Einfaches PSD Interface

[Manf]

Ein Interface zur Auswertung der Photoströme eines eindimensionalen PSD Sensors (Position Sensitive Device) soll im allgemeinen nach der Gleichung


x = k * (i1 - i2) / (i1 + i2)
die Position des Lichtflecks aus den beiden Photoströmen bestimmen, siehe Bild rechts.

Führt die Schaltung links im Bild die Operationen aus?, erzeugt sie ein Signal, das proportional zur Position des Lichtflecks ist?
Manfred


https://www.roboternetz.de/phpBB2/album_pic.php?pic_id=1558


Links zum Thema PSD und PSD Interface
http://de.wikipedia.org/wiki/Position_Sensitive_Device
http://www.fbmn.fh-darmstadt.de/~blendowske/optische%20messtechnik/Triangulationsmesystem-b.pdf
www.fb06.fh-muenchen.de/fb/queries/download.php?id=1173
http://www2.fh-muenster.de/FB11/forschung/sensorlab/praktikum/stprakt04.pdf

[Manf]

Es fängt damit an, dass man nach dem Strukturbild rechts eine Division ausführen soll, mit Größen, die positiv und negativ sind.

Die Ströme i1 und i2 haben jeweils die Größe von 0 bis zum maximalen Wert is (is ist der Summenwert bei dem gerade der andere Strom null ist). Die Differenz der beiden Ströme im Zähler ist damit im Bereich von – is bis +is. Im Nenner steht auch gerade is. Der Weg x geht damit von –is/k bis +is/k oder –xm bis +xm.


Überträgt man den Bereich von –xm bis +xm linear in einen anderen Bereich für y von 0 bis ym, dann ist y = ( x + 1 ) / 2.
Aus der Gleichung
x = k * (i1 – i2) / ( i1 + i2) wird damit
y = c * ( (i1 – i2) + ( i1 + i2) ) / 2 * ( i1 + i2)
also
y = c * i1 / (i1 + i2)


Damit erhält man Operationen die aus positiven Größen i1 und i2 eine positiven Wert von y bestimmen und eliminiert damit die Division von negativen Größen.

Vielleicht ist die Schaltung links damit besser in ihrer Funktion zu analysieren.
Manfred

[Manf]

Die Schaltung im Bild besteht aus 4 Teilen:
A) dem linken OPV als Hilfsspannungsquelle,
B) den Dioden des PSD mit den Schaltern,
C) dem rechten OPV als Integrator,
D) den beiden Invertern als Schmitt Trigger.

Bei D wird ein PWM Signal p ausgegeben das der Position y/ym entsprechen soll. Das Signal p geht an den Schalter S1 und das inverse Signal (1-p) geht an den Schalter S2.

Die Dioden liegen in Reihenschaltung in entgegengesetzter Richtung am Eingang des Integrators. Da die beiden Signale die Schalter abwechselnd schließen ist jeweils eine Diode kurzgeschlossen und die andere liegt für sich allein am Eingang und ihr Strom ist der Eingangsstrom des Integrators.


https://www.roboternetz.de/phpBB2/album_pic.php?pic_id=1558
Das Bild von oben noch einmal.

Während der relativen Einschaltdauer p ist der Schalter S1 geschlossen und der Strom i2 der Diode D2 fließt in den Eingang. Während der übrigen Zeit (1-p) fließt der Strom -i1 der Diode D1 in den Integrator.

Damit erhält der Integrator pro Periode den Strom i2 * p – i1 * ( 1 - p ). Da der Integrator zwischen den Schaltpunkten des Schmitt Triggers hin und her regelt ist der Mittelwert des Stroms null und es gilt:


i2 * p = i1 * ( 1 - p )
i2 * p = i1 – i1 * p

p = i1 / ( i1 + i2 )

Damit ist dann p = y/ym, proportional zur Position des Lichtflecks, gemessen ab dem linkem Rand des PSD.

Bei einer Änderung der Intensität des Lichtflecks auf dem PSD ändert sich die Frequenz des Ausgangssignals aber nicht die relative Einschaltdauer p, das wurde ja auch so berechnet. Schön ist auch dass die Schaltung ohne Spezialbauteile aufgebaut ist und nicht mehr als 1mA benötigt.
Manfred

[Manf]

Führt die Schaltung links im Bild die Operationen aus?, erzeugt sie ein Signal, das proportional zur Position des Lichtflecks ist?
Um die gestellte Frage noch explizit zu beantworten:
Die Schaltung führt nicht die allgemein vorgeschlagenen Operationen zur Positionsbestimmung aus, dafür wird aber mit einfacheren Operationen ein Signal erzeugt, das proportional zur Position des Lichtflecks ist.

Wenn es geht, dann achtet man allgemein bei der analogen Signalverarbeitung darauf, dass das gesamte Signal aufgenommen wird und nicht wie hier, nur über Abschnitte integriert wird, um sich gegenüber periodischen Störungen zu schützen.

Andere Schaltungen wie der Sharp PSD (GP2D12) arbeiten mit moduliertem Licht, um die Störung von konstantem Fremdlicht zu unterdrücken. Dabei kommt dann auch eine Empfindlichkeit gegenüber periodischen Störungen der gleichen Frequenz auf.

Eine Optimierung wird damit immer unter den geltenden Randbedingungen durchzuführen sein, hier war es das Ziel eine einfache Schaltung für die Grundfunktion zu realisieren.
Manfred