Hallo erstmal an alle in diesem tollen Forum. Hab schon die Suche bemüht
aber nichts gefunden, darum hier mein Problem.
Grob worum es geht:
Es soll die Höhe eines Pulses FWHM 1ns bestimmt werden, damit ein
Analogeingang sie aufnehmen kann.
Erstmal mein Hintergrund:
Ich studiere Mechatronik auf Diplom im Hauptstudium und habe mich stark
nach E-Technik ausgerichtet. Allg. Schaltungsdesign ist für mich kein
Problem, in HF-Problemen bin ich jedoch ein Neuling.
Worum es genau geht:
Erstmal, das ist kein Hobbyteil, sondern für ein mit dem Studium
zusammenhängendes Projekt.
Die Pulse: Von einer Photodiode kommen die Pulse mit Wiederholfrequenz
200kHz. Die Pulse sind 200 - 1000mV hoch. Anstieg der Pulse ist maximal
ca. 1500V/µs. Die Pulshöhe wechselt nicht sprunghaft sondern ist in
einem bestimmten Zustand auf einige mV stabil. Die FWHM-Breite der Pulse
ist 1ns.
Was damit gemacht werden soll: Die Pulshöhe soll von einem A/D-Wandler
digitalisiert werden um den jeweiligen Zustand zu bestimmen. Da die Höhe
nicht sprunghaft wechselt, soll am besten eine konstante Spannung in
Pulshöhe (oder in einer zur Pulshöhe relativen Höhe) erzeugt werden, die
auf Änderungen auch träge reagieren darf.
Was ich bis jetzt gemacht habe:
HF-Naiv wie ich war, hab ich mir einfach ein paar verfügbare OpAmps
geschnappt, die schon relativ schnell sind (AD8055) und ne
Schottky-Diode (BAT41) und einfach den altbekannten Peakstretcher gebaut
(siehe Bild). Das ganze einfach in THT und auf ner Lochrasterplatine.
So, was sieht man am Ausgang? Natürlich nix. Nach dem 10pF Kondensator
hat man zwar nen gestretchten Puls von etwa 15ns aber nurnoch 20mV. Den
Rest haben parasitäre Kapazitäten gefressen. Bis zum 2. OpAmp ist das
dann auf ein paar mV Rauschen geglättet, der dann daraus einfach mehr mV
Rauschen macht.
So um nicht gleich alles zu erschlagen erstmal ein paar Fragen:
Komm ich bei so kurzen Pulsen überhaupt mit THT weiter (evtl.
Manhattenbauweise?) und ich nehm mal an statt ner Lochrasterplatine
wenigstens ne PCB mit Massefläche, oder?
Wenn SMD, was soll ich nehmen? Reicht SOIC oder doch QFP (dann kein
Kaffee beim Löten :D) oder muss BGA ran(bitte nicht, würde gern selbst
löten)?
Wie schaut es aus mit meinem Schaltungdesign? Ist das Ok so?
Brauch ich ne Tunneldiode und ECL-Amps, oder reichen diese Bauteile (die
momentanen sind für mich leicht verfügbar)?
Habt ihr einen ganz anderen Ansatz für mich oder gar ne Lösung?
Da das so bis jetzt das Signal natürlich nicht lange streched, würde ich
das gleiche mit größerem Kond. nochmal kaskadiert dahintersetzten, aber
jetzt soll erstmal Stufe 1 funktionieren.
Erstmal vielen Dank fürs Lesen und falls ihr nen helfenden Beitrag habt,
nochmal ganz herzlichen Dank.
Die Pulsbreite ist 1ns ... dann kannste alles in die Tonne kloppen. Das
sind andere Welten. Lochraster ... LOL.
Eine hinreichend schnelle Messung macht moeglicherweise ein AD8318,
muesste man aber genauer anschauen.
Das ist eine eher aufwendiges Projekt.
Keine Sorge. Ich erwarte jetzt hier keine vorgekaute Lösung und morgen
bau ich das mal Kurz zam. Ist ein langwieriges Projekt und ich bin
gerade dabei mich in die Materie HF einzuarbeiten. Da probiert man halt
mal was dummes aus, weil Erfahrung sammelt man. Kann mir leider nicht
aussuchen erstmal etwas einfacheres zu realisieren. Deswegen bitte ich
einfach nur um Tipps ob ich komplett auf dem Holzweg bin.
Also ihr denkt auf jeden Fall mal PCB mit SMDs...
Was ich vergessen hab. Hab auch noch ein TTL Triggersignal, das einen
AOM steuert und 60ns vorm Puls von high auf low geht so das man zum
Beispiel S&H damit synchronisieren könnte.
schaue mal bei z.B. Analaog Device ob es Sample&Hold Schaltungen gibt ,
die so schnell sind. Auf jedenfalls befindest du dich GHz Bereich. Wenn
man die Flanken auch noch betrachtet, dicke im Mikrowellenbereich. Da
geht nur noch mit 50 Ohm Mikrostriptechnik im Aufbau was. Da spielt
auch schon das Platinenmaterial eine gewichtige Rolle. Auf Lochraster
geht da garnichts.
Und die mit OP und Diode aufgebaute Präzisions Spitzenwertgleichrichter
gehen da schon lange nicht mehr. Als Diode würde da eher eine BAT14
gehen.
Ralph Berres
Von Hittite gibts es S&H und T&H bis 4GHz, die kosten allerdings auch
275 Euro. Müsste aber auch billiger zu realisieren sein. Ich werd mich
jetzt erstmal in HF-Layout allg. einarbeiten. Es muss ja auch nicht
jeder einzelne Puls gemssen werden sondern, da das Signal langsam ändert
tut es auch eine Messung über einige Pulse.
Also bei den Anstiegszeiten kommst Du mit Lochrasterplatinen nicht weit.
Da musst Du schon 50-Ohm-Mikrostrips (Leiterbahn ueber einer massiven
Referenzflaeche) verwenden. Das heisst dann zumindest zweilagige
Platinen. (vierlagig ist besser weil dann die notwendigen
Leiterbahnbreiten vernuenftiger = schmaeler werden).
SOIC-Packung reicht aber durchaus noch aus. Siehe z.B. die Onsemi
MC100EP-Serie, die gibt's in SOIC und die schafft ca. 150ps
Anstiegszeit.
Wie schnell kann sich denn die Pulshoehe aendern? Wenn Du zumindest
immer einige hundert Pulse mit ungefaehr gleicher Pulshoehe hast (d.h.
fuer Deinen Aufbau die Pulshohe aendert sich innerhalb einiger 10 msec
nicht wesentlich), koennte man etwas mit einem Servo-Loop machen - das
braucht dann bloss ein einigermassen schnelles PECL-D-Flipflop mit
differentiellem Eingang. Das ist billig bzw. gratis (als Sample zu
bekommen). So ein Servoloop ist im wesentlichen eine Rueckkopplung vom
FF-Ausgang zum komplementaeren Eingang, wobei die Rueckkopplung ueber
einen (langsamen) Integrator erfolgt. Der Ausgang pendelt sich dann
statisch auf den Level am Eingang zum Samplezeitpuinkt ein, man muss
dann bloss noch die statische Ausgangsspannung messen. Das setzt
allerdings voraus, dass Du einigermassen genau in der Pulsmitte
samplest, d.h. Du brauchst einen Trigger mit Jitter deutlich unter der
Pulsbreite, un zentriert mitten im Puls (minus FF-Prop-Delay).
Noetigenfalls kann man den Triggerzeitpunkt ja mit einer schnellen
Delayline einstellbar machen.
Eine andere Moeglichkeit waere sog. "coherent undersampling" wo Du einen
ausreichend schnellen A/D-Wandler mit einer leicht von 200kHz
abweichenden Samplefrequenz betreibst. Es muss auch gar nicht (200kHz +
delta) sein, sondern kann auch ein Brtuchteil von 200kHz (+ Delta) sein.
Z.B. 2.0001 kHz. Die anfallenden Daten stellen dann die Wellenform in
"Zeitlupe" dar, und mit z.B. einem Mikrocontroller kann man leicht das
Signalmaximum bestimmen (oder noch einfacher mit einem simplen,
langsamen Peakdetektor, denn das Ausgangssignal aendert sich nur
langsam). Das laesst sich auch durchaus mit obiger Servomethode
verbinden, sodass Du wiederum keinen teuren superschnellen A/D-Wandler
kaufen must, sondern bloss ein billiges Flipflop.
Je mehr Du uns ueber Deinen Aufbau verraetst, desto besser kann man
helfen.
Wolfgang
Hi. Ich habe ein ähnliches Problem. 900ps Pulse. Jedoch ist mir die
absolute Pulshöhe vollkomme negal, nur eine Änderung interessiert mich.
Gibt es hierfür einen einfacheren Lösungsansatz?
Haengt davon ab, wie haeufig die Pulse sind. Bei SinisterSign (mit dem
ich gerade privat an einem passenden Schaltungsdesign dazu arbeite) sind
die Pulse sehr selten (200 kHz Pulsrate aber blose ~1ns Pulsbreite), da
muss man schon wirklich den Puls samplen. Ist aber am Ende auch nicht so
wirklich komplex, solange es keine Einzelimpulse sind und sich die
Pulshoehe nicht zu schnell aendert.
Wenn die Pulse aber haeufiger sind (d.g. Pulsperiode ist nicht
unheimlich viel laenger als die Pulsbreite), koennte man das eventuell
einfach in einen R-C-Tiefpass schicken und die Aenderung des
geglaetteten Ausgangssignals als Mass fuer die Pulshoehe nehmen
(zugegebenermassen misst das eher die Flaeche unter dem Puls).
Wolfgang
Wolfgang M. schrieb:> Wenn die Pulse aber haeufiger sind (d.g. Pulsperiode ist nicht> unheimlich viel laenger als die Pulsbreite), koennte man das eventuell> einfach in einen R-C-Tiefpass schicken und die Aenderung des> geglaetteten Ausgangssignals als Mass fuer die Pulshoehe nehmen> (zugegebenermassen misst das eher die Flaeche unter dem Puls).
So wird das üblicherweise gemacht, wenn die Messtechnik zu langsam ist.
Die Totzeit sollte man bei dieser Methode aber in Betracht ziehen.
Hi.
Nachdem mir Wolfgang hervorragend geholfen hat und ich so eine wunderbar
funktionierende Schaltung aufgebaut habe (Vielen Dank nocheinmal),
möchte mein Betreuer die Eier legende Wollmilchsau.
Deswegen verfolgte ich Zeitgleich einen 2. Ansatz einer einfacheren
Schaltung (siehe Bild)
Nochmal zur erinnerung absolute Peakhöhe ist egal, nur ein Signal das
sich propotional ändert.
Die Schaltung funktioniert auf PCB wunderbar bis 10ns Pulsbreite (dann
noch Signalhöhe von ein paar mV aber egal, da Signal > Rauschen kann das
verstärkt werden ;) )
Jemand ne Idee wie ich die Bandbreite noch hindrücken kann? den ersten
OP evtl als Verstärker statt als Folger?
Grüße
Sinister
Kleiner Fehler im Schaltplan, der 2. OPV ist ein AD8610 und kein AD8055,
hab ich in Eagle falsch ausgewählt.
Und btw. wer sich dran stört: Meine Ops haben natürlich beide je 4
Abblockkondensatoren und die Versorgung ist mit nem LC Tiefpass und
nochmal 6 Kondensatoren versehen.
Noch ein kleiner Nachtrag.
Hängt euch bitte nicht am 2pF Kondensator auf, der ist eh nur Alibi :P
kleinermachen verändert da eh nix mehr an der Kapazität die auch schon
durch die Dioden und Leiterbahnen vorhanden ist.
Wenn das Signal-Rausch-Verhältnis dabei noch ausreichend groß bleibt...
Bei 10ns kommst Du sicher an die Grenzen deines AD8055 (-3dB Bandbreite
bei von 300MHz bei einer Verstärkung von 1 - laut Datenblatt) - Wenn die
Schaltung Dir ausreichende Resultate bei 10ns-Pulsbreite liefert,
ersetz' den AD8055 mal mit einem 'schnelleren' Operationsverstärker.
Versuch es mal mit z.B. einem THS3201:
http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/ths3201.html
Der ist bei Farnell zu bekommen - oder eben als Sample von TI (die sind
ja sehr großzügig, was das angeht...)
In der Schaltung ist dann nur zu beachten, dass es sich um einen
Current-Feedback Operationsverstärker handelt - siehe Appnotes des
Datenblattes.
Voltage-Feedback Opamps dünnen sich prinzipbedingt (in den meisten
Konfigurationen weniger externe Bauteile) mit höheren
Frequenzen/Slewrates aus.
Der Kondensator ist in deiner Schaltung natürlich ein kritisches
Bauteil, auch seine parasitären Werte sind da recht wichtig - was
verwendest Du denn für einen?
> Der Kondensator ist in deiner Schaltung natürlich ein kritisches> Bauteil, auch seine parasitären Werte sind da recht wichtig - was> verwendest Du denn für einen?
Naja so nen ganz normalen 0805 MLCC 63V Chip Kondensator.
Hi.
Hab unter falschem Nic geposted, war der von meinem Mitbewohner (
Ingenieurs WG juchee :P)
Der THS3201 schaut gut aus, und ist sogar Pin Kompatibel. Ein schneller
VFA währe mir aber lieber.
Da ich noch nix mit CFAs gemacht habe mal ein paar hoffentlich nicht zu
doofe Fragen:
Denkst du die Schaltung würde funktionieren wenn ich:
Version1: einfach 2 Feedback Widerstände in der Rückkopplung Einbau,
damit ich wieder Gain 1 hab. (Also laut Datenblatt 768Ohm) Oder muss ich
auch am Ausgang auch was beachten, da er niederohmig ist?
Ist die Diode im Feedback bzw die Rückkopplung vom 2. Amp kritisch?
oder Version 2: Soll ich das Feedback des 1. Amps lieber einzeln machen?
oder Version 3: Das Feedback vom 2. dann gleich weglassen (zusammen mit
einer Diode), das als bias der Dioden dient?
Kann ich überhaupt CFA und VFA so einfach zusammen verwenden?
Hab mal ein Bild gemalt schnell in Paint was ich meine.
Hi SinisterSign und Womai,
könntet ihr bitte den Ansatz der privat entwickelten Schaltung noch kurz
hier skizzieren? Würde mich sehr interessieren.
Vielen Dank.
Wir haben's so gemacht, wie ich es in meinem ersten Beitrag
vorgeschlagen habe. Also schnelles PECL-D-Flipflop (MC100EP-Serie in
SOIC-Gehaeuse) als Sampler, mit Rückkopplung auf den Komplement-Eingang
üeber simplen Op-Amp-Integrator. Eine digitale Onsemi-Delayline zur
Einstellung des Sample-Zeitpunktes damit das FF wirklich in der Mitte
(Peak) des Pulses samplet. Hat auf Anhieb funktioniert. Das
Integrator-Ausgangssignal (= Rückkopplungssignal) stellt sich dann
statisch auf den Signalpegel zum Samplezeitpunkt ein und kann einfach
z.B. mit dem ADC-Eingang des Mikrokontrollers digitalisiert werden, oder
als analoges Regelsignal für die Pulshöhe verwendet werden.
Was waere denn Deine Anwendung, oder ist es bloss allgemeines Interesse?
Vielen Dank.
Mein Interesse ist allgemein. Ich war wie so oft auf der Suche nach
etwas, bin dann abgedriftet und über diesen Thread gestolpert. Die
Aufgabe klang nicht trivial und mir gefiel die angedeutete Lösung sehr
gut.
Ist es so ähnlich wie im angehängten Bildchen?
Ich habe zuvor noch nicht die Verwendung eines Flipflops als Servo Loop
Element gesehen.
Gibt es Application Notes oder so wo ich noch mehr darüber nachlesen
kann?
Ja, so schaut das im Prinzip aus. CLK und D werden beide aus dem Puls
erzeugt, wobei CLK verzoegert wird, sodass der Samplezeitpunkt im
Pulsmaximum liegt. Das MC100EP... Flipflop hat bereits differentielle
Ein- und Ausgaenge, somit kann man sich die von Dir eingezeichneten
Differenzverstaerker sparen.
Sigma-Delta-ADCs arbeiten ebenfalls nach diesem Prinzip, ist also weit
verbreitet.
Peakdetect.png
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