sehr schneller OP

[Manf]

Dann ist das Licht 2ns unterwegs?

Die Zeit ist etwas schwer zu messen, wenn man die Amplitude nicht kennt, die von der Strecke zurückkommt. Man wird also mit einer kontinuierlichen Folge von Impulsen abgleichen?

Die relativ langen Leitungen die zu den optischen Elementen führen sind auch nicht für die hohe Frequenz geeignet oder sind da Koaxialkabel dabei?

Signal (Sperrstrom) der Dioden greife ich über einen Widerstand ab.

Man versucht bei den Frequenzen schon, an der Diode gar nicht erst einen Spannungsabfall aufkommen zu lassen (der über Streukapazitäten in Tiefpässen endet), und geht gleich in den Stromeingang eines Verstärkers. Das Signal geht dann über Kaskodestufen (mit "o") an sehr niederohmige Ausgänge um allenfalls an 50Ohm als Spannung aufzutauchen.
siehe auch http://de.wikipedia.org/wiki/Transim...erst%C3%A4rker (na gut auch mit 100Ohm).

So sehr gefällt mir das Schaltbild bei Wiki für schnelle Anwendungen nicht. Eine Gegenkopplung über mehrere Stufen zum Ausgang des OP funktioniert in dem Frequenzbereich kaum noch. Man sollte versuchen gering verstärkende Stufen hoher Bandbreite in Kette zu schalten, um ein in der Amplitude geregeltes verstärktes niederohmiges Signal zu erhalten.

Ich habe mal eine lustige Schaltung ausprobiert, die mit relativ einfachen Mitteln Signale bis 4GHz abtasten konnte. Vielleicht wäre das etwas, um dann eine Auflösung von 4cm zu erhalten.
Manfred

[Wolferl]

Wie gesagt bin ich das ganze erstmal recht simpel angegangen. Nicht zuletzt weil ich wissen wollte ob es überhaupt funktioniert.
Die Zeitdifferenz beim Aufbau vom Foto liegt bei 2 - 10 Digits. Ich vergleiche ja die Differenz der Fotodioden. Allerdings habe ich die Komparatorspannungen auch ein weilchen abgleichen müssen. Ich habe leider noch keine ausführlichen Messungen gemacht. Meine angetraute Gewittertulpe hat meine vollste Aufmerksamkeit gefordert. Ich bin also grad so weit, dass ich weiß dass die gemessene Zeit mit dem abstand vom Spiegel zu nimmt.
Für einen groben Abgleich hab ich die Vergleichsspannung auf 50% der Signaldifferenz (Laser an - Laser aus). Den Rest dann so dass es hablwegs gepasst hat.
Die Leitungen von Laser und Dioden zum den Steckbrettern sind recht kurz. Vom Steckbrett zur Platine mit dem GP1 gehts mit Koax weiter.
Bei Transimpedanzwandlern hab ich die Erfahrung gemacht, dass eben nicht alle gleich sind (ja wirklich). Ernsthaft: Mit manchen Dioden-Wandler Kombinationen lässt sich der "Hall" in einer Ulbrichtkugel messen bzw. man sieht die unterschiedlichen Abfallzeiten. Bei den Eigenbauten war der Unterschied bisher immer höchstens im Ansatz erkennbar (waren auch für genaues nicht schnelles messen ausgelegt).
@Manf: welche Schaltung würdest du vorschlagen bzw. wie würdest du die Standardschaltung von Wiki abändern. Im jetzigen Stadium bin ich da noch für alles offen.

[Manf]

Die optimale Schaltung kommt sehr auf die angestebte Grenzfrequenz an. Vor allem hohe Verstärkung und starke Gegenkopplung sollte vermieden werden. Bis zum Einschwingen der Ausgangsstufe ist ja der Eingang nicht kompensiert.
Mehrstufige Verstärker müssen deshalb bei hohen Frequenzen einzeln gegengeoppelt werden.
Es gibt dann Bereiche, in denen einzelne Transistoren das Signal sicherer verarbeiten als Intergrierte Schaltungen.

Beim Einsatz von Einzeldrähten und Steckbrettern ist der Aufbau schon sehr empfindlich und Kapazitäten zu Nachbarpins von einzelnen pF gehen erheblich in die Funktion der Schaltung ein.

Ich würde mir zunächst ein Ziel setzen welcher Verstärkungsbereich realisiert weden soll und eine Schaltung so gestalten, daß sie die Verstärkung ohne externe (gemeinsame) Gegenkopplung erbringt.

Bei der Zeitmessung gibt es auch eine Reihe von Verfahren wie man Zeitschritte von 100ps über einen Berich von einigen zig ns auflöst. Ein Sampling Scope kann da als Vorlage dienen. Dann ist es kein Komparator sondern ein Abtaster der die Zeit erfasst. Aber damit bin ich eher im Systemkonzept als bei der Fragestellung.
Manfred

[Wolferl]

Das mit den Steckbrettern hab ich schon festgestellt. Daher hab ich mehrere verwendet.

Die Zeitmessung erledigt der GP1. Hab grad ein Foto von dem Teil der Schaltung gemacht. GP1=TQFP SMD Baustein unten. darunter die BNC Buchsen für Start, Stop1 und Stop2. Die beiden schwarzen Kabel gehen an die Enable Eingänge der Stops und liegen dauernd auf Enabled.

Verstehe ich das jetzt richtig, dass ich als erstes den Verstärkungsfaktor kennen muß? Dann mehrere "kleine" Verstärker die separat gegengekoppelt sind?

Also:
1: Transimpedanz
2: Verstärker mit jeweils geringer Verstärkung (->hohe Bandbreite?)
3: Komparator

Wolfgang

[Manf]

Ja, das ist grundsätzlich richtig. Transimpedanz heißt, an den Stellen an denen das Signal hochohmig zur Verfügung steht, wie an der Diode, darf es nicht die Spannung ändern, sonst belastet die Streukapazität die Bandbreite, gleich in einen niederohmigen Verstärkereingang gehen.


Ich habe mit auch eine kurze Beschreibung des GP1 angesehen.
http://www.acam.de/Content/English/gp1/gp1_2.html
Das Verfahren kenne ich von einem TDR von HP zur Leitungsmessung dessen Beschreibung ich als Student gelesen habe. 250ps also, das ist schon recht anspruchsvoll, aber der Baustein nimmt einem ja eine Menge ab.

Wenn noch grundsätzliche Betachtungen erlaubt sind: Bei diesen high Performance Signalverarbeitungsaufgaben sollte man (ähnlich wie bei schneller Datenverarbeitung) die Systemebene einbeziehen. Von Parallelität und Pipelining ist hier das Pipilining gut anzuwenden mit der Kette von Verstärkern die das Signal stückweise weiterbearbeiten und durchreichen.

Ähnlich wie beim Sampling Scope kann man auch Iterativ arbeiten. Ein Messzyklus ist eigentlich viel schneller fertig als nötig und man kann die Aufgabe auf mehrere Zyklen verteilen. Es kann sich lohnen, nur zu betrachten, ob das Signal von Objekt nach 5,25 ns eingetroffen ist oder nicht, im nächsten Durchgang überprüft man, ob es nach 5,5ns da ist.

Auf diese Weise würde man in 400 Durchläufen den Bereich bis 100ns (15m) absuchen können. Dann sind erst 40µs um, plus Overhead. Die restliche Zeit kann man auch gut nutzen. Das geht aber schon wieder in Richtung Gesamt-Konzept und am Einsatz des GP1 vorbei.
Manfred

[Wolferl]

Wie gesagt, nachdem ich es mit Flanken und deren Abtastung nicht hinbekommen hab -> GP1.
Inzwischen gibts neben der Gatterlaufzeit noch weitere Verfahren aber ...

Langfristig würde ich die 125ps Auflösung bevorzugen.

Jedenfalls mein Problem ist, dass ich nicht weiß auf welche Parameter von den OPs ich achten muss.

Wolfgang

[Manf]

Ich bin leider zu keinem Ergebnis für den Verstärker gekommen, aber folgende Überlegung wollte ich noch anbringen die sicher bei der Auswahl eines Verstärkers hilft.

Es soll eine Zeitmessung bis zum Eintreffen des Echoimpulses durchgeführt werden. Der Echoimpuls kommt aus unterschiedlicher Entfernung und ist auch aufgrund der Reflexionsfläche unterschiedlich stark. Wie schafft man es, den Impuls so zu verarbeiten, daß er in gleicher Form an den Komparator gelangt, damit der Trigger nicht aufgrund der Impulsform unterschiedlich schaltet?

Man benötigt einen über einen weiten Bereich linearen Verstärker. Eine solche Anforderung besteht auch bei Oszilloskopen, die Signale unterschiedlicher Größe ohne Verfälschung der Form darstellen sollen. (5mV-20V pro Einheit). Bei Oszilloskopen ist es ganz konsequent so gelöst, daß der Y-Verstärker das kleinste Signal (8*5mV) ausreichend verstärkt, immerhin auf etwa 60V und das alle andern Signale durch einen passiven Teiler am Eingang gehen um genau auf diesen kleinsten Wert zu kommen. Der passive Teiler ist bei der hohen Bandbreitenanforderung der Schlüssel zur Linearität über einen großen Bereich.

Im vorliegenden Fall sollte man es ähnlich machen, und den Verstärker für das schwächste Signal auslegen. Stärkere Signale sollte dann passiv und mit voller Bandbreite bei bester Linearität auf diesen Pegel gebracht werden. Mit einer optischen Dämpfung ist dies sicher perfekt zu erreichen. Es wird die sauberste Lösung sein.

Wenn das schwächste Signal Kompromisse an Rauschen und Jitter erfordert, dann kann man auch einen zweiten Meßbereich einführen.
Manfred

[Wolferl]

Danke.
Werd mir in den nächsen Tagen erstmal etwas mehr Gedanken über die Detektoroptik machen und dann noch Messungen dazu machen um ein paar Anhaltspunkte bzgl. Signalhub zu bekommen.

Wolfgang

[Manf]

Gerade bin ich in der ELEKTRONIK 5/05 auf eine Produktvorstellung des TDC502 von MSC gestoßen. Ich wollte nur erwähnen, daß es dort auch Bausteine zur Zeitmessung gibt.
Besonders interessant ist dabei wohl die große Gesamtmessdauer von ms im Vergleich zur Auflösung im 100ps Bereich.

Wenn es um die Auflösung im 100ps Bereich allein ginge, könnte man doch auch einen Rampengenerator stoppen, der beispielsweise einen 50pF Kondensator mit 5mA aufläd, also mit 0,1V/ns, und den Spannungswert auf 10mV genau auslesen. Die Gesamtdauer wird dann nur im Bereich um 20-50ns liegen.

Die komplementäre Schaltung habe ich einmal realisiert, um Impulse für eine Signalabtastung (Sampling Oszilloskop) um jeweils 100ps zu verschieben. Der Versuchsaufbau hat sehr gut funktioniert, wobei nur einfache Gatter und Transistoren zur einstellbaren Impulsverzögerung verwendet wurden. Nur der Sampling Impuls selbst mußte dann schon etwas anspruchsvoller realisiert werden.
Manfred

http://www.msc.de/cgi-bin/frame.pl?u...tml:language=d
Bild hier  

[Wolferl]

Die Messzeit kann auch beim GP1 auf den ms Bereich erweitert werden.
Dazu wird dann ein Vorteilerprinzip eingeführt.
Interessant ist die Auflösung vom TDC502. Weißt du zufällig wo er preislich liegt?
Von Acam ist auch der GPX interessant. 25ps Auflösung und integrierte Komparatoren. Problem ist nur die unhandliche Bauform (bei meinen Lötkünsten ist TQFP100 schon ein knockout Kriterium).
Die 0,8mm vom TDC502 wären da grad noch OK.

Werde jetzt erstmal schauen, welche Signale ich erwarten kann. Dazu hab ich mir ein paar Linsen bestellt.

An sonsten hab ich inzwischen noch ein paar Messungen gemacht. Sieht nicht rosig aus. Die Messzeit nimmt zwar mit der Entfernung zu ist aber auch noch sehr stark von anderen Faktoren abhängig. Z. B. ist die Reflektion am Spiegel problematisch. Strahldivergenz des Lasers, Position der Reflektion auf der PD...
Ohne Verstärker wird da so wahrscheinlich auch nix.

Wolfgang