DE19734087B4 - Evaluation circuit with phase determination for location-sensitive detectors - Google Patents
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Abstract
Schaltungsanordnung
zur Bildung der normierten Differenz eines ersten analogen Signals
(a) und eines zweiten analogen Signals (b)
– mit je einem Eingang (1,
2) für
das erste und zweite Signal (a, b),
– mit einem dem Eingang (2)
des zweiten Signals (b) nachgeschalteten 90°-Phasenschieber (3),
– mit einem
ersten Addierer (4, 24), der an dem Eingang (1) für das erste
Signal (a) und dem Ausgang des 90°-Phasenschiebers
(3) angeschlossen ist und der somit an seinem Ausgang das komplexe
Summensignal (a + jb) der beiden analogen Signale (a, b) bildet
mit einem Phasenwinkel (φ) gegenüber dem
ersten Signal (a), und
– mit
einer Schaltung (5, 25), die an den Ausgang des ersten Addierers
(4) angeschlossen ist und der eine Phasenreferenz zugeführt wird
und den Phasenwinkel (φ)
bestimmt.Circuit arrangement for forming the normalized difference of a first analog signal (a) and a second analog signal (b)
Each with an input (1, 2) for the first and second signal (a, b),
- With a the input (2) of the second signal (b) downstream 90 ° phase shifter (3),
- With a first adder (4, 24) connected to the input (1) for the first signal (a) and the output of the 90 ° phase shifter (3) and thus at its output the complex sum signal (a + jb) of the two analog signals (a, b) forms with a phase angle (φ) with respect to the first signal (a), and
- With a circuit (5, 25) which is connected to the output of the first adder (4) and to which a phase reference is supplied and determines the phase angle (φ).
Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Bildung der normierten Differenz zweier analoger Signale, ihre Verwendung als Auswerteschaltung eines ortsempfindlichen Detektors und ihre Anordnung in einer Zielsucheinrichtung.The The invention relates to a circuit arrangement for forming the normalized Difference between two analog signals, their use as evaluation circuit a location sensitive detector and its location in a target searcher.
In der optischen Meßtechnik werden zur Ortsauflösung häufig Differenz-Photodioden, Quadrantendioden sowie ein- und zwei-dimensionale "PSD"-Elemente verwendet. Bei Differenzdioden sind zwei lichtempfindliche, elektrisch getrennt angeschlossene Flächen mit einem Abstand von typisch einige 10 μm nebeneinander angeordnet. Bei einer fleckförmigen Beleuchtung kann aus den beiden elektrischen Signalen ermittelt werden, in welcher Hälfte sich der Fleck befindet. In der Mittenlage tritt abhängig von Fleckform und Diodeneigenschaften ein mehr oder weniger steiler Übergang auf. Die Quadrantendiode besteht aus vier Flächen, die nach geeigneter Zusammenfassung der Quadranten in analoger Weise die Flecklage je in einer Dimension anzeigt. Bei "PSD"-Elementen (Position Dependent Detector) verteilt sich der generierte Photostrom entsprechend der Fleckposition so auf die beiden Anschlüsse, daß auf der gesamten Sensorfläche direkt die Schwerpunktlage ermittelt werden kann.In the optical measuring technique become the spatial resolution often Difference photodiodes, quadrant diodes and one- and two-dimensional "PSD" elements used. In differential diodes are two photosensitive, electrically isolated connected surfaces with a distance of typically a few 10 microns arranged side by side. In a spot-shaped Lighting can be determined from the two electrical signals be in which half the spot is located. In the center position depends on Stain shape and diode properties a more or less steep transition on. The quadrant diode consists of four surfaces, which, after appropriate summary the quadrant in an analogous manner, the spot location each in one dimension displays. For "PSD" elements (position Dependent Detector), the generated photocurrent is distributed accordingly the spot position so on the two connectors that on the entire sensor surface directly the Center of gravity can be determined.
Zur
Ortsbestimmung in all diesen Fällen
wird eine Standardformel empfohlen, die nachfolgend am Beispiel
der Differenzdiode erläutert
wird. Die beiden sensiblen Flächen
seien mit A und B bezeichnet, die entsprechenden Signale (meist
als Ströme)
mit a, b. Die Position x ergibt sich dann zu
Die Normierung mit (a + b) ist in der Regel nötig, da die Fleckintensität häufig unbekannt oder variabel ist. Die Division ist mit elektronischen Bauelementen schwierig und bei großer Dynamik von (a + b) nicht vernünftig realisierbar. Wird als Lichtquelle moduliertes Licht verwendet (zur Störlichtunterdrückung), so muss vor Anwendung obiger Formel eine Gleichrichtung stattfinden, was weitere Fehler mit sich bringt.The Normalization with (a + b) is usually necessary because the spot intensity is often unknown or variable. The division is with electronic components difficult and big Dynamics of (a + b) not reasonable realizable. Is used as a light source modulated light (for Glare correction) so before applying the above formula a rectification must take place, which brings more errors.
Eine alternative Möglichkeit ist die Regelung der Lichtquelle so, dass (a + b) konstant bleibt. Dies setzt eine (u.U. in weiten Grenzen) regelbare Quelle voraus und verschenkt außerdem bei guten Lichtverhältnissen Energie und damit Signalqualität durch Zurückregeln auf den "worst case".A alternative possibility the regulation of the light source is such that (a + b) remains constant. This requires a (possibly within wide limits) controllable source and give away as well in good lighting conditions Energy and thus signal quality by restoring on the "worst case".
Schließlich kann die Konstanz von (a + b) durch einen zwei-kanaligen (in weiten Grenzen) regelbaren Verstärker erreicht werden. Hier können Gleichlauffehler und Verzerrungen Probleme bereiten.Finally, can the constancy of (a + b) by a two-channel (within wide limits) adjustable amplifier be achieved. Here can be synchronization errors and distortion issues.
Elektronische Bausteine, welche die Phasenlage zweier Signale weitgehend unabhängig von der Amplitude genau bestimmen können, sind aus der Kommunikationstechnik bekannt.electronic Blocks that the phase angle of two signals largely independent of the Can accurately determine the amplitude are known from communication technology.
Die
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltung anzugeben, die die Auswertung der Ortsinformation eines ortsempfindlichen Detektors bei hohem Dynamikbereich des am Detektor ankommenden Signals und damit der von diesem abgegebenen Signale ermöglicht. Dabei soll der Herstellungsaufwand gering bleiben und hohe Genauigkeit erzielt werden.task The invention is to provide a circuit that the evaluation the location information of a location-sensitive detector at high Dynamic range of the signal arriving at the detector and thus the allows signals emitted by this. This is the production cost remain low and high accuracy can be achieved.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß Anspruch 1. Dabei wird im wesentlichen der übliche Dividierer durch einen Phasendetektor ersetzt.Is solved this task according to claim 1. This is essentially the usual Dividers replaced by a phase detector.
Erforderlich
ist dabei eine Amplitudenmodulation des Lichtsignals, was aber regelmäßig ohnehin zur
Unterscheidung von Hintergrundlicht ratsam ist. Es wird von einer
mit der bekannten Frequenz f modulierten Lichtquelle ausgegangen.
Zwischen den beiden Signalen a, b wird nun eine Phasenverschiebung
von 90° erzeugt,
z.B. indem b in der Phasenlage um 90° gedreht wird. Dies ist mit
einer einfachen, linearen Schaltung möglich. Danach wird die Summe gebildet,
also
u = a + jb was ebenfalls mit einer linearen Schaltung (eventuell
rein passiv) möglich
ist. Der Phasenwinkel φ von
u (0° bis
90°) ist
nun ein Maß für die Flecklage
So u = a + jb which is also possible with a linear circuit (possibly purely passive). The phase angle φ of u (0 ° to 90 °) is now a measure of the stain position
Der Zusammenhang zwischen φ(u) und x ist zwar nur näherungsweise linear, aber falls nötig leicht korrigierbar, da exakt bekannt. Die Phasenmessung kann über einen sehr weiten Amplitudenbereich mit Bausteinen aus der Kommunikationstechnik (ZF-Verstärker + FM-Demodulator) realisiert werden. Diese Bausteine enthalten einen sehr hoch verstärkenden Begrenzerverstärker sowie einen Phasendetektor. Als Phasenreferenz kann das Modulationssignal der Quelle, eines der Signale a oder b, oder besser ihre Summe a + b dienen.Although the relationship between φ (u) and x is only approximately linear, it can be easily corrected if necessary because it is known exactly. The phase measurement can be realized over a very wide amplitude range with components from communication technology (IF amplifier + FM demodulator). These devices include a very high gain limiting amplifier and a phase detector. As a phase reference, the modulation signal of the source, one of the signals a or b, or better their Sum a + b serve.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche 2 und 3.advantageous embodiments are the subject of the dependent claims 2 and 3.
Die
vorteilhafte Ausführung
nach Anspruch 4 sieht vor, daß zwei
Hilfssignale gebildet werden: u = a + jb, v = a – jb und nun der Phasenwinkel φ zwischen
u und v gemessen wird:
Der nun verdoppelte Phasenhub (0° bis 180°) nutzt den Phasendetektor besser aus, der "mittlere Arbeitspunkt" (a = b) führt zu φ = 90°, dem mittleren Bereich des Phasendetektors. Falls – und das ist vorgesehen – u und v von gleichartigen Begrenzerverstärkern verstärkt werden, heben sich sowohl absolute, als auch amplitudenabhängige Laufzeitfehler auf. Da die erwähnten Kommunikationsbausteine typischerweise sehr breitbandig sind (> 10 MHz) können die Phasenverschiebungen bei z.B. einer Modulationsfrequenz f = 10 kHz ohnehin als klein angenommen werden. Wie leicht gezeigt werden kann, führt bei dem erweiterten Verfahren ein Fehler des absoluten Winkels zwischen a und jb (nominell 90°) nur zu Fehlern 2. Ordnung in φ und ist damit unkritisch.Of the now doubled phase stroke (0 ° to 180 °) uses the Phase detector better, the "middle Operating point "(a = b) leads to φ = 90 °, the middle Area of the phase detector. If - and that is provided - u and v amplified by similar Begrenzerverstärkern, both stand out absolute as well as amplitude dependent Runtime error. As mentioned Communication modules are typically very broadband (> 10 MHz), the Phase shifts at e.g. a modulation frequency f = 10 kHz anyway to be considered small. As can easily be shown leads the extended method is an error of the absolute angle between a and jb (nominally 90 °) only to 2nd order errors in φ and is so uncritical.
Die Verwendung einer solchen Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 5 ist besonders angezeigt.The Use of such a circuit arrangement according to claim 5 is particularly displayed.
Eine Anordnung der erfindungsgemäßen Schaltung ist gemäß Anspruch 6 in einer Zielsucheinrichtung, z.B. eines geodätischen Vermessungsinstruments, vorgesehen. Der dabei gegebenen hohen Dynamik der Signale, bedingt durch die extrem schwankende Lichtintensität, welche vom Ziel abhängig vom Zielabstand und anderem erfaßt und auf den Detektor remittiert wird, ist die erfindungsgemäße Schaltung besonders angepaßt.A Arrangement of the circuit according to the invention is according to claim 6 in a destination searcher, e.g. a geodetic survey instrument, intended. The given high dynamics of the signals, conditional by the extremely fluctuating light intensity, which depends on the target of the Target distance and other detected and remitted to the detector is the circuit according to the invention specially adapted.
Näher erläutert wird die Erfindung anhand der Zeichnungen.It will be explained in more detail the invention with reference to the drawings.
Das
nur als Block dargestellte geodätische Instrument
GI der
Ein
Lichtsender M sendet über
eine Sendeoptik LM ein mit der Frequenz f amplitudenmoduliertes Lichtbündel aus,
welches den Bereich des Ziels Z beleuchtet und von dem Ziel Z reflektiert
wird und über eine
Empfangsoptik LD dem ortsempfindlichen Detektor D zugeführt wird.
Der Lichtsender M wird durch eine Steuereinheit
- – Die Summe a + b ist der empfangenen Lichtintensität proportional.
- – Die Differenz a – b ist der Koordinate x des Auftrefforts des Lichts (Schwerpunkt der Intensitätsverteilung) proportional. Beide, a und b sind synchron mit der Frequenz f amplitudenmoduliert.
- The sum a + b is proportional to the received light intensity.
- - The difference a - b is proportional to the coordinate x of the place of incidence of the light (center of gravity of the intensity distribution). Both, a and b are amplitude modulated synchronously with the frequency f.
Die
Auswerteschaltung A zusammen mit dem Funktionsgenerator
Neu
ist die Auswerteschaltung A. An ihrem ersten Eingang
Kernstück ist der
Phasendetektor
Der
Funktionsgenerator
Eine
zweite Variante der Auswerteschaltung ist in
Der
Phasendetektor
Bei
einem Ausführungsbeispiel
nach
Man erhält erfindungsgemäß eine Auswerteschaltung, die weitgehend linear ist und welche eine sehr hohe, nur durch das Rauschen begrenzte, Dynamik aufweist. Die Genauigkeit ist fast ausschließlich von passiven Komponenten, teilweise nur von den Gleichlauffehlern dieser Bauteile, abhängig.you receives According to the invention, an evaluation circuit, which is largely linear and which is very high, only through the Noise limited, dynamic. The accuracy is almost exclusively of passive components, partly only from the synchronization errors of these Components, depending.
Die benötigten elektronischen Bausteine sind preisgünstig verfügbar. Eine Pegelmessung ist einfach möglich, wie auch eine Digitalisierung durch Auszählen der Phasenlage.The required Electronic components are available at low cost. A level measurement is easy possible, as well as a digitization by counting the phase position.
Claims (8)
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Publications (2)
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---|---|
DE19734087A1 DE19734087A1 (en) | 1998-02-26 |
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Citations (1)
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DE2842279A1 (en) * | 1978-09-28 | 1980-04-17 | Siemens Ag | Phase relation between two pulse signals measuring device - has two gates to which two pulses are applied, one of which is applied again with delay |
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1997
- 1997-08-07 DE DE19734087A patent/DE19734087B4/en not_active Expired - Fee Related
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DE19734087A1 (en) | 1998-02-26 |
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