Hallo,
vielleicht könnt ihr mir weiterhelfen -- wäre euch sehr dankbar.
Ich habe eine
Fotodiode(http://www.reichelt.de/?SID=271@kAw6wQARsAAC4lyk44b391a12984a7073b5c0c727d82961f2;ACTION=7;LA=6;OPEN=1;INDEX=0;FILENAME=A501%252FBPW21.pdf)
zu Lichtmessung.
Bei der Messung kann ein typisches Messrauschen entstehen.
Dieses Messrauschen kann durch Mehrfachmessung entfernt werden.
Dabei kann die Genauigkeit durch die Formel:
WURZEL(anzahl der Messung)=Faktor der Verbesserung der Genauigkeit.
Meine Frage nun, wie bekomme ich aus dem Datenblatt das Messrauschen?
Ich muss ja das Messrauschen mit dem LSB des ADC verrechnen:
10Bit ADC bei 5V -> ca. LSB=5mV d.h. wenn das Messrauschen(z.B. 10mV) >
als 1/2 LSB kann der digitalisierte Wert des ADC einen anderen Wert
betragen, als er eigentlich ist durch das Rauschen.
gruss
Markus
ich weiß nicht direkt was du meinst.
Das Rauchen der fotodiode ist temperaturabhängig, es gibt sehr viele
quellen für das rauschen. den genauen wert bekommst du nur durch messen
raus.
für die brechnung, nimmst du zum beispiel 2 werte und bildest den
mittelwert.( sollten natürlich deutlich mehr sein)
im einfachsten fall bilde ich eine gleitenden mittelwert und mache das
über so viele werte das der ausgegebene Wert nur noch ab und zu um ein
diget wechselt bei gleichgroßen signal.
Das Rauschen sollte weißes rauschen sein, das heißt alle frequenzen in
einen bereich sind dadrin vorhanden. also kann man nie sagen ob man nun
den oberen punkt des rauschen misst, oder den unteren oder irgendeinen
dazwischen.
hoffe sowas meintest du.
Hier gibts Leute, die das Rauschen von Fotodioden besonders
interessiert:
http://www.lichtsprechen.dehttp://www.hhcuno.homepage.t-online.de/afu/whitran/index_wt.htm
Amateurfunk auf Laserlicht, ein Entfernungsrekord von 248 km mit blauem
Licht ist hier aufgelistet.
Die Rauschleistung von weißem Rauschen ist abhängig von der
Meßbandbreite (und der Temperatur). Im Datenblatt müßten, wenn das
überhaupt drinsteht, diese beiden Parameter enthalten sein. Für
Funkempfänger gibt die Rauschzahl in dB an, wie weit das zusätzliche
Rauschen der Elektronik über dem natürlichen Rauschen liegt. Merkwert:
natürliches Rauschen -174 dBm/Hz.
Beispiel: Satelliten-LNBs liegen unter 1 dB Rauschzahl,
Spektrumanalysatoren haben 20-30 dB Rauschzahl, da ist die Gesamtdynamik
wichtiger.
Das Vishay-Datenblatt ist nicht sehr ergiebig, das alte Siemens bietet
mehr:
http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/44651/SIEMENS/BPW21.html
Quantenausbeute, l = 550 nm
eta= 0.80 Electrons/Photon
Rauschäquivalente Strahlungsleistung VR = 5 V, l = 550 nm
NEP = 7.2*10^–14 W/Sqrt(Hz)
Nachweisgrenze, VR = 5 V, l = 550 nm
D = 1*10^-12 cm*Sqrt(Hz)/W
Dunkelstrom (Vr=5V) 2nA typ 30 nA max.
Kennwerte (TA = 25 °C, Normlicht A, T = 2856 K)
Daraus kann man vielleicht die Rauschgrenze ermitteln.
Vielen Dank für die vielen Kommentare!
Das Datenblatt enthält eine Formel zur Rauschäquivalente
Strahlungsleistung.
Wegen den Toleranzen, die so ein Sensor besitzt, dachte ich mir, dass es
besser sei es zu messen anstatt zu berechen über eine Formel aus dem
Datenblatt.
@Andreas.
Sorry, dass ich mich was seltsam ausgedrückt habe!
Also habe ich dich so verstanden, dass man ein Art Queue mit Messwerten
aufbaut. D.h. kommt ein neuer Wert rein, wird er vorn reingeschoben und
der letzte bzw. älteste hinten rausgeworfen. Über die Werte der Queue
wird der Mittelwert berechnet.
Habe ich nicht immer noch das Problem, dass im Mittelwert ein Rauschen
drin ist, sozusagen ein gemitteltes Rauschen?
ja genau das meinte ich. das ist nützllich um das rauschn zu minedern.
es bleibt immer rauschen drin. du filters so nur die hohen frequenzen
raus. niedrige frequenzen im rauschen sind eh nicht vom signal zu
unterscheiden. mit mehreren sensoren kann man da noch was machen.
schwankungen anhand der umgebungsparameter gehen so aber auch nicht.
das oben beschriebene ist halt nur die einfachariante.
uch noch was übersehn. du mittelst das rauschen ja. im idealfall ist das
rauschen flächenmäßig über den wahren signal gleichgroß unter wie den
signal. wenn man nur lange genug mittelt, ist das rauschen also null,
nur leider ist das nur bedingt möglich, man möchte ja einen relativ
schnellen sensor. da muss man einen kompromiss finden.
@Andreas
(Wenn du noch einwenig Zeit übrig hast:)
D.h.
Wenn ich beispielsweise zwei Sensoren hätte, für beide den Mittelwert
bilde(jeweils eine eigene Queue). Diese Beide Mittelwert nochmals
mittel. Dadurch kann ich auch niedrige Frequenzen entfernen aus dem
eigentlichen Messsignal.
Temperaturschwankungen kann ich einfach durch eine Lookup-Table mit
Hilfe des Datenblatts entfernen. In dem Datenblatt steht nur die
Beziehung zwischen Dunkelstrom und Temperatur.
Kann ich davon ausgehen wenn zB
Dunkelstrom:
bei 0°C = 1nA
bei 25°C= 10nA
dass sich dies für die gesamte Kennlinie, sprich auch bei 1000lx
Helligkeit, fortführen lässt, also
1000lx:
bei 0°C = 10µA
bei 25°C= 10,01µA
?
Oder hast du eine bessere Idee, wie man Umgebungseinflüsse filtern kann?
ehrlichgesagt kenne ich mich mit photodioden nicht ganz so gut aus. ich
entwickel widerstandsmessgeräte :)
also wenn das im datenblatt der diode so steht dann ist das so ja.
ich würde den werten im datenblatt eh nicht so trauen :) wenn es nicht
nach DIN fest beschrieben ist. den dunkelstrom kann man ja relativ
leicht messen.
aber das mit den beiden sensoren die das selbe signal messen ist
richtig.
was möchtest du eigendlich machen, das du das so genau brauchst. ein
lux-meter kann man locker 1 s glätten ohne das es einen so richtig
aufällt, mehr als 2 werte pro sekunde kann man eh nur sehr schwer
wahrnehmen.
Eigentlich nichts besonders. Ich muss für ein Projekt in meinem Studium
eine Lichtstärkemessung vornehmen, um eine Roll(l)ade hoch oder runter
zu fahren.
Ich bin so ziehmlich neu auf dem Gebiet der Sensorik, daher weiss ich
nicht wie genau ich messen muss, damit ich ein akzeptables Ergebnis
bekomme.
Ist es nach deiner Ansicht ausreichend einfach zwei Sensoren(wie oben
beschrieben) zur Messung einzusetzen?
für deinen fall würde auch ein sensor reichen.
dein fall ist eine zweipunktreglung. ist drausen hell, also heller 1000
lux (punkt muss natürlich auswählbar sein) Roll(l)ade öffnen, ist es
dunkel, dunkler 1000 lux Roll(l)ade schließen.
du wirst feststellen das eine hysterese für deinen Fall nützlich ist,
also Roll(l)ade auf bei 1000 lux und Roll(l)ade zu bei 500 lux.
Dann kann das sogar sehr träge sein, also glätten über 1 sekunde wird
kaum einer merken. ewentuell kannst du auch den temperaturdrift
vernachlässigen. so wie du es oben bestrieben hast, ist er nur ein
tausenstel von deinen Messwert (bei 1000 lux). ohne direkten vergleich
kann kein mensch 1000 lux von 800 lux unterscheiden, ist beides hell :)
du misst das sicher auch mit einen im µC eingebauten 10. bit AD-Wandler
oder? der hat also über den ganzen messbereich eh +- 1/1024 abweichung.
ich würde dir empfehlen eine integrierende OPV schaltung mit einer
zeitkonstante um die 100ms zu nehmen. dann ungefähr alle 20 ms ein
AD-Wandler wert zu nehmen. der müsste jetzt schon relativ stabiel sein,
es kommt noch das rauschen deiner AD-Wandlerschaltung dazu, ich nehme
darum immer 4 werte kurz hintereinander und addiere sie auf. Wenn nötig
kannst du jetzt noch einen gleitenden Mittelwert bilden, bis eine
Sekunde kannst du ja über 50 Werte mitteln, aber das wird möglicherweise
nicht nötig.
Wie gesagt kenne mich mit photodioden nicht so richtig aus, wenn das
rauschen aber so extrem ist, dann wären die aber nicht zu gebrauchen :)
jetzt musst du "nur noch" clever den wert umrechnen. (eventule
nichtlinearität rausrechnen, vielleicht doch die Temperatur rausrechnen,
usw.)
P.S.:
Die obigen werte sind nur Hausnummern, ich habe sie weder errechnet oder
gemessen. Sie dienen nur der Veranschaulichung meiner Beschreibung.
Ich bin dir sehr sehr dankbar!!
Stimmt, ich wollte einen 10Bit ADC nehmen.
Sorry nochmal, was bedeutet denn " glätten über 1 sekunde"?
-Einfach mehrer Werte pro sek mitteln?
Wenn ich schon so an der Quelle des Wissens bin :-) und ich deine Nerven
nicht zu stramperziert habe, möchte ich dich gern noch was fragen.
Ich habe zur Messung des Lichts vorerst ein Transimpedanzwandler
eingesetzt.
Dieser wandelt den Strom, der die Diode in eine negative Spannung, die
dann durch einen ADC messbar ist. Also nicht ganz da der ADC nicht mit
negativen Spannungen klar kommt. Daher habe ich noch einen
invertierenden OpAmp nach geschaltet. Leider invertiert dieser die
Spannung nur bedingt:
-32mV -> 23mV
-21mV -> 11mV
Dies hängt doch bestimmt mit den Herstellertoleranzen der Widerstände,
die
für den invertierenden OpAmp eingesetzt werden müssen zusammen, oder?
Hast du vielleicht eine Idee wie man dies Beheben kann?
Meine erster Gedanke war, dass die Differenz prozentualler Natur ist.
Also man könnte einfach einen bestimmten Prozentsatz drauf addieren.
Leider ist dies nicht so, da die Wert unterschiedliche Differenzen
aufweisen.
es gibt 2 Möglichkeiten wo der Effekt herkommt.
1. du hast ihn falsch angeschlossen
2. ein Offset
hast du ihn so,
http://de.wikipedia.org/wiki/Operationsverst%C3%A4rker#Invertierender_Verst.C3.A4rker
angeklemmt?
Wenn ja dann verstärke das Signal noch ein wenig, wenn du die interne
Reverens Vref nimmst dann solltest du auch den kompletten bereich
nehmen, sonst steht dir effektiv weniger Auflösung zur Verfügung.
Wegen den Offset gibt es bei vielen OPV die Möglichkeit einen Poti
anzuschließen damit kann man ihn dann "wegregeln". Dieser ist aber auch
Temperaturabhängig.
die Möglichkeiten sind auf diesen Gebiet unbegrenzt, um da das optimum
zu finden müsste ich mir die Signale genauer angucken.
gruß
Andreas
Verzeiht mir, wenn ich mich da einmische. Vielleicht sehe
ich das etwas zu naiv.
Aber: Ist das alles nicht ein bischen viel Aufwand für
den doch relativ simplen Vorgang: Rolladen auf/zu
Konstantstromqelle an Diode. Spannung per ADC messen und
mit einem Vergleichswert vergleichen (Hysterese nicht vergssen).
Den Vergleichswert wird ja doch wohl keiner mit einem Luxmeter
festlegen, sondern sich abends in den Raum begeben und solange
am Wert rumdrehen, bis der Rolladen zu geht. Fettich.
Entschuldigung wegen der Grammatik.
Mit eine Sekunde glätten meinte ich nur im Bedarfsfall, weil es das
Signal ja träge macht.
Angenommen du nimmst alle 20 ms einen AD-Wert dann musst du über 50
Werte einen gleitenden Mittelwert nehmen, um auf eine Sekunde zu kommen.
Da ich das Signal ja nicht kenne reichen vielleicht sogar 4 Werte. musst
dann also nicht 50 nehmen. Das kann man leicht Experimentell ermitteln.
Außerdem kommen noch die Grenzen vom µC hinzu. In einer 16.Bit Zahl kann
man maximal 64 10.Bit-Werte aufaddieren bevor sie überläuft. Wenn du
schon bei jeder AD-Wandlung 4 Werte aufaddierst ohne sie durch 4 zu
teilen, dann reichen schon 16 Werte für den Überlauf.
grüße
Andreas
@ Karl heinz Buchegger (kbuchegg)
ja finde ich auch, aber ich kenne ja die Aufgabe nicht. Da sie von einen
Professor gestellt wird, kann es ja sein das man die Helligkeit Luxgenau
(tolles Wort) einstellen muss.
Hi,
vielen vielen Dank!
ich habe alles soweit implementiert!
Ich wollte zusätzlich, wie du vorgeschlagen hast, ein Tiefpass
verwenden.
Kann ich nicht anstatt ein OP auch einfach ein RC-Glied nehmen?
Dabei habe ich noch ein Problem.
Wenn die Diode eine Grenzfrequenz von 100KHz hat, muss bei einem
RC-Glied einen 100Ohm R und 10nF C benutzen(1/(2*PI*R*C)) werden. Dabei
komme ich aber zu einer Zeitkonstante von gerade mal zu 1µs.
Muss man da einen Kompromiss finden zwischen Zeitkonst. und
Grenzfrequenz?
Oder habe ich da was falsch verstanden?
