DD271564A1 - Schaltungsanordnung zur durchfuehrung von auf der lichtintensitaet basierenden messungen - Google Patents

Schaltungsanordnung zur durchfuehrung von auf der lichtintensitaet basierenden messungen Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Durchfuehrung von auf der Lichtenintensitaet basierten Messungen. Die Schaltungsanordnung ist als eine Differenzschaltung mit einer ersten und zweiten Photodiode (D1, D2) und die Ausgangssignale der ersten und zweiten Photodioden (D1, D2) empfangende zwei Operationsverstaerker (1, 2) enthaelt. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass eine vierzweigige, die beiden Photodiode (D1, D2) und zwei Brueckenwiderstaende (R1, R2) beinhaltende Brueckenschaltung vorgesehen ist, welche gemeinsam mit einem dritten Operationsverstaerker (3) durch einen am Eingang angeordneten Stromgenerator angetrieben ist, wobei der erste Operationsverstaerker (1) den ersten Brueckenwiderstand (R1) ueberbrueckend angeordnet ist und der zweite Operationsverstaerker (2) mit dem gemeinsamen Schaltpunkt der zweiten Photodiode (D2) und des zweiten Brueckenwiderstands (R2) verbunden ist, wobei der Ausgang des zweiten Operationsverstaerkers (2) seinem Eingang rueckgeschaltet ist, weiter der dritte Operationsverstaerker zum Antrieb einer Lichtquelle, insbesondere lichtemittierenden Diode (S) vorgesehen ist. Die Schaltungsanordnung gibt die Moeglichkeit einer bedeutenden Verminderung der Anzahl der Schaltelemente, wobei die Kompensation die durch die Temperaturaenderungen und Lebenszeit der photoelektrischen Elemente bedingten Parameteraenderungen automatisch ausgeglichen werden koennen. Fig. 1, 2

Description

-2- 271664 Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung tür Durchführung von auf der Lichtintensität basierten Messungen, welche einen an einer Referenzspannungsquelle angeschalteten Eingang, einen der gemessenen Lichtintensität entsprechende Ausgangssignale leistenden Ausgang, Im Weg eines durch eine Lichtquelle erzeugten Lichtes engeordnet eine erste und eine zweite Photodiode sowie- *!nen ersten und einen zweiten Operationsverstärker mit der ersten und der zweiten Photodiode verbunden enthält. Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung ermöglicht, bei verminderter Anzahl der zu verwendeten Schaltelemente, die Ausgleichung der Parameterändorungen, welche unter Einwirkung von Temperaturänderungen, weiter der Alterung der photoelektrischen Schaltelemente immer auftreten.
Charakteristik des bekannten Standes der Technik
Die bekannten Schaltungsanordnungen tür Durchführung von auf der Lichtintensität basierten Messungen, zum Beispiel die Anlagen zur Messung von kleinen Verschiebungen sind kompliziert, beinhalten eine hohe Anzahl von aktiven und passiven Schaltelementen. Eine verhältnismäßig einfache Schaltungennordnung Ist insbesondere In einem Katalog der Firma RCA (Vereinigte Staaten von Amerika), ausgegeben im Jahre 1986 (Heft 1-86) auf der Seite 368 zu sehen (siehe die Figur 92CM· 30009). Diese Schaltungsanordnung bedarf jedoch paarwehe ausgewählter Widerstände, was die Herstellung kompliziert macht. Ein weiterer Nachteil dieser Schaltungsunordnung besteht daiin, daß dlo Veränderung der Parameter der optoelektrischen Elemente, was unter Einwirkung der Temperatur sowie wegen der Alterung erfolgt, nicht ausgeglichen werden kann, oder die Ausgleichung erfordert die Verwendung von weiteren Schaltelementen. Die wichtigen Parameter sind der Kurzschlußstrom der Photodiode sowie ihre Leerlaufspannung usw. Das wichtigste Problem dabei llugt darin, daß die Parameter der Photodioden eine ziemlich hohe Streuung, welche sogar 10% überschreiten kann, insbesondere bei der Einwirkung von größeren Temperaturunterschieden, Im Lebenslauf der photoelektrischen Elementen. Deswegen Ist es Inn >,?r wichtig fjewesen, die photoolpktrischen Elemente paarweise auszuwählen, insbesondere unter Berücksichtigung der Steilheit Ihrer Charakterlstika und der durch die Temperatur bedingten Parameterfinderungen. Die bekannten Schaltungsanordnungen, welchu zwei Photodioden beinhalten, verwirklichen das Grundprinzip der Differentialmessung. Diese Anlagen dienen zur BeMirrmung von kleinen Verschiebungen, zur Bestimmung solcher Veränderungen, welche die relative Veränderung der auf die ?hctodiode fallenden Lichtintensität verursachen. Die Messung basiert auf der Tatsache, daß der Kurzschlußstrom der Phctodioden so zu regeln Ist, daß der summierte Kurzschlußstrom unveränderlich verbleibt, während die einzelnen Kurzschlußströme Proportionen zur Veränderung der Intensität des einfallenden Lichtes veränderlich sind.
Ziel der Erfindung Das Ziel der Erfindung besteht darin, die Anzahl der Schaltelemente zu reduzieren und die Moßgenauigkei'. zu erhöhen. Darlegung des Wesens der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, welche zur Durchführung von auf dor Lichtintensität basierenden Messungen zum Beispiel der Verschiebungen odor zwecks Sortierung von Photodioden dient, die eine verhältnismäßig niedrige Anzahl von Schaltelementen enthält und fähig ist, ohne irgendwelche von außen vorzunehmenden Schritte die Folgen der Alterungsprozesso sowie die Veränderung der Temperatur auszugleichen. Die Erfindung beruht euf der Erkenntnis, daß die Photodioden In einer Brückenschaltung angeordnet we den sollen. Erfindungsgemäß wurde eine Schaltungsanordnung erarbeitet, welche als eine Differenzschaltung ausgebildet mit einer ersten und einer zweiten Photodiode zur Erzeugung von Ausgangssignalen unter Einwirkung des Lichtes emei Lichtquelle sowie mit einem ersten und mit einem zweiten Operationsverstärker turn Empfang der Ausgangssignale der ersten und der zweiten Photodiode versehen ist, wobei erfindungsgemäß—zwecks Vereinfachung der Anordnung und Verminderung der Anzahl der Schaltelemente—eine vierzweiglge Brückenschaltung vorgesehen ist, welche einem gemeinsam en Tunkt eines dritter Operationsverstärkers und dadurch dar Lichtquelle sowie eines einem Eingang der Scheltungsan Ordnung zugeführten . Stromgenerators zugeschlossen ist, wobei die Brückenschaltung inzwei benachbarten Zweigen de erste und die zweite Photodiode sow.e in den zwei weiteren benachbarten Zweigen, gegenüber der ersten und der zweiten Photodiode einen ersten und einen zweiten Brückenwiderstand beinhaltet und die erste und die zweite Photodiode miteinander über einen Kopplungspunkt und mit ihren gleichnamigen Polen verbunden sind, weiter auch wichtig Ist, daß der erste Operationsverstärker mit seinem Eingang mit der ersten Photodiode, mit seinem Ausgang mit dem Verbindungspunkt des ersten und des zweiten Brückenwiderstands gekoppelt den ersten Brückenwiderstand überbrückend angeordnet ist, der zweite Operationsverstärker am die notwendigen Ausgangssignale der Schaltungsanordnung weiterleitenden Ausgang drir Schaltungsanordnung angeordnet und mit einem einen Ausgleichwiderstand enthaltenden RUckkopplungsglied üborbrückt ist. Das Rückkopplungsglied ist in einer vorteilhaften Ausführung als eine Reihenschaltung ausgebildet, welche den Ausgleichwiderstand, den ersten Operationsverstärker sowie den zweiten Brückenwiderstond beinhaltet, wobei die Widerstandswerte des ersten und des zweiten Brückenwiderstands gleich sind und der Stromge w /au.r über den gemeinsamen Punkt zum Kopplungspunkt der ersten und zweiten Photodiode über die erste Photodiode fesch iltet ist. Die obenangeführte Ausführung kann in speziellen Fällen verwendet werden, jedoch ist es bei aile.i Verwendungen zweckmäßig, eine solche Ausführung zu wählon, bei welcher das Rückkopplungsglied lediglich aus dem Ausgleichwiderstand besteht und der Stromgenerator über den gemeinsamen Punkt unmittelbar mit dem Kopplungspunkt der ers'.en und zweiten Photodiode verbunden ist. Dabei stehen im Wesentlichen zwei Möglichkeiten zur Verfügung:
1. Zur Realisierung von Messungen, bei welchen der Nullpunkt der Messungen dem Fehlen eines Ausgangssignals entspricht, ist es zweckmäßig, deß das Verhältnis R,/R» der Widerstandswerte der ersten und zweiten BrOckenwiderstands mit dem Verhältnis l|/lj der Im Grundzuatand die erste und die zweite Photodiode charakterisierenden Kurzschlußströme gleich Ist.
2. Falls ein Ausgangssignal schon Im Grundzustand der Schaltungsanordnung mit vom Null unterschiedlichem Wert zu erzeugen Ist, sollen die Verhältnisse R|/R2 und I1ZI2 unterschiedliche Werte aufnehmen.
Öle Lichtquelle ist zweckmäßig eine lichtemittierende Diode und falls die Ausgangsleistung des dritten Operationsverstärkers zum Antrieb der Lichtquelle nicht ausreichend wBre, Ist ein Leistungsverstärker zwischen dem dritten Operationsverstärker und der optischen Lichtquelle einzufügen.
Ausführungtbel »plele
Die Erfindung wird welter anhand von beispielsweise dargestellten Ausführungen, mit Hinwels auf die belllegende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
Figur 1: die allgemeine Ausführung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und Figur 2: die spezifische Ausführung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung (Figur 1) Ist durch einen Eingang 6 an einer Speiseeinheit angeschlossen, welche
eine ι .eferenzspannung Uo sichert. Am Eingang 6 Ist ein Stromgenerator, insbesondere ein Referenzwideretand R, angeordnet.
Der Ausgang des Stromgenerators ist einer Brückenschaltung zugeführt, und zwar einem Kopplungspunkt einer ersten Photodiode Dt und einer zweiten Photodiode D2, welche mit ihren gleichnamigen Polen, d. h. mit den Anoden oder den Kathoden
sind dem Kopplungspunkt zugeschaltet. Die Brückenschaltung enthält vier Zweige, worin in den verbleibenden zwei Zweigen,gegenübet der ersten und der zweiten Photodiode D1, Di ein erster und ein zweiter Brückenwlderstand Ri, Ri angeordnet sind.
Der erste Brückenwiderstand Ri, welcher mit der ersten Photodiode Dt verbunden Ist, ist mit einem Operationsverstärker 1
überbrückt, wobei der Ausgang des letzteren dem gemeinsamen Punkt der ertten und zweiten Brückenwiderstands Ri, R1zugeschaltet ist. Der gemeinsame Punkt der zweiten Photodiode D2 und des zweiten Brückenwiderstands R] Ist durch einenzweiten Operationsverstärker 2 einem Ausgang 6 der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung zugeführt, wobei der Ausgangdes zweiten Operationsverstärkers 2 dem Ausgang 6 zugeschaltet Ist, und durch ein Rückkopplungsglied, Im einfachsten Falledurch einen Ausglelchwiderstand Rk dem Eingang rückgeführt ist.
Dem der Brückenschaltung zugeführten Ausgang des Stromgenerators ist ein dritter Operationsverb. <rker 3 zugeschaltet,
welcher zweckmäßig über einen Leistungsverstärker 4 mit einer optischen Lichtquelle 5, vorteilhaft einer lichtemittierenden
Diode verbunden ist. Das Rückkopplungsglied besteht nach Figur 1 lediglich aus dem Ausglelchwiderstand Rh, und in der Ausführung nach Figur 2
aus dem Ausglelchwiderstand, dem ersten Operationsverstärker 1 und dem zweiten Brückenwider»*and R2, wobei der letztere indiesem Fall gleichen Wlderstandswert mit dem ersten Brückenwiderstand R1 aufweist.
Das Wesen der Erfindung liegt in der Verwendung der Brückenschaltung, welche, wie erwähnt, vier Zweige aufweist, worin die
erste und die zweite Photodiode Di, D2 sowie der erste und der zweite Brückenwiderstand Ri, R2 angeordnet sind.
Der gemeinsame Punkt des Stromgenerators und des dritten Operationsverstärkers 3 ist mit dem Kopplungspunkt der Photodioden D1, D2 unmittelbar (Figur 1) oder durch die erste Photodiode D( (Figur 2) verbunden. Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung arbeitet auf folgende Weise: In allen normalen Betriebszuständen sichert der Stromgenerator (der Referenzwiderstand R1) einen ständigen Stromwert l( + I1,
welcher der Summe der Kuntschlußströme der ersten und der zweiten Photodiode Di, D2 gleich Ist.
Vor den Messungen sollen die Kurzschlußströme I1 und I2 gemessen werden, und zwar im Grundzustand der Anlage, worin die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung Verwendung findet. Sollte die Gleichung Ii « I2 der Fall sein, so kann es zweckmäßigsein, die Anordnung nach Figur 2 einzusetzen, wobei auch die gleichen Werte Ri und R2 auch zu sichern sind. (Das kannmanchmal Probleme verursachen, insbesondere wenn die Alterung der Widerstände nicht die gleichen Wertveränderungen zurFolge hat.)
Im Allgemeinen werden die Werte ItZI2 aufgefunden. Dann ist die Anordnung nach Figur 1 zu verwendon, wobei im Falle Ri/ R2 = 1(/I2 dem Grundzustand der Nullwert des Ausgangssignals gehört. Sollte ein vom Null unterschiedlicher Wert dem Ausgangssignal im Grundzustand zugeschrieben werden, so ist ein von l|/lj unterschiedlicher Wert für das Verhältnis Rt/R2 der Widerstandswerte ausgewählt werden. Die erste und die zweite Photodiode D„ D2 sind miteinander entweder über ihre Anoden (mit der Stromrichtung nach den Figuren 1 und 2) oder über ihre Kathoden (mit der gegensinnigen Stromflußrichtung) verbunden. Die Messungen sind auf der Tatsache basiert, daß die Veränderung der Intensität des auf die Photodioden D1, D2 einfallenden Lichtes eine Abänderung des Pegols des Ausgangssignals der Scheitungsanordnung (am Ausgang 6) verursacht. Dieses Signal
kann als ein Spannungssignal weiterverarbeitet werden.
Die Einfachkeit der Schaltung nach Figur 2 ist teilweise durch die Tatsache kompensiert, daß das Ausgangssignal mit dem Fehler
der Auswahl der Brückenwiderstände R1, R2 belastet Ist, und dieser Fehler kann im Laufe der Alterung der Schaltelementevergrößert werden.
In der Schaltungsanordnung nach Figur 1 leistet der zweite Operationsverstärker 2 ein Ausgangssignal am Ausgang 6 mit dem
I1 ♦ I2
-4- 271 B64
wobei ATkdle Abänderung des Stroms des Ausglelchwiderstands Rk und ΔΊΊ die Abänderung des Kurzschlußstromes der ersten
Photodiode D1 bedeutet, und wie erwähn», l( ist der Kurzschlußstrom der ersten Photodiode Dt unter Einwirkung des Lichtes der Lichtquelle S, sowie It ist der Kurzschlußstrom der zweiten Photodiode Di bei gleichen Bedingungen. Bei der Sicherung des ständigen Wertes der Summe Ii +1] Ist der Eingang des dritten Operationsverstärkers mit einem sehr
niedrigen Strompegel von Pikoamper Größenordnung gespeist, und em Ausgant treibt er durch den Leistungsverstärker 4 oderunmittelbar die optische Lichtquelle S an. Das Licht der optischen Lichtquelle S wird auf entsprechende Welse der ersten und derzweiten Photodiode D( und Di zugeführt. Zum Beispiel, wird zwischen der optischen Lichtquelle S und den Photodioden Di, Diein Sperrelement vorgesehen, welches bei einer zu messenden Verschiebung es sichert, daß die erste und die zweite
Photodiode Dt und Di veränderliche Mengen des Lichtes erhatten. In der Wirklichkeit treten Im Allgemeinen Schaltungsanordnungen vor, wobei das Verhältnis verändr .ehe Werte Im Bereich von
1 bis 2... 6 aufweist. Das resultiert im hohen Pegel des zu messenden Ausgangssignals, Im Gegen Ai zu den bekannten
Anordnungen, wobei die unterschiedlichen Stromwerte zu unterdrücken sind. Das ist auch ein w' .ntlges Merkmal der Erfindung,
wobei die zur Zelt als Fehlerfaktor betrachtete Bedingung zur Verwirklichung der Messung ve. wendet wird.
Die Verwendung des dritten Operationsverstärkers 3 sichert es, daß die optische Lichtquelle S, welche im Allgemeinen eine
lichtemittierende Diode Ist, Immer Licht mit Intensität ausstrahlt, welche der Abänderung der Parameter der am Empfangsseiteangeordneten zwei Photodioden D1, Dj folgt.
in einer praktischen Verwirklichung der Erfindung wurden integrierte Schaltungen CA 3130 (hergestellt von der Firma RCA) als
Operationsverstärker verwendet. Wenn es notwendig Ist, die In der Schaltungsanordnung verwendeten Widerstände können als Potentiometer ausgewählt
werden. Diese Maßnahme ist insbesondere bei der Auswahl von Paaren der Photodioden wichtig.
Wie erwähnt, sichert die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung die Ausgleichung des Einflusses der veränderlichen (unter Einfluß der Temperatur und der Alterung) Parameter der optischen Schaltelemente auf die Genauigkeit der Meßergebnisse.

Claims (10)

  1. -1- 271 B64 Patentansprüche:
    1. Schaltungsanordnung zur Durchführung von auf der Lichtintensität basierten Messungen, welche einen an einer Referenzspannungsquelle angeschlossenen Eingang, einen der gemessenen Lichtintensität entsprechende Ausgangssignale leistenden Ausgang, im Weg eines durch eine Lichtquelle erzeugten Lichtes angeordnet eine erste und eine zweite Photodiode sowie einen ersten und einen zweiten Operationsverstärker mit der ersten und der zweiten Photodiode verbunden enthält, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Eingang (6) und dem Ausgang (6) eine Brückenschaltung aus vier Zweigen bestehend vorgesehen ist, welche einem gemeinsamen Punkt eines dritten Operationsverstärkers (3) sowie eines dem Eingang (6) zugeschalteten Stromgeneratore zugeschlossen Ist, wobei die Brückenschaltung In zwei benachbarten Zweigen die erste und die zweite Photodiode (D1, D2) sowie In den zwei weiteren benachbarten Zweigen, gegenüber der ersten und der zweiten Photodiode (Di, Dj) einen ersten und einen zweiten Brückenwiderstand (Ri, Rj) beinhaltet und die erste und die zweite Photodiode (Di, Dj) miteinander über einen Kopplungspunkt und mit ihren gleichnamigen Polen verbunden sind, daß der Kopplungspunkt dem gemeinsamen Punkt und dadurch dem Stromgenerator zugeschaltet ist, weiter daß der dritte Operationsverstärker (3) mit seinem Ausgang der Lichtquelle (S) zugeführt ist, daß der erste Operationsverstärker (1) mit seinem Eingang mit der ersten Photodiode (Di), mit seinem Ausgang mit dem Verbindungspunkt des ersten und des zweiten Brückenwiderstands (Ri, Rs) gekoppelt Ist, der zweite Operationsverstärker (2) durch seinen Eingang mit der zweiten Photodiode (D2) und durch seinen Ausgang mit dem Ausgang (6) verbunden ist, und daß der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers (2) durch ein einen Ausgleichwiderstand (Rk) enthaltendes Rückkopplungsglied mit seinem Eingang rückgeschaltet ist.
  2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückkopplungsglied in einer Reihenschaltung mit dem Ausgleichwiderstand (Rk) den ersten Operationsverstärker (1) und den zweiten Brückenwiderstand (2) beinhaltet, der Widerstand des zweiten Brückenwiderstands (Rj) mit dem Widerstand des ersten Brückenwiderstands (Ri) gleich Ist und daß der Stromgenerator über den gemeinsamen Punkt zum Kopplungspunkt der ersten und zweiten Photodiode (Di, D2) über die erste Photodiode (Di) geschaltet ist.
  3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückkopplungsglied aus dem Ausgleichwiderstand (Rk) besteht und der Stromgenerator über den gemeinsamen Punkt unmittelbar mit dem Kopplungspunkt der ersten und zweiten Photodiode (Di, D2) verbunden ist.
  4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis R1ZR2 der Widerstandswerte des ersten und zweiten Brückenwiderstands (Ri, R2) mit dem Verhältnis I1ZI2 der im Qrundzustand gemessenen Kurzschlußiitröme der ersten und zweiten Photodiode (Di, D2) gleich ist.
  5. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis R4ZR2 der Widerstandswerte des ersten und zweiten Brückenwiderstands (Ri, R2) von dem Verhältnis liZI2 der im Grundzustand gemessenen Kurzschlußströme der ersten und zweiten Photodiode (D1, D2) unterschiedlich ist.
  6. 6. Schaltungsanordnung nach einem der Anjprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang des dritten Operationsverstärkers (3) ein Leistungsverstärker (4) eingefügt ist, dessen Ausgang mit dem Eingang der optischen Lichtquelle (S) verbunden ist.
  7. 7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als optische Lichtquelle (S) eine lichtemittierende Diode vorgesehen ist.
  8. 8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Stromgenerator ein Referenzwiderstand (R1) vorgesehen ist.
  9. 9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein der Brückenwiderstände (Ri, R2) und/oder der Ausgleichwiderstand (Rk) sowie und/oder der Referenzwiderstand (R,) als ein Potentiometer ausgebildet ist.
  10. 10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis RiZR2 des ersten und zweiten Widerstandswerte des ersten und zweiten Brückenwiderstands (R1, R2) in einem Bereich regelbar ist, welcher das Verhältnis I1ZI2 der den Grundzustand der ersten und zweiten Photodiode (D1, D2) charakterisierenden Kurzschlußströme beinhaltet.
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