SU1689764A1 - Устройство дл измерени отклонени светового пучка - Google Patents

Abstract

Изобретение может быть использовано дл  измерени  отклонени  светового пучка от начального положени . Цель изобретени  - упрощение устройства при измерении модул  отклонени  светового пучка от оптической оси устройства, Устройство обеспечивает получение путем преобразовани  сигналов с катодов и анодов четырехэле- ментного фотодиода 1 сигнала, пропорционального квадрату отклонений светового пучка. Это достигаетс  путем поочередного подключени  переключател ми 11-14 и коммутатором 4 электродов фотодиода 1 к операционным усилител м 2 и 3, охваченным логарифмической обратной св зью и вычитанием их выходных сигналов в сумматоре 10. Последующее прохождение сигнала через разделительный элемент 8 и синхронный детектор 17 устран ет погрешность от изменени  температуры и светового потока. 1 ил. СО С о 00 о VI о 4

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано дл  регистрации отклонени  световых пучков от начального положени .

Известно устройство дл  определени  отклонени , содержащее четырехэлемент- ный координатный фотодиод с общим анодом , подключенным к источнику напр жени , а катоды элементов фотодиода через резистор подключены к общей шине устройства , между катодами фотодиода включены аналого-цифровые преобразователи, выходы которых подключены к арифметическому блоку 1J.

Недостатком этого устройства  вл ютс  значительные погрешности в определении смещени  светового пучка, падающего одновременно на четыре элемента фотодиода, обусловленные температурным дрейфом токов, утечки элементов фотодиода и изменением световых потоков. Кроме того, устройство имеет большую посто нную времени , котора  определ етс  произведением нагрузочных резисторов и собственных емкостей элементов фотодиода.

Известно также устройство дл  определени  отклонени  светового пучка, содержащее четырехэлементкый координатный фотодиод, с общим анодом подключенным к общей шине устройства, а катоды элементов фотодиода подключены к входам дифференциальных усилителей, выходы которых через аналого-цифровые преобразователи подключены к арифметическому устройству 2.

Недостатком этого технического решени   вл ютс  погрешности из-за температурного дрейфа напр жени  смещени  усилителей и из-за изменени  световых потоков регистрируемого пучка. Кроме того, устройство имеет низкое быстродействие из-за большой посто нной времени каждого из элементов фотодиода, нагруженных на большие входные сопротивлени  усилител .

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому  вл етс  устройство дл  измерени  отклонени  светового пучка, содержащее координатный четырехэлемен- тный фотодиод, общий электрод которого соединен с общей шиной устройства, а каждый из отдельный электродов через коммутатор подключен к общей шине и через операционный усилитель к сумматору, выход которого через компаратор, соединенный с источником опорных напр жений, подключен к генератору тактовых импульсов , выход которого подключен к управл ющим входам коммутаторов, выход операционных усилителей через разделительные элементы подключены к регистратору 3.

Недостатком устройства  вл етс  то, что при работе в широком динамическом

диапазоне световых потоков не обеспечиваетс  высока  точность устройства. Это св зано с тем, что при регистрации смещени  пучков с разными световыми потоками мен етс  частота съема информации в устрой0 стве, за счет этого устран етс  погрешность из-за изменени  световых потоков и при слабых потоках она оказываетс  достаточно малой, при этом значительно увеличиваютс  динамические погрешности устройства,

5 так как за врем  считывани  информации исследуемый параметр может значительно изменитьс . Кроме того, при измерении мо- .дул  отклонени  устройство усложн етс , так как требуетс  ввести два аналого-цифровых преобразовател  и арифметический

0 блок, осуществл ющий операции возведени  в квадрат, суммировани  и извлечени  квадратного корн , а так как часто требуетс  аналоговый выход, то нужно ввести цифро- аналоговый преобразователь.

5 Цель изобретени  - упрощение устройства при измерении модул  отклонени  светового пучка от оптической оси устройства. Поставленна  цель достигаетс  тем, что в устройство дл  измерени  отклонени  све0 тового пучка, .содержащее четы рехэлемен- тный фотодиод, два операционных . усилител , три коммутатора, генератор тактовых импульсов, разделительный элемент, регистратор, сумматор, ко входам которого

5 подключены выходы операционных усилителей , введены четыре переключател , счетчик , дешифратор и синхронный детектор, при этом катоды фотодиода подключены к входам первого, второго, третьего и четвер0 того переключателей, первые выходы которых объединены и подключены к общей шине, вторые выходы переключателей подключены к инвертирующему входу первого операционного усилител , анод фотодиода

5 через первый коммутатор подключены к инвертирующему входу второго операционного усилител , между выходом и инвертирующими входами первого и второго операционных усилителей включены цепи лога0 рифмирующих обратных св зей и соответственно второй и третий коммутаторы , управл ющие входы первого, второго и третьего коммутаторов подключены к первому , второму и третьему выходам дешиф5 ратора, четвертый, п тый, шестой и седьмой выходы которого подключены к управл ющим входам первого, второго, третьего и четвертого переключателей, восьмой выход дешифратора подключен к управл ющему

входу синхронного детектора, выход которого подключен к регистратору, входы дешифратора подключены к выходам счетчика, подключенного к генератору тактовых импульсов, выход сумматора через разделительный элемент подключен к синх- ронному детектору, а неинвертирующие входы операционных усилителей подключены к общей шине.

Использование логарифмирующей обратной св зи у операционных усилителей, обеспечение поочередной подачи сигнала с каждого фоточувствительного элемента фотодиода на вход операционного усилител  с помощью переключател , генератора, счетчика и дешифратора с последующим вычи- танием из него сигнала второго операционного усилител  на сумматоре позвол ет формировать сигнал, посто нна  составл юща  которого пропорциональна сумме квадратов смещени  светового пучка по двум координатам.

В устройстве обеспечиваетс  формирование простыми средствами выходного сигнала , величина которого пропорциональна отклонению светового пучка от начала коор- динат (от точки пересечени  линий раздела чувствительных элементов фотодиода). Врем  преобразовани  в устройстве не зависит от величины регистрируемого светового потока , а поэтому высокое быстродействие может быть обеспечено во всем диапазоне световых потоков (6-8 пор дков) регистрируемых световых пучков. Благодар  этому за вл емое устройство имеет незначительные динамические погрешности по сравне- нию с прототипом.

На чертеже представлена структурна  схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит четырехэлемент- ный фотодиод 1, два операционных усили- тел  2 и 3, три коммутатора 4-6, генератор 7 тактовых импульсов, разделительный элемент 8, регистратор 9, сумматор 10, к входам которого подключены выходы операционных усилителей 2 и 3. Устройство также содержит четыре переключател  11- 14, счетчик 15, дешифратор 16 и синхронный детектор 17. При этом катоды фотодиода 1 подключены к входным выводам переключателей 11-14, одни выводы кото- рых подключены к общей шине, другие - к инвертирующему входу первого операционного усилител  2. Анод фотодиода 1 через первый коммутатор 4 соединен с инвертирующим входом второго операционного усилител  3, между выходом и инвертирующим входом операционных усилителей 2 и 3 включены соответствующие цепи 18 и 19 логарифмирующей обратной св зи и коммутаторы 5 и 6. Управл ющие входы коммутаторов 5 и 6, переключателей 11-14 и синхронного детектора 17 подключены к соответствующим выходам дешифратора 16, входы которого соединены с выходами счетчика 15, подключенного к генератору 7 тактовых импульсов. Выход сумматора 10 через разделительный элемент 8 подключен к синхронному детектору 17, соединенному с регистратором 9. Неинвертирующие входы операционных усилителей соединены с общей шиной. Регистратор 9 может представл ть собой последовательное соединение первого (20) и второго (21) интеграторов, компаратора 22 и формировател  23 импульсов , выход которого подключен к входам обнулени  интеграторов и  вл етс  выходом регистратора 9, второй вход компаратора 23 подключен к источнику 24 опорного напр жени . В качестве разделительного элемента 8 могут быть использованы конденсатор, трансформатор и т.д. Логарифмические обратные св зи 18 и 19 могут быть осуществлены на транзисторах или диодах .

Устройство работает следующим образом .

Световой пучок, попадающий одновременно на четыре чувствительных элемента фотодиода 1, генерирует в них фототоки, величина каждого из которых пропорциональна величине светового потока, падающего на соответствующий элемент фотодиода 1, и зависит от смещени  центра светового пучка относительно точки пересечени  линий раздела элементов фотодиода 1. Если сориентировать оси координат так, что ось ОУ будет проходить через центр (О), фотодиоды и точку Ki фотодиода 1, а ось ОХ через центр О и точку К2 фотодиода, то при малых смещени х светового пучка фототоки катодов К1,К2,Кз,К4 будут соответственно равны.

-Ф(1 + K.Y)(1)

1к2 д -ФО + к.х)(2)

1кз д -Ф(1-К.У)(3)

1к4 д-Ф(1-К.Х)(4)

где g - чувствительность элементов фотодиода , приведенна  к спектру регистрируемого излучени ,

Ф- световой поток, падающий на один элемент фотодиода 1 при совпадении центра светового пучка с центром чувствительной поверхности фотодиода (О);

К - коэффициент пропорциональности, определ ющий св зь между смещением X, Y центра светового пучка относительно центра фотодиода 1.

Генератор 7, счетчик 15 и дешифратор 16 управл ют состо нием переключателей 11-14, коммутаторов 4-6 и работой синхронного детектора 17.

Устройство работает в восемь тактов.

В первом такте переключатель 11 подключает катод Ki фотодиода 1 к входу усилител  2, переключатели 12-14 подключают катоды Ка, Кз, Ю) к общей шине, коммутаторов 4 замкнут, а коммутаторы 5 и 6 разомкнуты .

При этом на выходе усилител  2 формируетс  напр жение.

U21 r In (g Ф/lNl) + fh In (1 + К Y) + Uc2;

(5)

где fH - температурный потенциал p-n-пере- хода цепи логарифмирующей обратной св зи 18(19);

INI - обратный ток p-n-перехода логарифмирующего элемента 18;

UC2 - посто нное выходное напр жение смещени  усилител  2.

Выходное напр жение усилител  3 оказываетс  равным

Ubi - - pr In (4 g Ф/М + Uc3, (6) где IN2 - обратный ток p-n-перехода элемента цепи логарифмирующей обратной св зи 19;

Uc3 - выходное напр жение смещени  усилител  3.

Дл  обеспечени  точности измерени  требуетс  выполнение услови  4 INI. Это гарантируетс  использованием в качестве элемента обратной св зи 19 четырех- эмиттерного транзистора, либо параллельным включением четырех элементов, идентичных по характеристикам элементу 18(это возможно, если элементы цепи 18 и 19 выполнены по одной технологии и желательно на одной подложке), тогда

Ubi - чн In (g Ф/INI) + UC3, (7) на выходе сумматора 10

и ют pt In (1 + К Y) + Uc2 + Uc3. (8) Во втором такте переключатели 11-14 подключают катоды фотодиода 1 к общей шине, коммутатор 4 разомкнут, а коммутаторы 5 и 6 - замкнуты. При этом напр жение на выходе сумматора 10 равно

. U4oi-Uc2 + Uc3.(9)

В последующих тактах устройство работает аналогично: поочередно замыкаютс  переключатели 12-14, череду сь с замыканием коммутатора 4.

При этом сигнальные напр жени  на выходе сумматора 10 при подключении к входу усилител  2 соответственно катодов К2,Кз,К4 равны

UW - In (1 + К X) + Uc2 + исз; (10)

и юз (рт In (1 - К Y) + Uc2 + U-сз: (11)

U l04 In (1 - К X) + UC2 + Uc3. (12)

Перепады напр жени  с выхода сумматора 10 передаютс  через разделительный элемент 8 на синхронный детектор 17, на выходе которого формируетс  посто нное напр жение, пропорциональное сумме этих перепадов:

чрт (X2 + Y2)+K4x xX2-Y2,(13)

где Ki - коэффициент передачи синхронного детектора 17.

При малых смещени х пучка K4X2Y2 «

« К2 (X2 + Y2) и К2 (X2 + Y2) « 1. Тогда напр жение на выходе синхронного детектора равно

U17 - Ki Л К2 (X2 + Y2).(14)

Если коэффициент передачи Ki обеспечить обратнозависимым по температуре (fh, что можно выполнить использованием терморезистора в цепи обратной св зи синхронного детектора 17, то тогда крутизна изменени  выходного сигнала не будет зависеть от температуры. Поскольку посто нна  составл юща  выходного напр жени  сумматора 10, подверженна  температурному дрейфу, не передаетс  через разделительный элемент 8 на детектор 17, то это

также приводит к повышению точности. Как следует из выражени  (14), выходной сигнал устройства не зависит от изменени  свето- вого потока. Кроме того, благодар  использованию логарифмической обратной св зи

в усилител х 2 и 3 устройство может работать в широком динамическом диапазоне (не менее шесть пор дков).

В регистраторе 9 выходное напр жение детектора 17 может быть подвергнуто операции извлечени  квадратного корн . Если регистратор выполнен в виде последовательного соединени  двух интеграторов, компаратора и формировател  импульсов. выход которого подключен к входам сброса

в О интеграторов и  вл етс  выходом регистратора 9, и второй вход компаратора подключен к источнику опорного напр жени , тогда в регистраторе 9 выходной сигнал синхронного детектора 17 подвергаетс  нелинейному преобразованию: извлечению квадратного корн  и затем преобразуетс  в импульсы, частота следовани  которых пропорциональна величине смещени  светового пучка.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Устройство дл  измерени  отклонени  светового пучка, содержащее четырехэле- ментный фотодиод, два операционных усилител , три коммутатора, генератор тактовых импульсов, разделительный элемент , регистратор, сумматор, к входам которого подключены выходы операционных усилителей, отличающеес  тем. что, с целью упрощени  устройства при измерении модул  отклонени  светового пучка от оптической оси устройства, в него введены четыре переключател , счетчик, дешифратор и синхронный детектор, при этом катоды фотодиода подключены соответственно к входам первого, второго, третьего и чет- вертого переключателей, первые выходы которых объединены и подключены к общей шине, вторые выходы переключателей объединены и подключены к инвертирующему входу первого операционного усилител , анод фотодиода через первый коммутатор подключен к инвертирующему входу второго операционного усилител , между выходами и инвертирующими входами первого и второго операционных усилителей включе-

   ны цепи логарифмирующих обратных св зей и соответственно второй и третий коммутаторы , управл ющие входы первого, второго и третьего коммутаторов подключены соответственно к первому, второму и третьему выходам дешифратора, четвертый, п тый, шестой и седьмой выходы которого подключены к управл ющим входам первого , второго, третьего и четвертого переключателей , восьмой выход дешифратора подключен к управл ющему входу синхронного , дешифратора, выход которого подключен к регистратору, входы дешифратора подключены к выходам счетчика импульсов, вход которого подключен к выходу генератора тактовых импульсов, неинвертирующие входы операционных усилителей подключены к общей шине, а выход сумматора через разделительный элемент подключен к входу синхронного детектора.