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Gebiet der
Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft im Allgemeinen die Messung eines leistungsschwachen
Signals und insbesondere ein leistungsschwaches Signal auf der Grundlage
eines lichtschwachen Signals, beispielsweise eines lichtschwachen
Signals von einer Fotodiode.
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Grundlagen
der Erfindung
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Eine
Anordnung zum Messen von Strom- und Spannungswerten ist aus DE-A1-3322471 bekannt.
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In
vielen Systemen sendet eine Licht empfangende Einheit, beispielsweise
eine Fotodiode, eine Avalanche-Fotodiode (photo avalanche diode) oder
eine Fotoelektronenvervielfacher-Röhre (photomultiplier tube),
ein elektrisches Signal auf der Grundlage der Menge an Licht (Anzahl
von Lichtphotonen), die auf einen lichtempfindlichen Teil der Licht empfangenden
Einheit fällt.
Um anschließend
ein brauchbares Signal bereitzustellen, das die Menge des auf die
Einheit fallenden Lichts anzeigt, wird das elektrische Signal von
der Einheit über
festgelegte Zeiträume
integriert, gefiltert, in ein digitales Signal umgesetzt und anschließend entsprechend
verarbeitet.
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Eine
bekannte Möglichkeit
zum Ausführen dieser
Verarbeitung ist aus der US-Patentschrift
Nr. 5 959 291 (Jensen) bekannt, in der eine Fotodiode zwischen positive
und negative Eingangsanschlüsse
eines Operationsverstärkers
geschaltet wird, wobei der positive Eingangsanschluss des Operationsverstärkers auf
Masse gelegt ist und ein Kondensator und ein Feldeffekttransistor
parallel zwischen den negativen Eingangsanschluss und den Ausgang
des Operationsverstärkers
geschaltet werden, wobei durch Ansteuerung des Gate des Transistors
ein Rücksetzsignal
erzeugt wird. Der Ausgang des Operationsverstärkers ist mit dem Eingang eines
Tiefpassfilters (low-pass filter) verbunden, dessen Ausgang mit
einem Eingang eines Analog-Digital-(A/D-)Umsetzers verbunden
ist. Ein Mikroprozessor empfängt
als Eingangssignal das digitalisierte Ausgangssignal des A/D-Umsetzers.
Die Lehre dieses Dokuments bildet den Oberbegriff zu Anspruch 4.
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Die
Funktionsweise der obigen Schaltung besteht darin, ein Signal von
der Fotodiode zu empfangen und zu integrieren und anschließend die
Integrationsschaltung (integrator) zurückzusetzen. Die Schaltung filtert
sodann die höheren
Frequenzen im integrierten Signal heraus und setzt das analoge,
gefilterte, integrierte Signal in digitale Abtastwerte um. Schließlich berechnet
die Schaltung eine Integrationssteigung (integration slope) für das Fotodiodensignal,
indem eine Kurve den digitalen Abtastwerten angepasst wird. Mit
Hilfe der berechneten Steigungen kann die Schaltung das ursprüngliche
störungsfreie
Signal von der Fotodiode besser ermitteln. Die Schaltung führt pro
Integrationsperiode (die eine feststehende, festgelegte Länge hat)
viele Messwerterfassungsvorgänge
aus und verwendet aufwändige Kurvenberechnungsverfahren,
beispielsweise die Kurvenanpassung mit Hilfe der Fehlerquadraturmethode
(least-squares curve fitting), um die pro Periode berechneten Steigungen
zu erzeugen.
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Nachteile
der obigen Schaltung bestehen darin, dass das Signal bei hohen Lichtstärken gesättigt ist,
bevor die festgelegte Integrationszeit vorüber ist, und der Detektor das
Signal nach der Sättigung bis
zum nächsten
Rücksetzvorgang überspringt.
Andererseits kann der Rücksetzvorgang
bei geringen Lichtstärken
häufiger
als nötig
stattfinden, so dass der gesamte dynamische Bereich des A/D-Umsetzers
nicht genutzt wird. Außerdem
ist jeder Rücksetzvorgang
eine Störung,
die wertvolle Messzeit benötigt,
bis das System wieder stabil ist (dies kann bis zu 10% der Zeit
in Anspruch nehmen).
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Kurze Zusammenfassung
der Erfindung
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer
verbesserten Messung eines leistungsschwachen Signals, beispielsweise
von einer Fotodiode. Dies wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte
Ausführungsformen
werden durch die abhängigen
Ansprüche
gezeigt.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nun beispielhaft mit Bezugnahme
auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine
schematische Zeichnung einer bekannten Schaltung zum Messen eines
leistungsschwachen Signals ist;
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2 eine
schematische Zeichnung einer Vorrichtung zum Messen eines leistungsschwachen Signals
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung ist;
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3 einen Satz von schematischen Signaldiagrammen
für die
Schaltung von 1 zeigt;
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4 einen Satz von schematischen Signaldiagrammen
für die
Vorrichtung von 2 zeigt;
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5 einen Satz von schematischen Signaldiagrammen
für die
Vorrichtung von 2 mit einer anderen Form der
Lichtintensitätsverteilung
als diejenige in 4 zeigt; und
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6 ein
schematisches Flussdiagramm der Funktionsweise der Vorrichtung von 2 zeigt.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Folglich
zeigt 1 eine bekannte Schaltung 1 zur Messung
eines leistungsschwachen Signals von einer Fotodiode 2,
wenn Licht mit verhältnismäßig geringer
Lichtstärke
(durch den Pfeil 4 angezeigt) auf die Fotodiode 2 fällt. Die
Fotodiode 2 ist zwischen einen negativen Eingang 5 und
einen positiven Eingang 6 eines Operationsverstärkers 7 geschaltet.
Ein Kondensator 8 ist in einem Rückführungspfad zwischen einen Ausgang 9 des
Operationsverstärkers 7 und
seinen negativen Eingang 5 geschaltet. Die Source-Elektrode
eines Feldeffekttransistors (FET) 10 ist mit dem Ausgang 9 des
Operationsverstärkers 7 und
seine Drain-Elektrode mit dem negativen Eingang 5 des Operationsverstärkers 7 verbunden,
wobei seine Gate-Elektrode
zum Empfangen eines Rücksetzsignals
zum Zurücksetzen
des Operationsverstärkers 7 dient.
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Der
Ausgang 9 des Operationsverstärkers 7 ist mit einem
Eingang eines Tiefpassfilters 11 verbunden, dessen Ausgang
seinerseits mit einem Eingang eines Analog-Digital-Umsetzers (A/D) 12 verbunden ist.
Ein Ausgang des A/D-Umsetzers 12 ist
mit einem Eingang eines Mikroprozessors 13 verbunden, dessen
Ausgangssignal eine Anzeige des gemessenen Signals und folglich
des auf die Fotodiode 2 fallenden Lichts bereitstellt.
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Der
Operationsverstärker 7 empfängt und
integriert das Signal von der Fotodiode 2 über eine
Integrationsperiode, die durch ein vom FET 10 empfangenes
Rücksetzsignal
eingestellt wird. Das Rücksetzsignal
hat eine festgelegte Frequenz, so dass die Integrationsperioden
konstant sind. Das Tiefpassfilter 11 filtert sodann die
höheren
Frequenzen aus dem integrierten Signal heraus, und der A/D-Umsetzer 12 digitalisiert
das gefilterte integrierte Signal. Schließlich berechnet der Mikroprozessor 13 die
Integrationssteigung (integration slope) für das Fotodiodensignal, indem
eine Kurve an die digitalisierten Abtastwerte angepasst wird, beispielsweise
unter Verwendung eines Algorithmus zur Anpassung mit Hilfe der Fehlerquadraturmethode
(leastsquares fit algorithm).
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Im
Betrieb und mit Bezugnahme auf 3 zeigt
nun das Diagramm von 3(a) einen
Verlauf eines Ausgangssignals 30 der Fotodiode, das die Lichtstärke darstellt,
die über
einen bestimmten Zeitraum auf die Fotodiode fällt. In diesem Fall gibt es
einen Hintergrundhelligkeitsgrad 31, der plötzlich auf einen
HIGH-Pegel 32 ansteigt, wenn Licht auf die Fotodiode fällt, und
anschließend
wieder auf den Hintergrundpegel absinkt, wenn kein Licht mehr auf
die Fotodiode fällt.
Der Operationsverstärker 7 empfängt und
integriert das Ausgangssignal von der Fotodiode 2 über eine
Integrationsperiode, die durch ein vom FET 10 empfangenes
Rücksetzsignal
eingestellt wird. Wie in 3(b) zu
erkennen ist, stellt der Operationsverstärker ein integriertes Ausgangssignal 33 bereit,
das eine kurze Rücksetzperiode
enthält.
Dies erfolgt durch Laden des Kondensators 8 auf einen anfänglichen
Ladepegel, der der in 3(b) gezeigte obere
Pegel ist. Wenn kein Licht auf die Fotodiode fällt, entlädt sich der Kondensator langsam
durch den Operationsverstärker,
was als flache Steigung 35 gezeigt wird, bis das Rücksetzsignal
vom FET empfangen und der Kondensator erneut auf den anfänglichen
Ladepegel 34 aufgeladen wird. Wenn das Ausgangssignal von
der Fotodiode sich auf dem HIGH-Pegel 32 befindet, entlädt sich
der Kondensator schneller durch den Operationsverstärker, so dass
die Steigung 36 größer ist.
Wie zuvor wird der Kondensator erneut auf den anfänglichen
Ladepegel 34 aufgeladen, wenn das Rücksetzsignal vom FET empfangen
wird. Der A/D-Umsetzer 12 tastet das integrierte Signal
mit einer Frequenz ab, die wesentlich höher als die Frequenz der Integrationsperioden
ist, und führt
dem Mikroprozessor 13 eine Folge dieser Abtastwerte zu.
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Die
Abtastwerte für
eine Integrationsperiode werden gespeichert, und anschließend wird
während der
Rücksetzperioden
eine Steigung berechnet, die am besten an die Abtastwerte angepasst
ist. Dies wird in 3(c) gezeigt, wo die berechneten
Steigungen durch Kreuze angezeigt werden. Wenn wie in diesem Fall,
lediglich Hintergrundlicht auf die Fotodiode fällt, sind die flachen Steigungen 35 des
integrierten Signals konstant, wie durch die Kreuze 37 gezeigt
wird. Wenn das einfallende Licht während einer Integrationsperiode
den HIGH-Pegel 32 erreicht, wie in 3(b) gezeigt
wird, ändert
sich die Steigung während
der Periode von flach zu steil, so dass die am besten angepasste
Steigung für
die Periode ein Mittelwert aus den beiden ist, wie durch das Kreuz 38 in 3(c) gezeigt wird. Wenn das einfallende Licht sich während einer
gesamten Integrationsperiode auf dem HIGH-Pegel 32 befindet,
hat die berechnete Steigung für
die Periode einen hohen Wert, wie durch das Kreuz 39 in 3(c) gezeigt wird. Es ist offensichtlich, dass
die Zeitsteuerung und die Rate von Änderungsdaten für den Zeitraum
verloren gehen, wenn das auf die Fotodiode einfallende Licht sich ändert.
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Wie
oben erwähnt
wurde, wird das Signal in der obigen Schaltung bei hohen Lichtstärken gesättigt, bevor
die festgelegte Integrationszeit vorüber ist, und der Detektor überspringt
das Signal nach der Sättigung
bis zum nächsten
Rücksetzvorgang.
Andererseits kann der Rücksetzvorgang
bei geringen Lichtstärken
häufiger
als nötig
stattfinden, so dass nicht der gesamte dynamische Bereich des A/D-Umsetzers
verwendet wird. Außerdem
ist jeder Rücksetzvorgang
eine Störung,
die wertvolle Messzeit benötigt,
bis das System wieder stabil ist (dies kann bis zu 10% der Zeit
in Anspruch nehmen).
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2 zeigt
eine Vorrichtung 20 gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. In der Zeichnung haben dieselben Elemente,
wie sie in 1 gezeigt werden, dieselben
Bezugsziffern. Insbesondere fällt
Licht mit einer verhältnismäßig geringen
Stärke
(durch den Pfeil 4 angezeigt) auf die Fotodiode 2.
Die Fotodiode 2 ist zwischen den negativen Eingang 5 und
den positiven Eingang 6 des Operationsverstärkers 7 geschaltet. Der
Kondensator 8 ist in einem Rückführungspfad zwischen den Ausgang 9 des
Operationsverstärkers 7 und
dessen negativen Eingang 5 geschaltet. Die Source-Elektrode
des Feldeffekttransistors (FET) 10 ist mit dem Ausgang 9 des
Operationsverstärkers 7 und
seine Drain-Elektrode ist mit dem negativen Eingang 5 des
Operationsverstärkers 7 verbunden,
wobei seine Gate-Elektrode
zum Empfangen eines Rücksetzsignals
dient, um den Operationsverstärker 7 zurückzusetzen.
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Gemäß der vorliegenden
Ausführungsform der
Erfindung ist der Ausgang 9 des Operationsverstärkers 7 jedoch
mit einem Eingang eines Analog-Digital-(A/D-)Umsetzers 21 verbunden.
Ein Ausgang des A/D-Umsetzers 21 ist mit einem Eingang
eines Mikroprozessors 22 verbunden, dessen Ausgang mit
einem Eingang eines Filters 23 verbunden ist. Ein zweiter
Ausgang des Mikroprozessors 22 ist mit der Gate-Elektrode
des FET 10 verbunden, um dem FET 10 das Rücksetzsignal
zuzuführen.
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Im
Betrieb und mit Bezugnahme auf 4 sind
die Diagramme der 4(a) und 4(b) identisch
mit jenen der 3(a) und 3(b) und
zeigen das Ausgangssignal 30 der Fotodiode, das die über einen
bestimmten Zeitraum mit einem Hintergrundhelligkeitsgrad 31 und
einem HIGH-Pegel 32 auf die Fotodiode fallende Lichtstärke darstellt,
sowie das integrierte Ausgangssignal 33. Wie zuvor tastet
der A/D-Umsetzer 21 das integrierte Signal mit einer Frequenz
ab, die deutlich höher
als die Frequenz der Integrationsperioden ist, und führt dem
Mikroprozessor 22 einen Strom dieser Abtastwerte zu.
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Anstatt
die Abtastwerte für
eine komplette Integrationsperiode zu speichern und anschließend eine
den Abtastwerten am besten angepasste Kurve (Steigung) zu berechnen,
werden in der Erfindung jedoch Deltawerte zwischen jedem angrenzenden
Abtastwert berechnet. Ein Deltawert ist die Differenz zwischen einem
Abtastwert und dem nächsten.
Ein Verlauf der Deltawerte wird in 4(c) gezeigt,
wo zu erkennen ist, dass es für
jede der Steigungen 35 und 36 einen anderen Deltawert 40 bzw. 41 gibt.
Es wird verstanden, dass die Deltawerte 40 und 41 jeweils
konstant sind, da die Steigungen 35 und 36 konstante
Steigungen sind, so dass angrenzende Abtastwerte der Steigungen
eine konstante Differenz aufweisen.
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Um
dem Filter 23 einen fortlaufenden Strom von Datenabtastwerten
zuzuführen,
werden die Deltawerte für
die Rücksetzperioden
interpoliert, was als Lücken
im Deltawert-Diagramm von 4(c) gezeigt wird.
Der Verlauf 42 der interpolierten Deltawerte wird in 4(d) gezeigt, wo die Lücken mit interpolierten Werten
gefüllt
sind, die auf der Grundlage irgendeines geeigneten Interpolationsalgorithmus
vom Mikroprozessor 22 berechnet wurden. Im vorliegenden
Fall wird ein einfaches lineares Interpolationsschema verwendet.
Eine solche Schätzung
ist im Allgemeinen annehmbar, falls die Anzahl von geschätzten Punkten
erheblich geringer (< 10%)
als die Anzahl von gemessenen Punkten ist.
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Der
fortlaufende Strom von Datenabtastwerten vom Mikroprozessor 22 wird
sodann an das Filter 23 geleitet, das ein gewichtetes Filter
sein kann, das die Form des Signals anpasst, beispielsweise kann ein
Savitzki-Golay-Filter verwendet werden, wo das Signal Gaußsche Spitzen
aufweist. Das Ausgangssignal des Filters 23 wird in 4(e) gezeigt, wo das Signal eine gute Darstellung
des ursprünglichen
Ausgangssignals 30 der Fotodiode ist, wie zu erkennen ist.
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Obwohl
das obige Beispiel die Integrationsperiode als eine konstante festgelegte
Periode zeigt, wobei das Rücksetzsignal
mit einer konstanten Frequenz angelegt wird, stört ein Zurücksetzen der Vorrichtung das
System unnötigerweise,
auch wenn die Integrationsschaltung keine Sättigung erreicht hat, wie oben
erwähnt
wird.
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Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform der
Vorrichtung und wie im Flussdiagramm 60 von 6 dargestellt
wird, empfängt
die Vorrichtung daher zuerst das optische Lichtsignal an der Fotodiode und
setzt es in ein elektrisches Stromsignal um (Schritt 61).
Das Stromsignal wird sodann integriert (Schritt 62), das
integrierte Signal wird vom A/D-Umsetzer mit einer viel höheren Frequenz
als die Integrationsperiode abgetastet, um einen Strom von digitalen
Datenabtastwerten bereitzustellen (Schritt 63). Der Mikroprozessor 22 vergleicht
sodann die Abtastwerte vom A/D-Umsetzer 21 mit einem festgelegten Wert,
der in einem Speicher (nicht gezeigt) gespeichert ist, mit dem der
Mikroprozessor verbunden ist, und erzeugt das Rücksetzsignal, das an die Gate-Elektrode
des FET 10 angelegt wird, wenn es sich herausstellt, dass
ein Abtastwert gleich dem festgelegten Wert oder größer als
dieser ist (Schritt 64). Auf diese Weise wird die Vorrichtung
erst zurückgesetzt,
wenn die Integrationsschaltung sich der Sättigung nähert, so dass erstens die Vorrichtung
nicht unnötigerweise
gestört
wird und zweitens die Integrationsperioden bei hohen Helligkeitsgraden
kurz sind und das Signal nur für
die Rücksetzperiode
selbst "verloren
geht" anstatt für die gesamte
verbleibende Integrationsperiode, nachdem die Integrationsschaltung
eine Sättigung
erreicht hat, wie in der Schaltung nach dem Stand der Technik mit
feststehenden Integrationsperioden.
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Der
Mikroprozessor 22 berechnet außerdem die Differenzen zwischen
angrenzenden Abtastwerten, um während
der Integrationsperioden Deltawerte zu erzeugen, und interpoliert
außerdem
die Deltawerte für
die Rücksetzperioden,
um einen fortlaufenden Strom von Deltawerten zu erzeugen (Schritt 65). Der
fortlaufende Strom von Deltawerten wird sodann von einem Savitzki-Golay-Filter
gefiltert, um eine Rekonstruktion des ursprünglichen Signals zu erzeugen (Schritt 66).
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Dies
ist in 5 zu erkennen. 5(a) ist ein Diagramm, das ein Ausgangssignal 50 der
Fotodiode mit einem Hintergrundhelligkeitsgrad 51, einem
mittleren Helligkeitsgrad 52 und einem hohen Helligkeitsgrad 53 zeigt. 5(b) zeigt das integrierte Signal 54 mit
dynamisch eingestellten Rücksetzperioden.
Wie gezeigt wird, wird eine Fortsetzung der Integrationsperiode
bei lediglich vorhandenem Hintergrundlicht ermöglicht, so dass das integrierte
Signal mit einer langen flachen Steigung 55 fortgesetzt wird,
bis der Operationsverstärker
nahezu in die Sättigung
geht, bevor der Mikroprozessor das Rücksetzsignal erzeugt und der
Kondensator erneut aufgeladen wird. In diesem Fall fällt der
Rücksetzvorgang
mit einem Anstieg des Helligkeitsgrades auf den mittleren Wert zusammen.
Wie zu erkennen ist, fällt
das integrierte Signal im Anschluss an die Rücksetzperiode, während der
es konstant auf der Ladespannung liegt, sodann mit einer steileren
Steigung 56 und wird sodann für
eine weitere Periode zurückgesetzt,
während
der es erneut mit derselben Steigung fällt, wodurch angezeigt wird,
dass das einfallende Licht auf dem mittleren Helligkeitsgrad 52 bleibt.
Wenn schließlich
der Helligkeitsgrad auf den hohen Wert 53 ansteigt, nimmt
die Steigung des Integrationssignals einen sehr hohen Wert 57 mit
entsprechend kürzeren Integrationsperioden
an.
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Die
Deltawerte zwischen den digitalisierten Abtastwerten des Integrationssignals 54 werden
in 5(c) gezeigt, wobei die Deltawerte 58, 59 und 60 den
Integrationssignalsteigungen 55, 56 bzw. 57 entsprechen.
Wie zuvor werden die Lücken
in den Deltawerten aufgrund der Rücksetzperioden sodann vom Mikroprozessor
interpoliert, um einen fortlaufenden Strom von Datenabtastwerten
bereitzustellen, der als das interpolierte Signal 61 in 5(d) gezeigt wird, die sodann vom Filter gefiltert
werden, um eine gefilterte Darstellung 62 des ursprünglichen
Signals 50 bereitzustellen.
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Folglich
stellt die oben beschriebene Ausführungsform der Erfindung einen
dynamischen Rücksetzvorgang,
der lediglich vom Signalpegel und nicht von einer feststehenden
Zeit abhängt,
und das Erreichen eines fortlaufenden Stroms von abstandsgetreuen
(equidistant) Daten bereit, indem die Deltawerte für die Rücksetzperioden
interpoliert werden, so dass ein gewichtetes Filter verwendet werden kann.
Die Vorteile eines dynamischen Rücksetzvorgangs
bestehen darin, dass die Zeitintervalle zwischen den Rücksetzvorgängen bei
hohen Helligkeitsgraden kurz sind und das Signal nur während der Rücksetzperiode
selbst verloren geht, wohingegen der Rücksetzvorgang bei geringen
Helligkeitsgraden nur stattfindet, falls die Integrationsschaltung
nahezu eine Sättigung
erreicht, und dies bedeutet, dass die Rücksetzzyklen bei typischen
geringen Lichtstärken etwa
um den Faktor 20 verringert werden.
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Aufgrund
des Vorliegens eines abstandsgetreuen fortlaufenden Datenstroms
unter allen Lichtbedingungen kann jedes geeignete Filter verwendet und
ein feststehender Zeitraum für
die Messung vermieden werden. Folglich kann die Filter-Firmware
für einen
weiten Bereich von Frequenzverhalten des Signals optimiert werden,
ohne die Hardware zu ändern.
Außerdem
werden durch das Abtasten während
der gesamten Steigung anstatt des Zurücksetzens nach jedem Punkt,
wie dies bei einem Standard-A/D-Umsetzer der Fall ist, durch die
Digitalisierung des Signals eingeführte Rundungsfehler durch die
folgenden Werten kompensiert, da der integrierende Kondensator Ladung
ohne Rundungsfehler aufnimmt. Schließlich wird die Ausgangsdatenrate des
Systems unabhängig
von der Rücksetzfrequenz, so
dass das System bei hohen Helligkeitsgraden nicht für einen
erheblichen Prozentsatz der Zykluszeit "blind" ist.
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Obwohl
nur eine bestimmte Ausführungsform
der Erfindung oben beschrieben wurde, wird es verstanden, dass Fachleute Änderungen
und Verbesserungen vornehmen können,
ohne vom Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen,
wie durch die angehängten
Ansprüche
definiert wird.