В продолжение темы про Transimpedance, поиск схемного решения Опции

[Herz]

В теме о применении ОРА380 я уже описывал свою задачу, вкратце напомню.
Необходимо измерить степень рассеяния света некоторой поверхностью. С этой целью освещаю её лазером видимого диапазона, с импульсной модуляцией частотой 6,4 кГц (для удобства усреднения).
Проблема в фоновой засветке, не позволяющей различить весьма слабый полезный сигнал. Попытки скомпенсировать фон мне пока не удались. Точнее, отстроиться от медленно меняющегося солнечного света несложно, гораздо неприятнее искусственное освещение, наводящее помеху в виде детектированной синусоиды. Учитывая слабопредсказуеые уровень, фазу и несимметричность, бороться с ней очень тяжело. В итоге не удаётся достаточно усилить полезный сигнал, имеющий уровни на 2-3 порядка ниже.
Прежде я решал похожую проблему при помощи УВХ. Видимо, придётся поступить так же. Вот как я вижу себе схемное решение:
Фототок усиливаю предварительным усилителем до максимально возможного значения. (поскольку фон может вызывать до 15 мка фототока, К~300 ком при 5В питании). В этом каскаде предполагаю использовать ОРА350 (кстати, скорее всего в обычном, не трансимпеданс-включении). Далее подаю усиленное напряжение на УВХ (ОРА615), который "запоминает" уровень сигнала в паузах между импульсами лазера. В состав указанной м/сх входит т.н. Transconductance Amplifier (OTA), но его характеристики меня огорчают. Попробую вместо него буфер на том же ОРА350 (благо, он стабилен при единичном усилении).
Слудующим планирую дифкаскад, например, на INA106. Пусть вычтет текущее напряжение (в момент включенного лазера) из сохранённого на УВХ. За ним - оконечный, чтобы усилить разность до нужных значений перед подачей на АЦП (AD7896). (Или объединить два последних в инструментальный усилитель?)
Поскольку в разностных значениях всегда будет присутствовать ошибка, связанная с изменением уровня фона (наводки) от момента Hold до момента сравнения, окончательно останется усреднить 128 замеров, что будут выполнены как раз за 20 мсек.
Прошу форумчан высказать замечания по структуре и методу, а также по элементной базе. (Может, в предусилителе применить более высоковольтный ОУ?) Схемку прикреплю чуть позднее. Хотя ничего нового я не придумал. Возможно, я просто сузил кругозор, сосредоточившись на конкретном пути и не вижу других, более оригинальных или простых решений? Например, если учесть, что измеряемая величина (собственно степень рассеивания) меняется очень медленно, допустимо увеличить период измерений даже до нескольких секунд. Этим стоило бы как-то воспользоваться...

[Herz]

В этом смысле, наилучшие, по моему мнению, результаты могут быть получены при комбинации режима проводимости диода и КЗ на входе усилителя.
Включение ФД в фотогенераторном режиме несколько проще схемотехнически, поэтому им также часто пользуются.

То есть, имеется в виду трансимпедансное включение со смещением, как предлагал DS_?

с импульсной модуляцией частотой 6,4 кГц

А не хотите попробовать подстраивать эту частоту по фазе к частоте сети 50 Гц? Я таким образом давил мерцания от люминесцентных ламп, когда делал телевизионную камеру.

Но если усреднение производить за 20 мсек, то вроде бы нет смысла подстраивать фазу.

[Stanislav]

То есть, имеется в виду трансимпедансное включение со смещением, как предлагал DS_?

Да, верно. Только нужно бы предполагаемую схему выложить, дабы был повод... поправить.
Я бы порекомендовал Вам ещё ознакомиться с устройством усилителей фототока для... пультов ДУ. Надо сказать, они неплохо отстраиваются от помех. Правда, у Вас требования пожёстче, но некоторые принципы можно взять на вооружение.

3) Фотодиод с обратным смещением + резонансный предусилитель на несущую частоту с очень узкой полосой (порядка 1 Гц) и пиковый детектор после него. В качестве резонансного элемента я бы попробовал применить часовой кварц.

Боюсь, 1 Гц получить нереально. Даже с с кварцем и умножителем его добротности - такая схема будет очень неустойчивой, а уж звон на резкие перепады освещённости давать - ой-ой. Кроме того, часовые кварцы сильно плывут с температурой, в приёмнике потребуется АПЧ, что приведёт к усложнению системы.

Входной каскад лучше сделать на малошумящем полевом транзисторе с pn-переходом.
4) Сигнал с выхода пикового детектора (его постоянная времени, как уже говорилось, порядка 1 с) стабилизировать путем регулировки излучаемой мощности светодиода. Таким образом выходным сигналом будет амплитуда тока в светодиоде.

Мне кажется, что способ, предложенный Вами, имеет несомненные достоинства, но нуждается в некоторой доработке.

Во-первых, смущает применение пикового детектора, из-за его плохой помехоустойчивости. Удовлетворительный результат можно получить только при очень узкой полосе приёма, что, как я уже и писал, сделать весьма затруднительно.
Во-вторых, вместо фильтра на часовом кварце я бы изготовил гетеродин на нём же, дающий квадратурные составляющие (можно даже на цифровых микросхемах). Далее - комплексный перемножитель, простейшие фильтры НЧ и дешевый двухканальный медленный сигма-дельта АЦП. Всю остальную обработку вести в цифре, с помощью недорогого МК. Об оптимальных методах обработки уместно поговорить позже. Можно обойтись и без перемножителя и гетеродина, тактируя АЦП удвоенной частотой модуляции, но это может быть неудобно.
В-третьих, вряд ли возможно обеспечить постоянный уровень сигнала фотодетектора при малой отражающей способности объекта. Сам принцип, конечно, неплох, но следует доработать его для этого случая (измерений при неизменном предельно допустимом токе через СД). Тоже лучше делать в цифрЕ.

[Herz]

Я бы порекомендовал Вам ещё ознакомиться с устройством усилителей фототока для... пультов ДУ. Надо сказать, они неплохо отстраиваются от помех. Правда, у Вас требования пожёстче, но некоторые принципы можно взять на вооружение.

В ПДУ несколько другая специфика... Во-первых, ИК, к дневному свету они практически слепы; во-вторых, там задача распознать код, а не измерить амплитуду импульсов. Мне кажется, это существенное отличие. Но ознакомлюсь поближе обязательно.

Во-вторых, вместо фильтра на часовом кварце я бы изготовил гетеродин на нём же, дающий квадратурные составляющие (можно даже на цифровых микросхемах). Далее - комплексный перемножитель, простейшие фильтры НЧ и дешевый двухканальный медленный сигма-дельта АЦП.

Нельзя ли чуть развить эту мысль?
И, как Вы думаете, ADS1252 подойдёт? Или, может, ADS1210? Цена здесь не играет роли.

Сообщение отредактировал Herz - May 26 2006, 13:55

[Stanislav]

Во-вторых, вместо фильтра на часовом кварце я бы изготовил гетеродин на нём же, дающий квадратурные составляющие (можно даже на цифровых микросхемах). Далее - комплексный перемножитель, простейшие фильтры НЧ и дешевый двухканальный медленный сигма-дельта АЦП.

Нельзя ли чуть развить эту мысль?
И, как Вы думаете, ADS1252 подойдёт? Или, может, ADS1210? Цена здесь не играет роли.

Возможно, я немного поторопился. Придётся забежать немного назад.
Передатчик, как уже и писали, лучше всего сделать с модуляцией яркости луча в диапазоне 10-30кГц (цифра очень приблизительная) током прямоугольной формы. Важно: излучающий диод должен иметь возможно большее отношение пикового рабочего тока к среднему.
Система приёма, близкая к оптимальной (то есть, дающая наилучшее отношение С/Ш из всех возможных), мне видится принципиально состоящей из четырёх последовательно включенных блоков:
1. Фотодетектор с оптическим фильтром на нужный частотный диапазон;
2. Линейный усилитель-преобразователь с хорошим динамическим диапазоном (можно селективный, или ФВЧ, только добротность не должна быть большой);
3. Синхронный детектор с простым ФНЧ на выходе. Если нет прямой возможности синхронизации приёмника и передатчика, тогда детектор придётся делать квадратурным, с удвоением "железа". И тот, и другой могут быть реализованы на аналоговых ключах, но об этом позже;
4. АЦП и система обработки сигнала и выдачи данных на МК. Обработка не будет сложной - почти всё необходимое реализовано в аналоге.
Стоит обратить внимание на предложение MosAic о петле регулировании мощности - оно позволит снизить требования к динамическому диапазону системы. Хотя, здесь также могут быть подводные камни.
Сейчас времени нет, прервусь.