Hallo liebes Forum, ich benötige Rat bezüglich einer Geschwindigkeitsmessung mittels zweier Lichtschranken (Laserdioden) und Photodioden. Mit dieser möchte ich Objekte messen welche auch Schallgeschwindigkeit erreichen könnten. Die Photodioden befinden sich jedoch nicht auf der gleichen Platine wie der Mikrocontroller der die Geschwindigkeit auswertet, sondern sollen mit dieser über ca. 4m lange Koaxialkabel (mit BNC-Buchsen) verbunden werden. Da jedoch die Opamp`s der zwei Transimpendanzverstärker eine Versorgungsspannung benötigten, dachte ich das ich diese getrennt von den Photodioden auf die Mikrocontroller-Platine setze. Haben die parasitären Kapazitäten/Induktivitäten der Kabel sehr negative Auswirkungen auf die Funktion/Grenzfrequenz der Schaltung ? Ich bin für jede Info/Verbesserung/Anmerkung schon im Voraus sehr dankbar. Freundliche Grüße, Benjamin
> Die Photodioden befinden sich jedoch nicht auf der gleichen Platine wie > der Mikrocontroller der die Geschwindigkeit auswertet, sondern sollen > mit dieser über ca. 4m lange Koaxialkabel (mit BNC-Buchsen) verbunden > werden. > Da jedoch die Opamp`s der zwei Transimpendanzverstärker eine > Versorgungsspannung benötigten, dachte ich das ich diese getrennt von > den Photodioden auf die Mikrocontroller-Platine setze. Keine gute Idee. Die bessere Anordnung wäre Photodiode-TIA-Koaxkabel. > Haben die parasitären Kapazitäten/Induktivitäten der Kabel sehr negative > Auswirkungen auf die Funktion/Grenzfrequenz der Schaltung ? Allerdings. http://www.electrooptical.net/www/frontends/frontends.pdf
Na Logo. Du musst die entstehende Kapazität dann im Feedback-Pfad anpassen. Dadurch sinkt die Grenzfrequenz. Mit viel Licht und kleiner Transimpedanz ist es aber nicht schlimm. Ich würde nur alle Kabel gleich lang machen.
ArnoR schrieb: > Keine gute Idee. Die bessere Anordnung wäre Photodiode-TIA-Koaxkabel. Danke, das ist mir schon klar. Die ästhetisch schönere und praktischere Lösung für mich, wäre jedoch nur 2 Koaxialkabel zur Lichtschranke führen zu müssen. sieman's schrieb: > Du musst die entstehende Kapazität dann im Feedback-Pfad > anpassen. Dadurch sinkt die Grenzfrequenz. Mit viel Licht und kleiner > Transimpedanz ist es aber nicht schlimm. Also reicht es, die Kapazität des Koaxialkabels zu der Sperrschichtkapazität, der Photodiode zu addieren, wenn ich die Kompensationskapazität berechne ? Da die beiden Photodioden direkt mit Laserdioden "beleuchtet" werden sollte die Helligkeit hoch genug sein. sieman's schrieb: > Ich würde nur alle Kabel gleich > lang machen. Selbstverständlich sind die Kabel zur Vermeidung von Laufzeitdifferenzen gleich lang.
Schallgeschwindigkeit: 330 m/s. Lichtschranken mit 1 m Abstand: t = 1 m / (330 m/s) = 0,00303 s = 3030 µs 0,1 % Auflösung (evtl. auch Genauigkeit) bedeutet, dass die Reaktionszeit beider Sensoren sich nicht um mehr als 3 µs unterscheiden darf. Sind beide (samt Anschlusskabel) gleich aufgebaut, ist das kein großes Problem. Dann kommt es eher drauf an, dass beide Sensoren auch die gleiche Lichtänderung "sehen".
Wie hoch ist dein Transimpedanz-Widerstand? 10kOhm?
@Benjamin W. (Gast) >> Keine gute Idee. Die bessere Anordnung wäre Photodiode-TIA-Koaxkabel. >Danke, das ist mir schon klar. Die ästhetisch schönere und praktischere >Lösung für mich, wäre jedoch nur 2 Koaxialkabel zur Lichtschranke führen >zu müssen. Du hast Probleme. >Also reicht es, die Kapazität des Koaxialkabels zu der >Sperrschichtkapazität, der Photodiode zu addieren, wenn ich die >Kompensationskapazität berechne ? In erster Näherung ja. Aber das wird alles andere als lustig, bei 100pF/m. >Da die beiden Photodioden direkt mit Laserdioden "beleuchtet" werden >sollte die Helligkeit hoch genug sein. Naja. >> Ich würde nur alle Kabel gleich >> lang machen. >Selbstverständlich sind die Kabel zur Vermeidung von Laufzeitdifferenzen >gleich lang. Da muss man schon verdammt viel Kabel legen, um die oben berechneten 3µs Laufzeit hinzukriegen, das sind um die 600m ;-) Erst rechnen, dann reden.
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Hier mal eine Simulation die zeigt was möglich ist. Ich habe mit einem Gain-Badwidth-Product von 10MHz, 20MHz und 50MHz simuliert. Zum Simulieren muss man LTspice installieren. Keine Angst, der Simulator kostet nichts. Den gibt es gratis. http://www.linear.com/designtools/software/#LTspice
Hallo, >> Keine gute Idee. Die bessere Anordnung wäre Photodiode-TIA-Koaxkabel. > > Danke, das ist mir schon klar. Die ästhetisch schönere und praktischere > Lösung für mich, wäre jedoch nur 2 Koaxialkabel zur Lichtschranke führen > zu müssen. Ich kann dir beim Prototypenbau nur raten, mit einer Lösung anzufangen, die garantiert funktioniert und erst später im Hinblick auf Dinge wie Kosten und Ästhetik zu optimieren. Erst die Pflicht, dann die Kür. Konkret auf Dein Problem bezogen denke ich, daß der Aufbau "Photodiode-TIA-Kabel" dem Aufbau "Photodiode-Kabel-TIA" deutlich überlegen ist. Wie wäre es, wenn Du statt zweier getrennter Koaxialkabel mehradrige Kabel verwendest. Ich denke dabei an Twisted-Pair-Leitungen (z. B. 6-adrige Telefonkabel oder 8-adrige Netzwerkkabel). Dann mußt Du nur ein einziges Kabel verwenden, hast aber ausreichend viele Leitungen für Spannungsversorgung u. ä. Viele Grüße Michael
Helmut S. schrieb: > Wie hoch ist dein Transimpedanz-Widerstand? 10kOhm? Ich dachte so an den Bereich um 100k. Falk Brunner schrieb: > Du hast Probleme. Du anscheinend auch ;) Da die Zeitmessung modular und transportabel aufgebaut (mit Batterien betrieben) werden soll, versuche ich so wenig Kabel wie möglich zu den einzelnen Modulen (Steuer-Modul, Lichtschranke, Kurzzeitblitzgerät, Hochgeschwindigkeitskamera,) zu legen. Falk Brunner schrieb: > In erster Näherung ja. Aber das wird alles andere als lustig, bei > 100pF/m. Danke, falls es nicht klappt, wird mir eh nichts anderes übrig beleiben, als den Transimpendanzwandler direkt zur Photodiode zu setzt. Falk Brunner schrieb: > Da muss man schon verdammt viel Kabel legen, um die oben berechneten 3µs > Laufzeit hinzukriegen, das sind um die 600m ;-) > Erst rechnen, dann reden. Wenn wir schon genau sind... ;) Die Ausbreitungsgeschwindigkeit in Leitungen beträgt nur ca 70-50% der Lichtgeschwindigkeit. Im Worst-Case (Bei 50%) wären das also nur etwa 450m. :P Wieder Ernst: Aber du hast warsch. recht damit, dass die Laufzeituntschiede bei dieser Anwendung noch zu vernachlässigen sind, und eher die unterschiedlichen Kapazitäten/Induktivitäten eine Rolle spielen.
Vielen Dank, Helmut S. und Michael Lenz (und auch allen Anderen) für die spitzen Beiträge!! Ein Problem das ich noch nicht erwähnt habe ist, dass die Objekte die gemessen werden sollen, eventuell auch mit einer oder mehreren Spulen (induktiver Beschleuniger) beschleunigt werden. Der durch die Spulen erzeugte elektromagnetische Impuls induziert in die Leitungen der Umgebung eine Spannung die der µC als High interpretieren könnte (oder Interrupts auslöst). Darum sollte nach Möglichkeit alles möglichst gut geschirmt sein (im Notfall können auch noch Differenzverstärker am Eingang verbaut werden). Leider stehe ich etwas unter Zeitdruck, deshalb sollte alles möglichst beim ersten Mal funktionieren, da langes experimentieren leider nicht möglich ist. Mit sehr freundlichen Grüßen, Benjamin W.
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Auch mit 100kOhm und Koaxialkabel sieht es noch machbar aus.
@ Benjamin W. (Gast) >betrieben) werden soll, versuche ich so wenig Kabel wie möglich zu den >einzelnen Modulen (Steuer-Modul, Lichtschranke, Kurzzeitblitzgerät, >Hochgeschwindigkeitskamera,) zu legen. Es durchaus KABEL, mit Schirmung und mehreren Adern. Netzwerkkabel z.B. >> Da muss man schon verdammt viel Kabel legen, um die oben berechneten 3µs >> Laufzeit hinzukriegen, das sind um die 600m ;-) >> Erst rechnen, dann reden. >Wenn wir schon genau sind... ;) >Die Ausbreitungsgeschwindigkeit in Leitungen beträgt nur ca 70-50% der >Lichtgeschwindigkeit. Im Worst-Case (Bei 50%) wären das also nur etwa >450m. :P Wenn der Herr denn die Güte haben würde, und mal WIRKLICH nachdenken und rechnen würde, wäre Ihm aufgefallen, dass 600 Kabel nur dann 3µs Laufzeit ergeben, wenn man mit 5ns/m rechnet, was ca. 0,66 als Verkürzungsfaktor ergibt. >Ein Problem das ich noch nicht erwähnt habe ist, dass die Objekte die >gemessen werden sollen, eventuell auch mit einer oder mehreren Spulen >(induktiver Beschleuniger) beschleunigt werden. Aha, man baut mal wieder ne Coilgun ;-) > Der durch die Spulen >erzeugte elektromagnetische Impuls induziert in die Leitungen der >Umgebung eine Spannung die der µC als High interpretieren könnte (oder >Interrupts auslöst). Ein noch viel stärkeres Argument dafür, den TIA diekt an die Photodiode zu setzen und das Ganze in einer Weißblechkiste verschwinden zu lassen. >Darum sollte nach Möglichkeit alles möglichst gut geschirmt sein (im >Notfall können auch noch Differenzverstärker am Eingang verbaut werden). ;-) Du bist lustig. >Leider stehe ich etwas unter Zeitdruck, deshalb sollte alles möglichst >beim ersten Mal funktionieren, da langes experimentieren leider nicht >möglich ist. Eben darum muss man die aller Wahrscheinlichkeit nach robusteste Schaltungsvariante wählen. Aber solche Hau Ruck Aktionen gehen regelmäßig an den Baum.
Falk Brunner schrieb: > Wenn der Herr denn die Güte haben würde, und mal WIRKLICH nachdenken und > rechnen würde, wäre Ihm aufgefallen, dass 600 Kabel nur dann 3µs > Laufzeit ergeben, wenn man mit 5ns/m rechnet, was ca. 0,66 als > Verkürzungsfaktor ergibt. Und wenn du in der Lage wärst den Inhalt richtig zu interpretieren, dann hättest du bemerkt, dass ich nur erwähnt habe, dass im Wost-Case schon 450m für 3µs Laufzeitunterschied ausreichen, und nicht dass du mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit im Vakuum gerechnet hast... Und vll. auch, dass ich keine Coilgun, Wirbelstrom-Kanone, etc baue, sondern nur (möglicherweise) die Geschwindigkeit derer Projektile messe. Und da, die Methode(ja ich weiß, Sie ist vom technischen Standpunkt aus nicht die Beste) laut der Simulation funktioniert, werde ich es so bauen. MfG
Benjamin W. schrieb: > Und da, die Methode laut der Simulation funktioniert, werde ich > es so bauen. Wieder mal ein typisches Beispiel, wo eine Simulation kein vernünftiges Ergebnis bringt. Aber wenn Du es liebst, Deine Arbeit doppelt zu machen... Gruss Harald
@ Harald Wilhelms (wilhelms) >> Und da, die Methode laut der Simulation funktioniert, werde ich >> es so bauen. >Wieder mal ein typisches Beispiel, wo eine Simulation kein >vernünftiges Ergebnis bringt. Er hatte sooo recht. RIP. http://www.edn.com/electronics-blogs/anablog/4311558/Bob-Pease-didn-t-hate-Spice-simulations
Harald Wilhelms schrieb: > Aber wenn Du es liebst, Deine > Arbeit doppelt zu machen... Ich liebe es natürlich nicht. Darum frage ich ja hier im Forum, ob es so funktioniert. Nun sagen die Einen jedoch ja und die Anderen nein. Wenn ihr (Harald Wilhelms, Falk Brunner, ...) jedoch sicher seid, dass es so nicht funktioniert wird, dann werde ich den TIA wohl doch zur Photodiode setzen. Es wäre nur schade, wenn ich auch einfacher zum Ziel kommen würde... MfG Benjamin W.
Ich hab ja wenig Erfahrung mit Analogelektronik und gleich gar keine mit schneller Analogelektronik, aber wenn ich mir überlege, dass da etwas Railgun-artiges neben Photodioden im Betrieb sein soll, kommt mir das recht ambitioniert vor. Ich würde versuchen, die Photodioden zusammen mit der Auswerteelektronik in ein geschirmtes Gehäuse zu setzen und die Lichtschranken über Lichtleiter, die nicht EMP-empfindlich sind, anzuschließen. Was meint Ihr? Grüße, Stefan
@ Benjamin W. (Gast) >ihr (Harald Wilhelms, Falk Brunner, ...) jedoch sicher seid, dass es so >nicht funktioniert wird, Das hat keiner gesagt. Solche Schwarz-Weiß Aussagen gibt es meistens nicht. Aber wir sind der Meinung, dass es viele Probleme geben wird. >setzen. Es wäre nur schade, wenn ich auch einfacher zum Ziel kommen >würde... Was ist daran so viel einfacher, die Diode per Kabel anzuschließen? Den TIA muss man so oder so aufbauen.
@ Stefan Hennig (Gast) >Ich würde versuchen, die Photodioden zusammen mit der Auswerteelektronik >in ein geschirmtes Gehäuse zu setzen Das haben wir vorgeschlagen. > und die Lichtschranken über >Lichtleiter, die nicht EMP-empfindlich sind, anzuschließen. Man muss es nicht übertreiben.
Benjamin W. schrieb: > Wenn ihr (Harald Wilhelms, Falk Brunner, ...) jedoch sicher seid, > dass es so nicht funktioniert wird, dann werde ich den TIA wohl > doch zur Photodiode setzen. Ich bin mir nicht sicher. Die Wahrscheinlichkeit, das es zu Störungen kommt, ist aber recht gross. Ausserdem ist vermut- lich der Aufwand mit Verstärker direkt an der FD geringer, weil man dann, bei richtiger Auslegung, ein normales drei- poliges Anschlusskabel nehmen kann. Ein Koaxkabel ist dann nicht mehr nötig. Gruss Harald
Harald Wilhelms schrieb: > Ein Koaxkabel ist dann > nicht mehr nötig. Ich würde dann gleich ein mehrfach geschirmtes Ethernet-Kabel verwenden, die verdrillten Paare dürften optimal geschützt sein und man kann es fertig konfektioniert überall kaufen. Mit einem Splitter kann man dann die beiden "Head Amplifier"* in 1 m Abstand mit einem gemeinsamen Kabel anschliessen. * Die heissen traditionell so, weil sie am besten ganz dicht am Messpumkt angeschlossen werden. Gruss Reinhard
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tia_koax_50cm_47p.PNG
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Ich würde das Koax-Kabel zwischen Fotodiode und TIA nicht mit einer reinen Kapazität simulieren, da das Kabel auf der TIA-Seite ja mit einem virtuellem Kurzschluß abgeschlossen wird. Der Anhang zeigt eine LTSpice-Simulation mit unterschiedlichen Kabellängen (50cm und 5m) und unterschiedlichen "phase lead"-Kapazitäten (10p und 47p). Man kann deutlich erkennen, daß der TIA sehr sauber durch eine geeignete "phase lead"-Kapazität in der Gegenkopplung stabilisiert werden muß, damit er nicht schwingt. Man erkennt aber ebenfalls, daß der Anschluß eines längeren Koax-Kabels am Eingang durchaus machbar ist, auch wenn es nicht sehr sinnvoll ist.
Wie währe es wenn der Laser direkt auf einen 1mm Kunststoff-LWL strahlt? Die Fotodioden und Transimpendanzverstärker befinden sich dann auf der gleichen Platine wie der Mikrocontroller.
Reinhard Kern schrieb: > die beiden "Head Amplifier"* > * Die heissen traditionell so, weil sie am besten ganz dicht am > Messpumkt angeschlossen werden. Ach, und ich dachte immer, der Name sagt, das man "ein bisschen Köpfchen" braucht, um eine solche Schaltung zu entwickeln. :-) Gruss Harald
Man könnte auch die Photodioden auf die µC Platine mit den TIAs zusammen setzen. Und den/die Laser mit 4m LWL einkoppeln.
>* Die heissen traditionell so
Nö. Zu Deutsch: Vorverstärker
Mit einem 100k Feedback Widerstand ist die Geschwindigkeit schon im Bach unten.
Bon z'O schrieb: > Mit einem 100k Feedback Widerstand ist die Geschwindigkeit schon im Bach > unten. Das denke ich auch. Naja, wurd ja alles dazu gesagt. PD-TIA-Kabel ist einfacher zu realisieren, PD-Kabel-TIA ist aufwendiger da der TIA ans Kabel angepasst werden muss. Was gibts jetzt noch zu sagen? Ich denke nichts mehr. Und, TE, ob du nun zu jeder Lichtschranke ein Koax-Kabel verlegst oder z.B. ein 2*2*0.2mm^2 Kabel ist doch im Prinzip wurscht, oder? ;)
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>Auch mit 100kOhm und Koaxialkabel sieht es noch machbar aus.
Genau.
Übrigens gibt es auch Photodioden mit integriertem TIA bzw. TIAs mit integrierter Photodiode...
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