„MyPhotometrics“: „Photodiodenverstärker Pro“versija: 6 žingsniai (su paveikslėliais)

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:47

„Creative Commons Namensnennung“- „Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International“. Eine für Menschen lesbare Zusammenfassung dieser Lizenz findet sich hier.

Ar buvo „Sauron Plus“?

„Sauron Plus“yra „Pro-Version des 4-Kanal Photodiodenverstärkers Sauron, der mithilfe von geeigneten Photodioden die Strahlungsleistung einer Lichtquelle erfassen kann“versija. Sein Eingangsstrombereich von 20 nA- 5120 nA reichte allerdings nur für Lichtquellen geringer Intensitäten aus. Fur die Messung von Lasern war es deshalb notwendig eine spezielle Sphäre aus LEGO zu verwenden, die die Intensität abschwächte und damit eine Übersättigung des Messinstruments verhinderte. Profesionali Zwecke ist diese Lösung nicht optimal.

„Pro-Version Sauron Plus“yra 1000-fache Erhöhung des Eingangstrombereichs mit bis zu 50mA. Diese Version sieht den Anschluss von nur einer Diode vor, jedoch ist eine Messkanalerweiterung mit dem MyPhotometrics Photo-Rack realisierbar. Mit Sauron Plus yra es ebenfalls möglich seine Vorgängerversion zu nutzen.

Pabrėžia:

• Eingangsstrombereich 20 nA - 50mA ·
• Auflösung 10-20 bitų
• Integracijos laikas 1 - 1024 ms

Anwendungen:

• „Qualitätskontroller“
• Komponentiniai testai
• Lebensdauertests
• Fotometras
• Galios matuoklis
• …

Die Messung der Strahlungsintensität erfolgt weiterhin über eine Photodiode, die einfallendes Licht in einen messbaren Strom umwandelt. Die weitere Verarbeitung dieses Stromsignals ermöglichen mehrere Bausteine, die zusammen ein oszillatorisches Messverfahren erlauben, das einen deutlich höheren Eingangsstrombereich liefert. Durch die spezielle Verschaltung eines Kondensators, oszilliert die über ihn abfallende Spannung in einer Frequenz, die je nach Eingangsstrom variiert. „Ein Voltage to Frequency Converter“- tai rezultatas, kurį galima gauti iš Spannungsspitzen zu einem Signal mit bestimmter Frequenz um. Diese Frequenz kann von dem Dem Mikrocontroller erfasst werden werden. Je höher die aufgenommene Frequenz ist, desto höher ist auch der Eingangsstrom, und somit auch die gemessene Lichtintensität.

In diegimas Instructable zeigen wir die Herstellung der Hardware und die Anbindung and einen geeigneten Mikrocontroller. Wir liefern eine funktionsfähige Firmware für einen (fast) beliebigen Arduino (Pinbelegung beachten) and ein Beispiel-LabVIEW ™ -Programm als Nutzeroberfläche. Hiermit steht dem Einsatz von Sauron PLUS im Labor nichts mehr im Weg.

Pradėkime…

1 veiksmas: „Aufbau Und Funktion Des Boards“

Die goldfarbene Buchse (1), welche an der Platinenkante befestigt ist, dient als Anschluss einer Photodiode mittels Koaxialkabel. Populiarios estafetės estafetė (2) Dazu zwischen den Varianten Sauron (Education) und der Pro-Variante Sauron Plus zu wählen. Mithilfe des hier verwendeten Arduino Nano (3) yra „Schalter ansteuerbar“. Der Aufbau der Education Version is bereits in dem Instructable erklärt und befindet sich in dem grün markierten Bereich.

Für die Verwendung von Photodioden mit Signalstärken von mehreren mA is es notwendig das Signal der Diode noch vor der eigentlichen Messung zu dämpfen. Dazu dient der Transimpedanzverstärker (TIA) (4). Er schwächt das Messsignal mithilfe einer Widerstandskaskade (5) insoweit ab, dass a seinem Ausgang maximal 100uA fließen. „TIA“(„Ansteuerung des TIA“(und damit auch die Wahl des Messbereichs)) erfolgt wiederum durch den Arduino and einen CMOS Multiplexer (6).

Sauron Plus misst die Strahlungsintensität mithilfe eines oszillatorischen Messverfahrens. Dazu dient der VFC (įtampos ir dažnio keitiklis, zu deutsch auch U/f- Wandler) (7). Als Referenzspannung dient die Spannungsquelle (8), die man als schwarzen Block auf der Platine erkennen kann. Įjunkite 15 V įtampos diodą 1: 1 Spannungsteiler auf die Hälfte abgesenkt werden. Rezultatų 7, 5V dienos ir folgenden Verlauf der Signalverarbeitung als „Triggerpunkt“eines Komparators der Bestandteil des VFC ist. Die Spannung liegt am "Threshold" -Eingang an. Der Komparator vergleicht diese mit der Spannung, die am „Comp_Input“-Eingang anliegt.

(Hinweis: Wo genau sich diese Eingänge befinden, lässt sich im SauronPlus.sch nachvollziehen.)

Sobald eine höhere Spannung als 7, 5V anliegt, schaltet der VFC einen konstanten Strom, der den Kondensator C5 (9) auflädt. Zusammen mit einem Operationsverstärker (10) bildet C5 einen Integrator. Srauto srautas yra iš TIA, jis yra integruotas į integruotus Polarität und der Kondensator sich. Die Ausgangsspannung, welche gleichermaßen der “Comp_Input“des VFC ist, sinkt. Sobald sie unter den Triggerpunkt fällt, schaltet der VFC den Ausgangsstrom ab. Durch diesen Vorgang oszilliert die Spannung, sodass Ladungsspitzen erkennbar sind. Diese lassen sich mit dem Arduino Nano zählen. Didžiausia maksimali įvestis (visas diapazonas) yra -10 V ir Eingang des Integrators liefert der VFC eine Frequenz von 100kHz. Da mit steigender Stromstärke das Entladen des Kondensators beschleunigt wird, spiegelt sich die Stromstärke in der resultierenden Frequenz wieder.

Einige der übrigen Bauteile dienen zur Verbesserung des Messignals, wie beispielsweise Pi-Filter (11) zum Glätten der Referenzspannung und Potentiometer (12) zum Entfernen von Offsets, resultierend durch Kriechströme. Außerdem befinden sich mehrere Schutzvorrichtungen auf der Platine, wie beispielsweise Dioden (13), die vor zu hohen Strömen schützen. Desweiteren liefert ein Step-Down Converter (14) iš 15V die Arduino benötigte Versorgungsspannung von 5V und ein IO-Expander (15) dem Arduino weitere notwendige IO-Pins zur Ansteuerung der zahlreichen Bauteile.

Hinweis: Diese Funktionsbeschreibung ist grob zusammengefasst, da die Beschreibung der komplexeren Funktionen den Umfang dieses Instructables überschreiten würde. Skaitykite signalus ir gaukite pirštines VFC beschäftigen möchte, kann folgende Seiten besuchen:

• U/f_Wandler
• Datenblatt LM331AN

2 žingsnis: Benötigte Bauteile, Platine Und Zubehör

Zunächst werden einige Bauteile benötigt, die großteils bei dem Anbieter Farnell erhältlich sind. Für das Hochladen des bereitgestellten Warenkorbs ist eine Registracija auf der Seite www.farnell.de notwendig. Jetzt muss die Datei BOMPLUS.xlsx heruntergeladen und unter "Meine Bestellungen" - "Stückliste hochladen" ausgewählt werden. Der Warenkorb wird automatisch zusammengestellt.

Der Warenkorb enthält die exakten Bauteilmengen, die für Sauron Plus notwendig sind. Wir empfehlen jedoch die Stückzahl einiger Komponenten zu erhöhen. Dies paauksuotas besileidžiantis prie Teilen, die bei der Verarbeitung schnell verloren gehen können (Widerstände, Kondensatoren).

Unter OSH Park ist die Bestellung der Platine mit dem Button Užsisakykite dabar. Alternatyvus einfach das Sauron+.brd failų paleidimas ir tikėjimas iš Beliebigen anderen PCB-Fertiger Auftrag geben.

(Hinweis: Diese Platine kann auch für das Laserleistungsmessgerät als Stand-Alone-Lösung genutzt werden, da die Anschlüsse für das Display und den Joystick bereits vorhanden sind.)

Nežinomas Bauteile sind:

• Der AS89010 der Firma asm jutikliai Vokietija wird bislang direkt vom Hersteller geordert. „Der Verkaufspreis“(„Stand Mai 2017“) 6, 97 € ir Einheit. Aufgrund firmmenterntern Umstellungen gibt es den AS89010 alerdings schon bald bei arrow.com arba futureelectronics.com.
• 2x „Arduino Nano“(„Nano Atmega 328P“) z. B. hier für weniger als 5 € (Da nicht alle Pins notwendig sind, sollte das Board keine verlöteten Steckerleisten besitzen.)

(Hinweis: Es kann bei Bedarf auch ein Arduino Nano für das Board verwendet, and ein anderer Controller für die Messdatenaufnahme eingesetzt werden. Dafür kann ein fast beliebiger Arduino verwendet werden. Nutzer überlassen. Bei der Erstellung dieses Projekts wurde jedoch auch hier ein Arduino Nano ausgewählt.)

• Die SMA- Buchse, die Stiftleisten (4x) und ein übriger Widerstand (1x) z. B bei mouser.de
• Koaxialkabel RG174 zB. bei voelkner.de
• Šaldymo blokas: 3, 3uF kondensatorius (4x), relė ir 100uH Spule (2x) z. B. bei digikey.de

(Hinweis: Sicher gäbe es einige Bauteile, die hier extra aufgeführt sind, auch bei farnell.com. Allerdings sind die Bauteile so gewählt, dass sich der Aufwand bei unterschiedlichen Distributoren zu bestellen Preis-Leistungs-technisch Echarge lohtiger. möglicherweise nicht beachtet wird, ist hier die Abweichung eines Bauteils vom angegebenen Messwert in Prozent. Dies ist ein Qualitätsmerkmal, was in Manchen Bereichen der Schaltung von Sauron Plus nicht zu umgehen ist.)

Prinzipiell ist jegliche Art einer Photodiode mit dem Messsystem kompatibel. Wir empfehlen die Nutzung von Dioden der Typen

• BPX61 arba dar daugiau
• OSD-50-5T

BPX61 yra diegiamas Lösung, die für einfache Anwendungen und Versuche ausreicht.

Der zweite ausgewählte Dioden Typ, OSD-50-5T, zeichnet sich nicht nur durch ihre exzellente Empfindlichkeit aus, sondern leider auch durch einen sehr hohen Preis. Es sind häufig Angebote, z. B. bei „Ebay“, „AliExpress usw.“, zu finden. Eine kurze Recherche dazu lohnt sich. Die Diode eignet sich mit einer aktiven Fläche von 50qmm für Messungen mit einer direkten Einstrahlung der Quelle, auch ohne Messkugel. Allerdings ist die Diode bereits bei Leistungen unter 1mW übersättigt und übersteuert aus diesem Grund bei der Messung konventioneller Laserpointer. „Verdendung der OSD-50“yra deshalb und aufgrund ihres hohen Preises nur profesion/ semiprofessionelle Laboreinsätze zu empfehlen.

3 žingsnis: „Anfertigen Der Hardware“

Zum Anfertigen der Platine sollte zuerst mithilfe des Stencils Lötpaste auf die vorgesehenen Pads aufgetragen werden. Als Lötpaste empfehlen wir eine bleifreie Variante, z. B. SMD Solderpaste von Chipquik, zu verwenden, da ansonsten das Einatmen des entstehenden Rauchs beim Erhitzen gesundheitsschädlich wirken kann. Danach sind die einzelnen Bauteile and den richtigen Stellen zu platzieren. Dabei sollte bei den kleinen Bauteilen begonnen werden, um das Bestücken einfacher zu gestalten. Zuletzt muss die bestückte Platine erhitzt werden, damit die Lötpaste die Bauteile an die Platine binden kann. Kleine Ungenauigkeiten in der Platzierung der Bauteile sind akzeptabel, beim Aufschmelzen der Lötpaste "zieht" die Oberflächenspannung des Lutep Reuters.

Die Lötung erfolgt idealerweise mit einem professionalellen Lötofen z. B. einem Dampfphasen Lötofen. Da die Anschaffung eines solchen Geräts sehr teuer ist empfiehlt sich beispielsweise eine kostengünstigere Lösung in Form eines Reflow-Kits, das von PCB Pool angeboten wird.

(Hinweis: In unserer Vorgängerversion der Verstärkerplatine bot sich auch die improvisierte Variante der Erhitzung der Platine mit der Verwendung einer einfachen Herdplatte, zB einer Camping Herdplatte, an. Nach einem kurzen "Aufrauchen" eine kleinere Platine handelte, war der Lötvorgang leichter zu beobachten und zu kontrollieren. Deshalb ist diese Variante für Sauron Plus nicht zu empfehlen.)

Danach folgt das Anbringen der Bauteile mit Steckverbindungen. Die einzelnen Steckverbinder sollten durch Lötungen mit den Kontakten verbunden werden (z. B. mit solch einem Lötkolben und Lötdraht).

Wie die Fertigung in einzelnen Schritten aussieht, wird im Video vorgestellt

„Überschüssige Lötpaste führt bei SMD Bauteilen wie dem AS89010 mit einem Beinchenabstand von 0.635 mm schnell zu Kurzschlüssen nach dem Löten“. Normalerweise lässt sich durch kurzes Erhitzen mit dem Lötkolben mit Hohlkehle der überschüssigen Zinn entfernen.

Wie eine Photodiode mit einem Koaxialkabel verbunden wird, kann im Instructable Sauron nachgelesen werden.

4 žingsnis: Kommunikation Zwischen Arduino Und LabVIEW - Konfigūracijos LabVIEW

Für die grafische Darstellung der Messergebnisse lässt sich die Entwicklungsumgebung LabVIEW ™ verwenden. „LabVIEW ™“yra studentų ir moksleivių kostengünstig zu erwerben. siehe hier

(Hinweis: Das UserInterface for Sauron benötigt die NI LabVIEW ™ 2016 versija)

Für die Kommunikation mit dem Arduino ist das Modul LabVIEW Interface for Arduino über den JKI VI Package Manager zu installieren. Falls dieser noch nicht installiert ist, ist der Package Manager hier zum Parsisiųsti erhältlich. Achte darauf, dass der NI VISA Treiber installiert ist. Dies ist der Treiber, der für die Kommunikation mit dem Arduino zuständig ist.

Lade die.zip Datei LabVIEWPlus.zip herunter. Įdiekite „Datei SPLUS_RACK_4_SHUTTER.vi“belaidį vaizdą iš LabVIEW ™ virtualaus instrumento „SauronPlus VI“. Die VI stellt die Basisfunktionalitäten für die Kommunikation und Konfiguration von Sauron Plus zur Verfügung.

(Hinweis: Die Datei muss unbedingt in dem heruntergeladenen Ordner mit allen übrigen Dateien verbleiben, da die VI auch auf diese zugreifen muss.)

5 veiksmas: „Kommunikation Zwischen Arduino Und LabVIEW“- „Arduino“konfigūracija

„Arduino“turi kumštines pirštines iš USB ir kompiuterio. Dieser Controller kontroliert die Messdatenaufnahme.

Norėdami tai padaryti, programinė įranga, skirta „Arduino“yra nemokama, yra nemokama. Atviro kodo IDE „Arduino“programinės įrangos versija. Es ist wichtig, dass für die Kommunikation mit dem Arduino der richtige COM - Port (USB) ausgewählt wird.

„Datei“programinė įranga „ForBackplain.zip“gali būti įdiegta bet kuriame „Betrieb von Sauron Plus“ir „Arduino Nano notwendige“programinėje įrangoje. Įdiekite programinės įrangos konfigūraciją ir išjunkite Auslesen der Messdaten mit der ebenfalls bereitgestellten LabVIEW ™ -VI. „Datei Sauron.ino wird auf den Controller geladen, der die Messdatenaufnahme kontrolliert“.

Der Arduino muss dann, z. B. mithilfe von patelė-moteris Jumper Kabeln, mit dem Arduino auf der Platine verbunden werden. Dazu ist das Pinout (siehe oben) des Arduino hilfreich. Der Ausschnitt der Platine (s.o.) zeigt welche Pins miteinander verbunden werden. Dabei werden die Pins SDA, SCL und GND mit dem jeweils gleichnamigen verbunden. V+ muss mit dem 5V-Ausgang des Arduino Nano und INT_RDY mit dem INT0 Pin verbunden werden.

„Firmware für den Arduino Nano“, „Platform von Sauron Plus“programinė įranga buvo sukurta, keista, kai datos yra ArduinoNANO_SPLUS.zip zur Verfügung gestellt. Paskelbkite „Datei SauronPLUS.ino wird jetzt auf den Platinencontroller gespielt“.

6 žingsnis: „Benutzer“sąsaja

Nach dem Laden der Sauron PLUS VI lassen sich hier über das Benutzerinterface die Betriebsparameter einstellen.

Diese VI ist auch für die Nutzung mit dem Photo Rack geeignet. Aus diesem Grund stellt die VI ein Userinterface zur Bedienung von vier Kanälen gleichzeitig bereit.

• Schalter oben: schalten jeweiligen Messkanal für die Messung ein
• CH 1- CH4: „Schaltet den jeweiligen Messkanal für die Einstellungen mittels der runden Bedienelemente ein oder aus“
• Galia: zeigt die auf die jeweilige Photodiode einfallende Leistung in W (Voraussetzung: Die Empfindlichkeit der Photodiode ist bekannt und in der Sauron VI mittels eines Kalibrierfiles hinterlegt.)
• Bangos ilgis: Die Wellenlänge der Lichtquelle muss bekannt sein und eingetragen werden
• COM: Auswahl des COM Ports zur Verbindung mit dem Arduino (kann je nach Mikrocontroller verschieden sein).
• DB lygis: Auswahl der Dämpfung dB
• Integracijos laikas ms: Auswahl der Integrationszeit des Messsingals ms
• Kalibravimo failas: Jeder Messkanal benötigt ein eigenes File, welches die Kalibrierung der jeweiligen Diode beinhaltet. Die Files sind für die zwei verschiedenen Diodentypen in der Firmware des Systems verarbeitet und liegen ebenfalls in dem Ordner indem sich die VI befindet.

(Hinweis: Die Datei Nėra pd kann ausgewählt werden um eine 1: 1 Messung ohne Kalibrierung durchzuführen.)

• Detektorius: zeigt dann den ausgewählten Messkopf an
• Messung: startet die Messung
• Tiesioginis režimas: pradinis kontinuierliche Messung

(Hinweis: Diese Nutzeroberfläche ist nur ein Beispiel, wie Sauron Plus angewendet werden kann. Es können auch andere Nutzerinterfaces angepasst werden, um Sauron Plus je nach Bedürfnis zu verwenden.)