Usporiadanie obvodu na vyhodnocovanie fotoelektrických meraní

Číslo patentu: E 17401

Dátum: 08.03.2012

Autori: Axmann Harald, Eichberger Bernd

Stiahnuť PDF súbor.

Text

Pozerať všetko

Usporiadanie obvodu na vyhodnocovanie fotoelektrických meraní0001 Vynález sa týka usporiadania obvodu na vyhodnocovanie fotoelektrických meraní,najmä na meranie rozptýleného svetla častíc vo výfukových plynoch spaľovacích motorov, s analógovým fotoelektrickým detektorom založeným na meranom svetle, s transimpedančným zosilňovačom, ktorý je k nemu pripojený na vstupnej strane, ako aj s analógovo-digitálnym prevodníkom (ADC) pripojeným k výstupu transimpedančného zosilňovača s diferenciálnou vstupnou fázou, ktorého výstup poskytuje digitálny signál úmemý meranému svetlu pre pripojenú digitálnu vyhodnocovaciu jednotku.0002 Pre fotoelektrické merania sa v súčasnosti ako detektory citlivé na svetlo najčastejšie používajú fotodiódy, ktoré dodávajú Výstupný prúd úmerný dopadajúcemu svetlu, ktorý je vyhodnocovaný vo vhodnom usporiadaní obvodu. Najmä pri nízkych absolútnych intenzitách dopadajúceho svetla, ako aj pri nízkych identiñkovateľných zmenách v časovom priebehu intenzity svetla sú potrebné špeciálne úpravy týchto usporiadani obvodu, aby sa predišlo zamedzeniu zmysluplného merania v dôsledku šumu pozadia a rušenia z okolia.0003 Najmä pri zariadeniach na meranie koncentrácie častíc, ktoré sa používajú napríklad na meranie výfukových plynov vznetových motorov ako hnacích síl pre vozidlá, v posledných rokoch neustále narastajú požiadavky v súvislosti so zvýšením citlivosti merania výfukových plynov aj v moderných spaľovacích motoroch, čo viedlo k tomu, že boli vyvíjané meracie prístroje založené na meraní rozptýleného svetla, ktoré umožňujú spoľahlivo merať aj extrémne nízke koncentrácie častíc, aj keď je k dispozícií len veľmi slabe rozptýlené svetlo,čo ďalej zvyšuje kvalitatívne požiadavky na použitý vyhodnocovaci obvod.0004 Doteraz známe usporiadania obvodov uvedeného druhu, ktoré sú v zásade vhodné pre vyhodnocovanie fotoelektrických meraní využívajú na rozhraní z analógovej do digitálnej oblasti pre precízne aplikácie ADC s vysokým rozlíšením s diferenciálnou vstupnou fázou,ktoré ponúkajú veľké výhody na rozdiel od jednopólovej a pseudo-diferenciálnej varianty,najmä s ohľadom na potlačenie rušenia a citlivosť signálu pri signáloch s nízkou intenzitou. Naďalej problematický zostáva najmä v prípade extrémne nízkych identiñkovateľných, resp. časovo vysoko rozlíšiteľných fotoelektrických prúdoch transimpedančný zosilňovač, ktorý je potrebný pre premenu fotoelektrického prúdu medzi výstupom detektora a vstupom napätia konvenčných ADC s diferenciálnou vstupnou fázou, resp. jeho zapojenie, ktoré by malo umožniť premenu veľmi malého fotoelektrického prúdu na diferenciálne napätie s minimálnym šumom a rušením pri súčasnom veľmi vysokom zosilnení a rovnako výraznom potlačení jednosmemej fázovosti.0005 Úlohou predloženého vynálezuje splniť uvedené požiadavky na usporiadanie obvodu najmä v súvislosti s transimpedančným zosilňovačom a tak zabezpečiť presné vyhodnotenie aj tých najmenších fotoelektrických prúdov s čo najmenším rušením.0006 Obvody, ktoré sa v takýchto situáciách používali doteraz sú zostavené podobne ako prístrojový zosilňovač. Fotoelektrický prúd je v medzistupni zobrazený ako diterenciálne napätie, ale je bezprostredne prevedený na jednopólový (jednoduchý) signál vzťahujúci sa na referenčný potenciál, s výhodou uzemnenie.0007 Okrem toho sú známe obvody, ktoré síce vykonávajú úplne diferenciálne spracovanie signálu, ale zosílňujú len striedavé signály - filtrujú jednosmernú zložku kondenzátormi vobvod popísaný v tomto dokumente viacero nevýhod. Sú tu bezpotenciálové zdrojové napätia,dynamický rozsah je obmedzený, čo môže spôsobovať problémy najmä v prípade nízkeho napájacieho napätia, a okrem toho je nejasný aj pracovný bod jednosmerného napätia. Navyše, symetrická úprava zdrojov napätia nie je potrebná ani výhodná, oba zdroje môžu byt jednoducho zlúčené do jedného. Pri správnom použití predstavuje jednosmemá zložka (DC) meraného signálu významnú veľkosť, a z toho dôvodu je spojenie s AC v zosilňovači nevhodné.0008 Pri ďalšom obvode známom z US 200 l/0050333 A 1 sa jedná o fotoelektrický prijímací obvod, ktorý je vhodný pre premenu vysokofrekvenčných optických signálov na elektrické napäťové signály. Pri tom je signál z fotodiódy najskôr V spojení s DC prevedený na diferenciálne napätie, potom sa však jednosmemá zložka odstráni pomocou kondenzátorov. Pre ďalšie spracovanie musí byť signál upravený v ďalšom diferenciálnom zosilňovači. Pri tom závisia spodné medzné frekvencie z pozitívnej a negatívnej signálovej cesty nielen od použitých kondenzátorov, ale aj od vstupného odporu zosilňovača. Obvody tohto typu sú vhodné pre prenos dát s vysokou rýchlosťou prenosu, ale vzhľadom k spojeniu s AC nie sú vhodné pre kontinuálne detekciu minimálnych množstiev svetla.0009 Preto je úloha vysoko presného zosilnenia v súlade s predloženým vynálezom pri usporiadani obvodu uvedeného druhu dosiahnutá tak, že pre priamu premenu fotoelektrického prúdu na diferenciálne napätie sa použije transimpedančný zosilňovač s kontinuálnym spojením s DC medzi detektorom a ADC, ktorý má dve symetrícky zabudované a diferenciálne poháňané vetvy transimpedančného zosilňovača, z ktorých každá je umiestnená medzi jedným prúdových výstupom detektora a jedným napäťovým vstupom ADC. Usporiadanie obvodu podľa vynálezu poskytuje diferenciálny prevod prúdu na napätie za použitia minimálnych potrebných vysoko presných referenčných súčasti pri súčasnom optimálnom využití dynamického rozsahu. Úprava signálu sa potom uskutočňuje plne diferenciálne, nie je potrebná premena z jednosmemého na diferencovaný s jej možnými nevýhodami. Z fotoelektrického prúdu sa priamo vytvorí diferenciálny napäťový signál, ktorý nemá žiadny vzťah k prípadnému potenciálu uzemnenia zaťaženého rušením. Transimpedancia potrebná pre premenu prúdu na napätie sa vždy rozdelí rovnako medzi dve vetvy zosilňovača. Ďalšou výhodou je pritom používanie fotodiódy bez prednapätia, vďaka čomu sa výrazne zlepší citlivosť, stabilita a presnosť na rozdiel od usporiadaní obvodov, ktoré používajú fotodiódu s prednapätím. Okrem toho sa vďaka spojeniu s DC zamedzí problémom s hornými priepustmi a ich párovaním vo frekvenčnej charakteristike.0010 Vo výhodnom uskutočnení vynálezu je v každej vetve zosilňovača umiestnený operačný zosilňovač so vstupom signálu spojeným s prúdovým výstupom detektora, pričom tento signálový vstup je ďalej cez spätnoväzbovú sieť s aspoň jedným referenčným odporom spätne spojený s výstupom operačného zosilňovača a druhý vstup operačného zosilňovača je spojený so zdrojom referenčného napätia. Rušenie na referenčnom napätí sa vyskytuje len ako jednosmerné rušeníe a pri výraznom potlačení jednosmemej fázovosti (common mode rejectíon ratio, CMRR) z ADC nemá vplyv na kvalitu signálu. Referenčné odpory V oboch vctvách Zosilňovača majú rovnakú hodnotu, ktorá určuje mieru zosilnenia - čím vyššia hodnota, tým vyššie napätie vyplývajúce z fotoelektrického prúdu.0011 Referenčné napätie môže byť prostredníctvom dvoch rovnakých odporov rozdelené a použité pre symetrickú moduláciu vstupov nasledujúceho ADC o polovičné referenčné napätie. Tieto odpory pre rozdelenie referenčného napätia by mali byt zvolené dostatočne veľké, aby nedošlo k príliš veľkému zaťaženiu zdroja referenčného napätia, ale dostatočne nízke, aby stredový bod nebol vysokoohmový a tým náchylný k rušeniu. Absolútna hodnota priernemého napätia pri vytváraní rozdielu v ADC vypadne a preto nehrá žiadnu rolu pre presnosť usporiadania obvodu.0012 Spätnoväzbová sieť každého z dvoch operačných zosilňovačov môže v ďalšom výhodnom uskutočnení vynálezu obsahovať aspoň jeden kondenzátor paralelne pripojený k referenčnému odporu, čo slúži na korekciu fázovej charakteristiky. Bez týchto kondenzátorov by usporiadanie obvodu mohlo začať kmitat vzhľadom k vnútomej kapacite fotodiódy. Pre potlačenie tohto správania možno vypočítať zodpovedajúce hodnoty kapacity z hodnôt kapacity fotodiódy a vstupov operačného zosilňovača.0013 V ďalšom uskutočnení vynálezu môžu byť Signálové vstupy operačných zosilňovačov, ktoré sú spojené s detektorom, pripojene k zdroju konštantného prúdu pre nastavenie zbytkového prúdu. Pozadie tohto uskutočnenia je, že svetlo identifikované cez fotodiódu, resp. fotodetektor môže vyvolať len jednosmemú moduláciu, čím je využítý iba polovičný diferenciálny dynamický rozsah. Nastavením zbytkového prúdu možno jednoducho rozšíriť dynamický rozsah.0014 Pre znázomenie zdroja konštantného prúdu môžu byt signálové vstupy operačného zosilňovača, ktoré sú spojené s detektorom cez jeden odpor, ktorý je výhodne aspoň približne rovnaký ako referenčný odpor v spätnej väzbe, pripoj-ené k zdroju referenčného napätia na jednej strane a uzemneniu na druhej strane. Ak sa pri tejto jednoduchej príprave zbytkového prúdu zvolia odpory rovnaké ako je referenčný odpor V príslušnej spätnej väzbe, môže byt použitý celý dynamický rozsah.0015 Vynález je podrobnejšie vysvetlený nižšie s odkazom na príklady vhodných usporiadaní obvodov schematicky znázomených na obidvoch obrázkoch.0016 Základná štruktúra usporiadaní obvodov podľa Obr. 1 a Obr. 2 je rovnaká a je tiež popísaná spoločne - príkladne uskutočnenie podľa Obr. 2 sa líši iba v tom, že pre nastavenie zbytkového prúdu sú Signálové vstupy operačných zosilňovačov dvoch vetiev transimpedančného zosilňovača, ktoré sú spojené s detektorom, pripojené k zdroju konštantného prúdu.0017 Zapojenie znázomené V oboch prípadoch sa používa napríklad na meranie rozptýleného svetla častíc vo výfukových plynoch spaľovacích motorov a obsahuje detektor Dl, ktorý na základe meraného svetla (šípka l) poskytuje analógový fotoelektrický prúd,lransimpedančný zosilňovač 2 pripojený na vstupnej strane, a ADC s diferenciálnou vstupnou fázou (ADC, ADC-) pripojený k výstupu transimpedančného zosilňovača 2, ktorý nie je ďalej znázomený, ktorého výstup poskytuje pripojenej digitálnej vyhodnocovacej jednotke,ktorá taktiež nieje znázornená, digitálny signál úmemý mcranému svetlu l. T ransimpedančný zosilňovač 2 obsahuje pre priamu premenu fotoelektríckćho prúdu na diferenciálne napätie dve úplne symetricky zostavené a díferenciálne riadené vetvy transimpedančného zosilňovača 3, 4, z ktorých každá je umiestnená medzi jedným výstupom prúdu detektora D 1 ajcdným vstupom napätia (ADC, ADG) ADC. V oboch vetvách zosilňovača 3, 4 je umiestnený-4 operačný zosilňovač (IClA, IClB) spojený s jedným signálovým vstupom (-) s jedným prúdovým výstupom detektora (D 1), pričom tento signálový vstup (-) je ďalej cez spätnoväzbovú sieť 5, 6 s aspoň sjedným referenčným odporom (R 5, R 6) spätne pripojený k výstupu operačného zosilňovača (IClA, IClB). Druhý vstup () operačného zosilňovača(IC IA, IClB) je pripojený k zdroju referenčného napätia 7.0018 Zdroj referenčného napätia 7 pozostáva z dvoch odporov R 1, R 2, ktoré sú rovnakej veľkosti a ktoré cez VREF a uzemnenie (GND) pripojené referenčné napätie rozdeľujú na polovicu. Kondenzátor C 2 sa používa pre vyrovnanie a odstránenie akéhokoľvek rušenia. Nasledujúci ADC vyžaduje diferenciálnu moduláciu na polovičné referenčné napätie, pričom niekoľko percentná odchýlka je tolerovaná. Absolútna hodnota stredového napätia pri vytvorení rozdielu v ADC vypadne a preto nehrá žiadnu rolu pre presnosť. Z tohto dôvodu môže byt referenčné napätie privedené ako stredové napätie jednoduchým spôsobom realizované cez delič napätia.0019 Obe časti každého usporiadania obvodu na obrázku vpravo dole znázorňujú zdroj napätia oboch operačných zosilňovačov IClA, IC l B cez referenčné napätie.0020 Ako je možné vidiet z oboch obrázkov, celá cesta signálu z optického detektora D 1 až k ADC je zostavená symetricky a riadená diferenciálne. Jedná sa o plne diferenciálne spracovanie signálu, ktorá nezahŕňa žiadnu medzičasovú premenu z jednosmemého na diferenciálne. Z fotoelektrického prúdu sa priamo vytvorí diferencíálny napäťový signál,ktorý nemá žiadny vzťah k prípadnému potenciálu uzemnenia zaťaženého rušením. K rušeniu na referenčnom napätí môže dôjsť len V podobe rušenia jednosmemej fázovosti a v dôsledku výrazného potlačenia jednosmemej fázovosti prostredníctvom ADC nemá vplyv na kvalitu signálu. Ďalšou výhodou je používanie fotodiódy bez prednapätia, vďaka čomu sa výrazne zlepší citlivosť, stabilita a presnosť na rozdiel od zapojenia s prednapätím.0021 Oba použité operačné zosilňovače IClA, IClB môžu byť výhodne zostavené v monolitickej forme spoločne ako integrovaný obvod, čo poskytuje výhodné párovacie vlastnosti.0022 Pri usporiadaní obvodu podľa Obr. 2 je prednastavený zbytkový prúd, ako bolo spomenuté, ktorý zväčšuje dynamický rozsah. Svetlo l na D 1 môže spôsobiť iba jednosmemú moduláciu, pričom je použitá vždy iba polovica diferenciálneho dynamického rozsahu. Nastavením zbytkového prúdu sa dynamický rozsah môže zväčšiť, pričom je k dispozícii úplný dynamický rozsah, keď sú referenčné odpory R 5 a R 6 v spätnej väzbe operačného zosilňovača IClA, IClB rovnake ako odpory R 7 a R 8 opäť pripojeného referenčného napätia VREF.

MPK / Značky

MPK: H03F 3/08

Značky: fotoelektrických, obvodů, meraní, vyhodnocovanie, usporiadanie

Odkaz

<a href="http://skpatents.com/8-e17401-usporiadanie-obvodu-na-vyhodnocovanie-fotoelektrickych-merani.html" rel="bookmark" title="Databáza patentov Slovenska">Usporiadanie obvodu na vyhodnocovanie fotoelektrických meraní</a>

Podobne patenty