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!!
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.
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.
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.
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.
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.
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
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.
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.
