Hey zusammen,
ich würde gerne mit einem STM32F4 das Signal einer Photodiode (0-12V)
auslesen. Sie wird mit Pulsen im fs Bereich und 1kHz bestrahlt, mich
interessiert aber nur die mittlere Pulsenergie. Da das Signal der Diode
irgendwo im ns Bereich liegt, kann ich es nicht wie mit einem
Oszilloscope abtasten, da der uC zu langsam ist.
Kann ich, etwa durch einen Tiefpass, das Signal zeitlich mitteln, und
daraus direkt die mittlere Energie (wenn man es vorher irgendwie eicht)
messen?
Schöne Grüße,
Max
Du kannst einen Transimpedanzverstärker nehmen, der einen großen C im
Rückkopplungszweig hat. Das integriert das Signal dann automatisch mit
einer Zeitkonstante von 1/2piRC
@ Photodoide (Gast)
>auslesen. Sie wird mit Pulsen im fs Bereich und 1kHz bestrahlt, mich>interessiert aber nur die mittlere Pulsenergie. Da das Signal der Diode>irgendwo im ns Bereich liegt, kann ich es nicht wie mit einem>Oszilloscope abtasten, da der uC zu langsam ist.
Für derartige Messaufgaben braucht es eine recht schnelle, spezielle
Schaltung. Deutlich über uC.net Niveau ;-)
Wenigstens eine sehr schnelle Sampe&Hold Schaltung + Triggererzeugung.
Vielleicht kann man ala Samplingoszilloskop arbeiten und über viele
tausend Einzelmessungen das Signal konstruieren.
Gerald schrieb:> Du kannst einen Transimpedanzverstärker nehmen, der einen großen C> im> Rückkopplungszweig hat. Das integriert das Signal dann automatisch mit> einer Zeitkonstante von 1/2piRC
Da muss ich mich dann erstmal ein bischen einlesen. Vielen Dank schonmal
für den Hinweis!
Falk Brunner schrieb:> Für derartige Messaufgaben braucht es eine recht schnelle, spezielle> Schaltung. Deutlich über uC.net Niveau ;-)> Wenigstens eine sehr schnelle Sampe&Hold Schaltung + Triggererzeugung.> Vielleicht kann man ala Samplingoszilloskop arbeiten und über viele> tausend Einzelmessungen das Signal konstruieren.
Das ist ja gerade das, was ich nicht brauche ;-) Ich benötige ja nur die
mittlere Energie, bzw. den mittleren Strom aus der Diode.
Photodoide schrieb:> Das ist ja gerade das, was ich nicht brauche ;-) Ich benötige ja nur die> mittlere Energie, bzw. den mittleren Strom aus der Diode.
Die Fotodiode ist eine Stromquelle mit einer parallelen Kapazität.
Brauchst also nur noch einen externen Widerstand parallelschalten. Die
sich ergebende Spannung ist direkt abhängig vom durchschnittlichen
Lichteinfall.
Abdul K. schrieb:> Photodoide schrieb:>> Das ist ja gerade das, was ich nicht brauche ;-) Ich benötige ja nur die>> mittlere Energie, bzw. den mittleren Strom aus der Diode.>> Die Fotodiode ist eine Stromquelle mit einer parallelen Kapazität.> Brauchst also nur noch einen externen Widerstand parallelschalten. Die> sich ergebende Spannung ist direkt abhängig vom durchschnittlichen> Lichteinfall.
Das wäre natürlich am einfachsten. Allerdings frage ich mich, ob die
Kapazität der Diode alleine ausreicht. Ich hätte einfach einen
Kondensator parallel geschaltet. Ich werde das so einfach mal aufbauen
und ein normales Oszi dranhängen. Wenn es eine glatte Kurve ergibt, die
einigermaßen berechenbar mit der Pulsenergie skaliert, dann ist das
Problem ja gelöst =)
Abdul K. schrieb:> Die Fotodiode ist eine Stromquelle mit einer parallelen Kapazität.> Brauchst also nur noch einen externen Widerstand parallelschalten. Die> sich ergebende Spannung ist direkt abhängig vom durchschnittlichen> Lichteinfall.
Im Prinzip richtig aber das ist nicht das Problem des TE sondern das die
Impulse im ns-Bereich liegen. Außerdem hast du den parallelen Widerstand
vergessen für das einfachste Modell einer Photodiode ;)
Mal zur Veranschaulichung. Nehmen wir dan, der Femtoseklundenpuls wird
durch die Photodiode integriert und in einem 10ns Puls gewandelt. Dann
bleibt der aber nicht stehen, denn es ist keine idealer Integrator,
sondern nur eine Photodiode die als Tiefpass wirkt. Großer Unterschied!
Dieser 10ns Puls mit meinetwegen 1mA wird mit 1kHz wiederholt, das macht
im Mittel einen Strom von 10ns/1ms * 1mA = 10nA. Da spielen dann schon
langsam Leckströme bzw. Dunkelströme eine Rolle. Vielleicht reicht es
und man kann es mit einem sehr guten Multimeter messen, vielleicht
braucht man einen TIA als Strom-Spannungswandler.
Michael Köhler schrieb:> Im Prinzip richtig aber das ist nicht das Problem des TE sondern das die> Impulse im ns-Bereich liegen.
Naja, ich bin ja nur an der mittleren Energie der Pulse interessiert.
Das Problem ist, dass die Pulsenergie im laufe des Tages sinkt, und ich
dafür nachreglen muss. Die Energie ändert sich aber kaum im Bereich von
Sekunden. Von daher passt das schon zu meinem Problem.
@Falk
Ja, das ist dann natürlich schon ein Problem... bei nA sind die
Leckströme wahrscheinlich größer als das Signal. Okay, dann komme ich
wohl doch nicht drum herum das ganze etwas komplizierter zu machen.
Falk Brunner schrieb:> Dieser 10ns Puls mit meinetwegen 1mA wird mit 1kHz wiederholt, das macht> im Mittel einen Strom von 10ns/1ms * 1mA = 10nA. Da spielen dann schon> langsam Leckströme bzw. Dunkelströme eine Rolle.
Deshalb würde ich erst den Strom in eine Spannung wandeln und dann
mitteln.
Wir reden hier von Lichtblitzen im ns-Bereich…da wüsste ich aus dem
Stehgreif leider nichts. Hab selbst mal einen TI OPA380 benutzt mit 80
MHz GBW für ein µs-Signal. Das ging gut. Für ns ist der aber nichts,
dafür ist er zu langsam.
Mal bei Farnell und Co die parametrische Suche bemühen ;)
Die innere Bandbreite von Fotodioden ist enorm. Daß aufgrund der
Innenkapazität davon nur bis in den 100MHz-Bereich etwas nach außen
dringt, ist ja nicht dein Problem! Zumal die Datenblätter dies eh falsch
darstellen, da die nicht einen angepaßten Widerstand sondern standard 50
Ohm messen.
Dich interessiert aber nur der Durchschnittswert! Das S/N kann
eigentlich durch weitere Schaltung nur verschlechtert werden, solange
die sich ergebende Spannung prinzipiell hoch genug ist.
Ich würde erstmal das Problem genauer umreißen wollen. Welche Pulsbreite
bei welchen Photoströmen wird erzeugt. Das kann und muss man mal mit dem
Oszi messen. Dann reden wir weiter.
Ein möglicher Ansatz sind mehrere Spitzenwertdetektoren in Reihe. Eine
erste, sehr schnelle Stufe, die den Puls von vielleicht 10ns auf 10us
verlängert. Dahinter eine Stufe, die von 10us auf 500us verlängert. Das
kann man dann deutlich besser messen. Dazu gabs mal ne Application Note
irgendwo.
Das ist doch Quatsch, Falk. Alles was er braucht ist ein 0815 Single
Supply CMOS Opamp (TS912, TL271) als Transimpedanzverstärker. Jedenfalls
ist das, was man bei 2-Photonenlasern macht. Die Leistung wird eh eher
hoch sein. mW, gelle?
Davon ausgehend, dass die Photodiode ueber ihre Zeitkonstante
integriert, wuerd ich einen gegateten Integrator (Boxcar) oder einen ADC
synchron laufen lassen. Ich wuerd eine Photdiode, die vielleicht
10-100Mhz macht verwenden.
Gerald schrieb:> Das ist doch Quatsch, Falk. Alles was er braucht ist ein 0815 Single> Supply CMOS Opamp (TS912, TL271) als Transimpedanzverstärker. Jedenfalls> ist das, was man bei 2-Photonenlasern macht. Die Leistung wird eh eher> hoch sein. mW, gelle?
Aha, der TS912 hat ne GBW von 0.8 MHz, da kommt besonders viel Freude
auf Impulse mit ns-Breite drüber zu jagen. Wenn man Glück hat wird man
Spikes sehen.
Ich denke, den Quatsch erzählst hier eher du, nichts für ungut. ;)
Fritz schrieb:> Schau dir einmal den IVC102 PRECISION SWITCHED INTEGRATOR> TRANSIMPEDANCE AMPLIFIER von Texas Instruments an, vielleicht ist der> dafür geeignet.
Wenn die Impulse nur ns-breit sind bräuchte man einen OP-AMP der mal ne
Bandbreite so im GHz-Bereich hat. Der IVC102 hat auch nur ne Bandbreite
von 2 MHz, ist auch zu wenig.
Ein AD8009 ginge vielleicht. Hat bei nem Gain von 1 eine Bandbreite von
1 GHz und bei einem Gain von 10 immerhin noch 320 MHz ( 2 Vp-p). Käme
halt auf die genaue Pulsbreite an.
Michael Köhler schrieb:> Wenn die Impulse nur ns-breit sind bräuchte man einen OP-AMP der mal ne> Bandbreite so im GHz-Bereich hat. Der IVC102 hat auch nur ne Bandbreite> von 2 MHz, ist auch zu wenig.
Ich denke mal, dass die Energie von den ns-Impulsen der Fotodiode ja
irgendwo hin muß und das geht nur in dem Ladekondensator im IC, wenn das
dann auch langsamer am Ausgang ist, danach messen und Ladeko wieder
rücksetzen.
Aber vielleicht liege ich auch falsch.
Fritz schrieb:> Ich denke mal, dass die Energie von den ns-Impulsen der Fotodiode ja> irgendwo hin muß und das geht nur in dem Ladekondensator im IC
Oder wird an den bestehenden Widerständen verheizt ;)
Vielen Dank für die Hinweise schonmal! =)
Ich habe mal etwas nachgerechnet. Die Photodiode ist passiv, d.h. eine
Art Kondensator, der durch das Licht aufgeladen wird. Sie hat eine
junction capacity von etwa 400pF. Wenn ich den Puls so weit abschwäche,
dass er den Kondensator maximal bis 5V aufläd, habe ich 2nC Ladung auf
der Diode. Die Zeitskala auf der sich der Kondensator über einen
externen Widerstand von beispielsweise 10kOhm entläd liegt etwa bei 3us.
Wenn ich dann noch einen kleinen Kondensator im einstelligen nF Bereich
parallel schalte, müsste ich doch mit einem ADC Wandler mit ca. 1MSps
den Stromfluss einigermaßen samplen können.
Könnte das so funktionieren, oder rede ich unfug?
@ Photodoide (Gast)
>Ich habe mal etwas nachgerechnet. Die Photodiode ist passiv, d.h. eine>Art Kondensator, der durch das Licht aufgeladen wird.
So in etwa.
>Sie hat eine>junction capacity von etwa 400pF.
Das ist ja riesig! Wie groß ist die? 10mm Durchmesser?
> Wenn ich den Puls so weit abschwäche,>dass er den Kondensator maximal bis 5V aufläd, habe ich 2nC Ladung auf>der Diode.
Viel zuviel. Ausserdem sieht keiner deinen Schaltplan.
> Die Zeitskala auf der sich der Kondensator über einen>externen Widerstand von beispielsweise 10kOhm entläd liegt etwa bei 3us.>Wenn ich dann noch einen kleinen Kondensator im einstelligen nF Bereich>parallel schalte, müsste ich doch mit einem ADC Wandler mit ca. 1MSps>den Stromfluss einigermaßen samplen können.
Je größer deine Kapazität, umso kleiner das Signal, weil ja die
Ladungsmenge konstant ist.
>Könnte das so funktionieren, oder rede ich unfug?
Ich glaube, du hast noch falsche Vorstellungen von der Messung. Wenn
dein FEMTOsekunden Laserpuls eintrifft, kann er bestenfalls die
Sperrschichkapazität der Photodiode aufladen. Diesen eher kleine
Spannungspuls musst du messen bzw. verstärken.
