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