DE2450615A1

DE2450615A1 - Schaltungsanordnung fuer einen linearen licht-frequenz-wandler.

Info

Publication number: DE2450615A1
Application number: DE19742450615
Authority: DE
Inventors: Klaus Ing Grad Wetzel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-10-24
Filing date: 1974-10-24
Publication date: 1976-04-29

Description

Schaltungsanordnung für einen linearen Licht-Frequenz-Wandler.
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen linearen Licht-Frequenz-Wandler mit mindestens einer Fotodiode.
Der Strom durch eine Fotodiode, der durch auf die Fotodiode auffallendes Licht verursacht wird, ist unabhängig von der anliegenden Betriebsspannung ein Maß für die Beleuchtungsstärke. Wenn sich das Lichtspektrum der Lichtquelle nicht verändert, ist die Abhängigkeit des Fotostroms von der Beleuchtungsstärke linear. Diese Abhängigkeit ist der Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung anzugeben, die eine lineare Licht-Frequenz-Umwandlung bewerkstelligt, d. h. die Maßumsetzung der Beleuchtungsstärke einer Lichtquelle in die Frequenz eines elektrischen Signals mit einem Linearitätsbereich über mehrere Dekaden.
Zur Lösung dieser Aufgabe verwendet eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art einen an sich bekannten astabilen Multivibrator, bei dem die Basen zweier Transistoren jeweils über eine Fotodiode zu einem Versorgungspotential und über je einen Kondensator zum Ausgang jeweils eines Operationsverstärkers führen, dessen Eingang mit dem Kollektor des jeweils anderen Transistors verbunden ist.
Der astabile Multivibrator erzeugt eine rechteckförmige Spannung, deren Frequenz abhängig-ist von der Zeitkonstante der RC-Glieder.
Diese RC-Glieder bestehen beimbekannten Multivibrator aus dem jeweils zwischen der Basis des einen und dem Kollektor des anderen Transistors gelegenen Kondensator zur dynamischen Rückkopplung und aus dem jeweils zwischen der Basis und einem Versorgungspotential gelegenen ohmschen Widerstand. Erfindungsgemäß besteht dieser ohmsche Widerstand jeweils aus einer Fotodiode.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die beiden Fotodioden in einem einheitlichen Bauelement als sogenannte Differenzfotodiode zusammengefaßt. Dadurch werden den beiden Basen bzw.
den beiden Kondensatoren jeweils gleich große eingeprägte Ströme zugeführt. Die Taktzeit und damit die Frequenz des vom Multivibrator gelieferten Ausgangssignals ist dann eine von dem eingeprägten Strom, von der Größe des Versorgungspotentials und von der Kapazität der Kondensatoren linear abhängige Größe. Im Gegensatz zur bekannten Multivibratorschaltung sind diese zeitbestimmenden Rückkopplungskondensatoren jedoch nicht direkt an die verhältnismäßig hochohnigen Kollektoren der Transistoren gelegt, sondern liegen an dem um ein Mehrfaches niederohmigen Ausgang jeweils eines Operationsverstärkers.
Einerseits soll der Kondensatorladestrom etwa fünf mal so groß sein wie der maximale Entladestrom, der durch die Fotodiode fließt. Andererseits soll der um mehrere Zehnerpotenzen kleinere minimale Entladestrom durch die Fotodiode noch ausreichen, um die Funktion des Multivibrators zu gewährleisten. Es ergibt sich damit bei einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ein Linearitätsbereich über mehrere Dekaden.
Weitere Einzelheiten einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sollen an Hand zweier in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Dabei zeigt die Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel mit der Differenzfotodiode und mit einer vorteilhaften Ausgestaltung, die darin besteht, daß zum Abgleich der Multivibratorfrequenz an die Ausgänge der Operationsverstärker ein Abgleichspotential gelegt ist. In der Fig. 2 ist durch eine vorteilhafte Ausgestaltung ein Anwendungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dargestellt. Der Licht-Frequenz- Wandler ist erweitert zu einem allgemein anwendbaren Analog-Digital-Wandler.
Zwei Transistoren 1 und 2 vom npn-Typ sind nach Art eines astabilen Multivibrators zusammengeschaltet. Zu diesem Zweck ist die Basis des Transistors 1 über einen Kondensator 3 mit dem Ausgang 4 eines Operationsverstärkers 5 verbunden, die Basis des Transistors 2 über einen Kondensator 6 mit dem Ausgang 7 eines Operationsverstärkers 8.
Der Kollektor des Transistors 1 liegt an dem nichtinvertierenden Eingang 9 des Operationsverstärkers 8 und führt über einen ohmschen Widerstand 10 zu einer Klemme 11 für ein positives Versorgungspotential. Der Kollektor des Transistors 2 liegt am nichtinvertierenden Eingang 12 des Operationsverstärkers 5 und führt über einen ohmschen Widerstand 13 zu der Klemme 11 für das positive Versorgungspotential.
Zwischen der Klemme 11 und einer Klemme 14 für ein Bezugspotential befindet sich als ohmscher Spannungsteiler die Reihenschaltung zweier Widerstände 15 und 16, an deren Verbindungspunkt die beiden invertierenden Eingänge 17 und 18 der beiden Operationsverstärker 5 und 8 angeschlossen sind. Außerdem sind die beiden Operationsverstärker 5 und 8 zu ihrem Betrieb jeweils mit dem Bezugspotential und mit dem Versorgungspotential in Verbindung, Die Basen der beiden Transistoren 1 und 2 führen über jeweils eine Fotodiode 19 bzw. 20 zu der Klemme 11 für das Versorgungspotential. Diese sind als einheitlichesvon Licht beaufschlagtes Bauelement 21 ausgeführt. Die Ausgänge 4 und 7 der beiden Operationsverstärker 5 und 8 sind über jeweils einen ohmschen Widerstand 22 bzw. 23 mit einer Klemme 24 für ein positives Abgleichpotential verbunden.
Der erfindungsgemäß verwendete Multivibrator mit den beiden Transistoren 1 und 2 arbeitet in bekannter Weise als Generator einer rechteckförmigen Spannung, die beispielsweise an dem Ausgang 4 des Operationsverstärkers 5 abgenommen wird. Der während der Entladevorgänge der beiden Kondensatoren 3- und 6 fließende Entladestrom ist gleich dem von der Belauchtung linear abhängigen eingeprägten Strom durch die Fotodioden19 und 20. Damit ergibt sich die Taktzeit des Multivibrators zu UB . C t = #### U1B = p Dabei ist UB die zwischen den Klemmen 11 und 14 angelegte Betriebsspannung, C die Kapazität der beiden Kondensatoren 3 und 6 und der durch die Fotodioden 19 und 20 eingeprägte Strom. Da die Frequenz des Multivibrators f =~ ist, ergibt sich der folgende lineare Zusammenhang zwischen dem eingeprägten Strom Ip und der Frequenz .f: 1 f=I 1 p = Ip 21CUB Unter der Bedingung, daß der minimale Fotostrom ungefähr gleich dem 10fachen Wert der Sperrströme der beiden Transistoren 1 und 2 ist und die Größe des maximalen Fotostroms ungefähr 1/5 des maximalen Ausgangs stroms der Operationsverstärker 5 und 8, ergibt sich ein linearer Umwandlungsbereich zwischen der minimalen und maximalen Frequenz von 6 Dekaden.
Ein Frequenzabgleich kann durch Ändern der Kapazität der Kondensatoren 3 und 6 und durch Ändern der Betriebsspannung erfolgen. Da dies aber im Betrieb nachteilig ist, erfolgt ein solcher Abgleich in der erfindungsgemäßen vorteilhaften Ausgestaltung durch Anlegen eines Abgleichspotentials an die Ausgänge 4 und 7 der beiden Operationsverstärker 5 und 8. Dieses Abgleichpotential kann auch ein Teil des Versorgungspoentials sein, In der Fig. 3 ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung die Anwendung in einem Analog-Digital-Wandler dargestellt. Dabei entspricht die gezeigte Schaltungsanordnung mit den Positionen 1 bis 20 denen der Fig. 1. Darüber hinaus sind die beiden Ausgänge 4 und 7 der beiden Operationsverstärker 5 und 8 über jeweils ohmsche Widerstände 25 bzw. 26 nicht mit der Klemme 24 für ein eigenes Abgleichspotential sondern mit der Klemme 11 für das Versorgungspotential verbunden. Die beiden Fotodioden 19 und 20 sind zwar als Differenzfotodiode zusammengefaßt, jedoch in einem einheitlichen Bauelement 27, das außerdem eine Lumineszenzdiode 28 enthält. Diese Lumineszenzdiode 28 ist optisch mit den Fotodioden 19 und 20 gekoppelt und führt elektrisch von der Klemme 11 für das Versorgungspotential über ein Potentiometer 29 zur Klemme 14 für das BezUgspotential.
Die Erweiterung der Differenzfotodiode 19,20 mit der Lumineszendiode 28 zu einem einheitlichen Bauelement 27 als sogenanntem Differenzkoppler bewirkt, daß der lineare Zusammenhang zwischen der Frequenz und der Beleuchtungsstärke ein solcher zwischen der Frequenz und dem durch die Lumineszenzdiode 28 fließenden Strom wird. Dieser Strom wird im vorliegenden Beispiel als analoge Größe repräsentativ durch das Potentiometer 29 eingestellt. Damit ist die Umwandlung einer solchen analogen elektrischen Größe in ein beispielsweise am Ausgang 4 des Operationsverstärkers 5 abgenommenes digitales elektrisches Signal möglich. Durch die optische Kopplung der Lumineszenzdiode 28 als Lichtsender mit der Differenzfotodiode 19,20 als Empfanger in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist bei dieser Analog-Digital-Umwandlung der genannte Linearitätsbereich von 6 Dekaden möglich.
4 Patentansprüche 2 Figuren

Claims

P a t e n t a n s p r u c c h e 1. Schaltungsanordnung für einen linearen Licht-Frequenz-Wandler mit mindestens einer Fotodiode, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß ein an sich bekannter astabiler Multivibrator verwendet wird, bei dem die Basen zweier Transistoren (1 und 2) jeweils über eine Fotodiode (19 bzw. 20) zu einem Versorgungspotential und über je einen Kondensator (3 bzw. 6) zum Ausgang (4 bzw. 7) jeweils eines Operationsverstärkers ( 5 bzw. 8) führen, dessen Eingang (12 bzw. 9) mit dem Kollektor des jeweils anderen Transistors verbunden ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die beiden Fotodioden (19 und 20) als sogenannte Differenzfotodiode (21) in einem einheitlichen Bauelement zusammengefaßt sind.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zum Frequenzabgleich die Ausgänge (4 und 7) der beiden Operationsverstärker (5 und 8) mit einer Klemme (24) für ein Abgleichpotential verbunden sind.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t ! daß zur Anwendung der Schaltungsanordnung als Analog-Digital-Wandler die Differenzfotodiode (21) mit einer Lumineszenzdiode (28) zu einem sogenannten Differenzfotokoppler (27) in einem einheitlichen Bauelement zusammgengefaßt ist und daß die iumineszenzdiode (28) mit einer Stromquelle als Analogeingang verbunden ist.