Präzisionsverstärker für optische Signale

In der Messtechnik gewinnen optische Funktionsprinzipien immer mehr an Bedeutung. Eine wesentliche Herausforderung bei der Entwicklung einer solchen Sensorik liegt in der Signalverarbeitung. Welche Schaltungstopologie eignet sich für welche Anwendung?

In der Messtechnik gewinnen optische Funktionsprinzipien immer mehr an Bedeutung. Eine wesentliche Herausforderung bei der Entwicklung einer solchen Sensorik liegt in der Signalverarbeitung. Welche Schaltungstopologie eignet sich für welche Anwendung?

Wesentliche Fortschritte sind in den letzten Jahren auf dem Sektor der optischen Verfahren zu beobachten. Diese umfassen zum einen den Bereich der direkten Materialbearbeitung mittels Strahlung wie zum Beispiel das Laserstrahlschweißen, zum anderen werden im Bereich der Diagnostik und Messtechnik immer mehr Anwendungen entwickelt und für industrielle Anwendung qualifiziert, die auf optischen Wirkprinzipien basieren. Diese berührungslos arbeitenden Systeme zeichnen sich besonders durch Wartungsfreundlichkeit, Verschleißfreiheit und Robustheit aus. Sie kommen sowohl in der industriellen Automatisierungstechnik als auch in forschenden und prüfenden Institutionen bevorzugt zum Einsatz.

Grundlage der meisten Messprinzipien (z.B. Abstrahlkegeleffekt, Interferenzeffekte, etc.) ist die Bestimmung von absoluten und relativen Strahlungsintensitäten im zeitlichen Verlauf. Die Auflösung und Dynamik der Signalverarbeitungselektronik bestimmt die theoretisch erreichbare Genauigkeit und Abtastrate der Messergebnisse maßgeblich. Zum einen kann die Übertragung der zu messenden Signale vom Messplatz zur weiterverarbeitenden Systemtechnik über Lichtwellenleiter (LWL), zum anderen durch elektrische Verbindung erfolgen.

Der Transport durch LWL bringt Nebeneffekte wie Kopplungsverluste, Leitungsverluste und Modendurchmischung mit sich, welche einen unerwünschten Einfluss auf das Messergebnis haben, wohingegen die Signalübertragung durch eine elektrische Verbindung den Einflüssen von elektromagnetischen Feldern unterliegt. Diese lassen sich bei der Übertragung analoger Signale durch möglichst hohe Signalpegel reduzieren. Eine Digitalisierung der Signale direkt am Messort ist wegen des aufwändigen elektronischen Aufbaus selten erstrebenswert. Im Folgenden wird eine flexible Schaltungstopologie vorgestellt, mit welcher sich optische Signale hoch präzise wandeln und elektrisch verstärken lassen.

Es lassen sich aber auch andere Kühlkonzepte mit Lüfter oder Flüssigkeitskühlung realisieren. Bei der Schaltungsauslegung und Bauteilauswahl haben die Entwickler zudem auf eine Temperaturkompensation geachtet. Eine komplette metallische Schirmung und ein elektrischer Kontakt zwischen allen Gehäuseteilen sorgen für Verträglichkeit gegenüber elektromagnetischer Strahlung. Im Folgenden werden einige Versuchsergebnisse präsentiert, um die Fähigkeiten des Gesamtsystems aufzuzeigen. Für diese Versuche waren die Vorverstärker mit Siliziumdioden (BPW 34) ausgestattet, die Testsignale erzeugte eine Referenzleuchtdiode. Der konstante Verstärkungswert der Transimpedanzstufe wurde so gewählt, dass bei maximaler Verstärkung ein Ausgangspegel von ±10 V erreicht wurde.

In Bild 4 sind die resultierenden Frequenzverläufe bei unterschiedlichen Verstärkerstufen dargestellt. Erreichbar sind Bandbreiten von über 600 kHz bei niedrigen Verstärkungsfaktoren. Die Bandbreite verringert sich erst bei sehr großen Verstärkungswerten über Faktor 100 merklich.

Bild 5 zeigt zu jedem Verstärkungsfaktor das gemessene Grundrauschen unter den beschriebenen Testbedingungen. Bei einem typischen Ausgangspegel von ±10 V ergeben sich damit für die komplette Verstärkerstrecke vom Sensorelement bis zum Ausgang der letzten Stufe Signal/Rausch-Verhältnisse zwischen 44 dB und 80 dB. Je nach Konfiguration der Kommunikationsstruktur liegt die Datenmenge, welche vom Steuerrechner an einen Zehnkanal-Verstärker für eine Parametereinstellung zu übertragen ist, zwischen 40 Bit (nur Verstärkung) und 200 Bit (Offset und Verstärkung seriell). Dies beeinflusst die Rekonfigurationszeit bzw. die Parametrisierungsflexibilität deutlich.

ypische Rekonfigurationszeiten über einen Standard- PC liegen im Bereich von 1,5 ms (für 40 Bit) bzw. 5,8 ms (für 200 Bit). Dieser optische Präzisionsverstärker bietet für die gegebene Aufgabenstellung gute Voraussetzungen für den Einsatz unter wechselnden Messbedingungen. Durch die Remote-Anpassung von Verstärkungsfaktoren und Offsetwerten lassen sich auch während einer Messung Korrekturen vornehmen. Da die Baugröße gering und die Auslegung robust ist, lässt sich das System zudem problemlos in die Testumgebung integrieren, wie etwa die prozessnahe Montage direkt am Bearbeitungskopf einer Werkzeugmaschine.

Marcel Consée, Design&Elektronik