DE69434050T2

DE69434050T2 - Verfahren, Schaltung und Vorrichtung zur Phasendifferenzerfassung

Info

Publication number: DE69434050T2
Application number: DE69434050T
Authority: DE
Inventors: Akira Hamamatsu-shi Takeshima
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1993-07-27
Filing date: 1994-07-26
Publication date: 2006-02-23
Anticipated expiration: 2014-07-27
Also published as: DE69434050D1; JPH0743404A; EP0636891A2; EP0636891B1; JP3307723B2; US5495100A; EP0636891A3

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Schaltung und eine Vorrichtung für das Erfassen einer Phasendifferenz zwischen einem optischen Signal und einem elektrischen Signal.
Verwandter Stand der Technik
Viele PLL-Einrichtungen (PLL = Phase-Lock Loop – Phasenregelschleife) (Phasenkomparator) und Gegentaktmischer (DBM = Double-Balanced Mixer), die beide eine Phasendifferenz zwischen zwei elektrischen Signalen ausgeben, sind im Handel als Teilbaugruppen erhältlich. Diese Teilbaugruppen bilden die Phasendifferenzen zwischen den elektrischen Signalen und geben sie aus. Aus diesem Grund muß das optische Signal, wenn eine Phasendifferenz zwischen einem Bestandteil eines helligkeitsmodulierten Lichtsignals und einem elektrischen Signal gemessen wird, zum Messen der Phasendifferenz in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Außerdem verursachen bei diesen Teilbaugruppen Variationen bei der Intensität eines elektrischen Eingangssignals dementsprechend Variationen bei der Phasendifferenzausgabe. Daher müssen diese Teilbaugruppen im wesentlichen bei konstanter Eingangsintensität verwendet werden.
Als Phasendifferenzerfassungsvorrichtung ist hauptsächlich ein Lock-in-Verstärker für das Ausgeben von Amplituden- und Phasendifferenzinformationen, ein Vektorvoltmeter, das hauptsächlich in einem hohen Frequenzbereich verwendet wird, oder ein Phasenmesser, der nur eine Phasendifferenz ausgibt, bekannt. Diese Vorrichtungen sind so ausgelegt, daß man eine genaue Phasendifferenz erhält, selbst wenn die Eingangsintensität in einem gewissen Ausmaß variiert. Wenn jedoch eine Phasendifferenz zwischen einem helligkeitsmodulierten Bestandteil und einem elektrischen Signal gemessen werden soll, dann muß bei diesen Vorrichtungen das optische Signal in ein elektrisches Signal umgewandelt werden (in einigen Fällen wird das elektrische Signal auch durch einen Verstärker verstärkt). Danach wird die Phasendifferenz gemessen. In diesem Fall müssen die Phasenbedingungen bei der Auslegung der Vorrichtung ausreichend berücksichtigt werden.
In Applied Optics, Bd. 29, Nr. 31, November 1990, New York, USA, Seite 4578–4582, R.I. MacDonald et al.: "Frequency domain optical reflectometer using a GaAs optoelectronic mixer" wird ein optisches Reflektometer für den Frequenzbereich beschrieben, das sowohl für die optische Erfassung als auch für das Mischen einen GaAs-Interdigitalfotodetektor verwendet. Ein einfacher Empfänger mit einer Nacherfassungsbandbreite in der Größenordnung von 10 kHz ist bei der beschriebenen Technik für eine Abstandsauflösung von 10 m ausreichend, wobei die Elektronik im Vergleich zu Impulsreflektometern oder Reflektometern mit Frequenzwobbelung, die elektronisches Mischen einsetzen, vereinfacht wird. Die Verwendung von Lasern könnte das Instrument dazu befähigen, diskrete optische Reflexionen von –57 dB in einer Entfernung von 1 km zu erfassen. Der Reflektor umfaßt einen Wobbeloszillator, der ein Eingangssignal mit konstanter Amplitude erzeugt, das einen vorbestimmten Frequenzbereich linear überstreicht. Dieses Eingangssignal wird aufgeteilt; ein Abzweig moduliert die Ausgabe einer Laserdiode, und der andere Abzweig wird als lokale Oszillatorvorspannung für den Fotodetektor benutzt. Die Laserdiodenausgabe wird zu einer Flüssigkeit übertragen, deren Brechungsindex gemessen werden soll, reflektiert und zum Fotodetektor übertragen. Aufgrund der Frequenzwobbelung des Eingangssignals und der Verzögerung bei der Übertragung der Laserdiodenausgabe zum Fotodetektor über die Flüssigkeit, deren Brechungsindex gemessen werden soll, haben die in den Fotodetektor eingegebenen Signale unterschiedliche Frequenzen. Die Frequenzdifferenz wird zum Messen des Brechungsindexes der Flüssigkeit verwendet.
In P.Horowitz & W.Hill: "The Art of Electronics", Cambridge University Press, 1980, Cambridge, USA, Seite 571, werden Mischer und Modulatoren beschrieben. Außerdem wird angegeben, daß eine Schaltung, die ein Produkt aus zwei analogen Signalformen bildet, in einer Vielzahl von Hochfrequenzanwendungen verwendet und als Modulator, Mischer, Synchrondetektor oder Phasendetektor in Betracht gezogen werden kann.
In Research Disclosure, April 1985, Nr. 252, Seite 187–189, wird eine Schaltung für einen Abstandsmesser beschrieben, der einen Oszillator aufweist, der eine LED mit fester Frequenz pulsiert oder sinusförmig moduliert. Von der LED ausgestrahltes Licht wird von dem Gegenstand reflektiert und von einem Fotosensor erfaßt, und das von diesem gelieferte Signal wird verstärkt und einem Phasendetektor zugeführt. Außerdem wird von dem Oszillator ein ähnliches periodisches Signal ausgestrahlt und einem Element für variable Verzögerung oder einem Phasenschieberelement zugeführt. Der Phasendetektor erfaßt die Phasendifferenz zwischen dem Signal aus der variablen Verzögerung und dem reflektierten Signal und strahlt ein bezüglich eines Referenzsignals positives oder negatives Signal aus, das die Phasendifferenz zwischen dem von der LED ausgestrahlten Licht und dem vom Fotosensor empfangenen Licht darstellt. Das die Phasendifferenz darstellende Signal wird gefiltert und über viele Zyklen integriert und zu einem Phasensteuereingang der variablen Verzögerungsschaltung zurückgeführt. Dieses Rückmeldesignal regelt eine Phasenschieber-Steuerspannung, die wiederum das Ausmaß der von der Verzögerungsschaltung bewirkten Verzögerung regelt, bis der Phasendetektor eine resultierende Ausgabe von Null liefert, wenn beide Eingangssignale des Phasendetektors phasengleich sind. Der Abstand zum Gegenstand wird aus der Steuerspannung des Phasenschiebers bei Phasengleichheit bestimmt. Bei dieser Offenlegung muß jedoch außerdem für die Messung der Phasendifferenz das optische Signal in ein elektrisches Signal umgewandelt werden.
Es ist daher wünschenswert, eine Phasendifferenz zwischen einem optischen Signal und einem elektrischen Signal auf einfache und genaue Art und Weise zu erhalten, ohne daß das optische Signal erst in ein elektrisches Signal umgewandelt werden muß.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Phasendifferenzerfassungsverfahren bereitgestellt, das folgendes umfaßt: Anlegen eines elektrischen Signals mit einer ersten Frequenz an eine fotoleitfähige Lichtempfangseinrichtung, Anlegen eines mit der ersten Frequenz modulierten optischen Signals an die fotoleitfähige Lichtempfangseinrichtung, Erzeugen eines Stroms durch die fotoleitfähige Lichtempfangseinrichtung entsprechend einem Produkt aus dem elektrischen Signal und dem optischen Signal, Erzeugen eines zeitlichen Mittelwerts des Stroms oder einer nach Umwandlung aus dem Strom erhaltenen Spannung und Ausgeben des zeitlichen Mittelwerts, wobei dieser der Phasendifferenz zwischen dem elektrischen Signal und dem optischen Signal entspricht.
Dementsprechend wird bei dem Phasendifferenzerfassungsverfahren aus einem elektrischen Signal und einem helligkeitsmodulierten Signal, die beide die gleiche Frequenz aufweisen, direkt ein Produkt gebildet, und die Signale werden dann in ein die Phasendifferenz widerspiegelndes Signal umgewandelt.
Bevorzugte Merkmale des Phasendifferenzerfassungsverfahrens werden in den Ansprüchen 2 und 3 aufgeführt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Phasendifferenzerfassungsschaltung bereitgestellt, die folgendes umfaßt: eine Spannung anlegende Einheit für das Anlegen eines Spannungssignals mit einer ersten Frequenz, eine fotoleitfähige Lichtempfangseinrichtung, die mit dem Spannungssignal und einem mit der ersten Frequenz modulierten optischen Signal versorgt wird, für das Erzeugen eines Stroms entsprechend einem Produkt aus dem Spannungssignal und dem optischen Signal, eine Zeitmittelwertschaltung für das Erzeugen und Ausgeben eines zeitlichen Mittelwerts des Stroms oder einer nach Umwandlung aus dem Strom erhaltenen Spannung, wobei der zeitliche Mittelwert der Phasendifferenz zwischen dem Spannungssignal und dem optischen Signal entspricht.
Bevorzugte Merkmale der Phasendifferenzerfassungsschaltung werden in den Ansprüchen 5 bis 9 aufgeführt.
Es wird auch eine Phasendifferenzerfassungsvorrichtung mit den Merkmalen der Ansprüche 10 und 11 bereitgestellt.
Bei dem Verfahren, der Schaltung und der Vorrichtung zur Phasendifferenzerfassung wird das eine vorbestimmte Frequenz aufweisende Spannungssignal an die fotoleitfähige Lichtempfangseinrichtung angelegt, und das optische Signal wird von dieser fotoleitfähigen Lichtempfangseinrichtung empfangen. Der bei Empfang von Licht erzeugte und in der fotoleitfähigen Lichtempfangseinrichtung fließende Strom spiegelt einen Produktwert des angelegten Spannungssignals und des optischen Signals wider und enthält eine Gleichstromkomponente, die der Phasendifferenz zwischen dem angelegten Spannungssignal und derjenigen Komponente des optischen Signals entspricht, die die gleiche Helligkeitsmodulationsfrequenz aufweist wie das angelegte Spannungssignal. Der zeitliche Mittelwert des in der fotoleitfähigen Lichtempfangseinrichtung fließenden Stroms oder einer durch Umwandlung dieses Stroms erhaltenen Spannung wird arithmetisch gebildet, und es wird nur die Gleichstromkomponente extrahiert, wodurch die Phasendifferenz zwischen dem angelegten Spannungssignal und derjenigen Komponente des optischen Signals erfaßt wird, die die gleiche Helligkeitsmodulationsfrequenz aufweist wie das angelegte Spannungssignal.
Gemäß dem Verfahren, der Schaltung und der Vorrichtung zur Phasendifferenzerfassung wird das Produkt aus dem angelegten Spannungssignal und dem optischen Signal direkt von der fotoleitfähigen Lichtempfangseinrichtung erzeugt, und der bei der Bildung des zeitlichen Mittelwertes des erzeugten Produkts erhaltene Wert wird gemessen, wodurch die Phasendifferenz erfaßt wird. Daher läßt sich die Phasendifferenz zwischen dem optischen Signal und dem elektrischen Signal einfach und genau erfassen.
Zudem braucht man bei der Anwendung des Phasendifferenzerfassungsverfahrens, der -schaltung und der -vorrichtung der vorliegenden Erfindung auf ein optisches Entfernungsmeßgerät keinen schwierig zu handhabenden Hochfrequenzverstärker zu verwenden. Da sich eine Verringerung der Entfernungsmeßgenauigkeit aufgrund von Kriechen eines Hochfrequenzsignals verhindern läßt, kann die Entfernungsmessung mit großer Genauigkeit durchgeführt werden.
Die vorliegende Erfindung wird durch die nachfolgende ausführliche Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen besser verständlich, die nur zu Erläuterungszwecken dienen und daher nicht als die vorliegende Erfindung einschränkend betrachtet werden sollen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Schaltplan der Grundanordnung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
die 2 und 3 sind graphische Darstellungen zur Erläuterung einer ersten Ausführungsform (Rechteckwelleneingang) eines Phasendifferenzerfassungsverfahrens,
die 4 und 5 sind graphische Darstellungen zur Erläuterung einer zweiten Ausführungsform (Sinuswelleneingang) eines Phasendifferenzerfassungsverfahrens,
die 6 und 7 sind graphische Darstellungen zur Erläuterung angelegter Spannungssignale,
8 ist ein Schaltplan, der eine erste Anordnung einer Phasendifferenzerfassungsschaltung zeigt,
die 9 bis 11 sind Graphen zur Erläuterung der Kennlinien einer fotoleitfähigen Lichtempfangseinrichtung,
12 ist ein Schaltplan, der eine zweite Anordnung der Phasendifferenzerfassungsschaltung zeigt,
13 ist ein Schaltplan, der eine dritte Anordnung der Phasendifferenzerfassungsschaltung zeigt,
14 ist ein Schaltplan, der eine vierte Anordnung der Phasendifferenzerfassungsschaltung zeigt,
15 ist ein Schaltplan, der eine fünfte Anordnung der Phasendifferenzerfassungsschaltung zeigt,
16 ist ein Schaltplan, der eine sechste Anordnung der Phasendifferenzerfassungsschaltung zeigt,
17 ist ein Schaltplan, der eine Ausführungsform einer Phasendifferenzerfassungsvorrichtung zeigt,
18 ist eine graphische Darstellung zur Erläuterung eines normierten Phasendifferenzsignals bei Empfang einer Rechteckwelle,
19 ist eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Erzeugung eines Intervallsignals bei Empfang der Rechteckwelle,
20 ist eine graphische Darstellung zur Erläuterung einer Phasendifferenzausgabe,
21 ist eine graphische Darstellung zur Erläuterung eines normierten Signals bei Empfang einer Sinuswelle,
22 ist eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Erzeugung des Intervallsignals bei Empfang der Sinuswelle.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Gleiche Bezugszahlen und -zeichen in allen Zeichnungen bezeichnen die gleichen Elemente, und eine ausführliche Beschreibung davon wird weggelassen.
1 ist ein Schaltplan der Grundanordnung des Hauptteils einer Phasendifferenzerfassungsvorrichtung. Wie in 1 gezeigt besteht der Hauptteil dieser Vorrichtung aus einer fotoleitfähigen Lichtempfangseinrichtung 110, einer Spannung anlegenden Einheit 200, einer Strom-Spannungs-Umwandlungseinheit 120, einem Tiefpaßfilter (TPF) 130 und einer Vorspannungsregeleinheit 140. Die Spannung anlegende Einheit 200 legt eine einem elektrischen Eingangssignal entsprechende Spannung an die fotoleitfähige Lichtempfangseinrichtung 110 an. Die Strom-Spannungs- Umwandlungseinheit 120 empfängt den in der fotoleitfähigen Lichtempfangseinrichtung 110 fließenden Strom, der entsprechend der angelegten Spannung und der Lichtempfangsmenge erzeugt wurde, und wandelt den Stromwert in einen Spannungswert um. Der Tiefpaßfilter 130 erzeugt den zeitlichen Mittelwert der Spannungssignalausgabe aus der Strom-Spannungs-Umwandlungseinheit 120 und gibt einen Gleichstromkomponentenwert aus. Die Vorspannungsregelschaltung 140 stellt die Funktionsweise der fotoleitfähigen Lichtempfangseinrichtung 110 so ein, daß ein Ausgangsstromwert in bezug auf einfallendes Gleichlicht, wie etwa Hintergrundlicht, Null wird.
Als fotoleitfähige Lichtempfangseinrichtung 110 wird ein Metall-Halbleiter-Metall-Fotodetektor (MSM = Metal Semiconductor Metal) oder dergleichen verwendet. Bei diesem Fotodetektor stellt eine in der fotoleitfähigen Lichtempfangseinrichtung fließende Strommenge eine im wesentlichen ungerade Funktion der angelegten Spannung dar.
Eine Ausführungsform eines Phasendifferenzerfassungsverfahrens wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 1 beschrieben.
(Erste Ausführungsform des Phasendifferenzerfassungsverfahrens (beide Signale sind Rechteckwellensignale mit der gleichen Periode))
Die 2 und 3 sind erläuternde graphische Darstellungen dieser Ausführungsform. 2 ist eine graphische Darstellung, die Eingangssignale (d.h. ein angelegtes Spannungssignal (V_I) und ein optisches Signal (I_I) der Lichtstärke) zur fotoleitfähigen Lichtempfangseinrichtung 110 bei dieser Ausführungsform zeigt. Wie in 2 gezeigt sind die Signale V_I und I_I periodisch. Die Signale V_I und I_I werden innerhalb einer Periode (0<ωt<2π), wenn eine Phasendifferenz Φ≤π erfüllt, durch die folgenden Gleichungen dargestellt.
wobei A: Amplitude des Spannungssignals
B: einfallende Lichtstärke 1
C: einfallende Lichtstärke 2
Die fotoleitfähige Lichtempfangseinrichtung 110 erzeugt einen Strom, der zu jedem Zeitpunkt einem Produktwert der Signale V_I und I_I entspricht. Es sei angenommen, daß eine Periode wie in 2 in Intervalle ➀ bis ➃ unterteilt ist. In diesem Fall werden Ausgangsspannungswerte W1 bis W4 aus der Strom-Spannungs-Umwandlungseinheit 120 in diesen Intervallen folgendermaßen dargestellt. W1 = K1*K2*K3*A*B ...(3) W2 = K1*K2*K3*A*C ...(4) W3 = –K1*K2*K3*A*C ...(5) W4 = –K1*K2*K3*A*B ...(6)wobei
K1: Proportionalitätskonstante des Ausgangsstroms bezüglich der an die fotoleitfähige Lichtempfangseinrichtung angelegten Spannung
K2: Proportionalitätskonstante des Ausgangsstroms bezüglich der Eingangslichtstärke der fotoleitfähigen Lichtempfangseinrichtung
K3: Umwandlungskonstante der Strom-Spannungs-Umwandlungseinheit
Daher wird ein Phasendifferenz-Ausgangswert (PHA) W vom Tiefpaßfilter 130 folgendermaßen dargestellt. W = K1*K2*K3*A(B–C) (1/2–Φ/π) ...(7)
Wenn die Phasendifferenz π<Φ<2π beträgt, wird der Wert W auf ähnliche Weise folgendermaßen dargestellt. W = K1*K2*K3*A(B–C) (Φ/π-3/2) ...(8)
Das heißt, der Phasendifferenz-Ausgangswert (PHA) W ändert sich polygonal in bezug auf die Phasendifferenz Φ und wird Null, wenn Φ = π/2 oder Φ = 3π/2 (3) Wenn die Phasendifferenz Φ so eingestellt ist, daß sie sich in einem Bereich von 2nπ≤Φ≤(2n+1)π oder (2n-1)π≤Φ≤2nπ (n: ganze Zahl) verändert, kann daher die Phasendifferenz aus dem Phasendifferenz-Ausgangswert (PHA) W erfaßt werden.
(Zweite Ausführungsform des Phasendifferenzerfassungsverfahrens (beide Signale sind Sinuswellensignale mit der gleichen Periode))
Die 4 und 5 sind erläuternde graphische Darstellungen der zweiten Ausführungsform. 4 ist eine graphische Darstellung, die Eingangssignale (d.h. ein angelegtes Spannungssignal (V_I) und ein optisches Signal (I_I)) zu einer fotoleitfähigen Lichtempfangseinrichtung 110 bei dieser Ausführungsform zeigt. Wie in 4 gezeigt sind die Signale V_I und I_I periodisch. Die Signale V_I und I_I werden innerhalb einer Periode (0<ωt<2π), wenn eine Phasendifferenz Φ≤π erfüllt, durch die folgenden Gleichungen dargestellt. VI = A*sinωt ...(9) II = B*sin(ωt–Φ)+Io ...(10)wobei ω: Kreisfrequenz
Wie bei der obigen ersten Ausführungsform erzeugt die fotoleitfähige Lichtempfangseinrichtung 110 einen Strom, der zu jedem Zeitpunkt einem Produktwert der Signale V_I und I_I entspricht. Ein Ausgangsspannungswert w aus einer Strom-Spannungs-Umwandlungseinheit 120 wird zu jedem Zeitpunkt folgendermaßen dargestellt. w = K1*K2*K3*VI*II = K1*K2*K3*A(Bsinωt*sin(ωt-Φ)+Iosinωt) ...(11)
Daher wird ein Phasendifferenz-Ausgangswert (PHA) W von einem Tiefpaßfilter 130 durch die folgende Gleichung dargestellt.
wobei θ = ωt.
Das heißt, der Phasendifferenz-Ausgangswert (PHA) W ändert sich entlang einer Kosinuskurve in bezug auf die Phasendifferenz Φ und wird Null, wenn Φ = π/2 oder Φ = 3π/2 (5). Wenn die Phasendifferenz Φ so eingestellt ist, daß sie sich in einem Bereich von 2nπ≤Φ≤(2n+1)π (n: ganze Zahl) oder (2n-1)π≤Φ≤2nπ (n: ganze Zahl) verändert, dann kann die Phasendifferenz aus dem Phasendifferenz-Ausgangswert (PHA) W erfaßt werden.
Die typischen Ausführungsformen des Phasenerfassungsverfahrens sind oben beschrieben worden. Die Signalformen der angelegten Spannungs- und optischen Signale, die der Phasendifferenzerfassung unterliegen, sind nicht auf die oben beschriebene Rechteck- oder Sinuswelle beschränkt. Solange es sich um ein periodisches Signal mit einem zeitlichen Mittelwert von fast Null handelt und seine Amplitude, wenn der Anfangspunkt an einen Zwischenpunkt zwischen den nebeneinanderliegenden Zeiten gesetzt wird, an denen die Amplitude Null wird, eine gerade Funktion der Zeit darstellt, kann das Phasenerfassungsverfahren durchgeführt werden. So kann beispielsweise auch eine in 6 gezeigte Dreieckwelle oder eine in 7 gezeigte Trapezwelle verwendet werden. Die angelegten Spannungs- und optischen Signale müssen keine gleichartige Signalform aufweisen. Solange beide Signale die gleiche Periode und einen zeitlichen Mittelwert von fast Null aufweisen und ihre Amplituden, wenn der Anfangspunkt an einen Zwischenpunkt zwischen den nebeneinanderliegenden Zeiten gesetzt wird, an denen die Amplitude Null wird, eine gerade Funktion der Zeit darstellen, kann das Phasenerfassungsverfahren durchgeführt werden.
Nachfolgend wird eine Ausführungsform einer Phasendifferenzschaltung zur Umsetzung des obigen Phasendifferenzerfassungsverfahrens beschrieben. 8 ist ein Schaltplan, der die erste Anordnung einer Phasendifferenzerfassungsschaltung zeigt. Diese Phasendifferenzerfassungsschaltung besteht aus einer fotoleitfähigen Lichtempfangseinrichtung 110, Verbindungskondensatoren C1 und C2, Drosselspulen L1 und L2, einer Strom-Spannungs-Umwandlungseinheit 120, einem Tiefpaßfilter 130 und einer Vorspannungsregelschaltung 140. Die fotoleitfähige Lichtempfangseinrichtung 110 empfängt ein optisches Signal (I_I) und ein Signal der angelegten Spannung (V_I) und bildet daraus arithmetisch ein Produkt des optischen und des Spannungssignals, wodurch sie ein Stromsignal ausgibt, das die Phasendifferenz zwischen reflektiertem moduliertem Licht und einem modulierten Signal widerspiegelt. Die Verbindungskondensatoren C1 und C2 legen das Spannungssignal der Wechselstromkomponente des Spannungssignals an die fotoleitfähige Lichtempfangseinrichtung 110 an. Die Drosselspulen L1 und L2 leiten das von der fotoleitfähigen Lichtempfangseinrichtung 110 erzeugte Stromsignal weiter. Die Strom-Spannungs-Umwandlungseinheit 120 wandelt die Wechselstromkomponente des in der fotoleitfähigen Lichtempfangseinrichtung 110 und den Drosselspulen L1 und L2 fließenden Stromsignals in eine Spannung um. Der Tiefpaßfilter 130 bildet den zeitlichen Mittelwert des von der Strom-Spannungs-Umwandlungseinheit 120 ausgegebenen Spannungssignals arithmetisch und gibt ihn aus. Die Vorspannungsregelschaltung 140 regelt den Vorspannungswert der an die fotoleitfähige Lichtempfangseinrichtung 110 angelegten Spannung.
Die fotoleitfähige Lichtempfangseinrichtung 110 besteht aus einem Metall-Halbleiter-Metall-Sensor (MSM = Metal Semiconductor Metal) aus GaAs. Es sei angenommen, daß die einfallende Lichtstärke konstant ist und es sich bei dem Signalwert für die angelegte Spannung um eine unabhängige Variable handelt. In diesem Fall weist die fotoleitfähige Lichtempfangseinrichtung 110 Kennlinien auf, bei denen eine in der fotoleitfähigen Lichtempfangseinrichtung fließende Strommenge innerhalb eines vorbestimmten Bereichs, der einen Signalwert der angelegten Spannung von 0 V einschließt, eine ungerade Funktion des Signals der angelegten Spannung darstellt. Die 9 bis 11 sind Graphen, die als Beispiele für die Kennlinien der fotoleitfähigen Lichtempfangseinrichtung dienen, die auf die Phasendifferenzerfassungsschaltung dieser Ausführungsform angewendet werden kann.
Die Strom-Spannungs-Umwandlungseinheit 120 besteht aus einem Operationsverstärker A2 und einem Widerstand R2. Ein Wechselstrom-Eingangssignal wird vom Widerstand R2 in eine Spannung umgewandelt, und ein Spannungssignal wird ausgegeben.
Der Tiefpaßfilter 130 besteht aus einem Operationsverstärker A1, einem Kondensator C4 und einem Widerstand R1. Der Tiefpaßfilter 130 integriert das eingegebene Spannungssignal mit einer Zeitkonstante, die durch ein Produkt der Kapazität des Kondensators C4 und des Widerstandes des Widerstandes R1 definiert wird, um arithmetisch den zeitlichen Mittelwert zu bilden, wodurch im wesentlichen eine der Phasendifferenz entsprechende Gleichspannung ausgegeben wird.
Die Vorspannungsregelschaltung 140 besteht aus einem Regelwiderstand VR1 für das Regeln eines Vorspannungswertes und den Gleichstromquellen E1 und E2, die mit den Anschlüssen des Regelwiderstands VR1 und in Reihe auch miteinander verbunden sind. Der Verbindungspunkt zwischen den Gleichstromquellen E1 und E2 wird auf Erdpotential eingestellt.
Bei der Schaltung dieser Ausführungsform wird die Wechselstromkomponente des von der Spannung anlegenden Einheit 200 eingegebenen Spannungssignals an die fotoleitfähige Lichtempfangseinrichtung 110 angelegt. Wenn ein optisches Signal auf die fotoleitfähige Lichtempfangseinrichtung 110 einfällt, an die das Spannungssignal angelegt wird, fließt ein dem Produktwert des angelegten Spannungssignals und der optischen Signale entsprechender Strom in der fotoleitfähigen Lichtempfangseinrichtung 110. Dieses Stromsignal wird durch die Drosselspule L2 in die Strom-Spannungs-Umwandlungseinheit 120 eingegeben, in ein Spannungssignal (WSA) umgewandelt und ausgegeben. Dieses Spannungssignal enthält eine Wechselstromkomponente, die nicht vollständig von den Drosselspulen L1 und L2 beseitigt worden ist. Der Tiefpaßfilter empfängt das Spannungssignal und bildet arithmetisch den zeitlichen Mittelwert, wobei eine Gleichspannung (PHA) ausgegeben wird. Dieser Gleichspannungswert stimmt mit dem Phasendifferenzausgangswert (PHA) W bei dem obigen Phasendifferenzerfassungsverfahren überein. Durch die Vorspannungsregelschaltung 140 wird der Phasendifferenzausgangswert so eingestellt, daß er beim Einfallen von Gleichlicht, wie etwa Hintergrundlicht, "0 V" wird. In diesem Fall kann bei der Phasendifferenz von Φ = π/2 oder 3π/2 ein Ausgangswert von "0 V" erhalten werden, selbst wenn die Stromkennlinie der fotoleitfähigen Lichtempfangseinrichtung 110 in bezug auf das angelegte Spannungssignal keine Kennlinie einer ungeraden Funktion darstellt, wie in 9 durch eine gestrichelte Linie angedeutet.
Selbst wenn das Verfahren des Anlegens eines Spannungssignals der Anordnung aus 8 in die in 12 gezeigte zweite Anordnung der Phasendifferenzerfassungsschaltung oder in die in 13 gezeigte dritte Anordnung der Phasendifferenzschaltung abgeändert wird, kann auch eine der Phasendifferenz entsprechende Gleichspannungsausgabe erhalten werden. Wie in den 14 bis 16 gezeigt kann selbst dann eine der Phasendifferenz entsprechende Gleichspannungsausgabe erhalten werden, wenn die Strom-Spannungs-Umwandlungseinheit 120 und der Tiefpaßfilter 130 in den 8, 12 und 13 integriert ausgeführt und durch einen Filter 150 ersetzt worden sind.
Eine Ausführungsform einer Phasendifferenzerfassungsvorrichtung, die die obige Phasendifferenzerfassungsschaltung verwendet, wird nachfolgend beschrieben.
17 ist ein Schaltplan, der eine Ausführungsform einer Phasendifferenzvorrichtung zeigt. Die Vorrichtung dieser Ausführungsform verwendet die Phasendifferenzerfassungsschaltung aus 8, 12 oder 13. Wie in 17 gezeigt besteht diese Vorrichtung zusätzlich zu der in 1 gezeigten Grundanordnung aus (a) einer Signalauswahleinheit 400, (b) einem Hochpaßfilter (HPF) 160, (c) einer Spitzenwerterfassungseinheit 170, (d) einer Steuereinheit 310, (e) einer Betriebseinheit 320 und (f) einer Umwandlungseinheit 330. Die Signalauswahleinheit 400 wählt ein Signal aus, das in eine Spannung anlegende Einheit 200 eingegeben werden soll. Der Hochpaßfilter 160 empfängt das von dem Wechselstromausgangsanschluß (WSA) einer Strom-Spannungs-Umwandlungseinheit 120 ausgegebene Signal und gibt nach Entfernen einer Gleichstromkomponente ein Signal aus. Die Spitzenwerterfassungseinheit 170 empfängt das von dem Hochpaßfilter 160 ausgegebene Signal und mißt einen Spitzenwert. Die Steuereinheit 310 liefert eine Auswahlbezeichnung an die Signalauswahleinheit 400. Die Betriebseinheit 320 empfängt Ausgangssignale von einem Tiefpaßfilter 130 und der Spitzenwerterfassungseinheit 170 und gibt ein normiertes Phasendifferenzsignal und ein Intervallsignal aus, das entsprechend der Auswahlbezeichnung von der Steuereinheit 310 das Intervall einer Phasendifferenz angibt. Die Umwandlungseinheit 330 empfängt das normierte Phasendifferenzsignal und das Intervallsignal, wandelt diese Signale in einen Phasendifferenzwert um und gibt das für die Phasendifferenz eindeutige Phasendifferenzsignal aus.
Die Signalauswahleinheit 400 besteht aus ➀ einem Phasenschieber 420, ➁ einem Spitzenwertdetektor 430 und ➂ einem Schalter 410. Der Phasenschieber 420 verschiebt die Phase eines elektrischen Eingangssignals um π/2. Der Spitzenwertdetektor 430 mißt den Spitzenwert des elektrischen Eingangssignals. Der Schalter 410 wählt gemäß der Auswahlbezeichnung von der Steuereinheit 310 entweder das elektrische Eingangssignal (Auswahl 1) oder ein Ausgangssignal aus dem Phasenschieber 420 (Auswahl 2) oder ein Ausgangssignal aus dem Spitzenwertdetektor 430 (Auswahl 3) aus und führt das ausgewählte Signal der Spannung anlegenden Einheit 200 zu.
Von dieser Vorrichtung wird die Phasenerfassungsoperation wie folgt durchgeführt.
[Rechteckwelleneingangssignal (Figur 2 und 3)]
Zuerst teilt die Steuereinheit 310 dem Schalter 410 und der Betriebseinheit 320 die Auswahlbezeichnung der Auswahl 3 mit. Bei dieser Einstellung wird ein Ausgangswert V vom Hochpaßfilter 160 durch die folgende Gleichung dargestellt. V = (1/2)*K1*K2*K3*A(CB) ...(13)
Der Wert V ist der Maximalwert des Wertes W, der durch die Gleichung (7) oder (8) dargestellt wird. Die Betriebseinheit 320 empfängt und speichert diesen Wert V.
Die Steuereinheit 310 teilt dann dem Schalter 410 und der Betriebseinheit 320 die Auswahlbezeichnung der Auswahl 1 mit. Bei dieser Einstellung ist ein Ausgangswert vom Tiefpaßfilter 130 der Wert W, der durch die Gleichung (7) oder (8) dargestellt wird. Die Betriebseinheit 320 empfängt den Wert W und teilt ihn durch den Wert V und gibt ein normiertes Phasendifferenzsignal U aus. 18 ist ein Graph, der eine Veränderung beim Phasendifferenzsignal U in bezug auf eine Phasendifferenz Φ zeigt. Das Phasendifferenzsignal U hängt nicht vom Amplitudenwert eines Spannungssignals und dem Lichtstärkewert eines in die fotoleitfähige Lichtempfangseinrichtung 110 eingegebenen optischen Signals ab. Aus diesem Grund kann die Phasendifferenz durch Verwendung des Phasendifferenzsignals U unabhängig vom Amplitudenwert des angelegten Spannungssignals und dem Lichtstärkewert des in die fotoleitfähige Lichtempfangseinrichtung 110 eingegebenen optischen Signals erfaßt werden.
Wie oben beschrieben kann eine Phasendifferenz, wenn sie sich innerhalb eines Bereiches von 0 bis π oder π bis 2π ändert, eindeutig aus dem Wert des Phasendifferenzsignals U erhalten werden.
Wenn sich die Phasendifferenz jedoch innerhalb eines Bereiches von 0 bis 2π ändert, können zwei Phasendiffe renzwerte als Kandidaten für ein Phasendifferenzsignal U erhalten werden. Aus diesem Grund läßt sich eine Phasendifferenz nur mit der obigen Meßoperation nicht eindeutig bestimmen. In diesem Fall teilt die Steuereinheit 310 dem Schalter 410 und der Betriebseinheit 320 nach der obigen Meßoperation die Auswahlbezeichnung der Auswahl 2 mit. Bei dieser Einstellung wird ein Ausgangswert vom Tiefpaßfilter 130 erhalten, indem man im Wert W, der durch die Gleichung (7) oder (8) dargestellt wird, Φ durch (Φ+π/2) ersetzt, wie in einem Graph in 19 gezeigt. Wie aus diesem Graph zu erkennen ist, wird der Wert W in einem Phasendifferenzbereich von 0 bis π positiv. In einem Phasendifferenzbereich von π bis 2π wird der wert W negativ. Die Betriebseinheit 320 empfängt den Wert W und gibt den positiven bzw. negativen Zustand des Wertes W als Intervallsignal aus. Die Umwandlungseinheit 330 empfängt diese Vorzeicheninformation und das Phasendifferenzsignal U, wandelt sie in einen eindeutigen Phasendifferenzwert um und gibt ein Phasendifferenz-Ausgangssignal wie in 20 gezeigt aus. Es sei angemerkt, daß die Erzeugung eines Intervallsignals und der Betrieb der Umwandlungseinheit 330 selbst dann angewendet werden können, wenn sich die Phasendifferenz innerhalb eines Bereiches von 0 bis π oder π bis 2π ändert.
[Sinuswelleneingangssignal (Figuren4 und 5)]
Bei der Vorrichtung dieser Ausführungsform kann eine Phasendifferenz auf die gleiche Weise wie beim Empfang einer Rechteckwelle auch beim Empfang einer Sinuswelle erfaßt werden.
Die Steuereinheit 310 teilt dem Schalter 410 und der Betriebseinheit 320 die Auswahlbezeichnung der Auswahl 3 mit. Bei dieser Einstellung wird ein Ausgangswert V vom Hochpaßfilter 160 durch die folgende Gleichung dargestellt. V = (1/2)*K1*K2*K3*A*B ...(14)
Der Wert V ist der Maximalwert des Wertes W, der durch die Gleichung (12) dargestellt wird. Die Betriebseinheit 320 empfängt und speichert diesen Wert V.
Die Steuereinheit 310 teilt dem Schalter 410 und der Betriebseinheit 320 die Auswahlbezeichnung der Auswahl 1 mit. Bei dieser Einstellung ist ein Ausgangswert vom Tiefpaßfilter 130 der Wert W, der durch die Gleichung (12) dargestellt wird. Die Betriebseinheit 320 empfängt den Wert W und teilt ihn durch den Wert V und gibt ein normiertes Phasendifferenzsignal U aus. 21 ist ein Graph, der eine Veränderung beim Phasendifferenzsignal U in bezug auf die Phasendifferenz Φ zeigt. Das Phasendifferenzsignal U hängt nicht vom Amplitudenwert eines Spannungssignals und dem Lichtstärkewert eines in die fotoleitfähige Lichtempfangseinrichtung 110 eingegebenen optischen Signals ab. Aus diesem Grund kann die Phasendifferenz durch Verwendung des Phasendifferenzsignals U unabhängig vom Amplitudenwert des angelegten Spannungssignals und dem Lichtstärkewert des in die fotoleitfähige Lichtempfangseinrichtung 110 eingegebenen optischen Signals erfaßt werden.
Wie oben beschrieben kann eine Phasendifferenz, wenn sie sich innerhalb eines Bereiches von 0 bis π oder π bis 2π ändert, eindeutig aus dem Wert des Phasendifferenzsignals U erhalten werden.
Wenn sich die Phasendifferenz jedoch innerhalb eines Bereiches von 0 bis 2π ändert, können, wie aus 21 ersichtlich ist, zwei Phasendifferenzwerte für ein Phasendifferenzsignal U erhalten werden. Aus diesem Grund läßt sich die Phasendifferenz mit nur der obigen Meβoperation nicht eindeutig bestimmen. In diesem Fall teilt die Steuereinheit 310 dem Schalter 410 und der Betriebseinheit 320 nach der obigen Meßoperation die Auswahlbezeichnung der Auswahl 2 mit. Bei dieser Einstellung wird ein Ausgangswert vom Tiefpaßfilter 130 erhalten, indem man im Wert W, der durch die Gleichung (12) dargestellt wird, Φ durch (Φ+π/2) ersetzt, wie in einem Graph in 22 gezeigt. Wie aus diesem Graph zu erkennen ist, wird der Wert W in einem Phasendifferenzbereich von 0 bis π positiv. In einem Phasendifferenzbereich von π bis 2π wird der Wert W negativ. Die Betriebseinheit 320 empfängt den Wert W und gibt den positiven bzw. negativen Zustand des Wertes W als Intervallsignal aus. Die Umwandlungseinheit 330 empfängt diese Vorzeicheninformation und das Phasendifferenzsignal U, wandelt sie in einen eindeutigen Phasendifferenzwert um und gibt ein Phasendifferenz-Ausgangssignal wie in 20 gezeigt aus. Wird eine Sinuswelle eingegeben, können wie beim Empfang einer Rechteckwelle die Erzeugung eines Intervallsignals und der Betrieb der Umwandlungseinheit 330 selbst dann angewendet werden, wenn sich die Phasendifferenz innerhalb eines Bereiches von 0 bis π oder π bis 2π ändert.
Gemäß der Vorrichtung dieser Ausführungsform ist eine Eingangswelle nicht auf die Rechteck- oder Sinuswelle beschränkt. Selbst wenn, wie in 6 und 7 gezeigt, eine Dreieck- oder Trapezwelle eingegeben wird, kann die Phasendifferenz erfaßt werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obigen Ausführungsformen beschränkt, und verschiedene Änderungen und Modifikationen können vorgenommen werden. Die obigen Ausführungsformen dienen als Beispiele für eine MSM-Lichtempfangseinrichtung aus einem GaAs-Material als dem fotoleitfähigen Lichtempfangselement. Es können jedoch auch verschiedenartige, in Yoshida et al.: "High-Speed Silicon Switch", Applied Physics, Bd. 50, Nr. 5, S. 489–495, vorgeschlagene Materialien (z.B. einkristallines Silizium, InP und amorphes Silizium) verwendet werden. Zusätzlich dazu kann auch eine CdS-Zelle verwendet werden, die sich allerdings nicht für einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb eignet.
Daher könnten verschiedenartige Modifikationen und Veränderungen an den oben beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden, ohne daß diese außerhalb des Schutzbereiches der vorliegenden Erfindung fallen, der von den Ansprüchen bestimmt wird.

Claims

Phasendifferenzerfassungsverfahren, das folgendes umfaßt Anlegen eines elektrischen Signals mit einer ersten Frequenz an eine fotoleitfähige Lichtempfangseinrichtung, Anlegen eines mit der ersten Frequenz modulierten optischen Signals an die fotoleitfähige Lichtempfangseinrichtung, Erzeugen eines Stroms durch die fotoleitfähige Lichtempfangseinrichtung entsprechend einem Produkt aus dem elektrischen Signal und dem optischen Signal, Erzeugen eines zeitlichen Mittelwerts des Stroms oder einer nach Umwandlung aus dem Strom erhaltenen Spannung und Ausgeben des zeitlichen Mittelwerts, wobei dieser der Phasendifferenz zwischen dem elektrischen Signal und dem optischen Signal entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin folgendes umfaßt Umwandeln des Wertes des durch die fotoleitfähige Lichtempfangseinrichtung erzeugten Stroms in einen Spannungswert.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem bei der fotoleitfähigen Lichtempfangseinrichtung unter der Voraussetzung, daß die einfallende Lichtstärke konstant gehalten und eine Eingangsspannung unabhängig variiert wird, die Menge des durch die fotoleitfähige Lichtempfangseinrichtung erzeugten Stroms eine im wesentlichen ungerade Funktion der angelegten Eingangsspannung einschließlich 0 V darstellt und unter der Voraussetzung, daß die Eingangsspannung konstant gehalten und die einfallende Lichtstärke unabhängig variiert wird, die Menge des durch die fotoleitfähige Lichtempfangseinrichtung erzeugten Stroms eine im wesentlichen lineare Funktion der einfallenden Lichtstärke innerhalb eines vorbestimmten Bereichs der einfallenden Lichtstärke darstellt und das an die fotoleitfähige Lichtempfangseinrichtung angelegte elektrische Signal ein periodisches Signal mit einem zeitlichen Mittelwert von fast Null ist und eine Amplitude des elektrischen Signals eine gerade Funktion der Zeit darstellt, wenn der Anfangspunkt an einen Mittelpunkt zwischen nebeneinanderliegenden Zeitpunkten gesetzt wird, wo die Amplitude Null wird.
Phasendifferenzerfassungsschaltung, die folgendes umfaßt eine Spannung anlegende Einheit (200) für das Anlegen eines Spannungssignals mit einer ersten Frequenz, eine fotoleitfähige Lichtempfangseinrichtung (110), die mit dem Spannungssignal und einem mit der ersten Frequenz modulierten optischen Signal versorgt wird, für das Erzeugen eines Stroms entsprechend einem Produkt aus dem Spannungssignal und dem optischen Signal, eine Zeitmittelwertschaltung (130) für das Erzeugen und Ausgeben eines zeitlichen Mittelwerts des Stroms oder einer nach Umwandlung aus dem Strom erhaltenen Spannung, wobei der zeitliche Mittelwert der Phasen different zwischen dem Spannungssignal und dem optischen Signal entspricht.
Phasendifferenzerfassungsschaltung nach Anspruch 4, die folgendes umfaßt: eine Strom-Spannungs-Umwandlungseinheit (120) für das Umwandeln des von der fotoleitfähigen Lichtempfangseinrichtung (110) erzeugten Stroms in eine Spannung.
Phasendifferenzerfassungsschaltung nach Anspruch 4, die weiterhin eine Vorspannungsregelschaltung (140) für das Regeln einer Betriebsvorspannung zur fotoleitfähigen Lichtempfangseinrichtung (110) umfaßt.
Phasendifferenzerfassungsschaltung nach Anspruch 4, bei der bei der fotoleitfähigen Lichtempfangseinrichtung (110) unter der Voraussetzung, daß die einfallende Lichtstärke konstant, und eine Eingangsspannung eine unabhängige Variable ist, die Menge des durch die fotoleitfähige Lichtempfangseinrichtung (110) erzeugten Stroms eine im wesentlichen ungerade Funktion der Eingangsspannung in einem vorbestimmten Bereich einschließlich 0 V darstellt und unter der Voraussetzung, daß die Eingangsspannung konstant und die einfallende Lichtstärke eine unabhängige Variable ist, die Menge des durch die fotoleitfähige Lichtempfangseinrichtung (110) erzeugten Stroms eine im wesentlichen lineare Funktion der einfallenden Lichtstärke innerhalb eines vorbestimmten Bereichs der einfallenden Lichtstärke darstellt.
Phasendifferenzerfassungsschaltung nach Anspruch 7, bei der die fotoleitfähige Lichtempfangseinrichtung (110) ein Fotodetektor mit einer Metall-Halbleiter-Metall-Struktur ist.
Phasendifferenzerfassungsschaltung nach Anspruch 5, bei der die Zeitmittelwertschaltung (130) eine Spannungsmittelwertschaltung umfaßt, die die von der Strom-Spannungs-Umwandlungseinheit (120) ausgegebene Spannung empfängt und einen zeitlichen Mittelwert davon erzeugt.
Phasendifferenzerfassungsvorrichtung, die eine Phasendifferenzerfassungsschaltung nach Anspruch 4 umfaßt und bei der die Spannung anlegende Einheit (200) angeordnet ist, um ein elektrisches Signal mit der ersten Frequenz zu empfangen und das Spannungssignal an die fotoleitfähige Lichtempfangseinrichtung (110) anzulegen.
Phasendifferenzerfassungsvorrichtung nach Anspruch 10, bei der bei der fotoleitfähigen Lichtempfangseinrichtung (110) unter der Voraussetzung, daß die einfallende Lichtstärke konstant, und eine Eingangsspannung eine unabhängige Variable ist, die Menge des durch die fotoleitfähige Lichtempfangseinrichtung (110) erzeugten Stroms eine im wesentlichen ungerade Funktion der Eingangsspannung in einem vorbestimmten Bereich einschließlich 0 V darstellt und unter der Voraussetzung, daß die Eingangsspannung konstant und die einfallende Lichtstärke eine unabhängige Variable ist, die Menge des durch die fotoleitfähige Lichtempfangseinrichtung (110) erzeugten Stroms eine im wesentlichen lineare Funktion der einfallenden Lichtstärke innerhalb eines vorbestimmten Bereichs der einfallenden Lichtstärke darstellt und das durch die Spannung anlegende Einheit (200) angelegte Spannungssignal ein periodisches Signal mit einem zeitlichen Mittelwert von fast Null ist und die Amplitude des Spannungssignals eine gerade Funktion der Zeit darstellt, wenn der Anfangspunkt an einen Mittelpunkt zwischen nebeneinanderliegenden Zeitpunkten gesetzt wird, wo die Amplitude Null wird.