Компенсация фоновой засветки фотодиода Опции

[DSIoffe]

Здравствуйте все!
Мне надо освещать некий объект импульсным светом от светодиода и измерять амплитуду отражённого сигнала с последующей оцифровкой. Объект находится в помещении с окнами, поэтому фоновая засветка меняется в зависимости от времени суток, времени года, от света фар проезжающего мимо транспорта и прочих факторов. Частота импульсов порядка единиц килогерц.
Подскажите, пожалуйста, какие существуют способы задавить сигнал от фоновой засветки? Я хочу максимально полно вписать размах импульсов в динамический диапазон АЦП.
Первая идея: в схеме с фотодиодом между входами операционного усилителя поставить конденсатор последовательно с фотодиодом. Если это не будет работать, то почему?
Вторая идея: взять два похожих фотодиода (они бывают парные, как транзисторы?), одним смотреть на объект, а вторым немного в сторону от него, чтобы он измерял только фоновую засветку. Потом сигнал второго фотодиода вычесть из сигнала первого. Для этого придуманы какие-нибудь способы, кроме вычитания выходных напряжений двух ОУ на третьем?
Ещё вопрос: в каком спектральном диапазоне лучше брать светодиоды и фотодиодв для такой задачи? ИК или видимые? И почему?
Темы от Herz я читал, но там описаны очень сложные и точные вещи, мне бы попроще и подешевле.
Заранее признателен.

[Самоделкин]

Если честно мне не понятно что мешает померять и отцифровать освещонность до импульса света запомнить и измерить и отцифровать во время импульса а потом вычислить разность ?

[Tanya]

Вторая идея: взять два похожих фотодиода (они бывают парные, как транзисторы?), одним смотреть на объект, а вторым немного в сторону от него, чтобы он измерял только фоновую засветку. Потом сигнал второго фотодиода вычесть из сигнала первого. Для этого придуманы какие-нибудь способы, кроме вычитания выходных напряжений двух ОУ на третьем?

Вычитать можно на самом первом (единственном) ОУ. Трансимпедансный усилитель может вычитать. Только придется подстроить коэффициент диафрагмой на измерителе фона. Полной компенсации не получится. Увы. Но такая компенсация может помочь избежать зашкала фона. Более точное последующее выделение полезного сигнала - нечто вроде синхронного детектора.

[DSIoffe]

Если честно мне не понятно что мешает померять и отцифровать освещонность до импульса света запомнить и измерить и отцифровать во время импульса а потом вычислить разность ?

А прикиньте, что будет, если сигнал от фоновой засветки даст на выходе усилителя 2В, а полезный сигнал при этом окажется 2 мВ? Если в системе 10-разрядный АЦП, то на полезный сигнал придётся примерно один его разряд.

Вычитать можно на самом первом (единственном) ОУ. Трансимпедансный усилитель может вычитать. Только придется подстроить коэффициент диафрагмой на измерителе фона. Полной компенсации не получится. Увы. Но такая компенсация может помочь избежать зашкала фона. Более точное последующее выделение полезного сигнала - нечто вроде синхронного детектора.

Спасибо. А как может вычитать трансимпедансный усилитель? Надо включить диоды на его входе встречно-параллельно?
Полной компенсации не получится, это да. Но если фоновая освещённость будет изменяться на три-четыре порядка, то польза будет несомненная.

[SaShok]

месяц назад боролся с этим,
"повторял" разработку 7 летней давности
там человек тоже боролся с фоном, человек очень хороший - оставил записи и так на словах много передал,
чего только не городил и 2 фотодиод, и гиратор, и карбюратор, помог ему только конденсатор
который как я посмотрел затягивает фронты в сигнале.
я тоже поупражнялся, поставил цап и по содержанию постоянки в отсчетах ацп дергал за вторую ногу трансимпедансного усилителя,
но на этой ноге, по определению, надо фильтр хороший, что затягивает время выхода на режим.

итог: боролся с помехами - выкинул цап, поставил конденсатор все равно не помогло, нашёл причину, обратно цап не вернул
сдал прибор так как заработало и временно смирился с полосой, но с этим надо что-то делать!
или конденсатор пленку или керамику какую-то особенную,
хотя интересней дальше бороться по мотивам http://www.eecg.toronto.edu/~johns/nobots/...pdf/phang98.pdf
подробнее google -> dc photocurrent rejection

[Tanya]

Надо включить диоды на его входе встречно-параллельно?
Полной компенсации не получится, это да. Но если фоновая освещённость будет изменяться на три-четыре порядка, то польза будет несомненная.

Вы знали!

хотя интересней дальше бороться по мотивам http://www.eecg.toronto.edu/~johns/nobots/...pdf/phang98.pdf
подробнее google -> dc photocurrent rejection

Такую штуку делала несколько лет назад. Если засветка постоянная, то...
На выход трансимпедансного усилителя через ключ - интегратор, инвертирующий ОУ, с его выхода через резистор на вход ТИ ОУ.

[DSIoffe]

Вы знали!

Нет, я интуитивно!

[MaslovVG]

Поскольку у топикстартера полезный сигнал переменка то целесообразно входной каскад сделать фильтром верних частот и отрезать постоянку и медленно меняющуюся засветку. . Если требуется повышенная помехоустойчивость не помешает синхронный детектор.

[Kadzak]

Почему только ВЧ-фильтр?
Люминесцентные лампы "зудят" на относительно высоких частотах.
Посему нужен полосовой фильтр: отрежет постоянку + ВЧ-помехи от мерцающих ламп.
--
По диапазону:
У большинства ФД максимум чувствительности, как правило, в коротковолновом ИК - 800...950нм.
Был долгий опыт с полосовыми (оптическими) ИК-фильтрами.
Лучше всего себя показала связка: диод 950нм -> полосовой фильтр 950 + приемник.
У дневного света (солнечного света, прошедшего через атмосферу) в спектралке есть небольшой "провал" в районе 950 нм, т.е. интенсивность потока излучения на этой длине волны чуть меньше, помеха меньше.

Сообщение отредактировал Kadzak - Apr 24 2012, 12:43

[st232bd]

Из совсем простого дешёвого и сердитого попробуйте нагрузить фотодиод на параллельное RL звено, если форма импульсов не очень критична.
А так, классика, как озвучивавлось выше - выделяете низкочастотную составляющую после входного усилителя (трансимпедансного или любого другого) и пропорционально ей вычитать ток из фотодиода (ссылка от SaShok). Раньше дистанционное управление к телевизорам так делали (во времена КТ315:)), получается медленная обратная связь держит рабочую точку по напряжению при изменениях освещённости, а короткие импульсы проскакивают, как будто её и нет. Вычитание тока из фотодиода производится транзистором можно и биполярным, т. е. чем-то способным пропустить ток засветки и имеющим высокое динамическое сопротивление на частоте сигнала (эту роль выполняет дроссель в первом варианте). Если вычитать ток при помощи резистора - вообще теряется смысл данного процесса, так как все извраты исключительно для того, чтобы сохранить высокое сопротивление резистора (обнаружительная способность пропорциональна корню из его сопротивления), если мы можем позволить себе нагрузить фотодиод на низкоомный резистор (настолько низкоомный, чтобы усилитель не насыщался от фоновой засветки) - тогда просто разделительный конденсатор и усилитель.
Я сейчас планирую макетик делать с аналоговым ключом, замыкающим фотодиод с высокой частотой на землю, резистор вообще выкинуть, полевой транзистор на входе, усиливать пилу, восстанавливать и т. д. Если не передумаю и получится что-нибудь путное - напишу.

[Rockstein]

Еще немного решений, что-то типа чоппера, когда постоянка собираеться на конденсаторе, и потом конденсатор отключется и подключаеться для вычитания. Или тупо взять два светодиода.

А что мешает сначала померять освещенность, потом через цап выставить ноль и уже мерять импульсы? Ну и так каждую секунду.

[alexvu]

Пульты ДУ от бытовой техники успешно решают данную задачу с помощью частотной модуляции излучаемого сигнала (30-40 кГц) и последующей фильтрации в приемнике, есть много готовых МС на эту тему. Можете и свой фильтр + детектор на ОУ сделать.
Также (при очень сильной подсветке) можно использовать короткие мощные импульсы, но тут надо синхронно детектировать в приемнике. Если можете передать по проводу опорный импульс из передатчика в приемник - это вообще просто, иначе надо использовать следящий генератор с автоподстройкой.

[Le Fou]

классикой будет модуляция светового потока и синхронный детектор на стороне приемника. вы же сами светодиодом управляете? тогда все хорошо и просто. детектор сгодится и простой ключевой: в дополнение к принятому сигналу формируете его инверсию, и попеременно аналоговыми ключами подаете на НЧ-фильтр то прямой сигнал, то инверсный. ключами управляете синхронно со светодиодом. Грубо говоря, засветка компенсируется, а полезный сигнал накопится. Ну а выход фильтра уже на АЦП.

Надежная дубовая схема, применялась в старинной фотометрии до прихода DSP.

Сообщение отредактировал Le Fou - Jul 24 2012, 20:29

[Pavel73]

Добрый день, решил не плодить тем и отписаться здесь. Недавно посетила мысль организовать компенсацию засветки с одним фотодиодом и практически без применения цифровой техники. Пока не собирал, так как время на это появится недели через две только и интересны соображения по теме. В книгах и статьях такого решения пока не встречал. Суть проста: полезный поток света модулируется обтюратором и синхронно с открытием окна срабатывает оптопара. В момент открытого окна напряжение с фотоусилителя сохраняется одной микросхемой выборки-хранения, а в момент закрытого окна напряжение фотоусилителя сохраняется другой микросхемой выборки-хранения. Выходы этих микросхем подключены к вычитающему ОУ, результатом работы которого будет разность полезного сигнала и фона. Для одновременного присутствия на входах ОУ и значения фона и значения полезного сигнала, от оптопары пропускается каждый второй импульс и одновибраторы перед микросхемами выборки-хранения настраиваются таким образом, чтобы удерживаемые значения сигналов перекрывали друг друга по времени. И в этот самый момент перекрытия, когда на выходе ОУ имеем разность сигналов, либо её оцифровываем, либо измеряем любым удобным способом. Написать программу для контроллера проблемой не является, но в данном случае аналоговое решение более симпатично и интересно кто о нём что думает.

[Tanya]

Добрый день, решил не плодить тем и отписаться здесь. Недавно посетила мысль организовать компенсацию засветки с одним фотодиодом и практически без применения цифровой техники. Пока не собирал, так как время на это появится недели через две только и интересны соображения по теме. В книгах и статьях такого решения пока не встречал

Называется синхронный детектор (lock-in amplifier). Уже 100 лет...