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Die Erfindung betrifft einen Empfänger für einen optischen Entfernungsmesser sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Der gattungsmäßige Empfänger für optische Entfernungsmesser betrifft im Wesentlichen Systeme, die einen Objektabstand nicht direkt aus einer gemessenen Lichtlaufzeit, sondern aus der Phasenverschiebung des emittierten und empfangenen Licht gewinnen. Solche Systeme sind bereits aus der
EP 1 777 747 oder der
DE 197 04 496 bekannt. In diesen Systemen wird das ausgesendete intensitätsmodulierte und vom Objekt reflektierte Licht direkt in einem Fotomischdetektor bzw. PMD-Sensor mit dem Sendemodulationssignal gemischt. Das resultierende Mischsignal ist ein Maß für Phasenverschiebung und einem dementsprechenden Objektabstand. Solche Systeme werden beispielsweise von der Anmelderin als Entfernungsmessgerät O1D angeboten.
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Aufgabe der Erfindung ist es, den elektrischen Aufbau eines solchen Systems zu vereinfachen.
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Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch den erfindungsgemäßen Empfängers nach Gattung des unabhängigen Anspruchs gelöst.
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Vorteilhaft ist ein Empfänger für einen optischen Entfernungsmesser vorgesehen mit einer Fotodiode zur Erfassung eines von einer Beleuchtung ausgesendeten modulierten Lichts und mit einem Synchronumschalter, der zur Umschaltung einen ersten und zweiten Diodenring aufweist, jeweils bestehend aus vier gleichsinnig zu einem Ring verschalteten Dioden, wobei zwischen den Dioden jeweils ein Anschluss vorgesehen ist, und die Diodenringe jeweils mit ihren ersten und dritten Anschlüssen gegensinnig mit einem Gleichtakt- und einem Gegentaktausgang bzw. -potential eines Gegentakttreibers und mit ihren zweiten Anschlüssen gemeinsam mit der Fotodiode verbunden sind, und die vierten Anschlüssen jeweils einen ersten und zweiten Signalausgang bilden.
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Der Aufbau des Synchronumschalters mit Diodenringen hat gegenüber einen üblichen Multiplexer-Aufbau den Vorteil, dass die Dioden einen deutlich geringeren differenzielle Widerstand aufweisen und sich somit der Spannungshub an der Fotodiode sehr gering halten lässt.
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Im Weiteren ist der Synchronumschalter derart ausgestaltet ist, dass der Synchronumschalter im Takt des anliegenden Modulationssignals zwischen den ersten und zweiten Signalausgang umschaltet und beide Signalausgänge mit einer Strommessschaltung verbunden sind, und dass an den beiden Ausgängen des Synchronumschalters jeweils ein phasengewichtetes Signal anliegt.
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Bevorzugt weisen die beiden Signalausgänge jeweils einen Glättungskondensator auf, so dass das phasengewichtete Fotostromsignal als geglättetes bzw. gemitteltes Signal abgegriffen werden kann.
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Besonders vorteilhaft ist die Strommessschaltung derart ausgestaltet, dass durch Vorhalten eines Entladestroms die über den Glättungskondensator abfallende Spannung konstant gehalten wird, und eine Regelgröße über die der Entladestrom eingestellt wird, als Ausgangssignal abgreifbar ist. Durch dieses Vorgehen wird insbesondere auch das auf die Fotodiode über den Synchronumschalter rückwirkende Potential gering gehalten und zudem ein wechselnder Spannungshub an der Fotodiode vermieden, so dass im Ergebnis kein Wechselstrom über eine parasitäre Kapazität der Fotodiode fließen kann und die parasitäre Kapazität als elektrische Größe im Wesentlichen vernachlässigt werden kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist die Strommessschaltung derart ausgestaltet ist, dass am Ausgang der Strommessschaltung ein Differenz- und ein Summensignal abgreifbar sind. Durch dieses Vorgehen können durch nachfolgende Auswerteeinheiten die Entfernungswerte vereinfacht berechnet werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Gegentakttreiber als Impulstransformator oder als EXOR-Gatter-Anordnung ausgebildet. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass alle notwendigen Signale innerhalb des Synchronumschalters erzeugt werden können, ohne dass weitere zusätzliche Signaleingänge notwendig sind.
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Ferner ist es von Vorteil beim Synchronumschalter einen ersten und zweiten Zwischenspeicher vorzusehen, der derart ausgestaltet ist, dass im Gleichtakt der erste Zwischenspeicher mit der Fotodiode und der zweite Zwischenspeicher mit dem zweiten Ausgang und im Gegentakt der erste Zwischenspeicher mit dem ersten Ausgang und der zweite Zwischenspeicher mit der Fotodiode verbunden ist. Durch dieses Zwischenspeichern wird beispielsweise vermieden, dass die Fotodiode direkt mit der Strommessschaltung verbunden wird. Dieses Vorgehen ermöglicht so eine freiere Gestaltung der Strommessschaltung, da die Rückwirkung auf die Fotodiode zu vernachlässigen ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen schematisch:
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1 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Empfangsschaltung,
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2 relevante Signalverläufe,
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3 eine Empfangsschaltung mit Diodenring,
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4 ein Prinzipdarstellung der Funktionsweise der Schaltung gemäß 3,
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5 eine Schaltung mit zwei Synchronumschaltern,
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6 eine Prinzipdarstellung der Schaltung gemäß 5.
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Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
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1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines optischen Entfernungsmessers mit einer Beleuchtung 10 und einem Empfänger 20 umfassend eine Fotodiode 22, einen Modulator 30, einen Synchronumschalter 28 und eine Strommessschaltung 29. Insbesondere bei einem modulartigen Aufbau der Beleuchtung 10 und des Empfängers 20 können der Modulator 30, der Synchronumschalter 28 und die Strommessschaltung 29 teilweise oder auch vollständig der Beleuchtung 10 bzw. einem entsprechenden Beleuchtungsmodul zugeordnet sein.
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Die Beleuchtung 10 strahlt im Takte der Modulationsfrequenz M(p1) des Modulators 30 ein intensitätsmoduliertes Licht ab. Das vom Objekt 40 reflektiert Licht wird entsprechend der Lichtlaufzeit phasenverschoben vom Fotosensor bzw. der Fotodiode 22 empfangen. Die Fotodiode 22 ist anodenseitig negativ vorgespannt und generiert in Abhängigkeit des erfassten intensitätsmodulierten Lichtsignals einen modulierten negativen Fotostrom Ip, der entsprechend des Modulationstakts M(p1) auf einen ersten oder zweiten Ausgang des Synchronumschalter geführt wird. Zur Glättung des modulierten Fotostroms Ip weisen die beiden Ausgänge jeweils einen Glättungskondensator auf, so dass die nachfolgende Strommessschaltung 29 im Wesentlichen einen phasengewichteten bzw. auf einem a- und b-Kanal aufgeteilten, mittleren Gleichstrom Imean-a, Imean-b des ursprünglich modulierten Fotostroms Ip erfasst. Der für jeden Eingang bzw. Kanal gemessene Strom Imean-a, Imean-b wird als elektrisches Signal a, b, vorzugsweise als Spannungssignal ausgegeben. Die Differenz der beiden a und b-Signale bzw. Kanäle stellt ein Maß für die Phasenverschiebung des Lichtsignals dar. Das Summensignal der beiden a-, b-Kanäle kann für weitere Überprüfungen und / oder Berechnungen herangezogen werden.
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Grundsätzlich kann der Synchronumschalter im weitesten Sinne auch als Synchrongleichrichter oder auch als Mischer bzw. Schaltmischer aufgefasst werden, der das an beiden Eingängen anliegende HF-Signal, nämlich Modulations- und Fotostromsignal M(p1), Ip, auf ein NF-Signal mischt.
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2 zeigt schematisch einige für die Phasenmessung relevante Signalverläufe. Die obere Kurve zeigt das Modulationssignal M(p1) mit der die Beleuchtung 10 und der Synchronumschalter 28 getaktet werden. Bedingt durch den Objektabstand erzeugt das rückreflektierte modulierte Licht an der Fotodiode 22 einen um die Lichtlaufzeit tL phasenverschobenen Fotostrom Ip, der im Takte des Modulationssignals M(p1) auf den ersten und zweiten Ausgang bzw. a- und b-Kanal aufgeteilt wird. Der aufgeteilte Strom Ip-a, Ip-b weist unterschiedliche Pulslängen auf und wird über die Glättungskondensatoren auf einen mittleren Gleichstrom Imean-a, Imean-b geglättet. Der ermittelte Strom und insbesondere die Differenz der Gleichströme Imean-a, Imean-b ist ein Maß für die Phasenverschiebung des Lichts und dementsprechend dem Objektabstand.
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Gelangt das abgestrahlte Licht beispielsweise ohne Phasenverzögerung auf den Fotosensor 22, laufen sowohl der Fotostrom IP als auch der Synchronumschalter 28 im Gleichtakt, sodass in der ersten Halbperiode der Fotostrom Ip vollständig im a-Kanal erfasst wird. Mit zunehmendem Objektabstand und entsprechend längeren Lichtlaufzeiten nimmt der Fotostromanteil Ip-b im b-Kanal zu.
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In den weiteren Ausführungsbeispielen sind besonders vorteilhafte Varianten für die Ausgestaltung des Synchronumschalters 28 und der Strommessung 29 gezeigt.
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3 zeigt eine Empfangsschaltung mit einem Synchronumschalter 28 basierend auf zwei Diodenringen 281, 282. Die Fotodiode 22 ist, in üblicher Weise mit einem negativen Gegenpotenzial –UV vorgespannt und ist kathodenseitig mit einem ersten und zweiten Diodenring 281, 282 verbunden.
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Die beiden Diodenringe 281, 282 bestehen jeweils aus vier Dioden D1, ...D4, die gleichsinnig, seriell zu einem Ring verschaltet sind. Zwischen den Dioden sind Abgriffe bzw. Anschlüsse A1, ...A4 vorgesehen, mit einem ersten Anschluss A1 zwischen der ersten und vierten Diode D1, D4, einen zweiten Anschluss A2 zwischen der zweiten und ersten Diode D2, D1 und dementsprechend weitere dritte und vierte Anschlüsse A3, A4.
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Das vom Modulator 30 eingehende Taktsignal liegt an einem Gegentakttreiber 285 an. Der Gegentakttreiber 285 besteht aus zwei EXOR-Gliedern, die so verschaltet sind, dass an einem EXOR-Ausgang der Takt des Modulators 30 als Gegentakt und am anderen EXOR-Ausgang der Takt als Gleichtakt abgreifbar ist. Alternativ kann der Gegentaktreiber 285 auch als Transformator, insbesondere als Impulstransformator ausgebildet sein und zwar derart, dass an den Ausgängen des Transformators auch eine Gegentakt- und Gleichtaktpotential abgreifbar ist.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Diodenringe 281, 282 mit den Ausgängen der EXOR-Glieder gegenphasig verbunden. Im dargestellten Beispiel liegt somit der Gegentakt am ersten Anschluss des ersten Diodenrings 281 und am dritten Anschluss des zweiten Diodenrings 282 an, während der Gleichtakt am dritten Anschluss des ersten Diodenrings 281 und am ersten Anschluss des zweiten Diodenrings 282 anliegt. Die Anschlüsse sind jeweils über einen in Serie geschalteten Kondensator Cs1 und Widerstand mit den Ausgängen der EXOR-Glieder verbunden.
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Die Zwischenspeicherkondensatoren Cs11, Cs12 dienen zum einen als galvanische Trennung als auch als Zwischenspeicher für den erfassten Fotostrom Ip.
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Liegt beispielsweise am ersten Diodenring 281 über den ersten und dritten Anschluss A1, A3 ein positives Potenzial an, fließt der Strom über die erste und zweite Diode D1, D2 während die beiden übrigen Dioden D3, D4 gesperrt sind. Bei diesem Potenzial fließt der komplette Strom der EXOR-Glieder über die beiden Dioden D1, D2 wieder an das EXOR-Glied zurück, ohne den Diodenring weiter zu belasten.
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Der nun am zweiten Anschluss A2 des Diodenrings 281 anliegende Fotostrom IP wird über die beiden durchgeschalteten ersten und zweiten Dioden D1, D2 auf die beiden Zwischenspeicherkondensatoren Cs11 verteilt. Während der nächsten Halbperiode sind die erste und zweite Diode D1, D2 gesperrt und die dritte und vierte Diode D3, D4 in Durchlassrichtung, sodass die in den Zwischenspeicherkondensatoren Cs11 gespeicherte Ladung nun über die beiden Dioden D3, D4 über einen Integrations- bzw. Glättungskondensator Cs21 an die Strommessschaltung 29 abfließen und dort als Strom erfasst werden kann. Die Strommessschaltung erhält somit den phasengewichteten Fotogleichsttrom Imean-a, Imean-b eine Halbperiode T/2 später.
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Der zweite Diodenring 282 arbeitet in analoger Weise im Gegentakt.
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An der Kathode der Fotodiode 22 liegt somit nicht das Potential der Glättungskondensatoren Cs21, Cs22, sondern das Potential der Zwischenspeicherkondensatoren Cs1 an.
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Jeder Ausgang der beiden Diodenbrücken weist ein Glättungskondensator Cs auf, so dass über die nachfolgende Strommessschaltung 29 ein mittlerer phasengewichteter Gleichstrom Imean-a, Imean-b abgegriffen werden kann.
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Die Strommessschaltung 29 ist so aufgebaut, dass der phasengewichtete Gleichstrom Imean-a, Imean-b vorzugsweise als Spannungssignal Ua, Ub abgegriffen werden kann. Die Strommessschaltung 29 weist für den a- und b-Kanal einen ersten und zweiten Operationsverstärker OP1, OP2 auf, dessen invertierende Eingänge jeweils mit einem entsprechenden Ausgang des Synchronumschalters 28 und die nicht invertierenden Eingänge mit Massepotential GND verbunden sind.
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Am Ausgang der Operationsverstärker OP1, OP2 steht ein Spannungssignal U(a), U(b) an, dass dem phasengewichteten Gleichstrom Imean-a, Imean-b. des jeweiligen Kanals entspricht.
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Der Ausgang des jeweiligen Operationsverstärkers OP1, OP2 ist über Widerstände mit dem invertierenden Eingang verbunden und stellt soviel Spannung bzw. Strom zur Verfügung, dass die Spannungsdifferenz am OP-Eingang und somit auch am Glättungskondensator Cs zu Null wird. Aufgrund der durchgeschalteten Dioden liegt dieses Potential auch an der Kathode der Fotodiode 22 an.
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Zur weiteren Auswertung der a- und b-Kanäle sind die beiden Ausgänge der beiden Eingangs-Operationsverstärker OP1, OP2 auf die Eingänge eines dritten Operationsverstärkers OP3 geführt an dessen Ausgang ein Differenzsignal a – b der beiden a-, b-Kanäle abgegriffen werden kann. Das Summensignal a + b wird durch Zusammenführen der beiden Ausgänge des ersten und zweiten Operationsverstärkers OP1, OP2 bereitgestellt.
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Zur Dynamikerweiterung ist es möglich die rückgekoppelten Signale der Eingangs-Operationsverstärker OP1, OP2 über einen schaltbaren Spannungsteiler zu führen. Der Spannungsteiler kann beispielsweise über einen NPN-Schalttransistor T1, T2 auf Masse GND geschaltet werden, so dass im Ergebnis der Eingangs-Operationsverstärker OP1, OP2 am Ausgang ein höheres Signal zur Strom- bzw. Spannungskompensation ausgeben muss.
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Grundsätzlich können die erfindungsgemäßen Schaltungen als ein von HF auf NF mischender Empfänger aufgefasst werden. Eine anodenseitig negativ vorgespannte Fotodiode liefert einen negativen Fotostrom Ip, der durch den Synchronumschalter 28 im Takt der Modulation auf die zwei Glättungskondensatoren Cs2 aufgeteilt wird.
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Diese zwei Glättungskondensatoren Cs2 werden mit der Strommessschaltung 29 mit positivem Strom ständig bei 0 V gehalten.
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Die Differenz der Ströme des a- und b-Kanals liefert die zur Entfernungsbestimmung notwendige Phaseninformation. Die Summe liefert Information über das an der Fotodiode 22 gesamt angekommene Licht von allen Lichtquellen. Die Strommessschaltungen 29 wandeln den gemessenen Strom in Spannungen um.
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Der Umsetzungsfaktor dieser I/U-Wandlung ist zur Vergrößerung des Dynamik-Bereichs mit NPN-Transistoren T1, T2 mit Schaltsignalen beispielsweise von einem Mikroprozessor µC umschaltbar oder mittels PWM-Signalen über einen Tiefpass sogar stufenlos steuerbar.
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Die Diodenringe 281, 282 arbeiten zeitversetzt 2-stufig. Während der eine Diodenring den Fotostrom Ip zu den Zwischenspeicher-Kondensatoren Cs1 leitet, leitet der andere Diodenring die Ladung von den Zwischenspeicherkondensatoren Cs1 links zu den Glättungskondensator Cs2.
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Da diese Steuerung in den Diodenringen immer nur zwei Dioden links oder rechts mit Strom leitend macht, arbeitet jeder dieser Diodenringe intern auch als Umschalter.
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Die galvanische Trennung zwischen den EXOR-Gattern und den Diodenringen erfolgt über die Zwischenspeicher-Kondensatoren Cs1, verhindert, dass der Fotostrom in die EXOR-Gatter-Ausgänge fließt.
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Die seriellen Widerstände R31, R32 dienen der Bestimmung der Stromstärke des Steuerstroms. Mit ihm soll bei den Schaltdioden ein kleiner differentieller Widerstand (Ron) erreicht werden, dabei sollen die EXOR-Gatter-Ausgänge nicht überlastet werden.
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Das obere EXOR-Gatter dient als Inverter und das untere nur als Durchgang mit gleicher Durchlaufzeit und somit gleicher Verzögerung.
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Mit einem Referenz-Takt fremd gesteuerte kapazitivarme µ-Wellen-Schaltdioden erreichen um Zehnerpotenzen höhere Arbeitsfrequenzen als analoge Multiplexer und das mit besseren Eigenschaften. Der Widerstand (Ron) der Diodenringe 281, 282 ist wegen dem sehr kleinen differentiellen Widerstand kleiner, als bei analogen Multiplexern.
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Die Strommessschaltung erzeugt mit ihrer Gegenkopplung eine virtuelle Masse an ihrem Eingang, die den Glättungs-Kondensator Cs2 ständig entlädt und bei 0 V hält.
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Diese Niederohmigkeit überträgt sich über die Diodenringe bis an die Kathode der Fotodiode 22 und unterdrückt an ihr jeden kleinsten Spannungs-Hub bzw. jede Wechselspannung Uac. Ohne anliegende Wechselspannung Uac fließt durch die parasitäre Kapazität Cp der Fotodiode 22 kein Strom; so wird die parasitäre Kapazität Cp der Fotodiode virtuell beseitigt.
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Die negative Vorspannung zusammen mit der virtuellen Beseitigung der parasitären Kapazität Cp macht die Fotodiode 22 schnell und erhöht die Grenzfrequenz der Schaltung.
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Die negative Vorspannung reduziert die parasitäre Kapazität Cp von der Fotodiode 22 ähnlich wie bei Varicap-Dioden. Die negative Vorspannung für die Fotodiode 22 wird vorzugsweise mit einem einfachen Drossel-Aufwärts-Wandler erzeugt.
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4 zeigt schematisch das Grundprinzip der Schaltung gemäß 3. Die Diodenringe 281, 282 sind in ihrem Wirkprinzip nach durch Wechselschalter 281', 282' ersetzt. Während der eine Wechselschalter 281' den Fotostrom Ip auf die Zwischenspeicherkondensatoren Cs1 leitet, werden die Zwischenspeicherkondensatoren Cs1 über den zweiten Wechselschalter 283' auf den Glättungskondensator Cs2 und die Strommessschaltung 29 geschaltet.
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Die 5 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Schaltung als Quadratur-Mischer. Die Schaltung des Synchronumschalters gemäß 3 ist hier sowohl auf der Anoden- als auch auf der Kathodenseite der Fotodiode 22 realisiert. Diese Anordnung führt zwei Messungen zur gleichen Zeit aus, nämlich eine mit 0° Referenz-Takt und eine mit 90° Referenz-Takt. Der 0° Referenz-Takt entspricht der Phasenlage des Modulationssignals und der 90° Referenz-Takt einem zu diesem um 90° verschobenen Phasenlage, so dass insgesamt vier Phasenmessungen vorliegen nämlich 0° = a-Kanal, 180° = b-Kanal, und dementsprechend 90° = c-Kanal und 270° = d-Kanal.
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In bekannter Weise kann die Genauigkeit der Entfernungswerte über diese IQ-Messung verbessert werden, nämlich beispielsweise mit Phasenverschiebung phi = arctan(c – d)/(a – b).
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Prinzipiell ist es möglich diese Messungen auch seriell durchzuführen. Die gleichzeitige Messung hat jedoch den Vorteil, dass bei schnellen Entfernungsänderungen zwischen Objekt und Empfänger, die 90°-Messwerte zeitlich besser zu den 0°-Messwerten passen und die Entfernungsmessung somit zuverlässigere Werte liefert. So ist es möglich, an einer einzigen Fotodiode 22 an ihren beiden Anschlüssen mit zwei gleichen Schaltungen aber mit unterschiedlichem Referenz-Takt bzw. Taktphase zu messen.
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Das Messprinzip ist in 6 vereinfacht dargestellt. Die Betriebsspannung der Fotodiode 22 kommt zur Hälfte +/–Ub/2 jeweils von einem Amperemeter bzw. einer Strommessschaltung. Sie ist beispielsweise als Sollwert an den nicht invertierenden OPV-Eingängen (+IN) vorgegeben.
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Der dargestellte Empfänger 20 kann vorteilhaft auch zur Überwachung einer Beleuchtung einer Lichtlaufzeitkamera herangezogen werden. Lichtlaufzeitkameras, insbesondere Kameras, die nach dem PMD-Prinzip arbeiteten, senden zur Entfernungsmessung intensitätsmoduliertes Licht aus. Mit Hilfe des dargestellten Empfängers kann dieses Licht beispielsweise direkt am Sender bzw. der PMD-Beleuchtung abgegriffen werden und ausgewertet werden.
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Dieses Vorgehen hat gegenüber einer üblichen Monitordiode den Vorteil, dass nicht nur das Vorhandsein einer Strahlung erfasst wird, sondern insbesondere auch die Phasenlage des emittierten modulierten Lichts und ermöglicht so, eine umfangreiche Funktionsüberprüfung der Beleuchtung, des Signalpfads und/oder der Entfernungsberechnung.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Beleuchtung
- 22
- Fotosensor
- 28
- Synchronumschalter
- 281
- erster Diodenring
- 282
- zweiter Diodenring
- 283
- erste Diodenbrücke
- 284
- zweite Diodenbrücke
- 285
- Gegentakttreiber
- 288
- Impulstrafo
- 30
- Modulator
- 40
- Objekt
- M(p1)
- Modulationssignal
- Ip
- Fotostrom
- Ip-a
- Fotostrom Kanal a
- Ip-b
- Fotostrom Kanal b
- Imean-a
- mittlerer Gleichstrom Kanal a
- Imean-b
- mittlerer Gleichstrom Kanal b
- T1, T2
- erster, zweiter Transistor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1777747 [0002]
- DE 19704496 [0002]
