DE19821865A1 - Empfängerschaltung für ein optisches Signal sowie Einrichtung zur Datenübertragung mit einer derartigen Empfängerschaltung - Google Patents

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 Φ_ac und einem stören­ den Fremdlicht Φ_dc zusammen. Entsprechend der unterschied­ lichen Ursache wird auch ein Fotostrom I_f in einen Wechsel­ anteil I_ac bzw. einen Gleichanteil I_dc unterteilt. Mit einer Steilheit S der Fotodiode D, die definiert ist als der Quo­ tient aus dem Fotostrom I_f und der einfallenden Lichtleistung Φ, ergibt sich der folgende Fotostrom I_f:

I_f = I_ac + I_dc = S.(Φ_ac + Φ_dc).

Der Gleichstromanteil I_dc und ein Teil I_ac1 des Wechselstrom­ anteils I_ac wird über einen ersten Widerstand R1 abgeleitet. Ein anderer Teil I_ac2 des Wechselstromanteils I_ac 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 I_ac2 in ein Spannungssignal U_a um. Es gilt:

U_a = -I_ac2.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 I_ac2, 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 I_dc 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 I_ac in die Teile I_ac1 und I_ac2 erfolgt damit in der Weise, daß im Frequenzbereich des Nutzsignals der Teil I_ac2, der dem Operationsverstärker OP zufließt, weit größer ist als der Teil I_ac1, 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 I_ac1 des Wechselstromanteils I_ac muß nicht zu einer Abschwächung des Spannungssignals U_a 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 I_dc 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 I_dc, da der Wechsel­ stromanteil I_ac 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 U_R 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 U_a (Fig. 1) liefert, ein Demodulator 3 nach­ geschaltet, der aus dem Spannungssignal U_a 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 (Φ_ac, Φ_dc) einen Fotostrom (I_f) abgibt, und mit einem Strom-/Spannungswandler (OP, R2), der den Fotostrom (I_f) in ein entsprechendes Spannungssignal (U_a) umsetzt, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (R1, C1) zum Auskoppeln eines Wechselanteils (I_ac2) des Fotostroms (I_f) vorgesehen sind, so daß im wesentlichen der Wechselanteil (I_ac2) 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 (I_dc) und mit einem ersten Kondensator (C1) zur Auskopplung des Wechselstromanteils (I_ac2) 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 (I_ac2) 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, U_R, 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 (U_a) ein digitales Empfangs­ signal erzeugbar ist.