DE4128284A1

DE4128284A1 - Detektorschaltung fuer ein von einem sensor aufgenommenes schwaches nutzsignal

Info

Publication number: DE4128284A1
Application number: DE19914128284
Authority: DE
Inventors: Georg Dipl Ing Kodl
Original assignee: Zentrum fur Angewandte Mikroelektronik und Neue Technologien Der Bayerischen Fachhochschulen (zam) Ev 8520 Erlangen De; ZAM EV
Current assignee: Leoni Bordnetz Systeme GmbH
Priority date: 1991-08-27
Filing date: 1991-08-27
Publication date: 1993-03-04
Anticipated expiration: 2011-08-28
Also published as: DE4128284C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Detektorschaltung für ein von einem Sensor aufgenommenes schwaches Nutzsignal, bei der der Sensor bei Umwandlung einer physikalischen Signalgröße eine Stromquelle mit hohem Innenwiderstand ist, bei der der Sensor im linearen Bereich auf eine Niederimpedanzlast arbeitet, die einen Trans impendanzverstärker, einen Synchrondemodulator und am Ausgang einen Tiefpaß aufweist, wobei der Synchrondemodulator mit der Frequenz des Nutzsignals angesteuert wird, und bei der, wenn die empfangene physikalische Signalgröße zusätzlich zu dem schwa chen Nutzsignal ein hohes Störsignal umfaßt, das hohe Störsignal mittels des Synchrondemodulators unterdrückt wird und am aus gangsseitigen Tiefpaß eine dem niedrigen Nutzsignal amplituden mäßig entsprechende Ausgangsspannung vorliegt.

Bei einer durch die Praxis bekannten Detektorschaltung dieser Art ist an den Sensor der Transimpedanzverstärker unmittelbar angeschlossen, sitzt der Synchrondemodulator am Transimpedanz verstärker und arbeitet der Synchrondemodulator über einen wei teren Verstärker auf den Tiefpaß. Der Sensor ist eine Fotodio de und die physikalische Signalgröße besteht aus einem relativ starken Fremdlicht und einem relativ schwachen Nutzlicht. Wenn bei der bekannten Detektorschaltung das Störsignal sehr groß wird, d. h. einen bestimmten oberen Grenzwert übersteigt, dann wird der Transimpedanzverstärker übersteuert, so daß er nicht mehr im linearen Bereich arbeitet, was die Voraussetzung für die Detektion ist, und nicht mehr die erwünschte Niederimpedanz- Last ist. Die an sich vorhandene sehr hohe Dynamik bzw. Lineari tät, von z. B. sieben Dekaden, des Sensors, läßt sich nicht aus nutzen.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Detektorschal tung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der der obere Grenzwert des Störsignals, ab dem eine beachtliche Übersteue rung des Transimpedanzverstärkers auftritt, zu erheblich wei ter erhöhten Störsignalwerten hin verschoben ist. Die erfin dungsgemäße Detektorschaltung ist, diese Aufgabe lösend, da durch gekennzeichnet, daß der Synchrondemodulator mit zwei Schaltern ausgebildet und zwischen dem Sensor und dem Trans impedanzverstärker angeordnet ist und der ausgangsseitige Tiefpaß an den Transimpedanzverstärker anschließt.

Durch die Anordnung des integrierenden Transimpedanzverstärkers zwischen dem Sensor und dem Tiefpaß ist der Eingangswiderstand des Transimpedanzverstärkers nicht mehr die Niederimpedanz- Last, auf die der Sensor, der ein aktiver ist, zu arbeiten hat. Vielmehr ist diese Niederimpedanz-Last von dem Synchrondemodu lator gebildet, der über eine vergrößerte Zahl von Dekaden linear arbeitet und dabei stets eine niedrige Impedanz bildet. Es wird die Polarität des Sensors mit der gleichen Frequenz, die das Nutzsignal hat, mittels des zweischalterigen Synchron demodulators gewechselt. Die laufende Phasenumdrehung findet unmittelbar hinter dem Sensor statt. Der Transimpedanzverstär ker funktioniert hinsichtlich der Frequenz des Nutzsignals als differenzbildender Integrator. Ein dem Synchrondemodulator folgender zusätzlicher Verstärker ist entfallen. Die erfin dungsgemäße Detektorschaltung hat insgesamt eine sehr hohe Dynamik, die etwa um das Zehnfache besser ist als die der wei ter oben beschriebenen bekannten Detektorschaltung. Es wird die große Dynamik des Sensors voll ausgenutzt. Die Dynamik der erfindungsgemäßen Detektorschaltung ist sogar größer als die eines hochwertigen Lock-in-Verstärkers, der um ein Viel faches teurer ist.

Der Sensor ist z. B. ein piezoelektrisches Element oder ein Kondensatormikrophon, das bei Beschallung Strom liefert. Der Sensor wandelt eine physikalische Zustandsgröße in Strom. Im Prinzip stellt der Sensor eine von der physikalischen Zustands größe gesteuerte Stromquelle dar.

In der Regel und bevorzugt ist der Sensor eine Fotodiode, da bei dieser die Abhängigkeit der hohen Dynamik von dem niederen Lastwiderstand besonders ausgeprägt ist. Auch hat die Foto diode unter den üblichen Sensoren eine besonders große Dyna mik, die sich erst aufgrund der erfindungsgemäßen Schaltung ausnutzen läßt. Eine solche Detektorschaltung läßt sich bei Lichtschranken, optischen Meßgeräten oder optischen Alarman lagen anwenden, d. h. stets dann, wenn ein schwaches Nutzlicht bei starkem Fremdlicht festzustellen ist. Die Fotodiode läßt sich wahlweise ohne oder mit Vorspannung betreiben. Der Trans impedanzverstärker ist ein Verstärker, dessen Ausgang und Ein gang über ein RC-Glied gegengekoppelt sind. Der zweischalterige Synchrondemodulator demoduliert synchron mit dem Takt des ge suchten Nutzsignals, d. h. schaltet im Takt des gesuchten Nutzsignals um. Er läßt nur das gesuchte Nutzsignal durch. Der Synchrondemodulator weist zwei Schalter auf, weil der Sensor als potentialfreie Stromquelle umgepolt wird, d. h. mit ständig wechselnder Polarität auf den Verstärker arbeitet. Der Tiefpaß dient dem Ausfiltern der Modulationsfrequenz der den Transim pedanzverstärker verlassenden Größe.

Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es, wenn der Trans impedanzverstärker als Instrumentenverstärker ausgebildet ist. Diese Detektorschaltung liefert qualitativ bessere Ergebnisse.

Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es auch, wenn die zwei Schalter des Synchrondemodulators von lichtgesteuerten MOS-FET-Schaltern gebildet sind, denen Leuchtdioden zugeordnet sind. Diese Detektorschaltung ist sehr schmalbandig.

In der Zeichnung sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfin dung dargestellt und zeigt

Fig. 1 eine erste Detektorschaltung für ein von einem Sensor aufgenommenes schwaches Nutzsignal,

Fig. 2 eine zweite Detektorschaltung für ein von einem Sen sor aufgenommenes schwaches Nutzsignal,

Fig. 3 einen Synchrondemodulator mit Sensor,

Fig. 4 eine Ansteuerung von Leuchtdioden aus Fig. 3,

Fig. 5 einen Verlauf eines Licht-Störsignals und eines Licht- Nutzsignals für die Detekorschaltung gemäß Fig. 1 und

Fig. 6 einen Verlauf der Spannung U′ und der Spannung U′_A der Detektorschaltung gemäß Fig. 1.

Die Detektorschaltung gemäß Fig. 1 weist einen Sensor 1 auf, der eine Fotodiode ist, die eine physikalische Größe 2 in Form einer durch Pfeile angedeuteten Lichtstrahlung empfängt und daraufhin einen Strom I_ph erzeugt. Dieser Sensor 1 arbeitet auf einen von Halbleitern gebildeten Synchrondemodulator 3, der für jeden Pol des Sensors 1 einen Schalter 4, 5 aufweist. Diese Schalter 4, 5 werden von einem Steuersignal 6 im Takt eines gesuchten Licht-Nutzsignals rhythmisch umgeschaltet, das in der Lichtstrahlung 2 enthalten ist. Der Synchrondemo dulator 3 arbeitet auf einen Transimpedanzverstärker 7 mit einem Verstärker, dessen einer Eingang über ein RC-Glied 8 an Masse gekoppelt ist und dessen anderer Eingang über ein gleiches RC-Glied 9 an den Ausgang des Verstärkers gelegt ist, wobei an diesem Ausgang eine Spannung U′ abzunehmen ist. Daran schließt sich ein Tiefpaß 10 an, der aus einem ohmschen Wider stand und einer Kapazität besteht und an dessen Ausgang eine Spannung U′_A abzunehmen ist. Die Detektorschaltung gemäß Fig. 1 ist insgesamt einfach aufgebaut und preiswert.

Gemäß Fig. 5 umfaßt die einfallende Lichtstrahlung 2 ein Stör licht 11 eines relativ großen und konstanten Wertes und ein Nutzlicht 12 in Form einer gleichbleibenden Folge von Recht eckimpulsen. Es sind hier für die einwirkende physikalische Größe vereinfachte Verhältnisse gezeigt. Es wird der Demodu lator mit einer in Fig. 6 gestrichelt fargestellten Speise spannung betrieben und gibt der Demodulator eine Spannung ab, die einerseits das konstante Störlicht und andererseits das in Form einer Impulsfolge vorliegende Nutzlicht wiedergibt. Der Unterschied zwischen der Amplitude des Störlichtes und der Amplitude des Nutzlichtes ist bei dem in der Zeichnung wiedergegebenen Beispiel relativ gering. In Wirklichkeit ist das Störlicht im Vergleich zum Nutzlicht sehr viel größer als in der Zeichnung unterstellt.

Am Ausgang des Transimpedanzverstärkers 7 tritt gemäß Fig. 6 eine sägezahnartig wechselnde Spannung U′ auf und am Aus gang des Tiefpasses 10 tritt eine gleichbleibende Ausgangs spannung U′_A auf. In Fig. 6 ist die Speisespannung des Trans impedanzverstärkers 7 gestrichelt angegeben. Bei der hier in teressierenden Detektorschaltung sind die Spannungen U′ und U′_A relativ groß, indem sie nahe bei der Speisespannung liegen und beachtlich über der Fehlerspannung liegen. Die Fehlerspan nung ergibt sich aus der Offsetspannung und der Rauschspan nung des Transimpedanzverstärkers 7.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 sind der Sensor 1 und der zweischalterige Synchrondemodulator 3 ebenso aufgebaut wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1; jedoch schließen sich an den Synchrondemodulator 3 zwei parallel angeordnete Transimpedanzverstärker 7, 7′ an. Je ein gleicher Eingang der beiden Transimpedanzverstärker 7, 7′ ist an Masse gelegt und der jeweils andere Eingang ist über ein RC-Glied 9, 9′ mit dem Ausgang gegengekoppelt. Es wird hier eine symmetrische Schaltung, ein sogenannter Instrumentenverstärker benutzt, um eine möglichst große Störsicherheit gegen Fremdsignale zu gewährleisten. Ein Instrumentenverstärker ist ein vollständig symmetrisch aufgebauter Differenzverstärker, der am Eingang zwei identische Eingangsverstärker aufweist und nahezu ideale Gleichtaktunterdrückung besitzt. Der Tiefpaß 10 ist in Fig. 2 etwas anders ausgebildet als in Fig. 1.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 und 4 ist ebenso wie ge mäß Fig. 1 und 2 als Sensor 1 eine Fotodiode vorgesehen. Um höheren Anforderungen an die Störsicherheit gegen ungerade Harmonische zu genügen, ist die aufwendigere Schaltung des Synchrondemodulators 3 gemäß Fig. 3 und 4 vorgesehen. Um, in gleicher Weise wie in Fig. 1, die beiden Pole des wirksamen Sensors 1 wechselweise an den hier nicht gezeigten Transimpe danzverstärker zu legen, sind zwei Doppel-Schalter 4, 5 vorge sehen, die jeweils von zwei optoelektronischen MOS-FET-Schal tern A und B bzw. A′ und B′ gebildet sind. Jeder dieser MOS- FET-Schalter besitzt eine integrierte LED-Diode. Die Schalter ändern ihren Widerstand proportional mit dem Steuerstrom der LED-Dioden. Gemäß Fig. 4 werden die LED-Dioden der Schalter A und A′ und der Schalter B und B′ jeweils von einem gleichen Steuerstrom durchflossen, der von einer Stromquelle 11 stammt. Die Stromquelle 11 wird mit der gleichen Frequenz, nämlich der Trägerfrequenz des Nutzsignals, gesteuert. Das Steuerlicht der LED-Dioden kann den MOS-FET-Schaltern auch über Lichtwel lenleiter zugeführt werden.

Claims

1. Detektorschaltung für ein von einem Sensor aufgenommenes schwaches Nutzsignal,
bei der der Sensor bei Umwandlung einer physikalischen Sig nalgröße eine Stromquelle mit hohem Innenwiderstand ist, bei der der Sensor im linearen Bereich auf eine Niederimpedanz- Last arbeitet, die einen Transimpedanzverstärker, einen Syn chrondemodulator und am Ausgang einen Tiefpaß aufweist, wo bei der Synchrondemodulator mit der Frequenz des Nutzsignals angesteuert wird, und
bei der, wenn die empfangene physikalische Signalgröße zusätz lich zu dem niedrigen Nutzsignal ein hohes Störsignal umfaßt, das hohe Störsignal mittels des Synchrondemodulators unter drückt wird und am ausgangsseitigen Tiefpaß eine dem schwachen Nutzsignal amplitudenmäßig entsprechende Ausgangsspannung U′_A vorliegt,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Synchrondemodulator (3) mit zwei Schaltern (4, 5) ausgebildet und zwischen dem Sensor (1) und dem Transimpedanz verstärker (7) angeordnet ist und der ausgangsseitige Tiefpaß (10) an den Transimpedanzverstärker (7) anschließt.

2. Detektorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transimpedanzverstärker (7,7′) als Instrumentenver stärker ausgebildet ist.

3. Detektorschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die zwei Schalter (4, 5) des Synchrondemodulators (3) von lichtgesteuerten MOS-FET-Schaltern (A, A′, B, B′) gebildet sind, denen Leuchtdioden zugeordnet sind.