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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Laserentfernungsmessung mit TDC


Autor: Bernhard (Gast)
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Hallo allerseits.

Ich habe nun bereits das Forum per Suche durchstöbert nach Artikeln über 
Laserentfernungsmessung.
Dennoch habe ich nicht gefunden, wonach ich gesucht hatte.

Ich möchte einen "Laser Range Finder" basteln und dabei die "Time of 
Flight" Methode verwenden,
also die Zeit des Laserstrahls messen, die dieser für die jeweilige 
Strecke benötigt.
Weiters sollte man die Diode sowohl mit nur einem Impuls pro Messung 
betreiben können als auch im Burst-Mode(mehrere Pulse hintereinander)

Soweit so gut, nun zum Problem:

Das generieren der Pulse für die Laserdiode.

Die Idee,die ich im Moment vor Augen habe, sieht folgendermaßen aus:



Das Bauen eines Osillators mit einem Ulta Fast Comparator, welcher 
z.B.:Pulse mit einer "High Time" von 50ns (oder weniger) und einer 
Periodendauer von ca.500ns erzeugt(die Werte erscheinen mir im Moment 
als geeignet)

Dann den Oszillatorausgang an eine Schaltungsstufe hängen, welche z.B.: 
nur für 500ns "öffnet", also einen Impuls durchlässt, oder eben längere 
Zeit für den Burst Mode.


Weiters möchte ich zur Zeitdifferenzmessung den Baustein "GP1" von acam 
verwenden.

Nun habe ich im internet verschiedene Schriften über dieses Thema 
angesehen und auch einige Application Notes gelesen.

Das Problem, was ich im Moment nicht lösen kann ist wie bereits oben 
erwähnt das generieren der Pulse zur Ansteuerung der Diode(mit dem 
gleichzeitig ein Startimpuls für den TDC erzeugt wird). Einigermaßen 
leistungsstarke Dioden haben eine Peak-Power von 25W (oder sogar um 
einiges mehr)

Für die nötigen Impulse geben sich nun zwei Kriterien:

1.)Sie müssen so steilflankig wie irgendwie möglich sein (Rise Time von 
einigen ns wäre erforderlich)

2.)Sie müssen die Diode "sauber" schalten, also die nötige 
Energie(Leistung?) besitzen


Das generieren von solchen kurzen Pulsen ist an sich bereits etwas 
schwierig, doch sicher lösbar, indem man einen Oszillator mit einem sehr 
schnellen Comparator aufbaut.
Dazu habe ich folgende Bauteile im Auge:
LT1719 oder so etwas wie den Analog Devices ADCMP50

Der LT hat einen TTL/CMOS fähigen Ausgang und eine Rise TImer von ein 
paar ns.
Der Chip von Analog schafft sogar ca 40 ps aber hat einen noch 
"schwächeren" Output.

Nur das hilft alles nichts, da die ICs bei weitem nicht die Power haben, 
eine Pulse-Laser Diode zu speisen.

Und sobald ich eine Leistungsstufe dem Oszillatorausgang nachschalte, 
sind die Ultraschnellen Comparatoren absolut sinnlos,da die Treiberstufe 
wieder die schönen Flanken verhunzen würde.

So und nun wäre ich gerne einige gute Ratschläge, wie dem Problem 
möglicherweise beizukommen ist.
Möglicherweise gibt es hier Leute, die bereits Erfahrung auf diesem 
Gebiet haben...

Danke im voraus!!


Autor: Uli Huber (ulihuber)
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Hallo Bernhard,

Lichtgeschwindigkeit 3x30^8 m/s.

Wenn Du eine Auflösung von 1m haben möchtest, landest Du bei 0.3 ns und 
einer SLew Rate von 3000 V/us.
Nicht so ganz einfach, wenn man nicht gerade die Entfernung zum Mond 
messen möchte.

Normalerweise moduliert man ein pseudozufälliges Binärmuster mit 
geringerer Frequenz auf das Licht und
wertet deren Folge aus.

Guß
Uli

Autor: Bernhard (Gast)
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Hallo Uli!

Ja mir ist durchaus bewusst, dass die Zeiten die da gemessen werden, 
sehr sehr kurz sind. Aber das erledigt der TDC Chip ohne Probleme, zumal 
der eine Auflöaung von 125ps schafft. Eine neue Version ist sogar noch 
besser.

Das Problem ist eben nur, die Flanke (Pulse) für die Laserdiode zu 
erzeugen und dabei eine möglichst kurze RiseTime zu erreichen!

Gruß,
Bernhard

Autor: f7ziukcj aka sdfsd (Gast)
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wie wäre es einen kondentsator so auszulegen das er die benötigte 
energie enthält (in joule) und das bei möglichst hoher spannung und 
diesen dann deffiniert zu entladen da muss du dir nicht um 
"strombremsende" bauteile gedanken machen.

Autor: Bernhard (Gast)
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Hmm, ich glaube da liegt der Haken darin, dass in einem Burst Mode(Wo 
nehrere Impulse ziemlich schnell aufeinander folgen sollten) die zeit 
nicht reicht, einen Kondensator dieser Dimension zu laden..

Durchgerechnet hab ich das aber noch nicht ;-)

Autor: Null (Gast)
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Das Problem ist vom Empfaenger ein vernuenftiges Signal zu bekommen. Ich 
hab's mit einer 5mW Diode versucht und da war mit einem weissen Blatt 
als Reflektor schon nach 30cm nichts mehr detektierbar. Die 25W werden 
nicht sehr viel weiter helfen.

Autor: Null (Gast)
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Brauchbare Geraete verwenden Q-Switch Festkoerperlaser mit einer 
Impulsleistung von 10kW oder so. Damit kann man im Einzelschussverfahren 
einige km machen. Das ist aber eine ganz anderer Klasse Geraete, im 
einem anderen Preisschild.

Autor: Bernhard (Gast)
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Hmm, also gut :-)

Dennoch möchte ich nicht aufgeben und statt dessen noch ein paar 
Experimente starten, bevor ich die Flinte ins Korn werfe !

Das Problem, welches du bezüglich Empfänger angesprochen hast ist 
natürlich ach nicht zu übersehen.


Trotzdenm. Hat jemand einen Schaltungvorschlag für einen Oszillator bzw. 
eine Impulsformerstufe wie ich sie gerne hätte ? ;-)

Grüße...

Autor: Null (Gast)
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Einen einzelnen puls beliebiger Kuerze macht man mit einem paar 
Komparatoren, zB ADCMP565. Aus einem normalen Rechteck kann der als 
Hochpass geschaltet, einen Puls einstellbarer Kuerze erzeugen. zB 20ns, 
zB 4ns, eine Frage der Dimensionierung. Der Rechteck sollte auch 
genuegend steil sein. Dazu nimmt man den ersten Komparator.

Autor: Bernhard (Gast)
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Hy!

Alles klar, hab mir das Datnblatt angesehen, dass ist ein ähnlicher 
Comparator wie der, den ich oben genannt habe, dieser hat ja sogar zwei 
comparatoren :-)


Bleibt also noch das ungelöste Problem wie man den Ausgang eines solchen 
Ampl. an eine Laserdiode anbinden könnte...

Grüße,
Bernhard

Autor: Der Dude (Gast)
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Ich hab hier noch einen LEM50 (Laser Entfernungsmesser 50m) von 
Jenoptik, komplett mit Optik und Zielfernrohr, kann ich Dir günstig 
abgeben.

Entweder zur direkten Verwendung, oder zum Ausbau des Entfernungsmessers 
(wäre aber schade um das schöne Gerät).

Autor: Sascha (Gast)
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Analog Modules (www.analogmodules.com) hat Rangefinder Receiver im 
Programm.

Dort gibt es welche mit sehr hoher Sensitivitaet von bis zu 3nW 
(http://www.analogmodules.com/Data_sht/758a.pdf). Die Dinger haben sogar 
ein Peltier-Element zur Erzeugung einer gleichbleibenden Temperatur 
integriert.

Allerdings werden die Dinger nicht billig sein.

Autor: Bernhard (Gast)
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@Der Dude:

Danke vielmals für das Angebot, aber ich würde schon gerne selbst was 
auf die Beine stellen ;-)

@Sascha:

Danke für den Link, werd morgen mal nachsehen was die Dinger so kosten. 
Ist auf jedenfall ineteressant, zumal die Module wie es aussieht 
wirklich "State of the art" sind..

Das Teil wäre für den Empfängerteil sicher nützlich :-)

Schön langsam kommt aj Licht in die Sache, auch wenns noch ein weiter 
Weg bis zu eine Schaltung sein wird..

So, nur noch einmal:  wie baut man nun eine passende Treiberstufe?! ;-)

Autor: Null (Gast)
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Wie man den Puls auf den Laser uebertraegt? Der Laser laeuft schon im 
Knie, dh emitiert ein wenig, durch einen Grundstrom. Mun muss man nur 
noch den Puls einkoppeln. Das kommt nun drauf an wie der Grundstrom 
gesteuert wird. Ich wuerd entweder kapazitiv, oder mit einem Trafo 
einkoppeln. Der Trafo nennt sich stromkompensierte Drossel. Da muesst 
man schauen, wie schnell der ist. Tests natuerlich mit einer 
Siliziumdiode anstelle einer Laserdiode. Wenn der Puls nur ein paar ns 
lang ist, allenfalls ein Richtkoppler gebaut aus einem 
Toroidferrittrafo. Da muss man etwas experimentieren.

Autor: Eins (Gast)
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Von Uli Huber

> Lichtgeschwindigkeit 3x30^8 m/s

Ich hoffe, er meinte 3x10^8 m/s......

Autor: M. Raab (Gast)
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Hallo Bernhard,


ich habe mit Interesse Deinen Beitrag gelesen - vielleicht kannst Du 
dich bei mir melden. Ich hätte Interesse am fertigen Produkt.


Gruss


Markus


E-Mail: raab-software@gmx.com

Autor: ..- (Gast)
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Wie wärs, statt einem separaten ausgang für den Starter einfach einen 
Teil des Lasers optisch auf den Empfänger zurückzukoppeln, dann erhält 
man zwei Impulse am Empfängerausgang und muss nur noch die Zeit 
dazwischen Messen. Vorteil: Ein Delay des empfängers und der 
Empfängerdiode kompensiert sich. Genauso die ganze Komparatorschaltung 
davor etc.

Den Kurzen Laserimpuls könnte man wie schon erwähnt duch einen 
"digitalen Hochpass" (invertiertes Signal mit Originalsignal verUNDen) 
erzeugen. Unterschiedliche (ungerade) Anzahl von Invertern erzeugt 
unterschiedlich lange Impulse. Das Treiben der Diode wäre doch auch was 
für so einen Gate-Treiber. Strombegrenzung (falls überhaupt nötig) dann 
über LC-Glied in der Versorgung (ähnlich dem angesprochenen 
Kondensatormodell) oder Widerstand im Diodenpfad selber. Gatetreiber für 
dicke MosFets gibt es bei ti bis 9A (Gatespannung 4.5V). Die Teile 
arbeiten meisst auch mit mehr als nur 5V, also z.B. 12V.

Einzig würde mir noch der Zähler probleme bereiten. Das Licht braucht 
für einen Meter etwa 3ns, für einen "Entfernungsmeter" also 6ns. Eine 
Taktfrequenz von über 100Mhz für den Zähler wär also schon 
Wünschenswert.

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