Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Transoptor szczelinowy, a szybkość propagacji sygnału...

10 Maj 2005 01:54 5148 3
  • Poziom 10  
    Witam

    Przerabiam pewne urządzenie, w którym są zastosowane 2 transoptory po obu końcach szyny na której jeździ sobie lustro, a dokładniej jest to interferometr Michelsona do pomiaru długości fali lasera.
    Główny problem leży w tym, że jak wózek z lustrem dojedzie do jednego z końców to transoptor zostaje zasłonięty i na jego wyjściu pojawia się "1". sygnał ten jest potrzebny do załączania przerwania na procesorze sterującym i dodatkowo powoduje blokowanie sygnału z diody pin, która służy do detekcji impulsów z lasera.

    Czas przejścia z 0 na 1 dla takiego transoptora, a są tam jakieś MCT8 jest bardzo duży - kilkanaście, kilkadziesiąt mikrosekund, a impulsy z lasera trwają typowo ok. 300nanosekund czyli 0,3 mikrosekundy. Teraz jeżeli oglądam to na oscyloskopie to podczas takiego "przejścia z 0 na 1" procesor zdąrzy zliczyć jeszcze z kilkadziesiąt albo i więcej impulsów z diody pin. Dlatego chciałbym zbudować szybki układ, który zamienia sygnal z fototranzystora na ttl - myślałem np. o jakimś komparatorze Maxima poniżej 10ns, tylko że jak przeglądam dokumentacje transoptorów(nawet tych z wbudowanym wyjściem TTL o czasie przejścia 70ns jak np. OPB960) to i tak każdy transoptor ma czas propagacji sygnału od kilku do kilkunastu mikrosekund.

    Czy są jakieś transoptory, gdzie ten czas propagacji sygnału będzie już nie koniecznie mały, ale będzie powtarzalny np. zawsze 5us? Bo w niektórych dokumentacjach jest np. typowy czas propagacji 5us a maksymalny 25us. Może ktoś mądry mi coś podpowie albo trochę oświeci. Czy dobrze kombinuje, żeby zastosować na wyjściu zwykłego transoptora szybki komparator? Czy może za wyjściem komparatora powinny byc jakieś bramki z wejściami Schmidta?
  • Poziom 19  
    Witam.
    Najpierw trochę analizy.
    Jest parę problemów do zauważenia:
    1) czas propagacji - prawdopodobnie nie najważniejszy problem
    2) sposób wykrywania położenia
    3) stałość czasu propagacji (5-25us?)

    Zacznijmy od końca.
    3) Typowe układy transoptorów szczelinowych to układy z fototranzystorem. Tutaj nie bardzo można zyskać na czasie przełącznia. Dopiero transoptory z fotodiodą mają lepsze parametry czasowe. Ale ze względu na bardzo małe sygnały z fotodód, najczęściej w układach wbudowane są od razu wzmacniacze i stopnie wyjściowe. Czasy przełączania siegają od razu w rząd nanosekund.
    Oczywiście są fotoodbiorniki (np. światłowodowe) o max. częstotliwościach rzędu 100 i wiecej MHz, i można sobie wyobrazić układ, w krótym w tor światłowodowy wtrącony zostaje "przerywacz" w postaci czujnika położenia i w sumie czas reakcji odbiornika będzie na poziomie zaledwie nanosekund. Ale i tak to się nie sprawdzi. Dlaczego? O tym za chwilę.
    Co do stałości czasu propagacji. w danych technicznych podawane są np. parametry typu: typowo, maksymalnie, minimalnie itd. Ale NIE oznacza to, że dany - konkretny, ten, który trzymamy w ręce - element bedzie miał zmienny czas opóźnienia. Podczas produkcji półprzewodników parametry technologiczne trzymane są z pewną dokładnością. W związku z czym każda partia produkcyjna może sie nieznacznie różnić. I to są te parametry min, typ, max. Dany element w DANEJ TEMPERATURZE ma stabilne parametry opóżnieniowe, wynikające z własności znajdującego sie w nim półprzewodnika. Oczywiście są one nieco zmienne w funkcji temperatury. Ale nie oznacza to, że dany element może mieć w jednaj chwili czas propagacji 5us, a w nastepnym momencie już 25us. Nie! czas ten jest w miarę stabilny. Ale znowu chciałbym zwrócić uwagę, że prawdopodobnie nie czas reakcji fotodetektora jest tu najważniejszy...(o tym za chwilę)
    Co do zastosowania szybkich komparatorów na wyjściu z transoptora. Nie ma to specjalnie znaczenia. Powtarzalność reakcji transoptora może być np. na poziomie 50-100ns (dla zwykłych transoptorów) lub rzędu 2-5ns (dla transoptorów szybkich). O ile dalsze układy elektroniczne reagują z podobnymi czasmi, to nie ma większego sensu męczyć się z dodatkowymi komparatorami. Oczywiście mówię tu o transoptorach, które mają już wbudowany układ wzmacniaca i komparatora. Tu zewnętrzny, szybki komparator już niewiele zdziała. Raczej trzeba przyglądnąć się, czy przypadkiem gdzieś dalej nie jest coś zbyt wolnego - np. procesor nie reaguje zbyt wolno na sygnał z czujnka. Ale moim zdaniem problem tkwi gdześ indziej - gdzie - o tym za chwilę...
    1) teraz powróćmy na chwilę do początku. Można sobie wyobrazić, że np. wykonamy układ wykrywania położenia dokładnie w ten sam sposób, jak główny układ fotoodbiornika - wówczas na pewno bedzie wiadomo, że skoro oba tory optyczne - ten liczący i ten wykrywający pozycję mają takie same czasy propagacji, to na pewno po wykryciu pozycji końcowej, główny układ nie zliczy wiecej niż jednego impulsu.
    Możliwości są najróżniejsze, ale teraz chciałbym pokazać, co jet moim zdaniem najważniejsze
    2) Metoda pomiarowa wykrywania pozycji końcowej.
    Każdy transoptor szczelinowy, aby mógł działać, ma taką samą zasdę działania: wysyła wiązkę promieniowania do odbiornika. Przesłonięcie tej wiązki powoduje zadziałanie odbiornika.
    Przyglądnijmy się tamu zagadnieniu mikroskopowo.
    Musimy ustalić dwa dodatkowe założenia: z JAKĄ szybkością przemieszcza się lustro? i jaką szerokość wiązki "do przesłonięcia" wysyła nadajnik w transoptorze. Załóżmy np. że szybkość ruchu lustra jest na poziomie 10cm na sekundę (wydaje mi sie ze dla układów interferometrów to bardzo dużo!). Dodatkowo załózmy, że szerokść wiązki jet typowa np. 1 mm. Otrzymujemy, że czas przełonięcia wiązki od momentu rozpoczęcia przesłaniania do momentu całkowitego przesłonięcia wyniesie:
    1/100 = 10ms !!!!
    Jest to czas, który ma sie nijak do typowych mikrosekund nawet wolnych transoptorów. Doprze, powiedzą niektórzy, ale przełączenie nie następuje po całkowitym rzesłonięciu, tylo gdziec w połowie. No dobrze, ale zmniejszy to czas przesłaniania do 5ms. Inni powiedzą - bzdura - liczy się tylko czas gdzieś w środku, przecież przełączanie stanu następuje nie przez cały czas ruchu, tylko przy zmaleniu sygnału do wartości, przy której nastąpi przełączenie. TAK, ci będą mieli rację.
    Ale zauważmy: MOMENT PRZEŁACZENIA ZALEŻNY JEST OD STOPNIA PRZESŁONIĘCIA odbiornika. A to oznacza, że przy tak wolnym przesłanianiu (przypominam - 10ms od momentu rozpoczęcia przesłaniania do całkowitego przesłonięcia) - sygnał na fotoodbiorniku powoli maleje od maksymalnego do (powiedzmy) zera - bardzo wolno!.
    Prawdopodobnie gdzieś w pobliżu 50% przesłonięcia będzie decyzja - zmiana stanu wyjścia. ALE stabilność tego POZIOMU jest podstawowa dla powtarzalności miejsca zadziałnia całego czujnika. Nawet, jeżeli układ komparatora wewnętrzego we wbudowanym wzmacniaczu w transoptorze jest absolutnie stabilny, to mechaniczny ruch lustra i nawet drobne fluktucacje np. powietrza będą powodowały minimalne zmiany punktu przełączenia dla KAŻDEGO kolejnego wykrywania pozycji. Skoro ruch jest tak WOLNY (przypominam - 10ms!) to stabilność punktu wyzwolenia od NATĘZENIA promieniowania będzie z dokładnością np. 1%. A to oznacza, że każdy transoptor szybszy niż 100us będzie doskonały do takiego celu - wykrywania pozycji.
    I żaden układ komparatora, bardzo szybkich transoptorów, zastosowanie fotodiody pin, itd. w tej sytuacji NIE pomoże. Przełączenie jest NATĘŻENIOWE, a jako takie - z racji działania - będzie nieco niestabilne.
    Wszysto, co dzieje się w czasie ok. 100us bedzie z taką czasową niedokładnością zaliczane.
    Wiem, że niestety nieco rozczarowałem. Ale chciałem zaoszczędzić czasu i wysiłku przy niecelowych działniach. I pokazać miejsca, gdzie trzeba by szukać przyczyny pewnej niestabilności wykrywania pozycji.
    Pozdrawiam i przepraszam za tak długi wywód.
  • Poziom 10  
    Na wstępie chciałem podziękować za tak długi i ciekawy wywód :)

    Przejrzałem prawie wszystkie strony firm produkujących optoelektronikę i poniżej 3-5us raczej nie da się zejść z prędkością propagacji+zmiany stanu, a szerokość szczeliny to w najlepszym przypadku 0.15mm.
    Prędkość poruszania się tego lustra jest niestety narazie mała nawet mniejsza od tych 10cm/s i wynosi gdzies 3-5cm/s.
    Pomimo tych wszystkich wad myślę, że i tak zastosowanie nowoczesnych transoptorów coś da, bo tamten układ jest już trochę stary pewnie koniec lat 70/początek 80 i transoptory tam zastosowane nie mają najlepszych parametrów, ani żadnej porządnej elektroniki na wyjściu.
    Przy w miarę stabilnych transoptorach mógłbym programowo odliczać ilość impulsów z fotodiody pin(na którą pada promień lasera), które procesor zliczył w czasie propagacji jednego z transoptorów ograniczających drogę optyczną układu. Dlatego czas propagacji nie jest, aż tak istotny, chociaż fajnie gdyby był jak najmniejszy i gdyby dało się go zmierzyć np. na oscyloskopie, bardziej liczy się stabilność i powtarzalność.
    Zastanawiałem się też czy kształt krawędzi elementu zasłaniającego transoptor będzie miał duży wpływ. Teraz jest to coś w rodzaju płaskownika z czarnego aluminium, ale był pomysł żeby dokleić tam ostrza żyletek, które mają ostre krawędzie.
    Zauważyłem też, że transoptor z prawej strony jest umieszczony odwrotnie niż ten z lewej tzn. obrócony o 180stopni tak żeby element zasłaniający zawsze wchodził na np. lewą stronę każdego z transoptorów, ale może to powodować jakieś niewielkie różnice w czasie przełączania, ponieważ układ ten nie jest w żaden sposób osłonięty od oświetlenia(świetlówek) jakie panuje w labolatorium. Jeden z transoptor będzie skierowany częścią detektora w stronę sufitu a drugi w stronę podłogi, więc na przełączanie tego pierwszego będzie miało wpływ w pewien nie określony do końca sposób światło tych świetlówek głównie w zakresie podczerwieni.

    Zastanawiam się jeszcze nad użyciem takich czujników:
    http://www-personal.umich.edu/~btrease/chaockey/Agilent_Optical_Encoders.pdf
    mam podobny od silnika z drukarki HP, mają one dużą rozdzielczość ok. 0,0127mm i szybki czas narastania/opadania zbocza 100/200ns.
  • Poziom 19  
    Tak jak wsponimałem - moim zdaniem nie jest problem w szybkości narastania zbocza po stronie elektrycznej. Tak saomo jak nie jest problemem szybkość reakcji fotoodbiornika po stronie detektora.
    Bo: jeśli nawet czerokość szczeliny wynosi 0.15mm i zakładamy szybkość reakcji ukłądu na poziomie 5us, to szybkość przesłaniania powinna wynosić: 0.15mm:5us = 30m/s!!!!! To jest chyba w danym układzie niemożliwe....
    Tak więc (podkreślam - tylko moim zdaniem) sprawa dokładności pomiarowej leży zasadniczo po stronie zapewnienia powtarzalności parametrów optycznych zasłaniania czujnika (co jest bardzo! trudne do zrealizowania), a nie po stronie szybkości odpowiedzi transoptorów szczelinowych.
    Pozdrawiam