Forum: Digitale Signalverarbeitung / DSP / Machine Learning Berechnung von Signallänge


von Dominik F. (dominik_f708)


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Guten Tag liebe Foristen,

ich versuche ein sehr kurzes Lichtsignal zu messen. Gemessen werden soll 
eine Lichtreflexion eines ca. 300km/h schnellen und 1mm großen Objektes 
in einem dunklen Rohr. Die Reflexion einer etwa gleich dicken Schnur 
konnte ich bereits messen. Für das bewegliche Teil wollte ich ein 
(USB-)Oszilloskop anschaffen und nun rätsle ich, ob dieses kurze Signal 
von den angebotenen Geräten erfasst werden kann. Ich hab das mal in 
einem Spreadsheet durch kalkuliert und würde mich freuen, wenn jemand 
mit Sachverstand meine Kalkulationen kurz auf Sinnhaftigkeit überprüfen 
könnte:

Geschwindigkeit: 300km/h
Geschwindigkeit in Meter / Sekunde: 300km/h / 3,6 = 83,33 m/sek
Geschwindigkeit in Millimeter / Sekunde: 83333,33 mm/sek

Objektgröße: 1mm
Signallänge des vorbeifliegenden Objektes ist Objektgröße geteilt durch 
Rohrgeschwindigkeit in mm/sek, also: 1 / 83333,33 = 0,000012

Das auftretende Signal ist also 0,000012 Sekunden lang.

Das angepeilte Oszilloskop hat folgende Daten: 20MHz und 48 MSa/s

Die Anzahl der gemessenen Punkte rechne ich nun mit (Signallänge * Herz) 
oder in (Signallänge * Samplerate). Ich komme auf folgende Ergebnisse:

0,000012 sek * 20.000.000 Hz = 240 Signale
0,000012 sek * 48.000.000 Sa/s = 576 Signale

Fazit: Das angepeilte Oszilloskop müsste die Signallänge problemlos 
erfassen und darstellen können. Richtig?

Herzlichen Dank für die Hilfe!

Viele Grüße,
Dominik

von Joe F. (easylife)


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Ja, deine Rechnung ist richtig.
Wenn du die zu messende Zeit (Objekt reflektiert Licht) als 
Signal-Halbwelle betrachtest, kommst du auf eine Periodendauer von 2x12 
us (Mikrosekunden).
f = 1/24 us = 42 KHz
Die Bandbreite deines 20 MHz Oszilloskopes ist also ca. um den Faktor 
500 größer als das zu messende Signal und kann es gut aufgelöst 
darstellen.

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von Dominik F. (dominik_f708)


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Super, herzlichen Dank für Deine Antwort!

Viele Grüße,
Dominik

von Jochen F. (jamesy)


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Ich möchte die gute Stimmung nicht zerstören, aber müßte da nicht erst 
einmal Licht (wie stark?) in Spannung umgewandelt werden. Die 
Geschwindigkeit des Wandlers geht auch in die Anstiegszeit mit ein.

von Dominik F. (dominik_f708)


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Die Lichtquelle ist ein Linienlaser. Ich hatte ein paar Versuche mit 
Photodioden (u.a. BPW21, SFH203) und einem Operationsverstärker 
(LTC1050) durchgeführt, die mit meinem eingangs erwähnten Fadentest 
einigermaßen vielversprechend ausgesehen haben. Aber von der 
Arbeitsgeschwindigkeit der verbauten Teile hab ich leider keine Ahnung. 
Das hier noch einige stimmungsdrübende Erfahrungen auf mich Laie 
zukommen, ist vermutlich zu erwarten. ;-) Siehst Du hier bereits Fehler 
in meinem Aufbau?

Danke und viele Grüße,
Dominik

: Bearbeitet durch User
von Jochen F. (jamesy)


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Hm,
der LTC 1050 hat ein Gain-Bandwidth-Product von 2,5 MHz, das ist recht 
langsam, wenn man die Verstärkung nutzen möchte.
Da sollte man etwas um die 50 MHz GBP verwenden.
Zu den Fotodioden gibt es die Faustregel, daß mehr Fläche auch mehr 
Kapazität hat, es also länger dauert mit Anstieg und Abfall des Signals. 
Hier hilft nur ein Blick in das Datenblatt.

Falls die Zeit entweder recht kurz ist vom Trigger bis zur Messung oder 
die Geschwindigkeit recht konstant, könnte man auch über eine 
stroboskopische Messung nachdenken.

von J. S. (engineer) Benutzerseite


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Die Frage ist, was Du messen willst und wie genau. Das Erscheinen an 
sich oder die Geschwindigkeit. Deine Rechnung ist schon richtig, 
allerdings wird das Objekt ja eingeblendet, schiebt sich also z.B. 
dreieicksförmig in den Fokus. Hinzu kommt Deine Apertur, die ebenfalls 
das Signal mehr oder weniger stark erfasst.Beides wird auf das Rechteck 
der Erscheinung draufgefaltet. Es entsteht meist etwas, das wie eine 
Verteilung aussieht, oben gfs abgeflacht ist, wenn die Apertur breit 
genug ist.

Du hast also 240 samples flach zzgl weiterer im Randbereich. Mit der 
resultierenden Auflösung wirst Du das Objekt je nach Phasenstabilität 
und Auflösung des Oszilloskops im Bereich von besser, als 1% genau 
messen können.
Mit einer Glättung der Werte im flachen Bereich ließe sich die begrenzte 
Auflösung des Oszis verbessert, durch die 240 Punkte gibt es einen phase 
dither, daher sage Ich mal, dass die mittlere Geschwindigkeit auf knapp 
10 Bit genau machbar wäre. Du musst Dein Oszi natürlich digital auslesen 
können, oder auf die Erscheinung synchen und paar Zeiten hin und her 
korrigieren.

von Dominik F. (dominik_f708)


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Im wesentlichen möchte ich das vorbeifliegende Objekt nur erkennen um es 
zählen zu können. Die Sichtbarmachung im Oszilloskop soll mir als Hilfe 
beim Schaltungsaufbau dienen.

Meine Idee war, dass ich mit Hilfe des Oszilloskopes zunächst eine 
geeignete Photodiode finden, einen passenden Transimpendanzverstärker 
und einen abschließend einen Zähler aufbauen kann. Das ist soweit doch 
richtig?

Ein Rätsel ist mir noch, wie Ihr Profis die passenden Bauteile findet. 
Eine Suche nach einem Verstärker mit höherer GBP führte mich zu einer 
riesigen Menge von auf den ersten Blick geeigneten Bauteilen. Preislich 
lagen diese zwischen Cent-Bereich und mehreren 10 Euro, einige waren nur 
in einer SMD-Version erhältlich...  Wie kommt man denn da durch? :-)

Viele Grüße,
Dominik

von Christoph db1uq K. (christoph_kessler)


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Ich halte weniger die Bandbreite des OP, als die der Fotodiode für ein 
Problem. Einfache Optokoppler haben Bandbreiten von 1...10 kHz je nach 
Vorwiderstand. Die einzelne 42 kHz-Schwingung ist da schon am Limit.

von Weltbester FPGA-Pongo (Gast)


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Ist eine Frage des Signalhubs. Die Bandbreite 10kHz sagt ja nur, dass 
der vollständige Anstieg in etwa 100us zu erwarten ist. Damit erhält man 
während der 40MHz = 25us eben einen entsprechend geringeren Hub.

von Jochen F. (jamesy)


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Weltbester FPGA-Pongo schrieb im Beitrag #4855259:
> 10kHz sagt ja nur, dass
> der vollständige Anstieg in etwa 100us zu erwarten ist. Damit erhält man
> während der 40MHz = 25us

Tip: Bleib bei FPGAs!
Bei 10 kHz ist der Anstieg in 35 µsec, und 40 MHz = 25 nsec, nicht µsec.

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