DE3811830A1 - Schaltungsanordnung zur durchfuehrung von auf lichtintensitaet basierenden messungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Durchführung von auf der Lichtintensität basierenden Messungen, welche einen an einer Referenzspannungsquelle angeschalteten Eingang, einen der gemessenen Lichtintensität entsprechende Ausgangssignale leistenden Ausgang, je eine im Strahlengang einer Lichtquelle angeordnete erste und zweite Photodiode, sowie einen ersten und einen zweiten Operationsverstärker, verbunden mit der ersten bzw. zweiten Photodiode, enthält. Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung ermöglicht, bei verminderter Anzahl der verwendeten Schaltungsteile, das Ausgleichen von Parameteränderungen, welche unter Einwirkung von Temperaturänderungen und der Alterung der photoelektrischen Schaltelemente stets auftreten.

Die bekannten Schaltungsanordnungen zur Durchführung von auf der Lichtintensität basierenden Messungen. Anlagen zur Messung von kleinen Verschiebungen sind zum Beispiel kompliziert und enthalten eine hohe Anzahl von aktiven und passiven Schaltelementen. Eine verhältnismäßig einfache Schaltungsanordnung ist insbesondere in einem Katalog der Firma RCA (Vereinigte Staaten von Amerika), ausgegeben im Jahre 1986 (Heft 1-86) auf der Seite 368 gezeigt (siehe Fig. 92CM-30009). Diese Schaltungsanordnung erfordert jedoch paarweise ausgewählte Widerstände, was die Herstellung kompliziert macht. Ein weiterer Nachteil dieser Schaltungsanordnung besteht darin, daß die Veränderung der Parameter der optoelektrischen Elemente, durch Einwirkung der Temperatur sowie wegen der Alterung, nicht oder nur durch Verwendung von weiteren Schaltelementen ausgeglichen werden kann. Die wichtigen Parameter sind der Kurzschlußstrom der Photodiode sowie ihre Leerlaufspannung usw. Das wichtigste Problem dabei liegt darin, daß die Parameter der Photodioden eine ziemlich hohe Streuung, die sogar 10% überschreiten kann, insbesondere bei der Einwirkung von größeren Temperaturunterschieden im Lebenslauf der photoelektrischen Elemente aufweisen. Deswegen ist es immer wichtig gewesen, die photoelektrischen Elemente paarweise auszuwählen, insbesondere unter Berücksichtigung der Steilheit ihrer Charakteristiken und der durch die Temperatur bedingten Parameteränderungen.

Die bekannten Schaltungsanordnungen, die zwei Photodioden enthalten, verwirklichen das Grundprinzip der Differentialmessung. Diese Anlagen dienen zur Bestimmung von kleinen Verschiebungen, zur Bestimmung solcher Veränderungen, die die relative Veränderung der auf die Photodiode fallenden Lichtintensität verursachen. Die Messung basiert auf der Tatsache, daß der Kurzschlußstrom der Photodioden so zu regeln ist, daß der summierte Kurzschlußstrom unverändert bleibt, während die einzelnen Kurzschlußströme proportional zur Veränderung der Intensität des einfallenden Lichtes veränderlich sind.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, die zur Durchführung von auf der Lichtintensität basierenden Messungen zum Beispiel der Verschiebungen oder zur Sortierung von Photodioden dient, die aus verhältnismäßig wenig Schaltungselementen aufgebaut ist und die in der Lage ist, ohne irgendwelche von außen vorzunehmende Schritte die Folgen der Alterungsprozesse sowie der Veränderung durch die Temperatur auszugleichen.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Photodioden in einer Brückenschaltung angeordnet werden sollen.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe wurde eine Schaltungsanordnung geschaffen, die als eine Differenzschaltung ausgebildet und mit einer ersten und einer zweiten Photodiode zur Erzeugung von Ausgangssignalen unter Einwirkung des Lichtes einer Lichtquelle, sowie mit einem ersten und mit einem zweiten Operationsverstärker zum Empfang der Ausgangssignale der ersten und zweiten Photodiode versehen ist, wobei erfindungsgemäß - zwecks Vereinfachung der Anordnung und Verminderung der Anzahl der Schaltungselemente - eine vierzweigige Brückenschaltung vorgesehen ist, die an einem gemeinsamen Punkt eines dritten Operationsverstärkers und dadurch an die Lichtquelle sowie an einen, einem Eingang der Schaltungsanordnung zugeführten, Stromgenerator angeschlossen ist, wobei die Brückenschaltung in zwei benachbarten Zweiten die erste und die zweite Photodiode sowie in den zwei weiteren benachbarten Zweigen, gegenüber der ersten und der zweiten Photodiode einen ersten und einen zweiten Brückenwiderstand enthält und die erste und die zweite Photodiode miteinander über einen Kopplungspunkt und mit ihren gleichnamigen Polen verbunden sind. Es ist auch wichtig, daß der erste Operationsverstärker mit seinem Eingang mit der ersten Photodiode, mit seinem Ausgang mit dem Verbindungspunkt des ersten und des zweiten Brückenwiderstands gekoppelt ist und den ersten Brückenwiderstad überbrückt, der zweite Operationsverstärker am die notwendigen Ausgangssignale der Schaltungsanordnung weiterleitenden Ausgang der Schaltungsanordnung angeschlossen und durch einen, einen Ausgleichswiderstand enthaltenden Rückkopplungsglied, überbrückt ist. Das Rückkopplungsglied ist in einer vorteilhaften Ausführung als eine Reihenschaltung ausgebildet, die den Ausgleichswiderstand, den ersten Operationsverstärker sowie den zweiten Brückenwiderstand aufweist, wobei die Widerstandswerte des ersten und des zweiten Brückenwiderstands gleich sind und der Stromgenerator über den gemeinsamen Punkt zum Kopplungspunkt der ersten und zweiten Photodiode über die erste Photodiode geschaltet ist.

Die oben angeführte Ausführung kann in speziellen Fällen verwendet werden. Jedoch ist es bei allen Verwendungen zweckmäßig, eine solche Ausführung zu wählen, bei der das Rückkopplungsglied lediglich aus dem Ausgleichswiderstand besteht und der Stromgenerator über den gemeinsamten Punkt unmittelbar mit dem Kopplungspunkt der ersten und zweiten Photodiode verbunden ist. Dabei stehen im wesentlichen zwei Möglichkeiten zu Verfügung:

• 1. Zur Realisierung von Messungen, bei denen der Nullpunkt der Messungen dem Fehlen eines Ausgangssignals entspricht, ist es zweckmäßig, daß das Verhältnis R₁/R₂ der Widerstandswerte des ersten und zweiten Brückenwiderstands mit dem Verhältnis I₁/I₂ der im Grundzustand die erste und die zweite Photodiode charakterisierenden Kurzschlußströme gleich ist.
• 2. Falls ein Ausgangssignal schon im Grundzustand der Schaltungsanordnung mit vor Null unterschiedlichem Wert zu erzeugen ist, sollen die Verhältnisse R₁/R₂ und I₁/I₂ unterschiedliche Werte annehmen.

Die Lichtquelle ist zweckmäßig eine lichtemittierende Diode. Falls die Ausgangsleistung des dritten Operationsverstärkers zum Antrieb der Lichtquelle nicht ausreichend ist, ist ein Leistungsverstärker zwischen dem dritten Operationsverstärker und der optischen Lichtquelle einzufügen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von beispielhaft dargestellten Ausführungen, mit Hinweis auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 die allgemeine Ausführung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, und

Fig. 2 die spezifische Ausführung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung (Fig. 1) ist über einen Eingang 5 an eine Speiseeinheit angeschlossen, die eine Referenzspannung U₀ liefert. Am Eingang 5 ist ein Stromgenerator, insbesondere ein Referenzwiderstand R _s angeordnet. Der Ausgang des Stromgenerators ist mit einer Brückenschaltung verbunden, und zwar mit einem Kopplungspunkt einer ersten Photodiode D₁ und einer zweiten Photodiode D₂, die mit ihren gleichnamigen Polen, d. h. mit den Anoden oder den Kathoden am Kopplungspunkt angeschlossen sind. Die Brückenschaltung enthält vier Zweige, wobei in den verbleibenden beiden Zweigen, gegenüber der ersten und der zweiten Photodiode D₁, D₂ ein erster und ein zweiter Brückenwiderstand R₁, R₂ angeordnet sind. Der erste Brückenwiderstand R₁, der mit der ersten Photodiode D₁ verbunden ist, ist durch einen Operationsverstärker 1 überbrückt, wobei der Ausgang des letzteren mit dem gemeinsamen Punkt des ersten und zweiten Brückenwiderstands R₁, R₂ verbunden ist. Der gemeinsame Punkt der zweiten Photodiode D₂ und des zweiten Brückenwiderstands R₂ ist über einen zweiten Operationsverstärker 2 einem Ausgang 6 der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung zugeführt, wobei der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 2 den Ausgang 6 bildet, der über ein Rückkopplungsglied, im einfachsten Falle durch einen Ausgleichswiderstand R _k zum Eingang rückgeführt ist.

Mit dem mit der Brückenschaltung gekoppelten Ausgang des Stromgenerators ist ein dritter Operationsverstärker 3 signalmäßig verbunden, der zweckmäßig über einen Leistungsverstärker 4 mit einer optischen Lichtquelle S, vorteilhaft einer lichtemittierenden Diode, verbunden ist.

Das Rückkopplungsglied besteht nach Fig. 1 lediglich aus dem Ausgleichswiderstand R _k , und in der Ausführung nach Fig. 2 aus dem Ausgleichswiderstand, dem ersten Operationsverstärker 1 und dem zweiten Brückenwiderstand R₂, wobei der letztere in diesem Fall den gleichen Widerstandswert wie der erste Brückenwiderstand R₁ aufweist.

Das Wesen der Erfindung liegt in der Verwendung der Brückenschaltung, die, wie erwähnt, vier Zweige aufweist, wobei die erste und die zweite Photodiode D₁, D₂ sowie der erste und der zweite Brückenwiderstand R₁, R₂ in den Zweigen angeordnet sind.

Der gemeinsame Punkt des Stromgenerators und des dritten Operationsverstärkers 3 ist mit dem Kopplungspunkt der Photodioden D₁, D₂ unmittelbar (Fig. 1) oder über die erste Photodiode D₁ (Fig. 2) verbunden.

Die vorgeschlagenen Schaltungsanordnung arbeitet auf folgende Weise:

In allen normalen Betriebszuständen sichert der Stromgenerator (der Referenzwiderstand R _s ) einen ständigen Stromwert I₁+I₂, der gleich der Summe der Kurzschlußströme der ersten und der zweiten Photodiode D₁, D₂ ist.

Vor den Messungen sollen die Kurzschlußströme I₁ und I₂ gemessen werden, und zwar im Grundzustand der Anlage, in der die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung verwendet wird. Sollte die Gleichung I₁=I₂ erfüllt sein, so kann es zweckmäßig sein, die Anordnung nach Fig. 2 einzusetzen, in der auch R₁ und R₂ gleiche Werte besitzen müssen. (Das kann manchmal Probleme verursachen, insbesondere wenn die Alterung der Widerstände nicht die gleichen Wertveränderungen zur Folge hat.)

Im allgemeinen werden die Werte I₁=I₂ auftreten. Dann ist die Anordnung nach Fig. 1 zu verwenden, wobei im Falle R₁/R₂=I₁/I₂ dem Grundzustand der Nullwert des Ausgangssignals gehört. Sollte ein von Null unterschiedlicher Wert dem Ausgangssignal im Grundzustand zugeordnet werden, so ist ein von I₁/I₂ unterschiedlicher Wert für das Verhältnis R₁/R₂ der Widerstandswerte auszuwählen.

Die erste und die zweite Photodiode D₁, D₂ sind miteinander entweder über ihre Anoden (mit der Stromrichtung nach den Fig. 1 und 2) oder über ihre Kathoden (entgegen der Stromflußrichtung) verbunden.

Die Messungen basieren auf der Tatsache, daß die Veränderung der Intensität des auf die Photodioden D₁, D₂ einfallenden Lichtes eine Abänderung des Pegels des Ausgangssignals der Schaltungsanordnung (am Ausgang 6) verursacht. Dieses Signal kann als ein Spannungssignal weiterverarbeitet werden.

Die Einfachheit der Schaltung nach Fig. 2 wird teilweise durch die Tatsache aufgewogen, daß das Ausgangssignal mit dem Auswahlfehler der Brückenwiderstände R₁, R₂ belastet ist. Dieser Fehler kann im Laufe der Alterung der Schaltelemente größer werden.

In der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 liefert der zweite Operationsverstärker 2 ein Ausgangssignal am Ausgang 6 mit dem Wert

wobei Δ I _k die Änderung des Stroms des Ausgleichswiderstands R _k und Δ I₁ die Änderung des Kurzschlußstromes der ersten Photodiode D₁ bedeutet, und wie erwähnt, I₁ den Kurzschlußstrom der ersten Photodiode D₁ unter Einwirkung des Lichtes der Lichtquelle S, sowie I₂ den Kurzschlußstrom der zweiten Photodiode D₂ bei gleichen Bedingungen wiedergibt.

Bei der Sicherung des ständigen Wertes der Summe I₁+I₂ wird der Eingang des dritten Operationsverstärkers mit einem sehr niedrigen Strompegel in der Größenordnung von pikoampère (pA) gespeist. Am Ausgang treibt er durch den Leistungsverstärker 4 oder unmittelbar die optische Lichtquelle S. Das Licht der optischen Lichtquelle S wird auf geeignete Weise der ersten und der zweiten Photodiode D₁ und D₂ zugeführt. Zum Beispiel, wird zwischen der optischen Lichtquelle S und den Photodioden D₁, D₂ ein Sperrelement vorgesehen, das bei einer zu messenden Verschiebung sicherstellt, daß die erste und die zweite Photodiode D₁ und D₂ unterschiedliche, variable Mengen des Lichtes erhalten.

In der Wirklichkeit treten im allgemeinen Schaltungsanordnungen auf, bei denen das Verhältnis veränderliche Werte im Bereich von 1 bis 2 . . . 5 aufweist. Das resultiert im hohen Pegel des zu messenden Ausgangssignals, im Gegensatz zu den bekannten Anordnungen, wobei die unterschiedlichen Stromwerte zu unterdrücken sind. Das ist auch ein wichtiges Merkmal der Erfindung, wobei die zur Zeit als Fehlerfaktor betrachtete Bedingung zur Verwirklichung der Messung verwendet wird.

Die Verwendung des dritten Operationsverstärkers 3 stellt sicher, daß die optische Lichtquelle S, die im allgemeinen eine lichtemittierende Diode ist, immer Licht mit einer Intensität ausstrahlt, die der Änderung der Parameter der auf der Empfangsseite angeordneten zwei Photodioden D₁, D₂ folgt.

In einer praktischen Verwirklichung der Erfindung wurden integrierte Schaltungen CA 3130 (hergestellt von der Firma RCA) als Operationsverstärker verwendet.

Wenn es notwendig ist, können die in der Schaltungsanordnung verwendeten Widerstände als Potentiometer ausgebildet werden. Diese Maßnahme ist insbesonders bei der Auswahl von Photodiodenpaaren wichtig.

Wie erwähnt, stellt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung den Ausgleich des Einflusses der veränderlichen (unter Einfluß der Temperatur und der Alterung) Parameter der optischen Schaltelemente auf die Genauigkeit der Meßergebnisse sicher.

Claims (10)

1. Schaltungsanordnung zur Durchführung von auf Lichtintensität basierenden Messungen, die einen an einer Referenzspannungsquelle angeschlossenen Eingang, einen der gemessenen Lichtintensität entsprechende Ausgangssignale leistenden Ausgang, je eine im Strahlengang einer Lichtquelle angeordnete erste und zweite Photodiode sowie einen ersten und einen zweiten, mit der ersten bzw. zweiten Photodiode verbundenen, Operationsverstärker enthält, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Eingang (5) und dem Ausgang (6) eine, aus vier Zweigen bestehende, Brückenschaltung vorgesehen ist, die an einem gemeinsamen Punkt eines dritten Operationsverstärkers (3) sowie eines dem Eingang (5) zugeschalteten Stromgenerators angeschlossen sind, wobei die Brückenschaltung in zwei benachbarten Zweigen die erste und die zweite Photodiode (D₁, D₂) sowie in den zwei weiteren benachbarten Zweigen, gegenüber der ersten und der zweiten Photodiode (D₁, D₂) einen ersten und eine zweiten Brückenwiderstand (R₁, R₂) enthält und die erste und die zweite Photodiode (D₁, D₂) miteinander über einen Kopplungspunkt und mit ihren gleichnamigen Polen verbunden sind, daß der Kopplungspunkt dem gemeinsamen Punkt und dadurch dem Stromgenerator zugeschaltet ist, daß der dritte Operationsverstärker (3) mit seinem Ausgang der Lichtquelle (S) zugeführt ist, daß der erste Operationsverstärker (1) mit seinem Eingang mit der ersten Photodiode (D₁), mit seinem Ausgang mit dem Verbindungspunkt des ersten und des zweiten Brückenwiderstands (R₁, R₂) gekoppelt ist, der zweite Operationsverstärker (2) über seinen Eingang mit der zweiten Photodiode (D₂) und über seinen Ausgang mit dem Ausgang (6) verbunden ist, und daß der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers (2) durch ein einen Ausgleichswiderstand (R _k ) enthaltendes Rückkopplungsglied auf seinen Eingang rückgekoppelt ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückkopplungsglied in einer Reihenschaltung mit dem Ausgleichswiderstand (R _k ) den ersten Operationsverstärker (1) und den zweiten Brückenwiderstand (2) beinhaltet, der Widerstand des zweiten Brückenwiderstands (R₂) mit dem Widerstand des ersten Brückenwiderstands (R₁) gleich ist und daß der Stromgenerator über den gemeinsamen Punkt zum Kopplungspunkt der ersten und zweiten Photodiode (D₁, D₂) über die erste Photodiode (D₁) geschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückkopplungsglied aus dem Ausgleichswiderstand (R _k ) besteht und der Stromgenerator über den gemeinsamen Punkt unmittelbar mit dem Kopplungspunkt der ersten und zweiten Photodiode (D₁, D₂) verbunden ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis R₁/R₂ der Widerstandswerte des ersten und zweiten Brückenwiderstands (R₁, R₂) mit dem Verhältnis I₁/I₂ der im Grundzustand gemessenen Kurzschlußströme der ersten und zweiten Photodiode (D₁, D₂) gleich ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis R₁/R₂ der Widerstandswerte des ersten und zweiten Brückenwiderstandes (R₁R₂) von dem Verhältnis I₁/I₂ der im Grundzustand gemessenen Kurzschlußströme der ersten und zweiten Photodiode (D₁, D₂) verschieden ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang des dritten Operationsverstärkers (3) ein Leistungsverstärker (4) eingefügt ist, dessen Ausgang mit dem Eingang der optischen Lichtquelle (S) verbunden ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als optische Lichtquelle (S) eine lichtemittierende Diode vorgesehen ist.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Stromgenerator ein Referenzwiderstand (R _s ) vorgesehen ist.

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der Brückenwiderstände (R₁, R₂) und/oder der Ausgleichswiderstand (R _k ) und/oder der Referenzwiderstand (R _s ) als Potentiometer ausgebildet ist.

10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis R₁/R₂ des ersten und zweiten Widerstandswertes des ersten und zweiten Brückenwiderstands (R₁, R₂) in einem Bereich regelbar ist, der das Verhältnis I₁/I₂ der den Grundzustand der ersten und zweiten Photodiode (D₁, D₂) charakterisierenden Kurzschlußströme enthält.