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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik PWM Messung: Übertragungsfunktion


Autor: Weihnachtsmann (Gast)
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Hallo,

ich möchte eine PWM - Messung vornehmen. Und zwar kommt mit einer 
Frequenz von ca. 50 Hz ein sehr kurzer Puls. Ich möchte nun mit einem 
Tiefpassfilter irgendwas zusammenbauen, das proportional zu der Spannung 
dieser kurzen Pulse ist. Dazu würde ich die Schaltung im Anhang 
verwenden (Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Tiefpass, einfach ein 
Tiefpass erster Ordnung, wenn das nicht reich zweiter Ordnung). So ist 
die Formel im Anhang dafür die richtige? ich würde die einfach mit dem 
Duty-Cycle g=t*f multiplizieren, wobei f diese 50 Hz sind, und t die 
Dauer eines Pulses. Oder ist da ein Denkfehler drin? Ich bekomme da für 
die notwendigen werte recht kleine ergebnisse.

Danke für Antworten!

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo du Weihnachtsmann,

>Ich möchte nun mit einem Tiefpassfilter irgendwas zusammenbauen, das 
>proportional zu der Spannung dieser kurzen Pulse ist.

Geht es vielleicht ein klein wenig konkreter??

Kai

Autor: Weihnachtsmann (Gast)
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Klar geht es konkreter... Ein Laser gibt kurze Lichtpulse ab. Jetzt 
fragt sich welche Energie die haben. also Fotodiode reinhalten. 
Fotostrom messen (mit Gegenwiderstand, da Pulse sehr kurz sind), und mit 
Transimpedanzverstärker in Spannung konvertieren. Jetzt sind da vllcht 
50 Pulse in der Sekunde, die 16 ns lang sind. Und die muss man messen. 
Geht schlecht mit einem Voltmeter... also war meine Idee das ganze mit 
einem Tiefpass zu behandeln.

Dazu möchte ich den AD8056. Ist der geeignet? 
(http://www.analog.com/en/amplifiers-and-comparator...)

So und jetzt überlege ich wie ich den Filter mache... so ein Sallen-Key 
Ding, oder einfach erster Ordnung?

Und da habe ich halt auch ein Problem bei der Berechnung...

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Weihnachtsmann,

>Jetzt sind da vllcht 50 Pulse in der Sekunde, die 16 ns lang sind. Und
>die muss man messen. Geht schlecht mit einem Voltmeter... also war meine
>Idee das ganze mit einem Tiefpass zu behandeln.

Wenn du beispielsweise alle 20msec einen Rechteckimpuls von 16nsec Dauer 
und sagen wir einmal 5V Amplitude hast, dann verschwinden die fast 
völlig in dem Integrator, denn als Mittelwert der Spannung am Ausgang 
hast du nur rund 16nsec / 20msec x 5V = 4µV. Von der Welligkeit (Ripple) 
ganz zu schweigen. Bei so kleinen Spannungen kannst du das Nutzsignal 
kaum vom Offset des Transimpedanzverstärkers unterscheiden.

Viel besser ist es, über den einzelnen Impuls zu integrieren.

>Dazu möchte ich den AD8056. Ist der geeignet?

Als Transimpedanzverstärker? Dafür brauchst du einen OPamp, der noch 
viel schneller ist!

Kai Klaas

Autor: Weihnachtsmann (Gast)
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Hallo,

gibt es vorschläge welchen ich nehmen könnte? Muss ich 
stromrückgekoppelte nehmen? mit denen habe ich noch nie gearbeitet...

Gruß,

Philipp

Autor: Weihnachtsmann (Gast)
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Ach ja nochwas: wie berechne ich welche Slew-Rate und Bandbreite ich 
brauche für einen Transimpedanzverstärker? Oder reichts sowieso nicht 
und ich muss das über einen Shunt machen?

Und wenn ich integriere, divergiert das dann nicht wenn man den 
integrierer als ideal betrachtet? Naja ansonsten probiere ich einfach 
mal ein bischen um erfahrung damit zu sammeln...

Danke und Gruß

Autor: Michael O. (mischu)
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Hallo Weihnachtsmann - is noch ein bischen früh für dich, oder?

Also ich nehme in einer Laserapplikation (Dye, 7ns Pulslänge) einen 
integrierenden 20Bit AD-Wandler (DDC112 von BB / TI).
Der misst Ladungen in seinen geschalteten Kondensatoren.

Eine zweite Photodiode dient mir als Triggersignal.
Mit einem Atmel uC lese ich kontinuierlich die Wandlungsergebnisse aus. 
Sofern ich ein Triggerpuls hatte, addiere ich die letzte und kommende 
Samplingerte.
Funktioniert wunderbar.

Autor: Weihnachtsmann (Gast)
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Der Weihnachtsmann beschäftigt sich immer mit Elektronik wenn gerade 
nicht Weihnachten ist. Ich kann ja nicht einfach verschwinden.

Nee also eigentlich ist die Aufgabe da ein ganz einfaches 
Spannungssignal auszugeben, wenn das nicht gehen sollte würde ich 
natürlich umdenken.

Ansonsten verstehe ich noch einiges nicht: Warum reicht dieser OPV 
AD8056 nicht aus? Ich meine die Fotodiode macht ja auch einen nicht zu 
kleinen Strom, sagen auf den Datenblatt der gerade verwendeten steht was 
von 500 mA maximal, die muss aber noch getauscht werden, aber da muss 
ich doch wenig Verstärken oder?

Autor: Michael Förtsch (the_new_number_2)
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Die Idee mit dem Tiefpass funktioniert nur, wenn du genau weist, dass es 
50Hz sind. Wenn die Frequenz variabel ist, geht's nicht.

Warum verwendest du nicht einfach einen Spitzenwert-Gleichrichter? Ein 
Sample&Hold wäre machbar, aber wohl Overkill.

Autor: Weihnachtsmann (Gast)
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Hallo,

die Frequenz ist schon genau einstellbar. Ich habe aber nochmal das 
ganze besprochen. Es wäre sehr gut, das ganze nur mit wenigen, am besten 
einen Puls, zu machen.

Daher habe ich mir auch Sample&Hold angeschaut. Problem: Der einzige der 
schnell genug ist, mit 7 ns, 
(http://de.wikipedia.org/wiki/Sample-and-Hold-Schaltung) verliert seine 
Spannung auch schnell wieder.

Hätte ich ne Chance einen Puls von nur 16ns mit so einem 
Spitzenwert-Gleichrichter abzubilden? Wenn ja worauf ist zu achten?

Autor: Michael M. (Gast)
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hf-pulszähler loslaufen lassen. ist mit nem flotten fpga machbar. sollte 
aber schon im GHz-bereich arbeiten. je nach geforderter auflösung.
das tiefpass-gefriemel taugt nichts.

Autor: Weihnachtsmann (Gast)
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Hallo,

ich will doch keine Pulse zählen, sondern ich will eher wissen wie groß 
ein einziger Puls ist... oder ist dieser fpga auch dafür geeignet? Ach 
ja der link geht bei mir nicht...

Autor: Ulrich (Gast)
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Es ist immer noch nicht klar, was gemessern werden soll. Mann könnte den 
mittleren Strom ( -> mittlere Leistung), den maximalen Strom, oder die 
Pulslänge messen. Dabei ist nur der mittlere Strom wirklich einfach: 
wenn der Transimpedanzverstärker einen genügend großen Kondensator in 
der Rückkopplung hat, braucht der OP auch nicht mal schnell sein. 
Dahinter hat man dann auch schon keine so gurzen Pulse mehr, im 
Extremfall nur etwas Restwelligkeit.

Für die Pulslänge oder gar den Maximalwert muß die Fotodiode und der 
Verstärker sehr schnell sein.

Autor: Weihnachtsmann (Gast)
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Es soll die Energie von Laserpulsen gemessen werden. Und zwar mit 
möglichst wenig Pulsen, am besten nur einen. Wie, ist egal. Ich werde 
diesen Spitzenwert-Gleichrichter einfach mal ausprobieren. Das hört sich 
schon mal gut an. Was für Kondensatoren sollte ich am besten nehmen? Wie 
schnell entladen die sich wieder? Welchen OPV?

Gruß und Danke!

Autor: früher studierte man eigenständig (Gast)
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du weißt aber schon, dass dein betreuer an der uni oder spätestens der 
prof bei der benotung ein bisschen googlen wird?
dauert nicht mehr lang und dank des hohen pageranks von µC.net wird 
dieser thread hier ganz oben bei den suchergebnissen stehn...

Autor: Weihnachtsmann (Gast)
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Ich werde nicht benotet. Und was hätte ich denn getan? Habe ich irgendwo 
geistiges Eigentum geklaut, oder auch nur die Absicht gezeigt? Ich habe 
mir Gedanken gemacht wie ich ein Problem lösen kann, und hier 
nachgefragt ob meine gedanklichen Schritte richtig sind. Und zu diesem 
"früher studierte man eigenständig": "Wissensmanagement" 
(http://de.wikipedia.org/wiki/Wissensmanagement) ist ein wichtiges 
Thema. Wo kommen wir denn hin wenn man nicht andere Leute etwas fragt 
wie etwas funktioniert? Ob das in einem Forum im Internet geschehen soll 
ist natürlich ne andere Frage. Ich wäre aber sonst nicht auf die Idee 
gekommen das es Spitzenwert-Gleichrichtiger überhaupt gibt. Auch wenns 
nicht bei dieser Anwendung funktionieren sollte, ich bin mir fast sicher 
dass ich ihn irgendwann mal im Leben anwenden werde.

Ansonsten denke ich das man mit dieser "ich mache (und kann) alles 
selber Einstellung" schon fast gescheitert ist.

Autor: Michael Förtsch (the_new_number_2)
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He, wenn du nur bei jedem Posting eine kleine zusätzliche Information 
'rauslässt, kann man nicht vernünftig helfen. Ursprünglich bin ich davon 
ausgegangen, du willst die Höhe der Pulse messen - und das weder 
sonderlich genau noch schnell.

Wenn du gleich nach dem ersten Puls die Pulshöhe wissen willst, brauchst 
du mehr Aufwand. Ich würde das so angehen:

TIA --> Buffer -+----------------> S&H -------> ADC
                |                   |           |
                '--> Limiting Amp --+-> delay --'


Be seeing you.

Autor: Weihnachtsmann (Gast)
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Hm verstehe ich nicht ganz... Also erstmal Puffern... womit? Kondensator 
parallel zu Transimpedanzverstärker? Was bringt ein Sample&Hold? Ich 
meine das ist doch in jeden ADC drin, und zwei helfen doch auch nicht? 
Eigentlich ist ein Sample und Hold doch ein Spitzenwert-Gleichrichter 
mit Diode als schalter...
Ginge das eigentlich überhaupt über eine Diode? Gibt es welche die bez. 
Widerstand und Kapazität geeignet währen?

Ansonsten hat doch ein OPV einen Widerstand in der Größenordnung 10^12 
Ohm oder? Wie groß sind denn Leckströme?

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Weihnachstmann,

was du brauchst, ist eigentlich ein ladungsempfindlicher Vorverstärker, 
der dein Signal integriert. Teilchendetektoren verwenden solche Dinger. 
Schau mal auf Seite 12 von diesem Link:

http://www.ipe.fzk.de/lehre/vrl_elp/ipe-2005-12-20...

Der ladungsempfindliche Vorverstärker muß sehr schnell sein, um das sehr 
kurze Signal adequat verarbeiten zu können. Es gibt spezielle 
Verstärker, die genau darauf getrimmt sind.

Der Gegenkopplungskondensator speichert die Ladung, indem er den Strom 
deiner Photodiode integriert. Natürlich hält dieser Kondensator die 
Ladung nicht ewig, sondern wird durch den parallelen Widerstand wieder 
entladen. Der ladungsempfindliche Vorverstärker gibt dir aber genug 
Zeit, seine Ausgangsspannung mit einer zusätzlichen Elektronik (z.B. 
Sample und Hold Stufe) zu lesen.

Auch ein Peak-Detektor hält die Spannung nicht beliebig lange, vor allem 
nicht, wenn er in der Lage sein soll, ein sehr schnelles Signal zu 
erfassen. Du mußt daran denken, daß der Ladestrom in einen Kondensator 
von C x dU/dt abhängt und daß deshalb für schnelle Signale nur ein 
kleines C verwendet werden kann. Egal, ob du einen ladungsempfindlichen 
Vorverstärker hast oder einen Peak-Detektor.

Ich habe mal für das ATLAS-Experiment am CERN einen Peak-Detektor auf 
Basis eines Diamond-Transistors entwickelt, der in der Lage war, die 
1nsec langen Impulse eines GaAs-Teilchendetektors zu erfassen. Leider 
wird der OPA660 aber nicht mehr hergestellt.

Achtung, ein Sample und Hold Verstärker ist nicht automatisch ein Peak 
Detektor! Dazu müßtest du ihn genau im Moment der höchsten Spannung 
gaten.

Kai Klaas

Autor: Gast XIV (Gast)
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Mal ne Frage aus dem tiefen Tal der Ahnungslosen.

Kann man nicht einfach nen CCD Sensor nehmen? Ggf. dat Ding an die Wand 
nageln, den Laser rotieren lassen so das der Strahl schnell 
drüberstreicht

Autor: ah (Gast)
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Ich wuerd die Ladung der Photodiode mit einem Kondensator interieren. 
Bei einem hinreichen kleinen Cap, zB 100pF, kommt auch was an Spannung 
raus. Die kann man dann ja mit einem normalen OpAmp verstaerkern.
Betrachte die Photodiode als Intensitaetsproportionale Stromquelle, im 
Sperrbetrieb natuerlich.

Autor: Weihnachtsmann (Gast)
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Hallo,

ist schon eine weile her seit ich mit dem Thema angefangen habe, kamen 
leider andere dringendere Aufgaben dazwischen.

Also ich wollte die Fotodiode simulieren. Die hat eine Kapazität von 300 
pF. Also habe ich mir nen Funktionsgenerator geschnappt und eine 
Kapazität parallel geschaltet. Habe 220 pF genommen, waren keine 300 pFs 
mehr da.

Wie besprochen habe ich einen Ladungsverstärker gebaut. Dazu habe ich 
einen 1 k Widerstand (Rf) von -In nach Out gezogen, parallel dazu einen 
220 pF  Kondensator (Cf). Out habe ich auf GND gelegt.

Als OPV habe ich erst einen OPA277P und dann einen AD8056A verwendet. 
Das Ergebnis war bei beiden das gleiche.

Zunächst habe ich mir das Signal einfach mal angeschaut. War ein 60 MHz 
Oszi, demnentsprechend rund war auch die Kurve. Als signal habe ich 
übrigens Pulse mit 500 Hz die Jeweils 16 ns dauern sollten. Rise Time 
war 5 ns, das kürzeste was halt ging :-D
Ob diese Simulation realistisch ist, weiß ich nicht. Muss mir unbedingt 
mal das Signal der Fotodiode anschauen, um das festzustellen.

Leider hat der OPV das Signal nicht verstärkt. Sah fast genauso aus, nur 
etwas gedämpfter.

Was mache ich falsch??? Würde jetzt nochmal die Dimensionierung von 
diesem Rf und Cf nachdenken, aber vllcht könnt ihr mir ja schon einen 
Tipp geben.

Schönes Wochenende und Gruß!

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Ich weiß nicht, ob ich dich richtig verstanden habe, aber was du gebaut 
hast, ist wohl ein aktiver Integrator. Der 1k Widerstand und der 220pF 
Kondensator bilden eine Zeitkonstante von 220nsec, da siehst du nicht 
viel von deinen 15nsec langen Impulsen.

Was willst du denn genau machen?

Kai Klaas

Autor: Philipp D. (weihnachtsmann)
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Hi,

ich möchte die Energie von kurzen Laserpulsen messen. Dabei gehe ich 
davon aus dass ein Integrator und ein Ladungsverstärker das Gleiche ist.
Dabei ist mir jedoch nicht klar, wie man auf die 220 ns kommt. Ich habe 
mir einfach mal diesen Wiki-Artikel durchgelesen 
http://de.wikipedia.org/wiki/Ladungsverst%C3%A4rker und wollte vor allem 
erst einmal ein Gefühl für den Ladungsverstärker bekommen.

Würde mich sehr über weiterführende Literatur oder Tipps freuen.

Gruß

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Philipp,

>Dabei ist mir jedoch nicht klar, wie man auf die 220 ns kommt. Ich habe
>mir einfach mal diesen Wiki-Artikel durchgelesen
>http://de.wikipedia.org/wiki/Ladungsverst%C3%A4rker und wollte vor allem
>erst einmal ein Gefühl für den Ladungsverstärker bekommen.

Rf x Cf = 1k x 220pF = 220nsec

Was du versucht hast, ist, mit einer großen Zeitkonstante ein Signal mit 
sehr sehr kleinem Impuls-Pausen-Verhältnis zu integrieren. Das wird 
nicht funktionieren, weil das Ergebnis dieser Integration winzig ist und 
vollkommen im Rauschen oder in Offsetspannungen verschwindet.

Was du machen mußt, ist, die Integrationszeit so zu verringern, daß 
bereits ein Inpuls ausreicht, um den Integrator kräftig aufzuladen.

Du mußt außerdem darauf achten, daß der Gegenkopplungswiderstand nicht 
zu klein gewählt wird, nicht nur wegen des zu schnellen Entladens nach 
der Integration, sondern auch, weil sonst der zu intergierende Strom am 
Integrationskondensator sinnlos vorbei fließt und im Widerstand verheizt 
wird. Im Idealfall hast du also in der Gegenkopplung nur einen 
Kondensator!

Warum simulierst du nicht mal das Ganze? Die Photodiode verhält sich wie 
eine Stromquelle, der die Detektorkapazität parallelgeschaltet ist, 
genauso wie in deinem Wikipedia-Link.

Kai Klaas

Autor: Philipp D. (weihnachtsmann)
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Hi,

danke für die Antwort! Klar simuliere ich das ganze.

Wie kommst du aber auf dieses Rf*Cf? Ist das die Formel für die 
Grenzfrequenz? Muss da nicht noch ein 2*pi davor?

Autor: Kai Klaas (Gast)
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>Wie kommst du aber auf dieses Rf*Cf? Ist das die Formel für die
>Grenzfrequenz? Muss da nicht noch ein 2*pi davor?

Rf x Cf ist die Zeitkonstante. 1 / (2 x pi x Rf x Cf)) ist die 
Grenzfrequenz.

Kai Klaas

Autor: Weihnachtsmann (Gast)
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Hallo,

vielen Dank für eure Hilfe! Funktioniert jetzt alles. Habe erstmal mit 
einen Tiefpassfilter/Ladungsverstärker/Strom-Spannungswandler oder wie 
man das auch immer nennt ein bischen integriert. Ich musste hier Rf 
übrigens sehr klein wählen (ca 300 Ohm). Davor habe ich noch einen 
Riesenkondensator (220 nF) geschaltet um Gleichstrom weg zu machen. Der 
beeinflusst das Signal nicht.

Danach habe ich noch einen Tiefpass gemacht. Dieses mal 220 pF. Danach 
ein Spitzenspannungs Gleichrichter mit einem Kondensator mit 10 nF. Der 
entläd sich mit 20 mV/s, für meine Zwecke ist das gut denke ich.

Ich habe jetzt noch eine Frage: Gibt es irgend ein Gerät, dass eimfach 
nur eine Spitzenspannung misst? Man sollte es halt auf Null stellen 
können, indem man einen Taster dürckt. Dabei sollte auch dieser 10 nF 
Kondensator entladen werden, wäre also Praktisch wenn da einfach etwas 
auf GND gelegt wird.

Falls keiner da ne gute Idee hat nehme ich einfach sowas: 
http://www.pollin.de/shop/dt/MDk3OTYxOTk-/Messtech... 
(Digital-Multimeter MS 8221 bei Pollin).

Dann noch nen schönen Abend :-)

Autor: Philipp D. (weihnachtsmann)
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Und jemand ne Idee?

Autor: Sumpfgeist (Gast)
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Ja noch ne Frage: Um Offset durch Störlich zu entfernen, nehme ich einen 
Abblockkondensator in Reihe mit der Fotodiode von 220 nF. Das Verursacht 
Peaks am Ladungsverstärker, die zunächst in die falsche Richtung gehen. 
Nehme an das wirkt wie ein Differenzierer. Wie kann ich das verhindern?

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