ich habe mir folgende Aufgabe gestellt: Ich möchte ein optisches Signal unter verschiedenen Umgebungsbedingungen detektieren.
Das (digitale) Signal liegt etwa <2ms an. Dazwischen ist >1s Ruhe. Ich möchte das Signal so aufbereiten, dass ich es digital mit einem µC einlesen kann.
Den Strom der Photodiode verstärke ich mit einem TIA. Dann möchte ich zuerst die Dunkelspannung(Umgebungslicht) abziehen. Dazu habe ich mir gedacht, ich speichere die Ausgangsspannung des TIA in einem Kondensator, den ich über einen Widerstand auflade und subtrahiere diese Spannung mit einem OpAmp vom Ausgangssignal des TIA.
Die Zeitkonstante bemesse ich so, dass sich die Spannung während der Signalübertragung kaum ändert. Ich habe 4,7KOhm und 200nF ausgewählt. Das klappt insofern, als dass die Spannung im Kondensator wenig durch das Signal beeinflusst wird. Wenn aber der Dunkelstrom ansteigt, weicht die Kondensatorspannung immer stärker (ich würde mal sagen, proportional) von der Ausgangsspannung am TIA ab.
Warum ist das so? Es ist alles DC bisher. Ich habe auch noch nicht den Subtrahierer angeschlossen, über den Ladung abfließen könnte.
Wie löse ich das? Ich denke, mit dem Subtrahierer kann ich das Dunkelsignal auch mit einem Faktor multiplzieren. Wäre das eine gute Lösung?
Hier noch einige Daten:
OpAmp MCP607 0-5V single-Rail, TIA aufgebaut mit PD333-3C/HO/L2 EVL, 10pF, 1MOhm
Kannst du statt der Prosa nicht einfach einen Schaltplan posten? Denn auch wenn das zwischenzeitlich altmodisch zu sein scheint: Schaltpläne sind die weltweit verständliche Sprache der Elektronik.
Mir scheint dein Problem auch eher der analogen Elektronik anzugehören. Auch wenn das Signal irgendwann mal von einem uC eingelesen wird.
Wenn aber der Dunkelstrom ansteigt, weicht
die Kondensatorspannung immer stärker (ich würde mal
sagen, proportional) von der Ausgangsspannung am TIA ab.
Und der Proportionalitätsfaktor wird vermutlich so in der Größenordnung des Widerstandswertes sein, richtig? Dann hättest Du einen altbekannten, nach dem guten Herrn Ohm benannten Zusammenhang wiederentdeckt.
Ansonsten kann ich mich nur der Forderung nach einem Schaltplan an. Zur Not tuts auch eine schnelle Skizze auf 'ner Serviette mitm Handy abgelichtet; das wäre auch deutlich schneller gewesen, als Deine wortgewaltige Prosa zu tippen.
AC-Kopplung und eine Klemmschaltung wären wohl auch eine klassische analoge Lösung für das Problem. Dann noch ein Spitzenwertgleichrichter für den Signalpegel, der über einen 2:1 Spannungsteiler die Referenzspannung für den Komparator zum Slicen des Signals liefert.
Den Strom der Photodiode verstärke ich mit einem TIA. Dann möchte ich
zuerst die Dunkelspannung(Umgebungslicht) abziehen.
Du denkst viel zu komliziert.
Nimm statt einer Photodiode einen Phototransistor,
der ist empfindlicher weil er selbst schon verstärkt.
Moduliere das Licht, vielleicht so mit 10kHz.
Verstärke dann mit einen NF-Verstärker, damit hast du
das Problem mit dem Fremdlicht (Umgebungslicht) gelöst.
Richte dann die NF gleich und gebe dann die Gleichspannung
auf einen Schmitt-Trigger. Den Ausgang des Schmitt-Trigger
kannst du dann mit einen Mikrocontroller auswerten oder
sonstwas mit schalten.
Dazu habe ich mir gedacht, ich speichere die Ausgangsspannung des TIA in
einem Kondensator, den ich über einen Widerstand auflade und subtrahiere
diese Spannung mit einem OpAmp vom Ausgangssignal des TIA.
Kann man machen so lange der Dunkelstrom (die in den Sendepausen aus der Umgebungshelligkeit anliegende Spannung) plus Signal immer innerhalb des Spannungsbereichs des OpAmps bleibt, aber einfacher ist eine Differenzierschaltung (RC Differenzierglied) nach Photodiode mit Widerstand.
Kannst du statt der Prosa nicht einfach einen Schaltplan posten? Denn
auch wenn das zwischenzeitlich altmodisch zu sein scheint: Schaltpläne
sind die weltweit verständliche Sprache der Elektronik.
Ich habe den Stromlaufplan angehängt. Ich dachte, die Schaltung ist so trivial, dass jeder, der mir weiterhelfen kann, es auch so versteht.
Mir scheint dein Problem auch eher der analogen Elektronik anzugehören.
Auch wenn das Signal irgendwann mal von einem uC eingelesen wird.
Kann man wohl so machen. Naheliegender fände ich allerdings, die Ausgangsspannung der Fotodiode durch einen Hochpass zu schicken. Dieser filtert die Dunkelspannung (DC Anteil) komplett raus, so dass du nur noch den verbleibenden AC Anteil verstärken müsstest.
Ok, aber dann bekomme ich je Flanke nur einen Peak, oder? Ich habe keine
Nö. Ist daselbe wie mit Deinem RC-Tiefpaß. Die RC-Konstante muß nur groß genug sein, damit nicht nur die Flanke, sondern auch das "Dach" durchkommt.
symmetrische Versorgungspannung.
Davon war bisher keine Rede.
Was passiert bei den negativen Flanken?
Daselbe wie mit den positiven, wenn RC groß genug ist.
Aber Deine Schaltung sollte doch funktionieren. Du hast den DC-Anteil vom Licht auf dem C, und zusätzlich den gefilterten DC-Anteil vom Signal, welcher ja nach Puls/Pausenverhältnis unterschiedlich ausfallen wird. Sollte aber bei Deiner Schaltung kein Problem sein, solange die OPV nicht in Sättigung geraten.
Du hast aber was von
Das (digitale) Signal liegt etwa <2ms an. Dazwischen ist >1s Ruhe.
geschrieben, als Puls/Pause von 0,2%, entsprechend wäre dann auch der zusätzliche DC-Fehler, also eigentlich vernachlässigbar selbst bei Vollaussteuerung. Wo ist denn da jetzt das Problem?
Aber auf Grund von Offset (ok, der ist gering bei diesen OPV), und vor allem durch Toleranzen bei den R beim Subtrahierer könnte der Subtrahierer in der negativen Begrenzung hängen, wenn DC-Anteil bei 0 liegt, und Signal sehr klein. D.h., die Schaltung könnte kleine Signale verschlucken ...
Das klappt insofern, als dass die Spannung im Kondensator wenig durch
das Signal beeinflusst wird. Wenn aber der Dunkelstrom ansteigt, weicht
die Kondensatorspannung immer stärker (ich würde mal sagen,
proportional) von der Ausgangsspannung am TIA ab.
Ich glaube, ich verstehe erst jetzt so richtig, was Du hier an der Stelle meintest. D.h., Du hast über R2 eine DC-Spannung, ohne Signal, und ohne Subrahierer? Die dann auch größer wird, je mehr DC-Anteil vom TIA kommen?
Über welche Größenordnungen reden wir denn da? Also wieviel Spannung pro Photostrom.
Dann ist entweder der C2 kaputt (erhöhter Leckstrom), oder aber dein TIA-OPV schwingt (10pF mal erhöhen), oder Deine PD fängt nicht nur einfaches DC-Umgebungslicht ein, sondern auch alle anderen möglichen Störung (also AC-Anteil), oder aber der Eingang fängt einiges an el. Störungen ein (ist schließlich ziemlich hochohmig - Steckbrettaufbau und längere Leitungen verbieten sich da schon fast).
Ansonsten das Signal am TIA-Ausgang mit einem Oszi angucken ...
Das klappt insofern, als dass die Spannung im Kondensator wenig durch
das Signal beeinflusst wird. Wenn aber der Dunkelstrom ansteigt, weicht
die Kondensatorspannung immer stärker (ich würde mal sagen,
proportional) von der Ausgangsspannung am TIA ab.
Ich glaube, ich verstehe erst jetzt so richtig, was Du hier an der
Stelle meintest. D.h., Du hast über R2 eine DC-Spannung, ohne Signal,
und ohne Subrahierer? Die dann auch größer wird, je mehr DC-Anteil vom
TIA kommen?
Ich messe an MP1 gegen GND bzw. am OpAmp-Ausgang gegen GND (leider habe ich den Punkt nicht bezeichnet, ich nenne ihn mal "A"). Wenn ich nun mit einer Taschenlampe konstant reinleuchte, steigt die Spannung an A sagen wir mal auf 2V. Nun dachte ich über R2 lädt C2 sich ebenfalls entsprechend der Zeitkonstante (t=4,7ms)auf ~2V auf. Zumindest nach einer 1s.
Aber ich beobachte, dass an MP1 etwa 1V anliegt. Das verstehe ich nicht. Ich kann leider nicht genau sagen, welchen Typ Kondensator ich verwende, es sind die gleichen, die auch zum Abblocken am µC verwende. Wenn ich raten müsste, Keramik.
Über welche Größenordnungen reden wir denn da? Also wieviel Spannung pro
Photostrom.
Den Photostrom habe ich bisher nicht direkt gemessen. Ich weiß gar nicht, ob ich ein entsprechendes Messgerät habe, mit dem ich µA messen kann. Die OpAmp Ausgangsspannung geht bis 2V. Bei R1=1MOhm, müsste der Diodenstrom 2µA sein? Ich kann jedenfalls das obige sagen, dass ich bei 2V am Ausgang des Opamp, an MP1 ca. 1V messe. Habe ich 1V am Ausgang, habe ich etwa 0,5V an MP1
Dann ist entweder der C2 kaputt (erhöhter Leckstrom), oder aber dein
Wie finde ich das heraus?
TIA-OPV schwingt (10pF mal erhöhen)
Ok, das sieht aber erstens nicht so aus im Oszilloskop und ich sehe bei 22pF schon, dass meine Flanken rund werden.
, oder Deine PD fängt nicht nur
einfaches DC-Umgebungslicht ein, sondern auch alle anderen möglichen
Störung (also AC-Anteil), oder aber der Eingang fängt einiges an el.
Das mit Sicherheit. Etwas schräg steht mein Monitor und der Raum ist durch Leuchtstoffröhren beleuchtet. Für mich ist das Teil des Aufbaus, weil ich solche Störungen im Betrieb vielleicht haben werde.
Störungen ein (ist schließlich ziemlich hochohmig - Steckbrettaufbau und
längere Leitungen verbieten sich da schon fast).
Öhöm, ja, ich baue alles auf dem Steckbrett auf. Die THT-Widerstände kürze ich nicht, sonst ist die längste Leitung ca. 2cm.
So oft wie ich umstecken und probiere, wüsste ich nicht, wie sonst. Würde ein Profi das alles mit Spice simulieren?
Ansonsten das Signal am TIA-Ausgang mit einem Oszi angucken ...
Ja, das habe ich gemacht. Ich habe ein Foto angehängt. Leider zeigt es nicht die Problem-Situation, sondern den Fall mit wenig Störlicht.
Oben (gelb) ist das invertierte Signal vom Sender.
Hellblau ist das Signal am OpAmp-Ausgang.
Lila ist das Signal an MP1.
Dunkelblau ist das Signal hinter dem Subtrahierer.
Ich messe an MP1 gegen GND bzw. am OpAmp-Ausgang gegen GND (leider habe
ich den Punkt nicht bezeichnet, ich nenne ihn mal "A"). Wenn ich nun mit
einer Taschenlampe konstant reinleuchte, steigt die Spannung an A sagen
wir mal auf 2V. Nun dachte ich über R2 lädt C2 sich ebenfalls
entsprechend der Zeitkonstante (t=4,7ms)auf ~2V auf. Zumindest nach
einer 1s.
Aber ich beobachte, dass an MP1 etwa 1V anliegt.
Na das lasse für einen Test den C2 doch einfach mal ganz weg.
Und ist R2 wirklich 4,7k? Oder vielleicht aus Versehen ein 4,7M genommen, so daß sich mit dem meßgerät eine Spannungsteilung ergibt. Also den mal vermessen ...
kann. Die OpAmp Ausgangsspannung geht bis 2V. Bei R1=1MOhm, müsste der
Diodenstrom 2µA sein?
Ja.
Öhöm, ja, ich baue alles auf dem Steckbrett auf. Die THT-Widerstände
kürze ich nicht, sonst ist die längste Leitung ca. 2cm.
Ok, die Oszi-Bilder sehen erstmal gut aus, bzw. Signalpegel sind groß genug, um Störungen klein aussehen zu lassen.
Es hätte ja sein können, daß Du einen halben Meter zu PD hast oder so (gabs hier ja auch schon), und nur über kleine Signale sprichst ...
Schau mal hier, wie man das mit IR-LED Fernbedienungen
macht. Da wird das Licht mit 38kHz moduliert. Die 38kHz
werden dann an und ausgeschaltet, daß sind dann die
Rechteckimpulse, also praktisch die Nutzdaten.
Sieht so aus als hätte ich wieder mal das Rad neu erfunden, nur dreieckig.
Um was zu lernen, würde ich gerne versuchen, das mit meiner roten LED nachzubauen. Und wenn es nicht geht, dann nehme ich die fast fertige IR-Lösung.
Sieht so aus als hätte ich wieder mal das Rad neu erfunden, nur
dreieckig.
Prima, das rumpelt einmal weniger pro Umdrehung als ein viereckiges Rad.
Um was zu lernen, würde ich gerne versuchen, das mit meiner roten LED
nachzubauen. Und wenn es nicht geht, dann nehme ich die fast fertige
IR-Lösung.
DAS ist der richtige Ansatz. Schaltungen verstehen lernen heißt zwar manchmal learning by burning, aber so merkt man sich Zusammenhänge. Halbfertiges irgendwo dranflanschen mache ich jetzt im Ruhestand öfter, hat aber mit dem Hühnerfutter zu tun welches neuerdings auf den Platinen klebt, da spielen Augen und Motorik nicht mehr mit.
