[Herz 5]

Тема уже подробно обсуждалась (ели кому интересно), всё же хотелось бы к ней вернуться.

Сейчас для подсветки у меня появилась возможность использовать лазер на ЛД, допускающий линейную модуляцию. Теперь, модулируя его синусом, расчитываю существенно поднять соотношение С/Ш за счёт сужения полосы приёмника. Предварительные результаты обнадёживают.

Общий вывод из предыдущего обсуждения: основное усиление должно происходить в первом каскаде, выполненном по трансимпедансной схеме, затем выделение полосы, дополнительное усиление (до или после детектора) и т.д.

Теперь резистор в ОС ТИ-усилителя в 15 МОм уже обеспечивает мне необходимое усиление. Вторым каскадом стоит полосовой фильтр на LT1567 с Ку=1. Но вот проблема: ширина полосы такого фильтра зависит от усиления на центральной частоте и увеличение его в 10 раз, к примеру, сужает полосу более чем вдвое. Придётся соответственно уменьшить Ку первого каскада.... Где тут компромисс?

[DS 0]

Поставить делитель после первого каскада. Я не шучу.

[Herz 5]

Поставить делитель после первого каскада. Я не шучу.

Вы не напрасно сделали эту приписку. :) Сам бы я не додумался.

А не поясните, чем это лучше снижения усиления 1-го каскада? Снижением сопротивления Rос (или конденсатором параллельно ему, уменьшая усиление по ВЧ)? Я пока не догадываюсь.

[DS 0]

Вы не напрасно сделали эту приписку. :) Сам бы я не додумался.

А не поясните, чем это лучше снижения усиления 1-го каскада? Снижением сопротивления Rос (или конденсатором параллельно ему, уменьшая усиление по ВЧ)? Я пока не догадываюсь.

 

Сигнал-шум сохраняется. Уменьшая усиление трансимпедансного каскада, Вы проигрывает в корень от уменьшения резистора в сигнал-шуме.

[Herz 5]

Неожиданно как-то. Выходит, в общем случае для улучшения С/Ш нужно усилить сигнал (+шум) насколько возможно, а затем поделить до нужного значения?

[DS 0]

Нет, здесь мы просто имеем дело с особым случаем - шум каскада определяется не операционником, а резистором обратной связи. Во всех остальных случаях усиление/деление не приведут к улучшению сигнал/шума.

[Herz 5]

Спасибо, теперь уже понятно. Единственная проблема с делителем - ухудшится выходное сопротивления каскада перед фильтром, а это вряд ли хорошо.

[DS 0]

Спасибо, теперь уже понятно. Единственная проблема с делителем - ухудшится выходное сопротивления каскада перед фильтром, а это вряд ли хорошо.

 

Можно резисторы делителя "всчитать" в фильтр. И окончательный расчет сделать с учетом их.

[Herz 5]

Постепенно добрался, наконец, до реальных измерений. Усилительный тракт собран, спасибо DS за ценные подсказки. Выглядит так: ТИ-усилитель на AD825, полосовой фильтр с парафазным выходом пришлось выполнить на дискретных ОУ OPA727, далее СД на ключике ADG419 и ФНЧ на ОРА277. АЦП AD7738 (16-битный режим, время конверсии 1мс). Усредняю каждые 500 измерений.

Модуляция лазера - синусом 10,8 кГц.

В принципе всё работает, но наблюдается значительный дрейф конечного результата, весьма низкочастотный, особенно первый час работы. Да и затем доходит до 1% от измеряемой величины.

Сначала грешил на нестабильность мощности лазера (встроенного монитора он не имеет), сделал канал контроля, корреляция слабая.

Склоняюсь к мысли о нестабильности фотодиодов.

Пробовал фотодиоды FDS100, PC5-6, PC10-6 (от Silicon Sensor GmbH), разультат практически одинаков.

Модулируемый фототок приличный - порядка 80 нА RMS. Средний, правда, не контролируется.

В связи с этим вопрос - какого порядка стабильности фототока от них можно ожидать без термостабилизации? Может быть, "подсветить" его нужно для стабильности, (ибо внешней посторонней засветки может и не быть) и чувствительность ею модулируется?

Изменено 28 сентября, 2007 пользователем Herz

[mdmitry 0]

Термостабильность лазера может влиять. От разогрева полупроводниковые лазеры могут менять не только мощность , но и модовый состав, причем хаотично. Этот эффект наблюдали а аппаратуре. За час может уйти, а затем застабилизироваться (нагрелся весь объем лазера).

[Le Fou 0]

Модуляция лазера - синусом 10,8 кГц.

В принципе всё работает, но наблюдается значительный дрейф конечного результата, весьма низкочастотный, особенно первый час работы. Да и затем доходит до 1% от измеряемой величины.

Интересно, переход на синусоидальную модуляцию улучшил дело? Если да, то мне это странно. Неужели прямоугольником входной каскад перегружался? В спектре прямоугольника следующая гармоника третья, должна бы отсечься полосовиком.

При этом сам детектор по-прежнему перемножает с прямоугольнком (а не с синусом), что дает паразитную чувствительность к четным гаромоникам.

И как быть уверенным. что не плывет уровень 100% у модулятора? В схеме с прямоугольником это проще, кстати.

 

Модовый состав плывет, да. Если есть интерференционный фильтр, то могут быть биения. Хотя скорее всего полоса фильтра много шире полосы диода, и эффект пренебрежим. Но если при изготовлении фильтра попали в край, то моно и заметить.

 

Дрейф также может быть следствием механических смещений (а они обычно имеют температурную природу). Выходное "изображение" ползает по плошадке диода, а зонная характеристика плошадки неровная. Ну или сам диод ползает.

А как оптичская схема выглядит? Например, сквозь/на образец стараюся пускать широкий параллельный пучок, чтобы поменьше играли роль геометрические вариации.

Пространственная когерентность лазера ухудшает дело -- в отражении могут наблюдаться интерференционные эффекты (спеклы). В итоге разница яркостей в соседних участках может быть сильно больше ожидаемого. Для рассеяние это бы не должно играть роли, но очень часто к честному рассеянию добавляется паразитная компонента отражения. Она сильно ухудшает линейность, и может косвенно быть причиной повышенного дрейфа.

 

А вообще в прецизионной фотометрии для компенсации дрейва источника используется двухканальная схема. При помощи двигающегося/вращающегося зеркала на приемник поочереднго попадает сигнал либо от измеряемого образца, либо от эталона. Иногда в этот цикл вставляют заслонку для измерения темнового уровня. Периодически делается перенормировка. Иногда вся система располагается на одном вращающемся диске, уровни темнового и 100% учитываются на каждом измерении. Ну раз у вас СД на частоте 10.8 кГц, это не вариант.

 

Вне связи с дрейфом. Я довольно бегло прочитал историю и, возможно, ответ уже был. А какая длина волны лазера? Максимум спектральной чувствительности кремния под 900 нм. Все исключения связаны с отрезанием ИК части кривой и со снижением абсолютной чувствительности.

[Herz 5]

Спасибо за участие в обсуждении.

Термостабильность лазера была под первым подозрением, однако прибор, похоже, имеет какую-то встроенную схему стабилизации. По крайней мере, ведёт себя приличнее, чем мои первые самоделки на ЛД. В этом я убедился, собрав канал контроля мощности и подав на него часть излучения. Да, первые 15-30 минут колебания мощности заметны, с уровнем отражённого (рассеяного) корреляция чёткая, при желании их можно будет скомпенсировать. Однако после 40 мин - 1 часа работы и даже при нагревании феном ухода почти нет, но дреф результата всё ещё велик. Вот, к примеру, картинка после прогрева:

 

Переход на модуляцию синусом увеличил, ИМХО, отношение С/Ш. Модулирующий сигнал очень чистый и значительно сузить полосу пропускания тракта не составило труда. От прямоугольника же отсечь третью гармонику, во-первых, значительно сложнее, во-вторых, в ней содержится часть энергии сигнала. Подавлять её нехорошо и неподавлять - нехорошо.

Влияние второй гармоники на этот простенький СД я, возможно, недооцениваю - честно говоря, слабо представляю, откуда ей взяться. Да и после такого тщательного усреднения результата можно ли её заметить? Особенно сейчас, в статическом (или псевдостатическом) режиме.

Стабильность модулятора на 100% проверить, конечно, сложно, но я провёл простенький эсперимент. Выпаял фотодиод и подал на ТИ-усилитель такого же порядка ток прямо с модулятора. Показания в течение получаса не шелохнулись (колебания были лишь младшего бита из 16-ти). На основании этого сделал вывод, что сам усилитель-детектор "не плывёт", так же, как и модулируюший сигнал.

Чувствительность стенда к виброации, конечно, есть, но её постарался свести к минимуму. Всё максимально жёстко закреплено, профиль луча довольно широк: сейчас пятно представляет собой линию примерно 7х0,5 мм. И замена фотодиода на другой, с большей площадкой, тоже не сказалась сколько-нибудь заметно. Спекловый шум, безусловно велик - проверки производились пока на отражение от обычной бумаги. В дальнейшем попробую стекло с просветляющим покрытием на нужную длину волны.

Но в данном случае не верится, что именно его влияние приводит к дрейфу.

Лазер на 660 нм. Эксперимент с интерференционным фильтром, кстати, действительно приводит к совсем уж безобразной картине. :)

[DS 0]

Если у вас размер пятна 7мм, а площадка фотодиода, как я понимаю, 4 мм - может быть дрейф такого порядка. Надо собирать весь свет от лазерного пятна на диод. Важен сам факт, что собиратеся весь свет, а не размер площадки в этом случае. Можно попробовать линзой уменьшить изображение пятна на фотодиоде.

Попробуйте вместо фотодиода впаять конденсатор с емкостью, как у фотодиода, и снова провести проверку на дрейф усилителя.

Попробуйте завести на фотодиод лазерый пучок от светоделительной пластинки (клина), а не отраженный от поверхности. Но свет в любом случае должен собираться весь - при неполном попадании пучка на фотодетектор обычно именно такая картина и наблюдается. Еще необходимо обратить внимание на то, что от фотодиода отражается заметная часть светового потока, если она потом туда-сюда бродит по оптической схеме, тоже может давать такую картину. С этим борются, устанавливая фотодиод под углом.

[mdmitry 0]

Проверьте поперечные моды лазера, при нагреве можем меняться спектр мод как продольных, так и поперечных (может быть выход за светочувствтительную область фотоприемника).

Мы используем ЛДФ HAMAMATSU, у них заметный температурный дрейф (разогрев из-за обратного смешения), может меняться и сопротивление с емкостью.

Изменено 29 сентября, 2007 пользователем mdmitry

[Herz 5]

Если у вас размер пятна 7мм, а площадка фотодиода, как я понимаю, 4 мм - может быть дрейф такого порядка. Надо собирать весь свет от лазерного пятна на диод. Важен сам факт, что собиратеся весь свет, а не размер площадки в этом случае. Можно попробовать линзой уменьшить изображение пятна на фотодиоде.

Попробуйте вместо фотодиода впаять конденсатор с емкостью, как у фотодиода, и снова провести проверку на дрейф усилителя.

Попробуйте завести на фотодиод лазерый пучок от светоделительной пластинки (клина), а не отраженный от поверхности. Но свет в любом случае должен собираться весь - при неполном попадании пучка на фотодетектор обычно именно такая картина и наблюдается. Еще необходимо обратить внимание на то, что от фотодиода отражается заметная часть светового потока, если она потом туда-сюда бродит по оптической схеме, тоже может давать такую картину. С этим борются, устанавливая фотодиод под углом.

Хм... Весь свет от пятна собрать на диод не представляется практически возможным... Пучок расходящийся, да во всех направлениях (точнее, во всей полусфере). На некотором расстоянии от мишени стоит дюймового размера коллимирующая линза, в её фокусе - ФД. Всё (или почти всё), что на неё попало - фокусируется на площадку. 10 кв.мм или даже 5 - вроде не так уж мало. Хотя подрегулировать фокус попробую. Самого-то пятна глазом не видно. :(

А в идеале хорошо бы собрать весь рассеяный свет (и вычесть из него отражённый), но пока не в моих технических возможностях... :)

ФД так тщательно выставлял перпендикулярно. Может, действительно влияет? Хотя линза двояковыпуклая, не должно бы сильно...

Вы имеете в виду - проверить дрейф усилителя, не подавая на него сигнал? Что-то мне кажется, вблизи нуля вряд ли будет что-то заметно... Или имитировать ФД?

С клином попробую, не очень понятно, правда, как это сделать... Да и принцип-то останется: светоделительная пластина как раз на частичном отражении ведь и основана.

 

Проверьте поперечные моды лазера, при нагреве можем меняться спектр мод как продольных, так и поперечных (может быть выход за светочувствтительную область фотоприемника).

Может, конечно, на этапе разогрева видно, так и происходит, но в более-менее установившемся режиме сильно "гулять" вроде не должны...

Мы используем ЛДФ HAMAMATSU, у них заметный температурный дрейф (разогрев из-за обратного смешения), может меняться и сопротивление с емкостью.

С Хамамацевскими сравнить было бы интересно, к сожалению, взять их негде. С фирмой связываться категорически расхотелось. А про разогрев из-за обратного смещения ещё слышать не приходилось...

P.S. Интересно, что готовый прибор с такого порядка усилением примерно такого порядка шумами и обладает :) : Впрочем, пример, наверное, не самый удачный.

Изменено 29 сентября, 2007 пользователем Herz