Laser - Schaltung

[Adian Z. (adrinoelektrino)]

Servus zusammen,

ich versuche eine Schaltung zu verstehen eines Entfernungsmessgerätes 
aus dem Video: Zeit: 11:56
https://www.youtube.com/watch?v=pcw3Ue3cLUo

Mischer 1 macht genau 1kHz

"Es geht darum die kurzen Zeiten mit einem festen Faktor so zu 
vervielfachen, dass man sie mit einem billigen Microcontroller messen 
kann".

Jetzt wird gesagt, dass "phasenverschiebungen unverändert bleiben, die 
Zeitunterschiede der Signale werden um den Faktor 1000 verlängert."

Die Laufzeiten haben sich vertausendfacht.

Mir ist jetzt nicht ganz klar geworden:

1) Wie genau die Mischer die Differenz von 1kHz erzeugen?
2) Wieso man das machen kann um dann auf den Nanosekunden-Messbereich zu 
gehen?

Über rege Antwortenflut würde ich mich freuen,

Grüße Adian

[Jonny O. (-geo-)]

Hallo Adian,

Adian Z. schrieb:
> 1) Wie genau die Mischer die Differenz von 1kHz erzeugen?

Es gibt zwei Oszillatoren, welche um 1kHz differieren.


Nochmal ganz kurz zum Verständnis:
----------------------------------

Problem:
Du hast zwei Signale mit gleicher Frequenz, deren Phasenverschiebung du 
messen willst. Ein Signal vom Laser-Sender und ein Signal vom 
Laser-Empfänger (bis hierhin verstehst du es noch?).

Nun ist es so, dass die Frequenz dieser zwei Signale 1,001MHz beträgt. 
Da diese Frequenz relativ hoch ist ergibt sich bei einer gegebenen 
Phasenverschiebung (z.B. 1 Grad) eine sehr kurze Zeit die man messen 
muss (unschön).

Lösung:

Man mischt beide Signale mit einem Mischer auf 1KHz herunter (unter 
Hinzuziehung eines zweiten Oszis, der eine Frequenz von 1MHz hat).
Und nun kommt der ganze Witz an der Sache: Da die Phasenverschiebung 
(z.B. 1 Grad) nach dem Mischen gleich bleibt, muss sich dabei die zu 
messende Zeit um den Faktor 1000 vergrößern.

Diese Zeit kann dann ein µC leicht messen.

[Adian Z. (adrinoelektrino)]

Hey Jonny O.,

Jonny O. schrieb:

> Problem:
> Du hast zwei Signale mit gleicher Frequenz, deren Phasenverschiebung du
> messen willst. Ein Signal vom Laser-Sender und ein Signal vom
> Laser-Empfänger (bis hierhin verstehst du es noch?).

Danke für die schnelle Antwort. Ja bis hier hierhin verstehe ich es.

Irgendwie ist mir das dann noch nicht ganz klar.
Ich messe sogesehen bis Gigahertz und möchte eigentlich bis Picohertz 
messen?

Das Problem ist, dass ich auch den Bereich messen will, den mein 
Microcontroller nicht messen kann. Das mache ich ja mit der Schaltung.

D.h. ich mische dann um die Frequenz (1kHz), also den Bereich, in den 
gerade mein Microcontroller nicht messen kann?

Gruß

Adian

[Jonny O. (-geo-)]

Adian Z. schrieb:

> Das Problem ist, dass ich auch den Bereich messen will, den mein
> Microcontroller nicht messen kann. Das mache ich ja mit der Schaltung.
>
> Gruß
>
> Adian

Die Schaltung vergößert einfach die zu messenden Zeiten. Dadurch fällt 
es dem µC leichter sie zu messen.

> Irgendwie ist mir das dann noch nicht ganz klar.
> Ich messe sogesehen bis Gigahertz und möchte eigentlich bis Picohertz
> messen?

Frequenzen werden nicht gemessen. Es geht um die zeitliche Verschiebung 
der Signale. Das ist von Interesse. Denn durch die Laufzeit des Lichtes 
ist das Empfangs-Signal gegenüber dem Sende-Signal verschoben 
(typischerweise sprechen wir hier von einigen Nanosekunden).

Weil Nanosekunden zu kurz sind, macht die Schaltung daraus Mikrosekunden 
:-)

[Adian Z. (adrinoelektrino)]

Jonny O. schrieb:

> Die Schaltung vergößert einfach die zu messenden Zeiten. Dadurch fällt
> es dem µC leichter sie zu messen.

Ah. Ich glaube ich habe es verstanden. Eine Phasenverschiebung ist eine 
Zeitverschiebung. (Zitat darunter)

Jonny O. schrieb:
> Frequenzen werden nicht gemessen. Es geht um die zeitliche Verschiebung
> der Signale. Das ist von Interesse. Denn durch die Laufzeit des Lichtes
> ist das Empfangs-Signal gegenüber dem Sende-Signal verschoben
> (typischerweise sprechen wir hier von einigen Nanosekunden).
Okay.

Jonny O. schrieb:
> Weil Nanosekunden zu kurz sind, macht die Schaltung daraus Mikrosekunden

Und die Schaltung macht das so, dass es gerade den Bereich den man nicht 
messen kann auf einen niederfrequenteren Bereich herunterstuft? Sprich 
auf auf kHz.

Ich habe aber immer noch das Problem, dass ich nicht glauben kann, dass 
es so realisierbar ist.

[Jonny O. (-geo-)]

> Ah. Ich glaube ich habe es verstanden. Eine Phasenverschiebung ist eine
> Zeitverschiebung. (Zitat darunter)

Naja - die Phasenverschiebung wird in Radiant oder in Grad angegeben. 
Das ist ein Winkel. Man kann diesen Winkel aber in eine Zeit umrechnen. 
Das ist dann die Zeit zwischen zwei Nulldurchgängen zweier Signale.

Adian Z. schrieb:
> Ich habe aber immer noch das Problem, dass ich nicht glauben kann, dass
> es so realisierbar ist.

Ich wette, dass nur ein kleiner Teil der Leute hier im Forum auf Anhieb 
wüssten, dass die Phasenbeziehung nach dem Mischen unverändert bleibt. 
Ich musste da auch erstmal nachdenken!

Wohlgemerkt: Die Phasenbeziehung in Grad bleibt identisch, nicht jedoch 
die zeitliche Verschiebung in Sekunden!

Die Schaltung ist im Prinzip sehr raffiniert. Aber es ist natürlich in 
der Umsetzung nicht ganz so einfach, als dass man so etwas mal eben auf 
dem Steckbrett aufbauen könnte. :-)

[Adian Z. (adrinoelektrino)]

Jonny O. schrieb:
> Ich wette, dass nur ein kleiner Teil der Leute hier im Forum auf Anhieb
> wüssten, dass die Phasenbeziehung nach dem Mischen unverändert bleibt.
> Ich musste da auch erstmal nachdenken!
>
> Wohlgemerkt: Die Phasenbeziehung in Grad bleibt identisch, nicht jedoch
> die zeitliche Verschiebung in Sekunden!

Ja daran knabbere ich auch noch ein wenig, muss ich ehrlich zugeben.
Gibt nicht vielleicht ein Bild wo man es sich daran kenntlich macht, 
wieso es so ist?

Jonny O. schrieb:
> Die Schaltung ist im Prinzip sehr raffiniert. Aber es ist natürlich in
> der Umsetzung nicht ganz so einfach, als dass man so etwas mal eben auf
> dem Steckbrett aufbauen könnte. :-)
Oh ja, vor dem Erfinder, Respekt, Hut ab und Grüße ^^

Danke und Gruß

Adian

[Jonny O. (-geo-)]

Adian Z. schrieb:
> Ja daran knabbere ich auch noch ein wenig, muss ich ehrlich zugeben.
> Gibt nicht vielleicht ein Bild wo man es sich daran kenntlich macht,
> wieso es so ist?

Im Prinzip müsstest du es mathematisch betrachten. Sind dir die 
Additionstheoreme der Trigonometrie ein Begriff?

Beim Mischen multipliziert man zwei Cosinus-Funktionen miteinander (hier 
mit den Frequenzen von 1,001MHz und 1MHz). Aus dem Ergebnis filtert man 
dann den gewünschten Term heraus. Bei einem idealen multiplizierenden 
Mischer hat man nur zwei resultierende Frequenzen. Einmal die Differenz 
und einmal die Summe (Seitenbänder genannt). Die Schaltung betrachtet 
dann nur die Differenz (also die 1kHz). Bei dem Mischen bleibt die 
Phasenbeziehung stets erhalten (Das ist wie gesagt die Vorraussetzung 
für das Funktionieren der Schaltung).

Schau dir am Besten mal Artikel zum Thema "Mischer" an und gucke dir an, 
was passiert, wenn man zwei Cosinus-Funktionen miteinander 
multipliziert.

[Adian Z. (adrinoelektrino)]

Jonny O. schrieb:
> Im Prinzip müsstest du es mathematisch betrachten. Sind dir die
> Additionstheoreme der Trigonometrie ein Begriff?
Prinzipiell schon, aber weiß hier jetzt absolut nicht was wofür steht.

Jonny O. schrieb:
> Beim Mischen multipliziert man zwei Cosinus-Funktionen miteinander (hier
> mit den Frequenzen von 1,001MHz und 1MHz). Aus dem Ergebnis filtert man
> dann den gewünschten Term heraus. Bei einem idealen multiplizierenden
> Mischer hat man nur zwei resultierende Frequenzen. Einmal die Differenz
> und einmal die Summe (Seitenbänder genannt). Die Schaltung betrachtet
> dann nur die Differenz (also die 1kHz). Bei dem Mischen bleibt die
> Phasenbeziehung stets erhalten (Das ist wie gesagt die Vorraussetzung
> für das Funktionieren der Schaltung).
Vielleicht könnte man das konkret an einem Schaltungsabschnitt 
demonstrieren?
Die Widerstände, die Dioden und Kondensatoren erfüllen ja auch einen 
Zweck, diesbezüglich?

Jonny O. schrieb:
> Schau dir am Besten mal Artikel zum Thema "Mischer" an und gucke dir an,
> was passiert, wenn man zwei Cosinus-Funktionen miteinander
> multipliziert.
Zwei Cosinusfunktionen unterschiedlicher Amplitude und unterschiedlicher 
Frequenz? Also im Grunde müssen es ja auch nicht zwei Cosinusfunktionen 
sein, es geht darum aus der Multiplikation zweier Funktionen genau das 
gewünschte Frequenzspektrum zu erhalten? (Siehe Wikipediartikel: 
Mischer)

Gruß

Adian