Präzisionsverstärker für optische Signale
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Autoren:
arbeitet in der Forschungsgruppe Makrofügetechnik,
leitet die Elektronikwerkstatt,
leitet den Bereich Lasertechnik am Lehrstuhl für Fertigungstechnologie der Universität Erlangen-Nürnberg
Friedrich-Alexander-Universität
Erlangen-Nürnberg
Telefon 0 91 31 / 85 23 23 7
www.lft.uni-erlangen.de
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Folgende grundlegende Anforderungen muss der optische Präzisionsverstärker erfüllen, damit er sich für möglichst viele Anwendungen verwenden lässt:
- Variable Anzahl an Verstärkerkanälen,
- Remote-Offset-Einstellung um sensor- oder messprinzipbedingte Signalpegelverschiebungen zu kompensieren und
- für jeden Kanal eine separat einstellbare Verstärkung.
In Bild 1 ist die entwickelte Schaltungstopologie schematisch für einen Verstärkerkanal dargestellt, wobei die erste Verstärkerstufe als manuell einstellbarer Transimpedanzverstärker ausgeführt ist. Über den Differenzverstärkereingang der ersten Stufe lässt sich über einen hoch auflösenden D/A-Wandler der Offset korrigieren. Durch eine Skalierung der Ausgangsspannung kann die Offsetspannung (UOFF) im Mikrovoltbereich angepasst werden.
Über eine serielle Schnittstelle des Steuerrechners lassen sich der D/AWandler (Sx) und die variablen Nachverstärkerstufen (Ax) programmieren. Durch die gewählte Kombination von Signalverstärkern lassen sich diskrete Verstärkungsfaktoren von 1 bis 800 bei Ausgangspegeln von bis zu ±10 V einstellen. Hinzu kommen noch die kontinuierlich variablen Einstellmöglichkeiten der Transimpedanzverstärkerstufe zur Anpassung an die Umgebungsbedingungen und das verwendete Sensorelement.
Sämtliche Einstellungen an den Signalverstärkern erfolgen über ein Bussystem mit seriellem Kommunikationsprotokoll. Dazu verfügen alle digital programmierbaren Bausteine der Verstärkereinheiten über ein SPI (Serial Peripheral Interface) oder sind durch vorgeschaltete Schieberegister auf ein SPI umgerüstet. Die Schnittstellen der einzelnen Bausteine sind in vielen Varianten kombinierbar.
Neben der Möglichkeit der Parallelisierung und Serialisierung ist auch das Verteilen auf mehrere Bussysteme zum Steuerungsrechner möglich. Damit kann der Anwender die Elektronik bezüglich der Anforderungen
- Rekonfigurationszeit,
- Parametrisierungflexibilität und
- Anzahl der Datenbusleitungen
für seinen Einsatz optimal konfigurieren. In Bild 2 ist ersichtlich, wie sich durch selektive Jumpersetzung die unterschiedlichen Verschaltungsmöglichkeiten realisieren lassen. Auf der Seite des Steuerungsrechners oder Mikrocontrollers ist für die Kommunikation mit der Elektronik ein digitales TTLI/ O-Interface notwendig. Das schlanke Protokoll lässt sich in Software realisieren. Für C- und Pascal-Compiler sind Bibliotheken verfügbar.
