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...

[Stanislav]

2 Herz
Простите за перерыв - времени маловато. И за то, что ещё раз придется забежать назад и поговорить о принципах.
Начать предлагаю вот с какого вопроса. Дело в том, что обеспечить максимально возможное соотношение сигнал/шум можно, как ни банально это звучит, только при максимально возможном отношении мощности зондирующего сигнала к мощности помехи в момент измерения. Для обеспечения такого соотношения предлагаю использовать излучающие приборы с максимально возможным отношением допустимой пиковой мощности к средней. Модуляцию следует производить короткими импульсами максимально возможной интенсивности и большой скважности, чтобы не превысить макс. рассеиваемую мощность прибора в таком режиме.
Иными словами, если лазер средней непрерывной мощностью, допустим, в 10 мВт, позволяет получить в импульсе 100мВт, пусть даже и при скважности не 10, а 20, его нужно использовать именно в таком режиме. Подавая на лазер меандр (скважность 2) с мощностью в импульсе 20мВт, в общем случае, получим гораздо худшее соотношение мощности сигнала и шума в момент действия импульса.
Если есть вопросы по существу этого предложения - буду рад ответить.

Второй момент: как воспользоваться достигнутым, хоть и максимально возможным для имеющегося излучателя, но очень кратковременным отношением С/Ш?
Ответ - с помощью синхронного детектора, обеспечиваюшего пропускание входного сигнала только в момент действия импульса (сейчас я опускаю существенные вещи, касающиеся вопросов построения предусилителя). Насколько я понял, возможность синхронизации приёмника и передатчика всё же имеется, что избавляет от необходимости применения несинхронного квадратурного детектора или ФАП.
Синхронный детектор может быть реализован на недорогом современном быстродействующем электронном аналоговом ключе (простите за обилие эпитетов ). Стробом ключа может являться модулирующий сигнал лазера, с компенсацией задержки в тракте передачи-приёма, которую несложно реализовать на достаточно шустром МК (подойдёт даже AVR).
Надо сказать, что эквивалент синхронного детектора может быть реализован и непосредственно на аналого-цифровом преобразователе с синхронным захватом сигнала.
Предлагаю обсудить высказанные положения и пойти дальше в способах построения оптимальной (то есть, теоретически наилучшей) в смысле отношения сигнал/помеха системы для решения Вашей задачи.

2 Tanya
Вы снова совершенно правы. В части компенсации я также советовал познакомиться с приёмниками сигнала ДУ, где она имеется. Однако, компенсация фона и медленных изменений сигнала способствует только смягчению требований к динамическому диапазону тракта приёма, не решая задачу в принципе.
Насчёт лампы-вспышки - суть правильна, только не знаю, приемлемо ли такое решение для автора темы. Кроме того, с узкополосной системой передачи-приёма, возможно получение решения без использования таких экстремальных методов и энергий.

[Herz]

2 Herz
Предлагаю обсудить высказанные положения и пойти дальше в способах построения оптимальной (то есть, теоретически наилучшей) в смысле отношения сигнал/помеха системы для решения Вашей задачи.

Буду очень признателен за участие.
Пока же, то, что Вы пишете о сигнал/шум и синхронном детектировании совершенно понятно (даже для меня и это радует).
Эти принципы я использовал в своём первом приборе. С/Ш там , правда, был несколько иным, 1/1 ~ 1/10.
Аналоговая часть состояла из ПУ на ОРА350, за ним - 2 Sample/Hold (2хОРА615), затем дифусилитель (INA118, кажется) и оконечный усилитель на ОРА350 (как оказалось, можно было обойтись). Синхронно с модуляцией лазера (с учётом задержки в тракте, она формировалась МК, большой точности не требовалось) производилась фиксация уровней сигнала в наличии/отсутствии импульса. Разность усиливалась и оцифровывалась АЦП МК. Сэмплов делалось 128 за период 20 мс (отсюда и частота 6,4 кГц), затем усреднялось... Впрочем, об этом я уже рассказывал, тот же подход собирался применить и в этот раз. Теперь (спасибо собеседникам ) прихожу к выводу, что оцифровывать каждый импульс сравнительно быстродействующим АЦП нет смысла, тем более задача "медленная" и время есть. Следовательно, напрашивается аппаратное интегрирование, Дельта-Сигма АЦП и т.д. В этом есть свои преимущества.

П.С. Альтернативные источники света пока обсуждать не хотелось бы, но за подсказки спасибо.

Сообщение отредактировал Herz - May 30 2006, 05:34

[Stanislav]

...Впрочем, об этом я уже рассказывал, тот же подход собирался применить и в этот раз. Теперь (спасибо собеседникам ) прихожу к выводу, что оцифровывать каждый импульс сравнительно быстродействующим АЦП нет смысла, тем более задача "медленная" и время есть. Следовательно, напрашивается аппаратное интегрирование, Дельта-Сигма АЦП и т.д. В этом есть свои преимущества.

Правильно собирались. Попытка реализации системы без синхронного детектора, или синхронного с сигналом захвата данных АЦП приведёт к существенному ухудшению С/Ш. "На пальцах" это можно пояснить так: любой аналоговый фильтр имеет "память", при воздействии помехи в отсутствие сигнала фильтр "заряжается", а в момент прихода сигнала в нём уже есть некая случайная величина, зависящая большей частью от помехи... СД же позволяет полностью избежать этого.
Хорошо, что метод модуляции лазера короткими импульсами не вызывает сомнений.
Фильтр НЧ в тракте приёма ставить можно и нужно, но только после сэмплера (синхронного детектора). А полосу пропускания предусилителя нужно делать достаточно широкой (зависит от конкретной реализации модулятора, но не меньше, чем ~1/T, T - длительность импульса). И сигма-дельта АЦП использовать нужно тоже в совокупности с СД.
Получить дальнейшее улучшение С/Ш возможно только при наличии модели помехи, определением которой, вообще говоря, нужно заняться в первую очередь. Интересны как временнЫе, так и спектральные характеристики модели.
Выражаясь образно, с полезным сигналом дальше работать нет смысла - всё возможное сделано. Теперь стоит обратить внимание на помеху, и "поработать" именно с ней.
ЗЫ. А какие ограничения по пиковой мощности имеются?

[Herz]

Правильно собирались. Попытка реализации системы без синхронного детектора, или синхронного с сигналом захвата данных АЦП приведёт к существенному ухудшению С/Ш. "На пальцах" это можно пояснить так: любой аналоговый фильтр имеет "память", при воздействии помехи в отсутствие сигнала фильтр "заряжается", а в момент прихода сигнала в нём уже есть некая случайная величина, зависящая большей частью от помехи... СД же позволяет полностью избежать этого.
Хорошо, что метод модуляции лазера короткими импульсами не вызывает сомнений.

Э... Хотелось бы убедиться, что мы с Вами правильно друг друга понимаем. Поэтому ещё раз:
-система без синхронного детектра даже не предполагалась. Тот первый вариант, который я описал, тоже рассматриваю, как разновидность синхронного детектирования.
-первоначально система не имела интегратора (ФНЧ), так что никакого "накопления помехи" не происходило. Запоминалиь лишь мгновенные значения напряжений: УВХ1 - фона+сигнала; УВХ2 - фона. Импульсы были действительно короткими (несколько мкс, определяемое временем установления УВХ), Hold УВХ2 - непосредственно перед включением лазера, т.е. относительно 50 Гц наводки временная дельта между Hold-ми небольшая. Дальше - усиление разности значений. Так было.
- теперь, поскольку принято решение измерять усреднённое значение амплитуды импульсов, применить синхронное детектирование и интегрирование "в железе", становится актуальным то, о чём Вы говорите. Для снижения требований к полосе представляется разумным сделать импульсы модуляции меандром, а не короткими и поручить их формирование уже не МК, а внешнему генератору.
(раньше это были пачки импульсов, только во время замеров, теперь пусть идут непрерывно, меньше переходных процессов). Синхронизировать будет, пожалуй, даже проще - это не отнимет ресурсов у МК и не будет зависеть от его быстродействия.

Ограничения по пиковой (как и постоянной) мощности пока не позволяют применять лазеры мощнее 10 мВт. Надеюсь, в будущем эти рамки удастся расширить.

Рекомендую для ознакомления статью "Нижний предел измерения средней мощности оптического излучения инфракрасного диапазона" из журнала "Фотонэкспресс".

2Herz
Пришлите адрес в личку - перешлю "Микрофотоэлектронику" (3,5 MB)
Как у Вас с английским? Есть еще пара книжек "на ихнем".

Спасибо. С английским - так себе. Попробую пока обойтись этими.

Сообщение отредактировал Herz - May 30 2006, 08:10