DE4321207A1 - Schaltungsanordnung zur Impulslaufzeitmessung - Google Patents
Schaltungsanordnung zur ImpulslaufzeitmessungInfo
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Description
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist in Entfernungs- und
Geschwindigkeitsmeßgeräten, die nach dem Prinzip der Impulsreflexlaufzeitmessung
arbeiten, anwendbar, wo es zur Bestimmung der Laufzeit bzw. Laufzeitdifferenz von
Direkt- und/oder Reflexsignal auf eine eindeutige Zeitpunktbestimmung der detek
tierten Signale ankommt.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Anordnungen zur Impulsreflexlauf
zeitmessung wird grundsätzlich der empfangene Strahlungsimpuls in einen elek
trischen Empfangsimpuls gewandelt, dann verstärkt und komparativ verglichen, so
daß bei Schwellwertüberschreitung ein digitaler Impuls erzeugt wird, aus dessen
erster Flanke der Zeitpunkt der Detektion des Strahlungsimpulses gewonnen wird.
Eine eindeutige Zeitpunktbestimmung der detektierten Strahlungsimpulse wird
einerseits durch die unterschiedliche Spitzenleistung und die Impulsform, abhängig
von der Distanz, der Reflexivität und der Schiefstellung der reflektierenden Fläche
und andererseits durch Schaltstörungen, die mit zunehmender Integration von elek
tronischen, optischen und mechanischen Komponenten zunehmen, erschwert.
Besonders ungünstig wirken sich digitale Schaltstörungen (korreliertes Rauschen),
die z. B. durch den komparativen Vergleich entstehen oder von der digitalen Aus
gangsstufe rückgekoppelt werden, aus. Diese überlagern sich additiv dem elek
trischen Empfangsimpuls und verzerren dessen zeitsignifikante Flanke so, daß kein
relevanter Zeitpunkt ableitbar ist. Besonders bei kleinen optischen Impulsleistungen
mit damit verringertem Anstieg erweist sich das als ein Problem.
Um eine große Genauigkeit bei der Impulslaufzeitmessung zu erreichen ist es eine
permanente Zielstellung, den Einfluß dieser Größen zu minimieren bzw. auszu
schließen.
Im Stand der Technik wird das korrelierte Rauschen durch zwei Methoden versucht
zu unterdrücken. Die erste Methode ist die konstruktive Abschirmung, die aber einer
zunehmenden technologischen Integration Grenzen setzt. Die zweite Methode ist die
zeitliche Auswertung von nur Stücken der zeitsignifikanten Flanke mit der größten
Steilheit, so daß Rauschamplituden, die sich in derselben Richtung bewegen, unter
drückt werden, weil sich das Jittern mit größer werdender Steilheit verringert.
In der OE-PS 307 762 ist eine Anordnung beschrieben, bei welcher das Verstärker
ausgangssignal durch optische Blenden auf einen vorgegebenen Wert geregelt wird.
Damit wird erreicht, daß der komparative Vergleich an der gleichen Stelle der zeit
signifikanten Flanke des Direktsignals als auch des Reflexsignals passiert, an der
auch ein Rauschen durch den steilen Anstieg unterdrückt werden kann. Das Regeln
auf eine gleiche Amplitude kann natürlich nur durch eine Abwärtsregelung gesche
hen, was den Nachteil hat, daß kleine Reflexsignalstärken, die außerhalb des
Abwärtsregelbereiches liegen, entweder gar nicht mit dem Direktsignal in Überein
stimmung geregelt werden können, oder sich der zeitsignifikante Punkt nicht auf
dem steilen Teil der Flanke befindet. Obwohl ein Refleximpuls detektiert wurde,
muß dieser im Interesse der angestrebten Genauigkeit verworfen werden. Die Ge
nauigkeit wird somit auf Kosten der Reichweite erzielt.
In dem Artikel "A Time-of-Flight Laser Reseiver for Moving Objects" (Raimo Ahola,
Risto Myllylä, IEEE Transaction, VOL. IM-35, Juni 1986, S. 216-221) wird ein
Empfänger beschrieben, dem ein Constant Fraction Discriminator (CFD) nachge
schaltet ist. Dieser hat die Aufgabe, innerhalb der Anstiegsflanke den zeitsignifi
kanten Punkt zu definieren. Das geschieht durch den komparativen Vergleich der
unverzögerten gedämpften zeitsignifikanten Flanke mit der verzögerten unge
dämpften zeitsignifikanten Flanke gleicher Quelle, wobei die Amplitude des
Empfangsimpulses im linearen Ansteuerbereich des Empfangsverstärkers bei linearer
Steilheit der zeitsignifikanten Flanke liegen muß. Das kann durch Regelung erreicht
werden.
Bei dieser Lösung findet der komparative Vergleich von kleinen Reflexsignalen bei
einem schlechten Signal-/Rauschverhältnis statt, bei dem außerdem das korrelierte
Rauschen an Einfluß zunimmt, da der untere Teil der zeitsignifikanten Flanke im
Wesentlichen durch das Tiefpaßverhalten des Empfangsverstärkers langsamer an
steigt. Zu Gunsten der angestrebten hohen Genauigkeit, die nur bei einem hohen
Signal-/Rauschverhältnis erreichbar ist, muß auch bei dieser Lösung auf die Aus
nutzung der Empfängerempfindlichkeit verzichtet werden, was eine Einschränkung
der Reichweite bedeutet.
In der Patentanmeldung G04F 313 226.2 sind ein Verfahren und eine Schaltungs
anordnung beschrieben, bei dem die Triggerzeitpunkte der aus einem Direkt- und
einem Reflexsignal gewonnenen Komparatorsignale gemessen und dann rechen
technisch der Abstand und die Breite der Komparatorsignale ermittelt werden. Ver
knüpft mit Korrekturwerten ergibt sich die reale Laufzeit des Reflexsignals, die ein
sehr genaues Maß für die Entfernung des Meßobjektes ist.
Diese Lösung zeichnet sich gegenüber den vorgenannten, bei gleicher Empfänger
empfindlichkeit, durch eine größere Reichweite aus, da selbst die schwächsten noch
detektierbaren Signale genaue Meßergebnisse liefern. Das setzt jedoch voraus, daß
elektrisch-konstruktive Abschirmmaßnahmen getroffen werden, wodurch einer wei
teren technologischen Integration und Volumenreduktion Grenzen gesetzt werden.
Es ist die Aufgabe der Erfindung eine neue Schaltungsanordnung zur
Impulslaufzeitmessung zu schaffen, die eine hohe technologische Integration ermög
licht und für alle detektierbaren Impulsleistungen eine eindeutige Zeitpunkt
bestimmung zuläßt. Es soll damit eine Volumenreduktion von Entfernungs- und
Geschwindigkeitsmeßgeräten, bei hoher Genauigkeit der Messungen und unver
minderter Reichweite möglich werden.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Bildung des digitalen Ausgangssignals
zeitlich getrennt vom Empfang des optischen Impulses und dessen Vorverstärkung
erfolgt, so daß eine Rückkopplung von Schaltstörungen ohne Einfluß auf die Zeit
punktbestimmung ist.
Die zeitliche Trennung wird durch ein Verzögerungsglied bestimmter Verzöge
rungszeit erreicht, das zwischen Vorverstärker und digitaler Ausgangsstufe ange
ordnet ist und eine konstante Verzögerungszeit ΔTv besitzt. Das Verzögerungsglied
kann eine Verzögerungsstufe im Signalweg hinter dem Komparator (Fig. 1)
und/oder eine Verzögerungsstufe vor dem Komparator angeordnet sein. Der Unter
schied besteht darin, daß das Verzögerungsglied ein digitales oder ein analoges
Signal bzw. beide Signale verzögert. Ein digitales Verzögerungsglied läßt sich ein
facher verwirklichen. Die jeweils konkrete Anordnung des Verzögerungsgliedes ist
abhängig davon zu wählen, inwieweit die Schaltstörungen im wesentlichen nur durch
den komparativen Vergleich oder die Rückkopplung der Auswerteelektronik oder
durch beides verursacht werden.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel an Hand von Zeichnungen näher
beschrieben.
Dazu zeigen:
Fig. 1 die Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
Fig. 2 den Verlauf des detektierten optischen Impulses Popt(t)
Fig. 3 den Verlauf des analogen Verstärkerausgangssignals (mit überlagerten
Schaltstörungen bei einer Verzögerung ΔTv = 0) Ua(t),
Fig. 4 den Verlauf des digitalen Ausgangssignals Ud(t) bei einem analogen
Signalverlauf gemäß Fig. 3,
Fig. 5 den Verlauf des analogen Verstärkerausgangssignals (mit überlagerten
Schaltspannungen bei einer Verzögerung ΔTv < der Einschwingzeit Te)
Uav(t),
Fig. 6 den Verlauf des digitalen Ausgangssignals Udv(t) bei einem analogen
Signalverlauf gemäß Fig. 5 und
Fig. 7 ein konkretes Ausführungsbeispiel für eine Schaltungsanordnung gemäß
Fig. 1.
Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung zeigt die Fotodiode 1 mit einem
nachgeordneten Vorverstärker 2, dessen Ausgang an einem Eingang des Kompa
rators 3 anliegt und dessen Ausgang über die erfindungsgemäß eingefügte Verzöge
rungsstufe 4 mit der digitalen Ausgangsstufe 5 verbunden ist. Die von der digitalen
Ausgangsstufe 5 erzeugten Schaltstörungen sind als die parasitäre Kapazität 6
dargestellt.
Die Fotodiode 1 empfängt den optischen Impuls, dargestellt in Fig. 2. Der empfind
liche, breitbandige Vorverstärker 2 verstärkt den Fotostrom und wandelt ihn in eine
Spannung um, die vom Komparator 3 mit der angelegten Schwellspannung Us ver
glichen wird. In den Triggermomenten Tp und Tn (Fig. 3, 4) werden über die digi
tale Verzögerungsstufe 4 an die digitale Ausgangsstufe 5 Schaltflanken übertragen,
wobei in Fall nach dem Stand der Technik die Verzögerungszeit ΔTv = 0 gesetzt
wurde. Die parasitäre Kapazität 6 koppelt im Schaltmoment Störungen mit der Ein
schwingzeit Te (Fig. 3, 4) von der digitalen Ausgangsstufe 5 auf die Fotodiode 1
und den Vorverstärker 2. Fig. 3 zeigt die Schaltstörungen, die dem Verstärkeraus
gangssignal Ua(t) überlagert sind. Durch das Pendeln um die Schwellspannung Us
wird die positive und die negative Flanke des digitalen Ausgangssignals Ud(t)
(Fig. 4) so zerhackt, so daß die Triggerzeitpunkte nur in den Zeitspannen Tp + ΔTe
bzw. Tn + ΔTe erkannt werden können und verworfen werden müssen.
Die Fig. 5 und 6 zeigen die mit den Verzögerungszeiten ΔTv + und ΔTv- beauf
schlagten Signale Uav(t) bzw. Udv(t). Die auf das Verstärkerausgangssignal gekop
pelten Störungen als auch das digitale Ausgangssignal erscheinen gegenüber den
Triggerzeitpunkten Tp und Tn verzögert, aber trotz der Störungen sind die Flanken
ohne Hazard und den Triggerzeitpunkten Tpv und Tnv eindeutig zuordenbar.
Tpv = Tp + ΔTv+
Tnv = Tn + ΔTv-.
Tnv = Tn + ΔTv-.
Beide Verzögerungszeiten müssen nicht gleich sein, weil der Impulsbreite Tnv - Tpv
durch das nachgeordnete Auswerteverfahren ein Korrekturwert zugeordnet wird,
der die Verzögerungszeit ΔTv + kompensiert.
ΔTv + und ΔTv- müssen so gewählt werden, daß die Einschwingzeit der Störungen
ΔTe überbrückt werden kann, also ΔTv < ΔTe (Fig. 4, 6).
Fig. 7 zeigt ein konkretes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schal
tungsanordnung, bei welcher das Verzögerungsglied dem Komparator nachgeordnet
ist.
Die gesamte Schaltung, hier vereinfacht dargestellt, ist auf einer Leiterplatte in Auf
setztechnik aufgebaut und es werden Signale im mV-Bereich mit Zeitauflösungen im
ns-Bereich verarbeitet.
Der Vorverstärker 2 ist mit dem Komparator 3 im Differenzbetrieb gekoppelt. Das
hat den Vorteil, daß die Empfindlichkeit und die Störunterdrückung beider ausge
nutzt wird. Die Schwellspannung Us wird im Wesentlichen vom Rauschen der Ver
stärkerausgangsspannung Ua(t) bestimmt. Die Verzögerungsstufe 4 besteht aus vier
schnellen C-MOS-Gattern, wobei sich durch die ausgangsseitige Parallelschaltung
drei Gatterlaufzeiten addieren. Der Komparator 3 und die Verzögerungsstufe 4 sind
so eng benachbart und die Gatter der Verzögerungsstufe auf einem Chip angeordnet,
daß eine parasitäre Störkopplung zwischen 3, 4 und 1, 2 praktisch nicht existiert.
Die digitale Ausgangsstufe 5, bestehend aus der Parallelschaltung der Gatteraus
gänge zum Zweck des Treibens hoher Ströme im ns-Bereich und angeschlossenen
Leiterzügen sowie einer Koaxialleitung, ist die wesentliche Störquelle.
Die Verzögerungszeit ist nicht nur auf die Verzögerungsstufe 4 beschränkt, sondern
ergibt sich aus der Summe der Verzögerungszeiten des Komparators 3 und der
hintereinandergeschalteten Gatter. In diesem Fall beträgt sie einige Nanosekunden
und ist größer als die zeitliche Länge ΔTe der Störung, so daß die zeitliche Lage
beider Flanken des digitalen Ausgangssignals gegenüber einem Referenzzeitpunkt im
Subnanosekundenbereich aufgelöst werden kann.
Claims (4)
1. Schaltungsanordnung zur Impulsreflexlaufzeitmessung bestehend aus einem
Strahlungsdetektor, welcher die empfangenen Direkt- und Reflexsignale in elek
trische Signale wandelt, einem Vorverstärker, einem Komparator zur Bildung
von digitalen Ausgangssignalen und einer digitalen Ausgangsstufe, welche aus
den Triggerzeitpunkten der digitalen Ausgangssignale die Laufzeit der Reflex
signale ermittelt, gekennzeichnet dadurch, daß im Signalweg zwischen dem Vor
verstärker und der digitalen Ausgangsstufe ein Verzögerungsglied geschaltet ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch,
daß das Verzögerungsglied eine zwischen Komparator und digitaler Ausgangs
stufe geschaltete Verzögerungsstufe ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch,
daß das Verzögerungsglied eine zwischen den Vorverstärker und den Kompa
rator geschaltete Verzögerungsstufe ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch,
daß das Verzögerungsglied aus einer zwischen den Vorverstärker und den Kom
parator geschalteten und einer zwischen den Komparator und der digitalen Aus
gangsstufe geschalteten Verzögerungsstufe besteht.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19934321207 DE4321207C2 (de) | 1993-06-25 | 1993-06-25 | Schaltungsanordnung zur Laufzeitmessung von reflektierten Lichtimpulsen |
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---|---|---|---|
DE19934321207 DE4321207C2 (de) | 1993-06-25 | 1993-06-25 | Schaltungsanordnung zur Laufzeitmessung von reflektierten Lichtimpulsen |
Publications (2)
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DE4321207A1 true DE4321207A1 (de) | 1995-01-05 |
DE4321207C2 DE4321207C2 (de) | 1996-09-26 |
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ID=6491254
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---|---|---|---|
DE19934321207 Expired - Fee Related DE4321207C2 (de) | 1993-06-25 | 1993-06-25 | Schaltungsanordnung zur Laufzeitmessung von reflektierten Lichtimpulsen |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4321207C2 (de) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
AT307762B (de) * | 1971-04-28 | 1973-06-12 | Eumig | Verfahren und Einrichtung zur Entfernungsmessung |
DE3419117C2 (de) * | 1984-05-23 | 1986-09-04 | Rheometron AG, Basel | Optoelektrisches Entfernungsmeßgerät mit einem Zeitdiskriminator zur genauen Ermittlung der Zeitfolge elektrischer Impulse |
DE4237347C1 (de) * | 1992-11-05 | 1994-06-23 | Jenoptik Jena Gmbh | Verfahren und Schaltungsanordnung zur Erfassung und Auwertung von Signalen bei der Messung von Entfernungen und Entfernungsänderungen |
-
1993
- 1993-06-25 DE DE19934321207 patent/DE4321207C2/de not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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AT307762B (de) * | 1971-04-28 | 1973-06-12 | Eumig | Verfahren und Einrichtung zur Entfernungsmessung |
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Non-Patent Citations (2)
Title |
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Ahola, Raimo, Myllylä, Risto: "A Time-of-Flight Laser Receiver for Moving Objekts" in US-Z.: "IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement" Vol. IM-35, No. 2, June 1986, S. 216-221 * |
Riegl, Johannes: "Messung kurzer Entfernungen mit Hilfe optischer Impulsradargeräte" in DE-Z.: NTZ 1973, Bd. 26, H. 9, S. 435-440 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE4321207C2 (de) | 1996-09-26 |
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