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Dokumentenidentifikation DE102004059403A1 06.10.2005
Titel Licht-Zu-PWM-Wandler
Anmelder Agilent Technologies, Inc. (n.d.Ges.d.Staates Delaware), Palo Alto, Calif., US
Erfinder Jaffar, Rizal, Melaka, Malaysia, MY;
Len-Li, Kevin Lim, Perak, Malaysia, MY;
Chok, Lee Joon, Sarawak, Malaysia, MY
Vertreter Schoppe, Zimmermann, Stöckeler & Zinkler, 82049 Pullach
DE-Anmeldedatum 09.12.2004
DE-Aktenzeichen 102004059403
Offenlegungstag 06.10.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.10.2005
IPC-Hauptklasse G01J 1/44
Zusammenfassung Es wird eine Umwandlung von Lichtintensität in ein digitales Signal offenbart. Eine Stromausgabe einer Photodiode, die Lichtintensität darstellt, wird in eine Spannung umgewandelt und einem Komparator als Eingangssignal bereitgestellt. Ein Sägezahngenerator speist das andere Eingangssignal des Komparators. Das Ausgangssignal des Komparators ist ein digitales pulsbreitenmoduliertes (PWM-) Signal, bei dem die Pulsbreite proportional zur Lichtenergie ist. Der Sägezahngenerator kannn auf eine externe Quelle synchronisiert werden.

Beschreibung[de]

Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich allgemein auf Optisch-Zu-Elektrisch-Wandler. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Optisch-Zu-Digital-Wandler.

Viele Vorrichtungen erfordern die Umwandlung optischer Eigenschaften, z. B. Intensität, in ein elektrisches Signal. Verbreitete Lösungen des Umwandlungsproblems verwenden herkömmliche Analog/Digital-Wandler, bei denen ein analoges Eingangssignal von einem Sensor, z. B. einer Photodiode, einem Analog/Digital-Wandler (ADC) bereitgestellt wird, der ein digitale Mehrbitausgangssignal erzeugt, das den Intensitätspegel des Eingangssignals darstellt. Implementierungen einer derartigen Lösung erfordern, dass genau auf Layout und Signalpfade geachtet wird. Zwischen der Photodiode und dem Analog/Digital-Wandler ist eine Analogsignalaufbereitung erforderlich. Dem Analog/Digital-Wandler muss eine stabile Bezugsspannung bereitgestellt werden, ebenso wie ein Umwandlungstakt. Diese ganze Schaltungsanordnung nimmt Raum ein und kostet Geld.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst.

Gemäß der Erfindung wird ein Licht-Zu-PWM-Wandler (PWM = pulse width modulation = Pulsbreitenmodulation) bereitgestellt. Photostrom von einer Photodiode wird durch einen Verstärker, z. B. einen Transimpedanzverstärker, in eine Spannung umgewandelt. Die Ausgangsspannung des Verstärkers, die Lichtintensität darstellt, wird einem Eingang eines Komparators zugeführt. Ein Sägezahngenerator speist den anderen Eingang des Komparators. Das digitale Ausgangssignal des Komparators ist ein pulsbreitenmoduliertes Signal, wobei die Pulsbreite proportional zum Lichtpegel ist. Der Sägezahngenerator kann auf eine externe Quelle synchronisiert sein.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Blockdiagramm eines Licht-Zu-PWM-Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung;

2 Signalverläufe der Erfindung, und

3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die Erfindung bezieht sich auf Licht-Zu-Digital-Umwandlung. Die folgende Beschreibung wird präsentiert, um Fachleute zu befähigen, die Erfindung auszuführen und zu nutzen, und wird im Kontext einer Patentanmeldung und ihrer Anforderungen bereitgestellt. Fachleuten werden verschiedene Modifikationen der offenbarten Ausführungsbeispiel einleuchten, und die hierin beschriebenen generischen Prinzipien können auch auf andere Ausführungsbeispiel angewendet werden. Somit soll die Erfindung nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt sein, sondern ihr soll im Einklang mit den beigefügten Patentansprüchen und mit den hierin beschriebenen Prinzipien und Merkmalen der breiteste Schutzumfang gewährt werden.

Unter Bezugnahme auf die Figuren und insbesondere unter Bezugnahme auf 1 wandelt eine Photodiode 100 Licht in einen Photostrom 105 um. Dieser kleine Photostrom wird durch einen Transimpedanzverstärker 110 in eine Spannung umgewandelt. Transimpedanzverstärker, auch als Transwiderstandsverstärker bezeichnet, sind in der Technik hinreichend bekannt, z. B. „The Art of Electronics", zweite Ausgabe, von Horowitz und Hill, S. 79, 184, 235, 962, 1039. die Ausgangsspannung 115 des Transimpedanzverstärkers 110 wird dem Komparator 130 als ein Eingangssignal bereitgestellt.

Der Sägezahngenerator 120 stellt dem Komparator 130 als das andere Eingangssignal einen Sägezahnsignalverlauf 125 bereit. Das Ausgangssignal eines Sägezahngenerators erhöht sich stufenförmig von einer ersten, niedrigen Spannung zu einer zweiten, Spitzenspannung, die sich rasch erneut auf die erste, niedrige Spannung einstellt. Sägezahngeneratoren sind in der Technik hinreichend bekannt, wobei sie üblicherweise eine Stromquelle aufweisen, die einen Zeitgebungskondensator lädt, bis eine Schwellenspannung erreicht ist, wobei der Zeitgebungskondensator an diesem Punkt entladen wird. Bei einem idealen Sägezahnsignalverlauf ist die Spannungsrampe linear und die Neueinstellungszeit sehr kurz. Der Sägezahngenerator 120 weist ferner einen optionalen Synchronisationseingang 122 auf. Dieser Eingang kann verwendet werden, um den erzeugten Sägezahnsignalverlauf auf externe Signale zu synchronisieren.

Der Komparator 130 vergleicht den Sägezahnsignalverlauf 125 mit der Bezugsspannung 115, die eine durch die Photodiode 100 erfasste Lichtintensität darstellt. Das Ausgangssignal 140 des Komparators ist ein digitales Signal. Das Ausgangssignal des Komparators ist hoch, wenn die Bezugsspannung 115 höher ist als der Sägezahnsignalverlauf 125.

Dies ist in 2 gezeigt. Die Linie 115a zeigt eine Spannung, die einen hohen Lichtpegel darstellt. Der Signalverlauf 125 zeigt den Sägezahnsignalverlauf von dem Sägezahngenerator 120 der 1. Die Periode des Sägezahngenerators 120 ist in 2 als 128 gezeigt. Der PWM-Signalverlauf 140a stellt das sich ergebende pulsbreitenmodulierte Ausgangssignal des Komparators 130 dar. Die Pulsbreite dieses Signalverlaufs ist als 150a gezeigt. Das Ausgangssignal des Komparators 130 ist hoch, wenn das Eingangssignal 115a in den Komparator 130 höher ist als ein Sägezahnsignalverlauf 125 von dem Sägezahngenerator 120. Die Linie 115b zeigt eine Spannung, die einen niedrigen Lichtpegel darstellt. Im Vergleich mit dem Sägezahnsignalverlauf 125 resultiert ein PWM-Signalverlauf 140b, wobei ihre Pulsbreite durch 150b dargestellt wird. Wenn die Spannung 115 zunimmt, was eine steigende Lichtintensität darstellt, nimmt die Pulsbreite des Ausgangssignals 140 zu. Die Linearität dieses Ansprechverhaltens hängt von der Linearität des Sägezahngenerators 120 ab.

Wie gezeigt ist, ist die Einschaltzeit des ausgegebenen Signalverlaufs proportional zu dem eingegebenen Lichtpegel. Durch Umkehren der Eingangssignale in den Komparator oder durch Invertieren des Ausgangssignals des Komparators wird ein Signal erzeugt, bei dem die Auszeit des ausgegebenen Signalverlaufs proportional zu dem Lichtpegel ist.

Obwohl die Erfindung in diskreten Komponenten implementiert werden kann, kann sie in einer integrierten Form implementiert werden, bei der sich alle Komponenten auf einem gemeinsamen Substrat befinden. Dies kann zu einem Modul mit drei oder vier Anschlussstiften mit Masse, positiver Versorgung, PWM-Ausgangssignal und optional einem Sägezahnsynchronisationseingangssignal führen. Diese Integration muss nicht in Form einer einzelnen integrierten Schaltung vorliegen, kann jedoch eine Zwischenform wie z. B. eingehäuste oder nicht eingehäuste Komponenten auf einer oder beiden Seiten eines Substrats sein. Je nach der Größe des bei dem Sägezahngenerator verwendeten Zeitgebungskondensators können ein oder mehrere Anschlussstifte vorgesehen sein, um zu ermöglichen, dass diese Komponente außerhalb des Substrats angeordnet ist. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel können alle Verarbeitungskomponenten bis auf die Photodiode in ein einzelnes Gehäuse integriert und mit einer externen Photodiode verbunden sein.

Im Gebrauch wird die spektrale Empfindlichkeit des Systems durch die Photodiode und die optischen Eigenschaften ihres Gehäuses bestimmt. Bei vielen Anwendungen kann es wünschenswert sein, die spektrale Empfindlichkeit der Photodiode dadurch zu gestalten, dass das optische Filtermaterial in dem optischen Pfad platziert wird.

3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das drei Sensoren gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet. Ein Rotfilter 110 filtert Licht zu einem Sensor 112, der ein rotes PWM-Ausgangssignal 114 erzeugt, die zu dem Pegel von rotem Licht proportional ist. Ein Grünfilter 120 filtert auf ähnliche Weise Licht zu einem Sensor 122, der ein grünes PWM-Ausgangssignal 124 erzeugt. Ein Blaufilter 130 filtert Licht zu einem Sensor 132, der ein blaues PWM-Ausgangssignal 134 erzeugt. Ebenfalls gezeigt ist eine optionale Synchronisierungsleitung 140, die die Sensoren 112, 122, und 132 veranlasst, synchronisierte PWM-Ausgangssignale zu erzeugen. Je nach den Einzelheiten der Implementierung kann eine Synchronisierung bereitgestellt werden, indem ein Synchronisierungspuls, wie er zuvor beschrieben wurde, angelegt wird, oder sie kann erhalten werden, indem die Komparatoren in der Gruppe von Sensoren von demselben Sägezahngenerator getrieben werden.

Die vorstehende ausführliche Beschreibung der vorliegenden Erfindung ist zu Veranschaulichungszwecken vorgesehen und soll nicht erschöpfend sein oder die Erfindung auf die genauen offenbarten Ausführungsbeispiele beschränken. Dementsprechend ist der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung durch die beigefügten Patentansprüche definiert.


Anspruch[de]
  1. Vorrichtung zum Umwandeln eines optischen Signals in ein digitales Signal, die folgende Merkmale aufweist:

    eine Photodiode (100), die ein optisches Signal in einem Strom umwandelt;

    einen Transimpedanzverstärker (110), der den Photodiodenstrom (105) in eine Spannung umwandelt,

    einen Sägezahngenerator (120), der ein Sägezahnsignal erzeugt, und

    einen Komparator (130), der das Sägezahnsignal mit dem Spannungsausgangssignal des Transimpedanzverstärkers (110) vergleicht, wobei ein pulsbreitenmodulierter digitales Ausgangssignal erzeugt wird.
  2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der Sägezahngenerator (120) ferner einen Synchronisationseingang (122) umfasst.
  3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der sich der Transimpedanzverstärker (110), der Sägezahngenerator (120) und der Komparator (130) in einem gemeinsamen Gehäuse befinden.
  4. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der sich die Photodiode (100), der Transimpedanzverstärker (110), der Sägezahngenerator (120) und der Komparator (130) in einem gemeinsamen Gehäuse befinden.
  5. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, bei der die Photodiode (100) ferner ein optisches Filter umfasst.
  6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, bei der eine Mehrzahl von Wandlereinheiten, wobei jede Wandlereinheit eine Photodiode (100) mit einem optischen Filter, einen Transimpedanzverstärker (110) und einen Komparator (130) umfasst, durch einen gemeinsamen Sägezahngenerator (120) getrieben werden.
  7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, bei der die Mehrzahl von Wandlereinheiten durch einen Sägezahngenerator (120) getrieben werden, der in einer der Wandlereinheiten vorliegt.
  8. Vorrichtung gemäß Anspruch 6 oder 7, bei der die Mehrzahl von Wandlereinheiten durch einen Sägezahngenerator (120) getrieben wird, der außerhalb aller Wandlereinheiten vorliegt.
  9. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8, bei der eine Mehrzahl von Wandlereinheiten synchronisiert ist, wobei jede Wandlereinheit eine Photodiode (100) mit einem optischen Filter, einen Transimpedanzverstärker (110), einen Komparator (130) und einen Sägezahngenerator (120) umfasst.
  10. Verfahren zum Umwandeln eines optischen Signals in ein digitales Signal, das folgende Schritte umfasst:

    Umwandeln des optischen Signals in einen Strom,

    Umwandeln des Stroms, der das optische Signal darstellt, in eine Spannung, die das optische Signal darstellt,

    Erzeugen eines Sägezahnsignals, und

    Vergleichen des Sägezahnsignals mit der Spannung, die das optische Signal darstellt, und Erzeugen eines digitalen pulsbreitenmodulierten Ausgangssignals.
  11. Verfahren gemäß Anspruch 10, bei dem das Sägezahnsignal auf ein externes Signal synchronisiert wird.
  12. Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 11, das ferner den Schritt des Filterns des optischen Signals umfasst.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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