Transiente Signalerfassung einer Photodiode mittels digitalemSpeicheroszilloskops (DSO)

ZusammenfassungIn diesem Experiment wird das Signal einer rasch blinkenden Leuchtdiode untersucht. Präziser formuliert wirddas zeitliche (transiente) Verhalten einer mit Rechteckimpulsen intensitätsmodulierten Lumineszensdiode (LED)mit Hilfe einer Siliziumphotodiode registriert und im PC ausgewertet. Zur Datenerfassung wird ein digitalesSpeicheroszilloskop (engl.: Digital Storage Oscilloscope) verwendet. Die Übergangsdauer zwischen eingeschal-tetem und ausgeschaltetem Zustand der Leuchtdiode (Anstiegszeit bzw. Abfallzeit) soll ermittelt werden. DieDSO Einstellungen sollen zunächst manuell erfolgen wobei alle wichtigen Einstellungen registriert werden. Diemanuellen Einstellungen werden sodann schrittweise in Programmroutinen implementiert. Aus diesenProgrammroutinen wir in einem letzten Schritt das ferngesteuerte Meßprogramm zusammengestellt.

Instrumentierung1) Blackbox mit einer Leuchtdiode und einer Siliziumphotodiode2) 10kΩ Widerstand (als Transimpedanzverstärker)3) Digitales Speicheroszilloskop (Tektronix 2230, Tektronix 2221, Tektronix TDS210 oder Hewlett Packard

54600B) mit GPIB Schnittstelle4) PC mit GPIB Schnittstelle5) Meßprogramm mit GPIB Unterstützung (LabWindows 2.0 für Basic Programmierung unter MSDOS,

LabWindows/CVI 6.0 für C Programmierung unter MS Windows oder LabVIEW 6.0 für grafischeProgrammierung unter MS Windows).

Das transiente Verhalten einer (Si) PhotodiodeDas zeitlich unabhängige (quasistatische)Verhalten (Gleichstromcharakteristik) einerPhotodiode wurde im 2. Experiment kurzbeschrieben. Um eine Aussage über die An-sprechzeit oder die Grenzfrequenz (Wechsel-stromcharakteristik) dieses Sensors treffen zukönnen muß das einfache elektronische Er-satzschaltbild um eine Kapazität (C) erwei-tert werden (Abb. 1). Wie in Abb. 2 gezeigtvariiert die Kapazität sehr stark mit derSpannung. In der Abbildung ist auch einArbeitspunkt (AP) für ihr Experiment ge-zeigt. Abhängig wie der Ausgang der Photo-diode mit einem äußeren Stromkreis verbun-den wird ergibt sich aus der Kombination derKapazität, C, mit dem Widerstand, R imäußeren Stromkreis eine Zeitkonstante

[ ]

×=VAs

AVRCstC

die die Ansprechzeit des Sensors begrenzt.

Das Digitale SpeicheroszilloskpEin Oszilloskop erfaßt Spannungen alsFunktion der Zeit und meist kann es diesedirekt grafisch darstellen. Vom Aufbauunterscheidet man Analog- oderElektronenstrahlröhrengeräte und DigitaleSpeicheroszilloskope (DSO). Im ersten Fall istdie Elektronenstrahlröhre notwendigerBestandteil des Meßgeräts im zweiten Fallwerden die erfaßten Spannungswerte in einemDatenspeicher abgelegt. Zur Darstellung oderWeiterverarbeitung können die gespeicherten

Abbildung 0: Einfaches elektronisches Ersatzschaltbildeiner Photodiode für Gleichstrommessungen (DC) undWechselstrommessungen (AC):

Abbildung 2: Die Kapazität einer 1mm2 großenSiliziumphotodiode als Funktion der angelegtenSpannung.

Daten im Oszilloskop manipuliert und dargestellt oder mittels Datenfernübertragung an externe Geräte (PC,Speichermedien ... ) geleitet werden.Aus dem Meßvorgang ergibt sich, daß ein Oszilloskop zum einen mindestens einen meist aber mehrereSpannungseingänge (siehe Abb. 3 Einheit „vertical gain and position“) besitzt, Außerdem benötigt es eineZeiteinheit (Abb. 3, Einheit „Aquire data: mode and time base“). Im "Normalbetrieb" wird die Spannung alsFunktion der Zeit am Bildschirm dargestellt (YT). Die Zeitachse liegt horizontal die Spannungsachse ist vertikalangeordnet. Der Spannungseingang des Oszilloskops ist vollkommen analog zu einem (schnellen) Voltmeteraufgebaut. D. h. auch hier kann ein Meßbereich gewählt werden („Gain“) um das Spannungssignal möglichst gutbestimmen zu können. Außer der Empfindlichkeit kann der Spannungseingang noch so eingestellt werden (.),daß entweder (1) die Summe aus Wechselspannung (symmetrisch zum Nullunkt) und Gleichspannungdargestellt wird (DC engl.: Direct Current) oder (2) der Gleichspannungsanteil weggefiltert wird (AC engl.:Alternate Current) oder (3) der Spannungsnullpunkt, d. h. Maße bzw. Erdpotential (GND engl.: Ground)angezeigt wird. Im letzen Fall besteht das sichbare Signal aus einer horizontalen Linie da derSpannungsnullpunkt zeitunabhängig ist.Für die Zeitsynchronisation sind 2 Angaben erforderlich: (1) der Zeitnullpunkt und (2) die Zeitspanne die amBildschirm dargestellt wird. Für die Festlegung des "Zeinullpunkts" sieht das Oszilloskop die Funktion desTriggerns vor (Abb. 3, „Trigger“) Vereinfacht gesagt analysiert das Gerät entweder ihr zu messendes Signal oderein externes Synchronisationssignal (getrennter Eingang) und justiert den Zeitnullpunkt beim Auftreten einesfestgelegten am Oszilloskop einstellbaren Ereignisses. Zum Beispiel kann das Ereignis jener Zeitpunkt sein,wenn ein vorgegebener (von Ihnen einstellbarer) Spannungswert überschritten wird (D.h. die Spannung steigtmit der Zeit an). Ähnlich kann man auch einen Pegel für sinkende Spannungswerte verwenden. Vergleicht mandie Bildschrimdarstellung des gleichen Eingangssignals bei beiden genannten Triggerarten so kann manfeststellen, daß die "Kurve" sich zwar nach links oder rechts verschiebt aber im Aussehen unverändert bleibt.Moderne Oszilloskope erlauben die Auswahl einer derartigen Vielzahl von Ereignissen zum "triggern", daß hiernicht detailiert auf alle Möglichkeiten eingegangen werden kann. Im Normalfall werden Sie eines der beidenoben genannten Kriterien der Synchronisation verwenden. Ob ein Oszilloskop ein Ereignis gefunden hat(getriggert oder synchronisiert ist) wird durch eine Anzeige signalisiert.Da bei einem DSO die Daten gespeichert werden (Abb. 3,,Waveform record“) bietet es die Möglichkeit (imGegensatz zu einem Analoggerät) auch einmalige (sich nicht wiederholende) Spannungstransienten zu erfassen.Bei einem DSO wird die Spannung in kurzen äuquidistanten Zeitintevallen gemessen, mittelsAnalog/Digitalwandlers in eine binäre Verhältniszahl (zu einer Referenzspannung) umgeformt und als Binärwert(siehe Dokument binary.pdf) indexindiziert in einem Datenspeicher abgelegt. Die minimal mögliche Abtastrate(=Zeitspanne zwischen 2 aufeinanderfolgende Spannungsmessungen + AD-konversion) für einen einmaligenDurchlauf des Meßzykluses wird in den Datenblättern als (samples/second) spezifiziert und ist eines derwichtigsten Kriterien bei der Beurteilung eines Geräts. Aus der, für Analoggeräte maßgeblichen Angabe derGrenzmeßfrequenz (z.B. 100MHz) läßt sich bei DSO - geräten selten auf diese Abtastrate rückschließen. Meistkorrespondiert dieser Wert mit der sogenannten "Abtastrate für periodische Signale" die in der Regel viel größerals die oben genannte Abtastrate für Einzelmessungen ist. Der Trick liegt darin, daß beim ersten Meßdurchlaufmit der Einzelmessrate gearbeitet wird aber zum Beispiel beginnend mit dem 1. nur jeder 10. Speicherplatzbeschrieben wird. Im 2. Abtastzyklus wird der Beginn der Messungen bei unverändertert Abtastrate (relativ zumersten Meßzyklus) um 1/10 der Abtastrate verzögert und wiederum jeder 10 Speicher beschrieben wobeidiesmal mit dem 2. begonnen wird. Beim 3. Zyklus wird die Verzögerung des Meßbeginns 2/10 betragen usw.bis Sie nach 10 Einzelmessungen dann den kompletten Datensatz gespeichert haben. D.h. virtuell haben Siedamit eine 10 fach höhere Abtastrate erreicht. Da Sie dafür aber 10 Perioden des zu beobachtenden Signalsbenötigen müssen Sie voraussetzen, daß sich keine Änderungen des Signals während der gesamten Meßzeitergeben. Bei einfachen Geräten kann das periodische Abtasten noch wesentlich mehr Perioden erfordern.Eine weitere Konsequenz der Datenspeicherung ist die Möglichkeit Daten zur Darstellung einfach aufzubereiten.Die gebräuchlichsten Arten sind:"sample", "peak" und "average". Beim „sample“ Modus werden dieSpeicherinhalte periodisch überschrieben, so daß eine „aktuelle“ Kurve angezeigt wird. Im „peak“ Modus wirdder neueste Wert des AD-wandlers mit dem Speicherinhalt auf "größer als" und "kleiner als" verglichen und nurdann abgelegt wenn eine der beiden Bedingungen "wahr" ist. Man erhält so zu jedem Zeitpunkt (=Speicherindex) eine Min/Max-Darstellung. Im "average" Modus wiederum wird der aktuelle Wert gewichtet undzu dem Speicherinhalt dazuaddiert. Das entspricht einer Mittelwertbildung und erlaubt ein "Glätten" der Kurve.Obwohl das Auge (oder die Anzeige durch "Vektordarstellung") die einzelnen Datenpunkte visuell zu einemdurchgehenden Linienzug verbindet muß man sich beim Gebrauch eines Speicheroszilloskops bewußt sein, daßEreignisse die zeitlich zwischen zwei Meßdatenpunkten geschehen im Gegensatz zum Analoggerät "unsichtbar"bleiben (Spikes, Glitches etc...)

DurchführungDer experimentelle Aufbau ist in Abb. 3 gezeigt. Wie Sie bereits gesehen haben erzeugt der Photodetektor einenStrom der proportional zur Lichtintensität ist. Andererseits können mit Oszilloskopen „nur“ Spannungen erfaßt

werden. Schaltet man also eine Photodiode direkt an den Eingang des Oszilloskops so erreicht man damit, daß(1) das Signal stark nichtlinear zur Meßgröße ist und daß (2) aufgrund des hohen Eingangswiderstands desOszilloskops (typisch 1MΩ) die Ansprechzeit, tC des Sensors deutlich reduziert. Jedenfalls ist es also günstigeine Signalanpassung vorzunehmen bevor das Signal am Oszilloskop registriert wird. Allgemein benutzt man fürdiese Aufgabe einen sogenannten Transimpedanzverstärker. Dieser ist Eingangsseitig zum einen niederohmigund liefert auf der Ausgangsseite eine dem Eingangsstrom proportionale Spannung. Seine Charakteristik („Ver-stärkung“) ist durch

in

outIUG =

definiert. Wenn Sie sich diese Gleichung ansehen wird Ihnen Auffallen, daß G nicht, wie für einen Verstär-kungsfaktor zu erwarten ist, dimensionslos ist sondern die Einheit V/A = Ω hat. Tatsächlich ist ein passend di-mensionierter elektrischer Widerstand die einfachste Form eines derartigen Transimpendanzverstärkers und wirdin diesem Experiment verwendet. Der zur Anwendung kommende Widerstand ist 10kΩ. Wie diese Dimensionie-rung erfolgte läßt sich aus Abb. 4 ersehen. Wie im ersten Experiment (Datenlogger) beobachtet ist der zu erwar-tende Photodiodenstrom bei Beleuchtung mit einer Leuchtdiode im Bereich von 10µA. Die schon bekannteKennlinienform der Photodiode ist in Abb. 4 diesmal im Vergleich zu ihrer Strom- Spannungsmessung horizon-tal gespiegelt aufgetragen. Die Photodiodeist der „positiv“ definierte Stromgenerator inihrem Stromkreis (= Quelle). Für R = 10kΩzeigt der grün eingezeichnete Arbeitspunkt(bei Beleuchtung), daß der Strom nahezudem Kurzschlußstrom (entspräche R = 0Ω)entspricht und für diesen Fall als klein zubetrachten ist. Auf der Ausgangsseite sind10kΩ << 1MΩ am DSO Eingang. Der Ver-stärkungsfaktor G ist 104, d.h. bei einemSignal von 10µA können wir mit einer Span-nung von 100mV rechnen (s. Abb. 4). DieserBereich läßt sich mit den verwendeten Os-zilloskopen problemlos darstellen. Als letzteÜberlegung ist die Ansprechzeit unseresGesamtsystems abzuschätzen: tC =1×104[Ω]×20×10-12[As/V] (siehe Abb. 2)sind ≈ 0.2µs.In Ermangelung einer externen Triggerquellemuß das Meßsignal auch als Triggersignalfungieren. D.h. die Triggereinstellung am DSO ist auf intern und auf den angeschlossenen Kanal einzustellen.Zum Ausprobieren kann die „gesamte Kurvenform“ übertragen werden. Danach soll der dargestellte Bereich nurden Ausschnitt der ansteigenden, bzw. abfallenden Signalflanke zeigen bevor die Daten in den PC übertragenwerden. Wie man aus der Form des Anstiegs bzw. Abfalls vermuten kann, liegt dem Prozeß ein exponentiellerZusammenhang zugrunde. D.h. eine halblogarithmische Auftragung sollte eine Gerade ergeben, deren Anstiegdie Zeitkonstante des untersuchten Systems ist. Aufgrund des unterschiedlichen Aufbaus der zur Anwendungkommenden Oszilloskope ist die Implementierung der für die Messung erforderlichen Fernsteueranweisungenim Experiment individuell zu erarbeiten.

Abbildung 3: Experimenteller Aufbau zur Transientenerfassung mit einer Photodiode, D, und einemSpeicheroszilloskop. Der rot eingezeichnete Pfad trägt den experimentellen Gegebenheiten Rechnung.

Abbildung 4: Festlegen des Arbeitspunktes desPhotodetektors anhand seiner Kennlinie.

Beispielrelevante Dokumente[1] binary.pdf[2] tek2230.pdf[3] hp54600a.pdf[4] tektds210.pdf