Hallo, Ich brauche ein bisschen Rat von Elektronikexperten. Der ich nämlich nicht bin :-D. Folgende Anwendung möchte ich realisieren : Ich möchte die Intensität des Streulichts (ca. 620nm) in einem Winkel von 90° an einer Glasscheibe messen. Dazu habe ich einen starren Lichtleiter mit einer roten Led versehen der in 45° auf die Glasscheibe leuchtet. Direkt daneben befindet sich der andere Lichtleiter, welcher mit einer Photodiode versehen ist. Ebenfalls 45°. Vor der Photodiode ist ein Bandpassfilter, der nur das rote Licht durchlässt. Der Messaufbau funktioniert soweit ganz gut, aber wie man sich vorstellen kann, muss es absolut dunkel sein. Das würde ich gerne ändern und frage mich, ob ich die LED und die Photodiode nicht modulieren kann. Dazu gibt es, soweit wie ich das verstehe Lock-in-Verstärker, die aber sehr teuer sind. Deswegen ist meine Frage, ob es nicht noch eine andere Möglichkeit gibt die Messung vor Fremdlicht zu schützen? Könnte man vielleicht eine einfach lock in Schaltung selber bauen? Eine weitere Möglichkeit wäre vielleicht Digitales Signal Processing zu benutzen, aber die Software dazu wäre wahrscheinlich sehr aufwendig zu schreiben. Vielleicht kann mir ja jemand helfen,. Vielen Dank schonmal!!
:
Verschoben durch Moderator
Hendrik Ostsieker schrieb: > Das würde ich gerne ändern und frage mich, ob ich die LED und die > Photodiode nicht modulieren kann. > Dazu gibt es, soweit wie ich das verstehe Lock-in-Verstärker, die aber > sehr teuer sind. Einen Lock-in-Verstärker brauchst du nur, wenn das Signal dicht an oder unter dem Rauschen liegt. Solange dein Detektor durch das Umgebungslicht nicht übersteuert wird und trotzdem genug Nutzsignal vorhanden ist, das Umgebungslicht also nur einen lästigen und unbekannten Offset erzeugt, ist eine Modulation der Sende-LED und ein Signalverstärker mit Bandpassfilter eine gute Methode. Durch das Bandpassfilter gelangt dein Nutzsignal und ein Teil des Rauschens vom Umgebungslicht zum dahinter liegenden aktiven Gleichrichter. Ob man damit eine ausreichende Trennung erreicht, hängt von deinen Signalverhältnissen ab.
Ja sicher, fuer einen festen Einbau geht was Einfacheres. zB einen ADA2200. Da muss man alles selbst aufbauen. Die fertigen Lockin sind so teuer, wegen deren Moeglichkeiten. Modulationsfrequenz von mHz bis MHz, Filter von .., Verstaerkungen , ... Du kannst ja zB mit 1kHz Modulationsfrequenz arbiten. Dann brauchst du noch einen 1kHz Filter, mit Guete zB 100. Und noch ein paar AC gekoppelte OpAmps.
Leute, die sich mit der Thematik sehr gut auskennen, sind durchaus in der Lage, eine für den konkreten Anwendungsfall geeignete Lock-in-Schaltung aufzubauen, die wesentlich preisgünstiger ist als ein fertiger Lock-in-Verstärker von Stanford Research o.ä.. Insbesondere bei größeren Stückzahlen lohnt sich das. Wer entweder keine Ahnung oder keine Zeit hat oder das Projektrisiko minimieren will, muss eben ein fertiges Gerät kaufen. Früher(tm) musste man häufig mit aufwändigen Lock-in-Verstärkern arbeiten, weil es keine ordentlichen A/D-Wandler gab; das höchste der Gefühle waren da vielleicht 12 Bit. Heutzutage gibt es aber durchaus viele ADC mit 24 Bit oder gar 32 Bit an Auflösung. Mit solchen ADC kann man dann vergleichweise einfach einen Lock-in in Software realisieren, da es ja nur um die Auflösung, aber nicht um die absolute Genauigkeit geht. Die Software sieht auch sehr einfach aus: man muss nur die LED schalten, etwas warten, den Helligkeitswert abtasten, LED schalten, usw.. Hierbei summiert man die Messwerte für hell und dunkel getrennt auf. Nach mehr oder minder vielen Durchläufen berechnet man die Differenz. Man muss nicht einmal irgendwelche wilden DSP-Algorithmen verwenden. Wenn das Rauschen des Eingangssignals oder des Vorverstärkers hinreichend hoch, d.h. deutlich mehr als ein Wandler-LSB, ist, muss der ADC ggf. nicht einmal besonders hochauflösend sein.
Hendrik Ostsieker schrieb: > Deswegen ist meine Frage, ob es nicht noch eine andere Möglichkeit gibt > die Messung vor Fremdlicht zu schützen? p.s. Wenn du im Prinzip genug Nutzsignal hast, kannst du auch einfach hintereinander zwei Messungen machen - eine mit eingeschalteter LED und eine mit ausgeschalteter LED. Die Differenz ist dein Nutzsignal.
Wolfgang schrieb: > Hendrik Ostsieker schrieb: >> Das würde ich gerne ändern und frage mich, ob ich die LED und die >> Photodiode nicht modulieren kann. >> Dazu gibt es, soweit wie ich das verstehe Lock-in-Verstärker, die aber >> sehr teuer sind. > > Einen Lock-in-Verstärker brauchst du nur, wenn das Signal dicht an oder > unter dem Rauschen liegt. Solange dein Detektor durch das Umgebungslicht > nicht übersteuert wird und trotzdem genug Nutzsignal vorhanden ist, das > Umgebungslicht also nur einen lästigen und unbekannten Offset erzeugt, > ist eine Modulation der Sende-LED und ein Signalverstärker mit > Bandpassfilter eine gute Methode. Durch das Bandpassfilter gelangt dein > Nutzsignal und ein Teil des Rauschens vom Umgebungslicht zum dahinter > liegenden aktiven Gleichrichter. Ob man damit eine ausreichende Trennung > erreicht, hängt von deinen Signalverhältnissen ab. Aber ist das nicht effektiv dasselbe wie ein Lock-In, nur ohne die Phasenempfindlichkeit? In's Blaue geraten würde ich sagen, dieser Vorschlag ist einfach einen Faktor sqrt(2) schlechter als ein Lock-In. Klingt trotzdem nach einer guten Lösung, wenn man nicht das letzte Quäntchen SNR braucht -- ich denke, zu so etwas würde ich auch raten. Praktisch betrachtet ist die Frage: was ist denn konkret das Problem? Du detektierst und digitalisierst das Signal ja irgendwie, funktioniert das noch, wenn das Licht an ist, oder übersteuert das? Wenn ersteres, einfach die Laserdiode mit ein paar kHz modulieren, und den Rest am Computer machen. Andernfalls ist es vermutlich ausreichend, möglichst weit vorne im Signalpfad eine AC-Kopplung (Kondensator in Reihe) einzufügen und dann den Rest am Computer zu machen. Von der Differenzmessung würde ich aus meinen persönlichen Erfahrungen mit Optik abraten, bei kleinen Signalpegel ist die Messung hier schon kaputt wenn nur eine Person im Raum herumläuft oder ein Objekt verstellt wird, weil sich der Pegel des Umgebungslichts leicht ändert. Auch eine vorbeiziehende Wolke kann da, selbst bei grob verdunkelten Fenstern, viel ausmachen.
:
Bearbeitet durch User
Sven B. schrieb: > Aber ist das nicht effektiv dasselbe wie ein Lock-In, nur ohne die > Phasenempfindlichkeit? Genau. Durch die phasensynchrone Gleichrichtung beim Lock-In wird der stochastische Anteil des Umgebungssignals im Mittel unterdrückt, bei Filterung ohne phasenempfindlichen Gleichrichter hat man den Anteil mit drin. Darum bekommt man mit einem Lock-In sein Nutzsignal auch rausgefischt, wenn es weit unter dem Rauschen liegt. Beim Lock-In kann man außerdem die Filterbreite über die Integrationszeit (=Zeitkonstante) fast beliebig klein machen. Bei gewöhnlichen Bandpassfiltern stößt man schnell an die Grenzen des Machbaren.
Andreas S. schrieb: > das höchste der > Gefühle waren da vielleicht 12 Bit. Heutzutage gibt es aber durchaus > viele ADC mit 24 Bit oder gar 32 Bit an Auflösung. 12 Bit reichen locker für das Verfahren das Du beschreibst in den allermeisten Anwendungen, damit kann man zum Beispiel schon Lichtschranken bauen die mit nackten Dioden ohne jegliche Optik 70m Entfernung sicher überbrücken während die Abendsonne frontal in den Empfänger knallt, immerhin kommen beim Integrieren über hunderte von Perioden noch sehr viele Bits an Auflösung hinzu. Damit sowas wie ein 24 Bit ADC irgendeinen meßbaren Unterschied bewirken würde müsste der gesamte Aufbau so dermaßen rauscharm und empfindlich sein daß der Threadersteller konstruktive und elektrische Probleme zu meistern hätte hinter denen der Preis eines schnöden Lock-In-Verstärkers oder der Selbstbau eines solchen weit in den Schatten treten würde.
Bernd K. schrieb: > Andreas S. schrieb: >> das höchste der >> Gefühle waren da vielleicht 12 Bit. Heutzutage gibt es aber durchaus >> viele ADC mit 24 Bit oder gar 32 Bit an Auflösung. > > 12 Bit reichen locker für das Verfahren das Du beschreibst in den > allermeisten Anwendungen, Sinnentstellendes Zitieren ist natürlich eine schöne Sache. Ich habe keineswegs behauptet, dass der TE für sein konkretes Problem unbedingt einen 24- oder 32-Bit-ADC einsetzen solle, sondern das unterschlagene "Früher(tm)" kennzeichnet doch ganz klar, dass sich meine Ausführungen auf einige Aspekte bei der Entwickler älterer Verstärker beziehen. In dem nachfolgenden Absatz, den Du selbstverständlich unterschlagen hast, steht doch ganz klar: >> Wenn das Rauschen des Eingangssignals oder des Vorverstärkers >> hinreichend hoch, d.h. deutlich mehr als ein Wandler-LSB, ist, >> muss der ADC ggf. nicht einmal besonders hochauflösend sein.
... wobei "nicht besonders hochauflösend" unter den beschriebenen Umständen sowas heißt wie "2 bit genügen".
Sven B. schrieb: > ... wobei "nicht besonders hochauflösend" unter den beschriebenen > Umständen sowas heißt wie "2 bit genügen". Wenn das Rauschen hinreichend stark und die Integrationszeiten lang sind, reichen auch 2 Bit. Natürlich unter der Voraussetzung, dass sich währenddessen nicht die Messbedingungen allzu sehr ändern. Vor langer Zeit hatte ich mich mit einem Professor unterhalten, der im Bereich Mikrowellenspektroskopie tätig war. Seine Spektrometer hatten sogar tatsächlich nur einen 1 Bit-Wandler; damals (Mitte der 1990er Jahre) hatte er aber gerade auch einen nagelneuen 4 Bit-Wandler angeschafft und war dabei, ihn in ein Spektrometer zu integrieren. Leider erinnere ich nicht mehr, um welche Abtastraten es ging. Durch die Kombination aus Überabtastung und Äquivalenzabtastung konnte man aber auch schon mit 1 Bit sehr hochauflösende Messungen durchführen. Der 4 Bit-Wandler wurde hauptsächlich angeschafft, um die Messzeiten von vielen Stunden auf wenige Stunden oder gar Minuten zu drücken. Die Zeiten waren insbesondere deswegen so lang, weil ja ein durchaus großer Frequenzbereich abgefahren werden musste. Leider weiß ich nicht mehr, von wem die Wandler stammten, aber es war definitiv keine der großen bekannten Marken. Die Frequenzsynthesizer waren auf jeden Fall von HP, ebenso der zentrale, mittels DCF77 nachgeführte Referenzoszillator.
:
Bearbeitet durch User
Andreas S. schrieb: > Sinnentstellendes Zitieren ist natürlich eine schöne Sache. Andreas S. schrieb: > "Früher(tm)" kennzeichnet doch ganz klar, dass sich meine > Ausführungen auf einige Aspekte Es klang so als ob man "früher" keine Wahl gehabt hätte weil 12 Bit ADC der limitierende Faktor waren und man es damit keine Wahl gehabt hätte. Tatsächlich aber denke ich war "damals"[TM] in vielen Fällen einfach ein analog aufgebauter Lock-In die pragmatischere und preiswertere Lösung als noch einen klobigen teuren Mikrocontroller draufzusetzen um das mittels DSP zu lösen. Heute jedoch bekommt man Mikrocontroller mit dem Vielfachen der Leistungsfähigkeit für Cent-Beträge nachgeworfen die außerdem noch 10 mal kleiner sind als jede denkbare diskret aufgebaute Alternative so daß man anfängt alles Mögliche was man früher ohne mit der Wimper zu zucken diskret aufgebaut hätte jetzt lieber möglichst komplett in Software macht.
Angehängte Dateien:
-
lock-in.png
16 KB
Ich habe mal einen Primitiv-Lock-In-Verstärker ohne Phasendetektion skizziert (s. Anhang). - Der Oszillator ist ein einfacher Rechteckoszillator. Falls dein Aufbau einen Mikcrocontroller enthält, kannst du das Rechtecksignal auch damit erzeugen. - Die Phasenverschiebung der Sende- und Empfangsschaltung sollte gering sein, was du u.a. dadurch erreichst, dass du die Modulationsfrequenz nicht zu hoch wählst. - Als invertierenden Verstärker im Demodulator kannst du irgendeinen Opamp mit passender Bandbreite und entsprechender Beschaltung nehmen. - Als Umschalter kannst du einen Analogschalter wie den 74HC4053 nehmen. - Die Bandbreite des Systems entspricht der doppelten Grenzfrequenz des Tiefpasses. Je größer die Zeitkonstante des RC-Glieds ist, umso besser werden also Störungen unterdrückt. Allerdings verlängert sich damit auch die Einschwingzeit des Systems. - Modulationsfrequenz und Bandbreite sollten so gewählt werden, dass die durch Stromnetz, Deckenleuchten usw. erzeugten Störfrequenzen deutlich außerhalb des Bandes liegen. - Ein Gleichanteil im Emfängersignal stört nicht, sollte aber natürlich nicht so hoch sein, dass die nachfolgende Schaltung übersteuert wird. - Am Ausgang erscheint ein – abhängig vom Tiefpassfilter mehr oder weniger glattes – Gleichspannungssignal, das der Amplitude des Empfängersignals entspricht und weitgehend frei von Störungen durch Umgebungslicht ist. Ich habe eine Schaltung dieser Art schon erfolgreich für einen optischen Näherungssensor genutzt. Die Kosten einschließlich Sende- und Empfangs- schaltung und einem Mikrocontroller mit ADC zur Auswretung liegen im einstelligen Euro-Bereich. Falls die Sende- oder Empfangsschaltung unvermeidbare und evtl. sogar unbekannte Phasenverschiebungen aufweist, brauchst du den Demodulator einschließlich Tiefpass zweimal. Der erste Demodulator wird direkt mit dem Oszillatorsignal, der zweite mit einem dazu um 90° phasenversetzten Signal angesteuert. Die beiden Ausgangssignale ergeben pythagoräisch addiert die gewünschte Signalamplitude. Die Phasenverschiebung ist der Arcustangens2 der Ausgangssignale, dürfte hier aber wohl weniger von Interesse sein.
Skizziere mal den Aufbau, ich glaube, da klemmt etwas auf der optischen Seite. Gruß - Werner
Angehängte Dateien:
-
demodulator.png
7,1 KB
Hallo, ich bin es nochmal. Vielen Dank für die Tipps. Ich hatte leider diesen Monat extrem viel um die Ohren und kam gar nicht dazu mich zu bedanken. Der Tipp von Yalu X. hört sich schon mal gut an! Ich habe mich auch das erste mal in der Nutzung von Eagle vertraut gemacht. Ich muss gestehen, dass ich damit schon überfordert bin :-/. Das einzige, was ich geschafft habe, ich die Bauteile rauszusuchen und zu verbinden. Aber ich muss diese ja noch mit Spannung versorgen und trotz (invoke) weiß ich einfach nicht, an welche Versorgungspins ich dran muss. Ganz davon abgesehen, ab davor noch Kondensatoren etc. vorgeschaltet werden müssen oder ob ich die Schaltung überhaupt richtig angeordnet habe. Als Mikrokontroller habe ich einen ATmega328 (Arduino Nano). Ich weiß, es ist viel verlangt, aber kann sich jemand den Schaltplan mal angucken? Vielleicht gibt es ja auch ein einfacheres Programm. Sobald ich weiß welcher Pin wie verlötet muss, komme ich schonmal vieeeeell weiter. Ich entschuldige mich jetzt schon für den Schaltplan... ist wie gesagt mein erster überhaupt. Vielen Dank! und ein schönes Wochenende
:
Bearbeitet durch User
Hendrik O. schrieb: > ist wie gesagt mein erster überhaupt. Eine LED braucht einen Vorwiderstand. Dein Photodiodenverstärker verstärkt nicht, siehe Transimpedanzverstärker https://www.digikey.de/de/articles/techzone/2017/jun/how-to-design-stable-transimpedance-amplifiers-automotive-medical-systems Ein LM358 ist kaum ein Messverstärker, nimmt was genaueres. Dir fehlt noch völlig das invertierte Signal, von Yalu Demodulator beschriftet. https://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0210141.htm Achte drauf, daß Operationsverstärker und Analogschlater auch eine versorgungsspannung brauchen, und diese weiter sein muss, als das verarbeitete Signal, welches durch Invertierung auch negative Spannungen umfasst. Also +12V/-12V bei normalen OpAmps oder -5V/-5V bei Rail-To-Rail OpAmps wie LTC6244
Hendrik O. schrieb: > Ich entschuldige mich jetzt schon für den Schaltplan... ist wie gesagt > mein erster überhaupt. Entschildigung angenommen - überall, wo drei Leitungen aufeinander treffen, muss eine Junction hin. Sonst haben die Leitungsteile (meist) verschiedene Netznamen und zählen bei EAGLE nicht als verbunden. Einfacher Test: Show und Leitung anklicken. Dann müssen alle Teile des Netzes (= alle zugehörigen Leitungen) aufleuchten. Für Widerstände, Kondenstoren usw. sollten die Namen angezeigt werden, wenn man die Schaltung diskutieren will und brauchen einen Wert. Davon hängt die Funktion der Schaltung ab.
Angehängte Dateien:
Hi, Hendrik, mich begeistern simple Lösungen, die Bausteine mißbrauchen für Zwecke, für die sie gar nicht gebut worden sind. Wie die Anwendung des superbilligen Ton-Dekoders NE567 als Lock-In-Detektor. Schätz nur mal kurz ab, ob der Deine Anforderungen schon erfüllt! Ciao Wolfgang Horn
Hallo, vielen Dank für die weiteren Tipps. Ich glaube das übersteigt leider gerade etwas meine Fähigkeiten. Ich bin aber schon stolz einen LCT1044/7660 mit in den Schaltkreis aufgenommen zu haben um den Operationsverstärker zu betreiben. Also wenigstens etwas gelernt :-) Ich hatte etwas gehofft, dass man eine bestehe Platine umbauen kann (z.B. IR-Empfänger/Detektor mit 38 kHz) aber ich finde nichts wirkliches, was mir eine Intensität ausspuckt. Bzw. sind die meisten IR-Empfänger fertige ICs, sodass mir die IR-Wellenlänge nichts bringt. Vielen Dank Wolfgang für den Tipp mit dem NE567. Aber auch dieser würde mir ja keine Intensität auspucken oder? Ich versuch mich mal weiter an der Schaltung... :-)
Hi, Hendrik, > Vielen Dank Wolfgang für den Tipp mit dem NE567. Aber auch dieser würde > mir ja keine Intensität auspucken oder? Der enthält einen Quadraturdemodulator. Er demoduliert sowohl die Phasendifferenz zwischen Oszillator- und Eingangssignal, als auch die Amplitde des Eingangssignals. Die Phasendifferenz zwischen beiden Kanälen hat aber einen kleinen Fehler, weil sie mit RC-Gliedern erzeugt wird. Gut genug für einen Tone-Dekoder - und vielleicht auch für Deine Anwendung. Ciao Wolfgang Horn
Für Messungen mit Licht/-Schranke gibt es folgende Stufen der Verbesserung: a) Mit Linsen die Ausrichtung auf einen exakten Punkt verbessern b) Selektives Farbfilter plus ggf. Raum mit einfarbigen Kunstlicht anderer Farbe beleuchten c) Aufmodulieren einer Frequenz , z.B. 1...100 kHZ, auf die LED und zugehörigen Bandpass im Empfangsverstärker. d) Lock in Verstärker - Korrrelationsprinzip zu aufmodulierten Signalen Vom Aufwand und von der Wirkungsfähigkeit wäre die nächste Stufe Lösung c) und danach käme Lösung d). c) kann auch mit d) kombiniert werden in dem das Signal mit den Lock-in Signalen aufmoduliert wird.
Der NE567 kann schon ein Intensitätssignal ausgeben (an pin 1), allerdings ist die Genauigkeit nicht unbedingt sehr gut. Auch der Eingang ist nicht unbedingt gut für eine Photodiode geeignet. Wenn man sowieso einen µC hat, der den Takt Erzeugen kann, vereinfacht der NE567 die Sache auch nicht wirklich. Die Variante mit 4053 CMOS Schalter ist dagegen je nach Aufbau auch über einen größeren Bereich genau. Der Vorschlag von Yalu passt schon und ist ein Möglichkeit, wenn auch nicht die einzige. Der erste versuch der Umsetzung ist aber noch weit daneben: Das Signal der Photodiode wird man vermutlich erst einmal verstärken müssen und den DC Anteil herausfiltern (AC Kopplung). Erst dann kommen der Inverter und CMOS Umschalter. Je nach µC und Hintergrund dann ggf. noch einmal etwas DC Verstärkung nach dem Filter. Die ICL7660 Ladungspumpe ist nett um eine negative Versorgung zu erzeugen, die produzieren aber leicht auch recht viel Störungen. Ich würde da eher eine virtuelle Masse und falls nötig Rail-Rail OPs bevorzugen, so dass man mit 4-5 V Versorgung auskommt.
Wolfgang schrieb: > p.s. Wenn du im Prinzip genug Nutzsignal hast, kannst du auch einfach > hintereinander zwei Messungen machen - eine mit eingeschalteter LED und > eine mit ausgeschalteter LED. Die Differenz ist dein Nutzsignal. Oder mit einer zweiten Fotodiode dein Nutzsignal über einen Bandpass (also umgekehrt) rausschmeißen, das Signal abziehen und du hast in Echtzeit dein reines Signal.
Thread beobachten
Seitenaufteilung abschaltenBitte melde dich an um einen Beitrag zu schreiben. Anmeldung ist kostenlos und dauert nur eine Minute.
Bestehender Account
Schon ein Account bei Google/GoogleMail? Keine Anmeldung erforderlich!
Mit Google-Account einloggen
Mit Google-Account einloggen
Noch kein Account? Hier anmelden.