наводящее помеху в виде детектированной синусоиды. Учитывая слабопредсказуеые уровень, фазу и несимметричность, бороться с ней очень тяжело. В итоге не удаётся достаточно усилить полезный сигнал, имеющий уровни на 2-3 порядка ниже.

Прежде я решал похожую проблему при помощи УВХ. Видимо, придётся поступить так же. Вот как я вижу себе схемное решение:

Фототок усиливаю предварительным усилителем до максимально возможного значения. (поскольку фон может вызывать до 15 мка фототока, К~300 ком при 5В питании). В этом каскаде предполагаю использовать ОРА350 (кстати, скорее всего в обычном, не трансимпеданс-включении). Далее подаю усиленное напряжение на УВХ (ОРА615), который "запоминает" уровень сигнала в паузах между импульсами лазера. В состав указанной м/сх входит т.н. Transconductance Amplifier (OTA), но его характеристики меня огорчают. Попробую вместо него буфер на том же ОРА350 (благо, он стабилен при единичном усилении).

Слудующим планирую дифкаскад, например, на INA106. Пусть вычтет текущее напряжение (в момент включенного лазера) из сохранённого на УВХ. За ним - оконечный, чтобы усилить разность до нужных значений перед подачей на АЦП (AD7896). (Или объединить два последних в инструментальный усилитель?)

Поскольку в разностных значениях всегда будет присутствовать ошибка, связанная с изменением уровня фона (наводки) от момента Hold до момента сравнения, окончательно останется усреднить 128 замеров, что будут выполнены как раз за 20 мсек.

Прошу форумчан высказать замечания по структуре и методу, а также по элементной базе. (Может, в предусилителе применить более высоковольтный ОУ?) Схемку прикреплю чуть позднее. Хотя ничего нового я не придумал. Возможно, я просто сузил кругозор, сосредоточившись на конкретном пути и не вижу других, более оригинальных или простых решений? Например, если учесть, что измеряемая величина (собственно степень рассеивания) меняется очень медленно, допустимо увеличить период измерений даже до нескольких секунд. Этим стоило бы как-то воспользоваться... :blink:

[DS 0]

УВХ здесь не шибко годиться.

Наиболее правильным с точки зрения подавления шумов было бы использовать трансимпедансый усилитель с небольшим резистором, потом ключ, который бы подавал сигнал на интегратор при включенном лазере с коэффициентом +1, при выключенном - -1. Если скважность включено-выключено лазера близка к 1:1, то это позволит максимально задавить фон и существенно проще. 5в питания видимо не хватит т.к. Вы ходите иметь динамический диапазон порядка 120 Дб после диода.

Измерить 15 на с 12 разрядной точностью при засветке 15 мка невозможно из-за чисто физических ограничений на дробовые флуктуации тока. Поэтому, чтобы вытянуть нужные параметры Вам все равно придется бороться с засветкой.

[Rst7 5]

Напомню пару проблем - например то, что у нас сеть далеко не 50Гц кварцованные - в результате при накоплении за 20мс будете иметь биения.

Второе - фототок только трансимпедансом преобразовывать, иначе фигня будет.

Еще хорошо-бы повысить частоту модуляции - это лучше подавит помеху от засветки.

[MosAic 0]

Позвольте все же сказать несколько общих слов...

 

У Вас два мешающих фактора - постоянная фоновая засветка (в основном мешает тем, что создает дробовой шум на переходе фотодиода) и помехи от искуственного освещения (частотный спектр ламп дневного освещения простирается до мегагерцев).

 

Мне известны два основных способа борьбы с шумами. Второй используется в сверхширокополосных системах и сводится к выделению только той временной области, где сосредоточен импульсный сигнал. Но это довольно продвинутая и новая технология. Проще обратиться к доброму старому варианту - ограничение полосы пропускания устройства. При Вашем медленно меняющемся сигнале ее можно сузить до долей Гц и получить все, что нужно. Несущую лучше выбрать порядка десятков килогерц, чтобы избежать розовых шумов.

 

Завтра подкину обстоятельную книжку по предусилителям.

[Herz 4]

Напомню пару проблем - например то, что у нас сеть далеко не 50Гц кварцованные - в результате при накоплении за 20мс будете иметь биения.

Второе - фототок только трансимпедансом преобразовывать, иначе фигня будет.

Еще хорошо-бы повысить частоту модуляции - это лучше подавит помеху от засветки.

Да, будут, но с этим уже что поделаешь...

Почему только трансимпедансом? Мне пока не очевидно.

Частоту модуляции существенно повыситьне могу - АЦП не успеет. Нужно будет сигнал восстанавливать. Не применять же для таких скоростей быстродействующие.

[DS 0]

Так если вы после входного каскада что-то начали с сигналом делать, то АЦП уже нужно на герцы - надо после получения сигнала его фильтром усреднить и измерять низкоскоростным АЦП.

 

Трансимдеданс у Вас все равно присутствует так или иначе - просто вместо операционника будет резистор. При этом шум резистора пойдет в сигнал, и возникнет нелинейность, связанная с изменением напряжения на диоде, которая обгадит Ваш и так небольшой полезный сигнал.

[Herz 4]

УВХ здесь не шибко годиться.

Наиболее правильным с точки зрения подавления шумов было бы использовать трансимпедансый усилитель с небольшим резистором, потом ключ, который бы подавал сигнал на интегратор при включенном лазере с коэффициентом +1, при выключенном - -1. Если скважность включено-выключено лазера близка к 1:1, то это позволит максимально задавить фон и существенно проще. 5в питания видимо не хватит т.к. Вы ходите иметь динамический диапазон порядка 120 Дб после диода.

Измерить 15 на с 12 разрядной точностью при засветке 15 мка невозможно из-за чисто физических ограничений на дробовые флуктуации тока. Поэтому, чтобы вытянуть нужные параметры Вам все равно придется бороться с засветкой.

С интегратором хорошая мысль, надо обмозговать. Но, ИМХО, способ применим только при точном меандре. Иначе интегратор неизбежно "уползёт" в одну сторону даже при нулевом сигнале.

По поводу дробового шума и динамического диапазона действительно, неплохо бы оценить теоретический предел, не укажете ли методику?

Уж хотя бы 10 достоверных разрядов вытянуть... :unsure:

[Herz 4]

Так если вы после входного каскада что-то начали с сигналом делать, то АЦП уже нужно на герцы - надо после получения сигнала его фильтром усреднить и измерять низкоскоростным АЦП.

 

Трансимдеданс у Вас все равно присутствует так или иначе - просто вместо операционника будет резистор. При этом шум резистора пойдет в сигнал, и возникнет нелинейность, связанная с изменением напряжения на диоде, которая обгадит Ваш и так небольшой полезный сигнал.

Применить интегрирующий АЦП?

Я прежде сравнивал два способа включения фотодиода (как в DS на FDS100 и "классический" с нулевым смещением), оказалось при том же усилении быстродействие в схеме "с резистором" выше, и это понятно. При том, что основное усиление я собирался получить именно в первом каскаде, фронты получал очень затянутые, до неприличия. :) Может, я не прав? Но если с целью минимизации шумов КУ предусилителя сделать невысоким, то дальнейшее усиление будет уже не только собственно сигнала, но и искажений тракта, разве нет?

[DS 0]

Считаете колическтво электронов, прошедших через фотодиод за нужный период времени (например 1/6400 секунды). Разброс равен корню из этого числа. Соответственно, вычисляете ток дробового шума.

Для Ваших 15 мка будет порядка 120 па. Что дает сигнал/шум порядка 100, если идеально удастся подавить флуктуации засветки. Дальше копим - за 1 сек еще 80, тогда вроде вытяиваются Ваши 12 разрядов. Но это на чисто теоретическом пределе.

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.

 

 

Быстродействие с резистором меньше - при использовании ОУ не влияет емкость фотодиода. Шумы в трансимпедансе тем меньше, чем больше усиление (шумы на выходе - это в точности шумы резистора обратной связи, а сигнал с диода у Вас может усиливаться в сотни раз). При применении резистора шум резистора усиливается вместе с шумом диода последующими каскадами.

 

АЦП лучше всего ставить дельта-сигма - за счет внутреннего фильтра вы получите почти идеальную фильтрацию вашего сигнала.

[Tanya 4]

УВХ здесь не шибко годиться.

Наиболее правильным с точки зрения подавления шумов было бы использовать трансимпедансый усилитель с небольшим резистором, потом ключ, который бы подавал сигнал на интегратор при включенном лазере с коэффициентом +1, при выключенном - -1. Если скважность включено-выключено лазера близка к 1:1, то это позволит максимально задавить фон и существенно проще. 5в питания видимо не хватит т.к. Вы ходите иметь динамический диапазон порядка 120 Дб после диода.

Измерить 15 на с 12 разрядной точностью при засветке 15 мка невозможно из-за чисто физических ограничений на дробовые флуктуации тока. Поэтому, чтобы вытянуть нужные параметры Вам все равно придется бороться с засветкой.

С интегратором хорошая мысль, надо обмозговать. Но, ИМХО, способ применим только при точном меандре. Иначе интегратор неизбежно "уползёт" в одну сторону даже при нулевом сигнале.

По поводу дробового шума и динамического диапазона действительно, неплохо бы оценить теоретический предел, не укажете ли методику?

Уж хотя бы 10 достоверных разрядов вытянуть... :unsure:

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 +.

[DS 0]

Еще вот подумалось - а почему бы Вам не уйти в длину волны порядка 1.5 мкм. Вы конечно раза в 4 потеряете в сигнале, но можно будет использовать слепой к обычному освещению InGaAs фотодиод, да еще и ИК фильтр поставить на входе. Порядка 3 по засветке выиграете.

[Herz 4]

Считаете колическтво электронов, прошедших через фотодиод за нужный период времени (например 1/6400 секунды). Разброс равен корню из этого числа. Соответственно, вычисляете ток дробового шума.

Для Ваших 15 мка будет порядка 120 па. Что дает сигнал/шум порядка 100, если идеально удастся подавить флуктуации засветки. Дальше копим - за 1 сек еще 80, тогда вроде вытяиваются Ваши 12 разрядов. Но это на чисто теоретическом пределе.

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.

Спасибо.

Быстродействие с резистором меньше - при использовании ОУ не влияет емкость фотодиода.

Пожалуй, не соглашусь. Для получения КУ, к примеру, 300 ком в трансимпедансном включении необходим именно такой резистор в цепи обратной связи. Этот же номинал использовать в формуле расчёта ширины полосы (согласно DS на фотодиод). Нагрузив же ФД на резистор 10 ком и используя неинвертирующий усилитель с К=30, получим полосу существенно шире. Что и подтверждается экспериментально. Другое дело, что широкая полоса, в общем-то не нужна, но импульс должен был успеть установиться перед оцифровкой.

Шумы в трансимпедансе тем меньше, чем больше усиление (шумы на выходе - это в точности шумы резистора обратной связи, а сигнал с диода у Вас может усиливаться в сотни раз). При применении резистора шум резистора усиливается вместе с шумом диода последующими каскадами.

А как же собственные шумы ОУ, приведенные ко входу? Ведь они усилятся если не в этом каскаде, то в последующих? Особенно беспокоит токовый шум. Учитывая высокое сопротивлением источника сигнала, может получится немаленькая величина. А в "нетрансимпедансном" включении номиналы резисторов (при том же усилении) ниже. Значит, и ёмкость фотодиода, кстати, должна влиять меньше?

[Herz 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...

[DS 0]

По поводу шумов и быстродействия Вы не правы. Быстродействие определяется быстродействием операционника и паразитной емкостью резистора обратной связи. При простом резисторе - RC , где C - емкость фотодиода. При 300 Ком трансимпеданс может иметь полосу в несколько мегагерц, Такую полосу при 10 Ком можно получить примерно при 20 пф емкости диода.

Шумы операционика практически не входят в выходной сигнал - в первом приближении они не увеличиваются вообще, и скажем при 300 Ком резистор будет иметь 70 нв/гц1/2, посредственный операционник - 12 - 14 нв. Для Вашего включения 10 Ком и 30 кратное усиление 380 нв за счет резистора и 260 - 400 за счет операционника.

Если рассматривать более точную модель для 50 пф емкости диода и частоты 10 Кгц - шумы операционника увеличатся в 2 раза и составят 25 нв, что все равно мало влияет на результат - итоговый шум примерно 70 нв

[_artem_ 0]

можно попробовать также сделать второй оптический канал для только фоновой засветки а затем вычитать его из полезного сигнала.