DE19821865A1 - Empfängerschaltung für ein optisches Signal sowie Einrichtung zur Datenübertragung mit einer derartigen Empfängerschaltung - Google Patents
Empfängerschaltung für ein optisches Signal sowie Einrichtung zur Datenübertragung mit einer derartigen EmpfängerschaltungInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Empfängerschaltung für ein optisches Signal, insbesondere ein Infrarotsignal, mit einer Fotodiode (D), welche in Sperrichtung betrieben wird und in Abhängigkeit des optischen Signals einen Fotostrom (I¶f¶) abgibt, mit Mitteln (R1, C1) zum Auskoppeln eines Wechselanteils (I¶ac2¶) des Fotostroms, so daß im wesentlichen der Wechselanteil einem Strom-/Spannungswandler (OP, R2) zugeführt wird, der den Fotostrom in ein entsprechendes Spannungssignal (U¶a¶) umsetzt. DOLLAR A Die Erfindung wird angewandt in der drahtlosen Kommunikation.
Description
Die Erfindung betrifft eine Empfängerschaltung für ein opti
sches Signal, insbesondere ein Infrarotsignal, nach dem Ober
begriff des Anspruchs 1 sowie eine Einrichtung zur Daten
übertragung in einem Feldbus mit einer derartigen Empfänger
schaltung.
Aus der Applikationsschrift "High Speed Amplifier Solutions"
der Linear Technology Corporation, 1996, Seite 31, ist eine
Empfängerschaltung für ein optisches Signal mit einer Foto
diode, auf welche Infrarotlicht als optisches Signal fällt,
bekannt. Die Anode der Fotodiode ist mit einer negativen
Versorgungsspannung -15 V, die Kathode mit dem negativen
Eingang eines Operationsverstärkers verbunden. Der Ausgang
des Operationsverstärkers ist über einen Widerstand ebenfalls
auf den negativen Eingang geführt. Der positive Eingang des
Operationsverstärkers ist an Masse als Bezugsspannung an
geschlossen. Damit befindet sich im Betrieb der Schaltung
auch der negative Eingang des Operationsverstärkers virtuell
auf Masse und die Fotodiode wird in Sperrichtung betrieben.
In Abhängigkeit der Intensität des optischen Signals fließt
über die Fotodiode ein Fotostrom. Durch seine Beschaltung
wirkt der Operationsverstärker als Strom-/Spannungswandler
und setzt den Fotostrom in ein entsprechendes Spannungssignal
um.
Bei einer Informationsübertragung mit Infrarotlicht, ins
besondere im freien Raum und ohne einen besonderen Licht
leiter, wirken sich der Gleichlichtanteil des Tageslichts und
vor allem dessen hohe Infrarotanteile störend aus, die durch
Wärmestrahlung, beispielsweise der Sonne oder von Infrarot
heizungsanlagen, hervorgerufen werden. Die Intensität des
durch diese Infrarotstrahler abgegebenen Lichts kann erheb
lich über der Intensität des Nutzsignals liegen. Die bekannte
Empfängerschaltung hat den Nachteil, daß der Gleichanteil des
optischen Signals im selben Maß verstärkt wird wie ein
Wechselanteil, der insbesondere bei der digitalen Daten
übertragung das eigentliche Nutzsignal enthält. Bei einem
hohen Störlichtanteil führt dies zur Übersteuerung des Ope
rationsverstärkers und somit zu Übertragungsstörungen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Emp
fängerschaltung für ein optisches Signal, insbesondere ein
Infrarotsignal, sowie bei einer Einrichtung zur Daten
übertragung in einem Feldbus mit einer derartigen Emp
fängerschaltung den Signal-Stör-Abstand zu verbessern.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist die neue Empfängerschaltung
der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des
Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. In den Ansprüchen 2
bis 8 sind vorteilhafte Weiterbildungen der Empfängerschal
tung, in Anspruch 9 eine Einrichtung zur Datenübertragung in
einem Feldbus mit einer derartigen Empfängerschaltung be
schrieben.
Die Erfindung hat den Vorteil, daß bereits vor dem
Strom-/Spannungswandler der Wechselanteil des Fotostroms
ausgekoppelt wird. Somit werden Gleichanteile vom
Strom-/Spannungswandler, der auch als Transimpedanzverstärker
bezeichnet wird, ferngehalten und eine Übersteuerung durch
Gleichanteile des optischen Signals vermieden. Die Verstär
kung des Strom-/Spannungswandlers kann daher besser an den
Nutzsignalpegel angepaßt werden und es wird ein erheblich
besserer Signal-Stör-Abstand erreicht.
Eine Trennung von Gleichstrom- und Wechselstromanteil des
Fotostroms kann in vorteilhafter Weise mit besonders ein
fachen Mitteln erfolgen, indem ein Anschluß der Fotodiode mit
einem ersten ohmschen Widerstand zur Ableitung des Gleich
stromanteils und zur Aufrechterhaltung der Diodenvorspannung
sowie mit einem ersten Kondensator zur Auskopplung des
Wechselstromanteils verbunden wird. Dabei wird eine gute
Filterwirkung erreicht, wenn der Wechselstromwiderstand des
ersten Kondensators im Frequenzbereich des Nutzsignals klein
gegenüber dem ohmschen Widerstand des ersten Widerstandes
ist. Wenn die Grenzfrequenz eines damit gebildeten RC-Gliedes
höchstens ein Zehntel der Frequenz des Nutzsignals beträgt,
ist diese Bedingung bereits weitgehend erfüllt und Gleich
anteile sowie Störsignale niederer Frequenz werden mit Vor
teil nahezu vollständig vom Strom-/Spannungswandler fern
gehalten und können daher keine Aussteuerprobleme verur
sachen.
Eine besonders einfache Schaltung eines Strom-/Spannungswand
lers ist der sogenannte Transimpedanzverstärker, der sich
durch eine breitbandige Wandlung auszeichnet und eine hohe
Impedanz ermöglicht. Der zu wandelnde Strom wird auf den
negativen Eingang eines Operationsverstärkers geführt, dessen
Ausgang über einen Widerstand auf den negativen Eingang
zurückgekoppelt ist. Der positive Eingang ist auf Bezugs
potential gelegt. Alternativ ist auch eine Beschaltung mit
jeweils umgekehrter Polarität möglich.
Um Störungen der Versorgungsspannung von der Fotodiode fern
zuhalten, kann die Versorgungsspannung durch einen Stütz
kondensator stabilisiert werden. Zudem kann ein Serien
widerstand zwischen Fotodiode und Versorgungsspannung ge
schaltet werden, der zusammen mit dem Kondensator als Filter
wirkt und störende Einflüsse der Versorgungsspannung von der
Fotodiode fernhält.
Der Serienwiderstand kann gleichzeitig als Shunt zur Strom
messung dienen. Eine Überwachungsschaltung mißt dazu den
Spannungsabfall am Serienwiderstand und gibt ein Meldesignal
ab für den Fall, daß der Spannungsabfall einen vorgebbaren
Schwellwert überschreitet. Der Spannungsabfall liefert in
vorteilhafter Weise ein Maß für den störenden Gleichstrom
anteil im Fotostrom. Durch die Überwachungsschaltung ist eine
unzulässige Bestrahlung der Fotodiode mit Fremdlicht fest
stellbar. Ein Wechselanteil des Spannungsabfalls wird durch
die Kombination des Serienwiderstands mit dem Stützkonden
sator ausgefiltert und verfälscht daher das Meßergebnis kaum.
Insbesondere als Bestandteil einer Einrichtung zur Daten
übertragung in einem Feldbus ermöglicht die Empfängerschal
tung eine schnelle Infrarotdatenübertragung. Der Empfänger
schaltung ist dann ein Demodulator nachgeschaltet, der aus
dem Ausgangssignal der Empfängerschaltung ein digitales Emp
fangssignal erzeugt. Durch die neue Empfängerschaltung werden
die Anwendungsmöglichkeiten von Feldbus sen, insbesondere für
mobile oder temporär anzuschließende Teilnehmer, erweitert.
Die Datenübertragung erfolgt drahtlos. Aufwendige und war
tungsintensive Schleifleitungen können entfallen. Mit Vorteil
kann Infrarotlicht zur Datenübertragung im freien Raum
genutzt werden, da diese Signalart unempfindlich gegen
elektromagnetische Felder ist. Die Übertragungseinrichtung
kann sowohl verschiedene Bussegmente miteinander verbinden
als auch zum Anschluß eines Teilnehmers an einen Feldbus
dienen. Für eine bidirektionale Datenübertragung wird für
jede Übertragungsrichtung ein Sender und eine Empfänger
schaltung vorgesehen. Insbesondere durch die hohe Bandbreite
und Empfindlichkeit der Empfängerschaltung wird eine Daten
rate in der Größenordnung von 1,5 MBit/s und eine Reichweite
von 15 m ermöglicht. Durch die Überwachungsschaltung kann
eine Unterbrechung der Übertragung erkannt und über eine LED
und/oder einen Meldekontakt angezeigt werden. In einem Feld
bus ist zudem eine Kommunikation eines Sendeteilnehmers mit
gleichzeitig mehreren empfangenden Teilnehmern möglich.
Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung dargestellt ist, werden im folgenden die Erfindung
sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Empfängerschaltung,
Fig. 2 eine Einrichtung zur drahtlosen Datenübertragung an
einem Feldbus und
Fig. 3 eine Aufbaumöglichkeit eines Feldbusses mit Einrich
tungen nach Fig. 2.
Eine für eine Fotodiode D relevante Lichtleistung Φ setzt
sich gemäß Fig. 1 aus einem Nutzsignal Φac und einem stören
den Fremdlicht Φdc zusammen. Entsprechend der unterschied
lichen Ursache wird auch ein Fotostrom If in einen Wechsel
anteil Iac bzw. einen Gleichanteil Idc unterteilt. Mit einer
Steilheit S der Fotodiode D, die definiert ist als der Quo
tient aus dem Fotostrom If und der einfallenden Lichtleistung
Φ, ergibt sich der folgende Fotostrom If:
If = Iac + Idc = S.(Φac + Φdc).
Der Gleichstromanteil Idc und ein Teil Iac1 des Wechselstrom
anteils Iac wird über einen ersten Widerstand R1 abgeleitet.
Ein anderer Teil Iac2 des Wechselstromanteils Iac wird mit
einem ersten Kondensator C1 ausgekoppelt und auf den negati
ven Eingang eines Operationsverstärkers OP geführt, dessen
Ausgang über einen zweiten Widerstand R2 auf den negativen
Eingang zurückgekoppelt ist. Der positive Eingang des Opera
tionsverstärkers ist auf Masse gelegt. Durch diese Beschal
tung setzt der Operationsverstärker OP den Wechselstromanteil
Iac2 in ein Spannungssignal Ua um. Es gilt:
Ua = -Iac2.R2.
Der Strom-/Spannungswandler ist nach dem Prinzip des Trans
impedanzverstärkers aufgebaut, der eine breitbandige
Strom-/Spannungswandlung mit einer hohen Impedanz erlaubt.
In vorteilhafter Weise wird bei der dargestellten Empfänger
schaltung der Wechselstromanteil Iac2, der im wesentlichen dem
Nutzsignal entspricht, unmittelbar an der Fotodiode D durch
die erste Kapazität C1 ausgekoppelt und dem nachgeschalteten
Operationsverstärker OP zugeführt. Die Trennung von Nutz- und
Störsignal erfolgt daher bereits vor der Strom-/Spannungs
wandlung und der störende Gleichanteil Idc kann keine Pro
bleme bezüglich der Aussteuerung des Operationsverstärkers OP
verursachen. Die Kapazität des ersten Kondensators beträgt
3,3 nF, der Wert des ersten Widerstands R1 ist 1 kΩ. Die
Dimensionierung ist so gewählt, daß der Wechselstromwider
stand
des ersten Kondensators C1 im Frequenzbereich des Nutzsignals
erheblich kleiner als der Widerstand R1 ist. Die Aufteilung
des Wechselstromanteils Iac in die Teile Iac1 und Iac2 erfolgt
damit in der Weise, daß im Frequenzbereich des Nutzsignals
der Teil Iac2, der dem Operationsverstärker OP zufließt, weit
größer ist als der Teil Iac1, der über den ersten Widerstand
R1 abgeleitet wird. Die Dimensionierung der Bauelemente ist
in dem gezeigten Ausführungsbeispiel für ein Nutzsignal in
einem Frequenzbereich zwischen 0,5 und 4 MHz ausgelegt. Die
Grenzfrequenz eines aus dem ersten Widerstand R1 und dem
ersten Kondensator C1 gebildeten RC-Gliedes beträgt 48 kHz.
Der abgeleitete Teil Iac1 des Wechselstromanteils Iac muß
nicht zu einer Abschwächung des Spannungssignals Ua führen,
da er durch Erhöhen der Transimpedanz, d. h. durch eine
größere Dimensionierung des zweiten Widerstands R2, kompensiert
werden kann. Das ist ohne Probleme möglich, da der Gleich
stromanteil Idc vom Transimpedanzverstärker ferngehalten wird
und keine Aussteuerprobleme aufgrund ungewünschter Stör
signale, insbesondere eines Gleichlichts, auftreten.
Störende Einflüsse der Versorgungsspannung werden durch ein
vorgeschaltetes Filter, das aus einem dritten Widerstand R3
und einem zweiten Kondensator C2 besteht, von der Kathoden
spannung der Fotodiode D ferngehalten. Der zweite Kondensator C2
wirkt als Stützkondensator zur Stabilisierung der Versor
gungsspannung. Der Spannungsabfall an dem Widerstand R3 lie
fert ein Maß für den Gleichstromanteil Idc, da der Wechsel
stromanteil Iac im wesentlichen durch den Stützkondensator C2
abgegeben wird. Durch einen Komparator K wird der Spannungs
abfall am Widerstand R3 mit einem vorgebbaren Schwellwert
verglichen und bei Überschreiten ein Meldesignal M erzeugt.
Der Schwellwert wird mit einer Referenzspannungsquelle UR
eingestellt. Durch diese Überwachungsschaltung kann z. B.
festgestellt werden, ob die Fotodiode D einer unzulässig
hohen Bestrahlung mit Fremdlicht ausgesetzt ist, was bei ei
ner Verwendung der Empfängerschaltung in einer Einrichtung
zur Datenübertragung eine Übertragungsstörung verursachen
könnte.
Fig. 2 zeigt die wesentlichen Funktionselemente einer Ein
richtung 1 zur Datenübertragung in einem Feldbus mit einer
Empfängerschaltung 2. Als Empfängerschaltung 2 kann bei
spielsweise die in Fig. 1 detailliert dargestellte Schaltung
eingesetzt werden. Entsprechend Fig. 2 ist der Empfänger
schaltung 2, welche ein optisches Signal 10 empfängt und ein
Spannungssignal Ua (Fig. 1) liefert, ein Demodulator 3 nach
geschaltet, der aus dem Spannungssignal Ua ein digitales
Datensignal erzeugt. Das Datensignal wird über eine Steue
rung 4 und eine Busanschaltung 5 auf ein Feldbussegment 6
weitergeleitet. Zudem wird das Aussenden eines optischen
Signals 7 durch einen Sender 8, der von einem Modulator 9 ein
moduliertes elektrisches Signal erhält, von der Steuerung 4
veranlaßt. Mit einer derartigen Einrichtung 1 kann somit von
einer drahtgebundenen Datenübertragung auf einem Feldbus 6,
beispielsweise dem PROFIBUS DP, auf eine drahtlose Daten
übertragung mit optischen Signalen gewechselt werden und
umgekehrt. Durch eine Stromversorgung 11 werden die einzelnen
Komponenten mit der erforderlichen Betriebsenergie versorgt.
Fig. 3 zeigt ein Beispiel einer Netzwerkstruktur, die der
artige Einrichtungen zur Datenübertragung enthält. Das Netz
werk weist zwei Feldbussegmente 12 und 13 auf, die über Ein
richtungen 14 und 15 zur bidirektionalen drahtlosen Daten
übertragung mit einem optischen Signal 16 verbunden sind. An
dem Bussegment 12 und an dem Bussegment 13 ist jeweils eine
speicherprogrammierbare Steuerung 17 bzw. 18 angeschlossen.
Weitere Teilnehmer an dem Feldbussegment 12 sind ein fahrer
loses Transportsystem 19, das über Einrichtungen 20 und 21
zur drahtlosen Datenübertragung an das Feldbussegment 12 an
geschlossen ist, und ein Sensorsystem 22, das beispielsweise
Informationen über den momentanen Zustand von Stationen an
der Förderstraße des fahrerlosen Transportsystems liefert.
Durch die drahtlose Übertragung von Daten zwischen dem Feld
bussegment 12 und dem fahrerlosen Transportsystem 19 können
in vorteilhafter Weise verschleißbehaftete Systeme, bei
spielsweise Schleifringe oder Schleifringleiter, entfallen.
Mit Einrichtungen 23, 24 und 25 werden zwei Teilnehmer 26 und
27 zur Datenübertragung mit dem Feldbussegment 13 gekoppelt.
Die Einrichtungen 24 und 25 können gleichzeitig optische Si
gnale der Einrichtung 23 empfangen. Auf der Seite des Feld
bussegments 13 genügt somit eine Einrichtung 23 zur Daten
übertragung, welche die auf dem Feldbussegment 13 übertrage
nen Daten durch ein optisches Signal an die beiden Einrich
tungen 24 und 25 sendet. Bei Verwendung von Infrarotlicht als
optisches Signal ermöglichen die Einrichtungen 23 . . . 25 eine
drahtlose Verbindung im Nahbereich bis etwa 15 m.
An dem Beispiel einer Netzwerkstruktur nach Fig. 3 werden
die im folgenden zusammengefaßten Vorteile der Einrichtung
zur drahtlosen Datenübertragung deutlich:
- - Ermöglicht drahtlose Kopplung von Feldbusteilnehmern im Nahbereich bis ca. 15 m,
- - ermöglicht Kommunikation mit beweglichen Teilnehmern, z. B. fahrerlosen Transportsystemen,
- - ermöglicht Kommunikation mit wechselnden Teilnehmern, z. B. Stationen entlang Förderstraßen und Fertigungs bändern,
- - erlaubt einen schnellen Aufbau von Anlagen und zeitlich begrenzten Konfigurationen,
- - ersetzt verschleißbehaftete Systeme, z. B. Schleifringe, Schleifringleiter,
- - erlaubt den Anschluß einzelner Feldbusteilnehmer, z. B. speicherprogrammierbare Steuerung, PC, Sensor, Aktor usw.,
- - erlaubt eine Kopplung von Feldbussegmenten, insbesondere bei PROFIBUS,
- - ermöglicht eine Kommunikation über MPI-, DP-, FMS- und S7-Funktionen,
- - ist geschützt vor störendem Umgebungslicht durch inte grierten Tageslichtfilter,
- - ermöglicht eine Kommunikation mit mehreren abgesetzten Slaves,
- - liefert ein Meldesignal bei unzulässig hoher Bestrahlung durch Fremdlicht und Unterbrechungen der Übertragung und
- - ermöglicht eine Entfernungskontrolle, beispielsweise durch Auswerten des Wechselstromanteils.
Claims (9)
1. Empfängerschaltung für ein optisches Signal, insbesondere
ein Infrarotsignal, mit einer Fotodiode (D), welche in Sperr
richtung betrieben wird und in Abhängigkeit des optischen
Signals (Φac, Φdc) einen Fotostrom (If) abgibt, und mit einem
Strom-/Spannungswandler (OP, R2), der den Fotostrom (If) in
ein entsprechendes Spannungssignal (Ua) umsetzt, dadurch
gekennzeichnet, daß Mittel (R1, C1) zum Auskoppeln eines
Wechselanteils (Iac2) des Fotostroms (If) vorgesehen sind, so
daß im wesentlichen der Wechselanteil (Iac2) dem Strom-/Span
nungswandler (OP, R2) zugeführt wird.
2. Empfängerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß ein Anschluß der Fotodiode (D) mit einem
ersten ohmschen Widerstand (R1) zur Ableitung eines Gleich
stromanteils (Idc) und mit einem ersten Kondensator (C1) zur
Auskopplung des Wechselstromanteils (Iac2) verbunden ist.
3. Empfängerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Wechselstromwiderstand des ersten Kon
densators (C1) im Frequenzbereich eines Nutzsignals klein
gegenüber dem ohmschen Widerstand des ersten Widerstands (R1)
ist.
4. Empfängerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Grenzfrequenz eines aus dem ersten
Widerstand (R1) und dem ersten Kondensator (C1) gebildeten
RC-Gliedes höchstens ein Zehntel der Frequenz des Nutzsignals
beträgt.
5. Empfängerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - der Strom-/Spannungswandler einen Operationsverstärker (OP) enthält,
- - daß der Wechselanteil (Iac2) auf den negativen Eingang des Operationsverstärkers (OP) geführt ist,
- - daß der Ausgang des Operationsverstärkers (OP) über einen zweiten Widerstand (R2) auf den negativen Eingang zurück gekoppelt ist und
- - daß der positive Eingang auf ein Bezugspotential, ins besondere Massepotential, gelegt ist.
6. Empfängerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsspan
nung der Fotodiode (D) durch einen Stützkondensator (C2)
stabilisiert ist.
7. Empfängerschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Versorgungsspannung über einen Serien
widerstand (R3) an die Fotodiode (D) und den Stützkondensator
(C2) geführt ist.
8. Empfängerschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß eine Überwachungsschaltung (K, UR, R3) vor
gesehen ist, mit welcher der Spannungsabfall am Serienwider
stand (R3) gemessen und ein Meldesignal (M) abgegeben wird
für den Fall, daß der Spannungsabfall einen vorgebbaren
Schwellwert überschreitet.
9. Einrichtung zur Datenübertragung in einem Feldbus mit
einer Empfängerschaltung nach einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger
schaltung ein Demodulator (3) nachgeschaltet ist, durch wel
chen aus dem Spannungssignal (Ua) ein digitales Empfangs
signal erzeugbar ist.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE1998121865 DE19821865A1 (de) | 1998-05-15 | 1998-05-15 | Empfängerschaltung für ein optisches Signal sowie Einrichtung zur Datenübertragung mit einer derartigen Empfängerschaltung |
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