Система регистрации откликов фотосопротивления методом синхронного детектирования

Автор: )_Леопольд_(
Опубликовано 07.09.2015
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса "Поздравь Кота по-человечески 2015!"

    Доброго времени суток всей честной публике. Первым делом хочется поздравить Кота с юбилеем и пожелать долгих лет жизни, а также успехов и стойкости в эти непростые времена. Ибо сайт действительно классный как по тематике, так и по колориту. Такие сейчас очень нужны.

    Однажды мне пришла пора писать дипломную работу. В той лаборатории, куда я пошел, занимаются эллипсометрическими исследованиями. Берется образец из какого-нибудь нового материала с неизученными свойствами (например, разные металлические сплавы, тонкопленочные структуры, ионно-имплантированный кремний, и т.п.). На него под некоторым углом падает луч линейно поляризованного света. При отражении возникает сдвиг фаз между компонентами вектора поляризации, лежащими в плоскости падения и перпендикулярно ей, в результате чего отраженный луч приобретает эллиптическую поляризацию. Можно просканировать форму этого эллипса. Для этого отраженный луч пропускают через поляризационную призму, после которой он попадает на фотоприемник. Вращая призму, измеряют интенсивность света при различных ее положениях. Получившаяся зависимость в полярных координатах имеет вид эллипса. Зная его форму и пользуясь трехэтажными чернокнижными формулами, можно определить показатели преломления и поглощения образца, его диэлектрическую проницаемость, эффективную толщину слоя и вообще получить кучу информации вплоть до его атомного строения. Открывается широкое поле деятельности – можно впахивать, покуда мозг выдерживает.

    Большая часть этих исследований проводится на вот такой установке, гордо именуемой спектральным эллипсометром:

    Когда мы включили установку, чтобы проверить, в каком она состоянии после нескольких лет простоя, оказалось, что работает не всё. Исследования проводятся в широком спектральном диапазоне – от 240 нм (ультрафиолетовое излучение ртутной лампы) и до 2,8 мкм (ближний ИК). Чтобы перекрыть его весь, в качестве фотоприемников используют два фотоумножителя и один фоторезистор. Оказалось, что в инфракрасной области мы работать пока не можем, потому что синхронный детектор, который позволял измерять интенсивность света с помощью фоторезистора, признаков жизни не подает.

    Этот прибор был сделан много лет назад каким-то гением. Внутри металлического корпуса валялись оклеенные изолентой платы, закреплен был только блок питания. Глядя на всё это изящество, я подумал: чем разбираться, что там коротнуло и почему оно не работает, проще взять и разработать новый детектор с нуля (ну почти с нуля – в лаборатории была его неполная схема, имелся журнал со статьей о подобном приборе, да и вообще мы это должны были проходить). Предусилитель для фоторезистора также вызвал желание сделать новый, доработки требовал дряхлый модулятор… В общем, было принято решение о капитальном ремонте установки.

    Теперь следует рассказать, что такое синхронный детектор и для чего он нужен. Начну со второго – для чего он нужен.

    Рассмотрим сначала особенности работы с фотосопротивлениями в качестве приемников оптического излучения. Практически все радиолюбители и электронщики знакомы лишь с самыми простыми из них, используемыми как датчики в различной автоматике. Резистор освещен – сопротивление падает и включается лампочка в подъезде или срабатывает Arduino. Но когда речь идет об оптике, всё гораздо сложнее. Фоторезистор тут предстает в новом свете, со своим набором параметров и характеристик.

    Прежде всего, они бывают сделаны из различных материалов (CdS, CdSe, PbS, PbSe, InAs, InSb, …), каждый из которых используется в своем спектральном диапазоне. Подавляющее большинство фоторезисторов работают в инфракрасной области, и лишь некоторые в видимой.

    Теоретически спектральная чувствительность фоторезисторов должна иметь вид треугольника: это линейная функция длины волны, ограниченная справа красным пределом фотоэффекта. В реальности этот треугольник сглаживается и искажается вследствие наличия примесной фотопроводимости и разных других причин.

    Фоторезисторы – довольно инерционные приборы. Так, у CdS постоянная времени составляет порядка 100 мс, у CdSe – 10 мс. Самые быстрые фоторезисторы на основе PbS и PbSe – их постоянная времени может быть меньше 5 мс. Она обратно пропорциональна спектральной чувствительности, так что либо резистор быстрый, либо чувствительный.

    Наконец, фоторезистор – штука в общем случае нелинейная. Только когда фотопроводимость мала по сравнению с темновой проводимостью (к счастью, зачастую так и бывает), ее можно считать пропорциональной интенсивности падающего света.

    Конкретно у нас стоит сернисто-свинцовый фоторезистор ФСВ-16АН. Вещь довольно редкая, Гугл о ней не знает (по крайней мере до этого, теперь будет знать :) ). Согласно справочнику «Приемники оптического излучения», область спектральной чувствительности у него 1,0-3,2 мкм (хотя реально удавалось дойти до 2,8 мкм), максимальное рабочее напряжение 20 В, темновое сопротивление 5 МОм (хотя фактически было около 1 МОм), постоянная времени 0,5 мс. Выполнено сие чудо в виде цилиндра с окном на одном торце, выводами на другом и ушками для крепления по бокам.

Нет-нет, это еще не фоторезистор. В этой трубе (ее можно назвать фотоприемным модулем) размещается также предусилитель. А он, красавец, сидит там в конце:

    Теперь о том, к чему я всё это плавно подводил. Фоторезистор весьма хорошо реагирует на изменения температуры в лаборатории. Один раз мерил (в темноте) – было около 1 МОм. В другой раз, когда потеплело – что-то между 800 и 900 кОм, уж точно не помню. А освещение его нашим слабым лучиком приводит к изменению сопротивления аж на… 1,5 ома!

    А ведь нужно не просто зафиксировать наличие света, а измерить его интенсивность при различных положениях призмы-анализатора! Возможно ли это? Оказывается, что да.

    Температурный дрейф сопротивления можно рассматривать как шум в окрестности нуля частот. Шум, в котором полностью тонет наш ничтожный сигнал. Синхронный детектор – это прибор, призвание которого вытащить сигнал в условиях сильной зашумленности, посторонних засветок и т.д. Как же он работает? Чтобы понять суть метода, рассмотрим, какие вообще шумы свойственны фоторезисторам.

    Как и любой резистор при температуре выше абсолютного нуля, фоторезистор производит тепловой шум Джонсона-Найквиста. Этот шум белый: его спектральная плотность одинакова в широком диапазоне частот (теоретически до бесконечности). Следующий вид шума – генерационно-рекомбинационный. Он возникает вследствие флуктуаций количества свободных носителей заряда в полупроводнике. Занимает область частот от нуля приблизительно до 100 Гц. И третий вид – избыточный, чья природа еще до конца не ясна. В него вносят вклад много различных факторов. Он самый сильный в окрестности нуля, а с ростом частоты спадает приблизительно обратно пропорционально ей. Пожалуй, сюда можно отнести и наш температурный дрейф.

    Спектральные плотности всех этих шумов представлены на следующем рисунке в виде диаграммы Боде (частоты по оси довольно условны).

Черная линия – это то, что получается в результате сложения их всех. Видно, что фоторезисторы на разных частотах шумят неодинаково. Именно этот фактор и является определяющим для применения метода синхронного детектирования.

    Однажды мы делали лабу, касающуюся измерения спектров пропускания на спектрофотометре. Прибор был старый, дряхлый и показания плыли прямо на глазах. Приходилось при измерении каждой новой точки перекрывать световой поток и выставлять ноль. Но нет худа без добра, потому что здесь лежит глубокий философский смысл. Как сказал преподаватель, мы исполняли роль синхронного детектора. Вот и подсказка: чтобы выделить слабый сигнал на фоне сильного дрейфа, надо сначала этот сигнал промодулировать.

    Пускай в окрестности нуля частот сигнал утопает в шумах, но ведь с ростом частоты они резко спадают! С помощью модуляции спектр сигнала можно перенести в область частот, где он уже значительно превышает шум, а потом просто отсечь всё ненужное фильтром! Далее сигнал детектируется (то есть, снова переносится в окрестность нуля) и поступает на измерительное устройство. Всё это проиллюстрировано на нижеследующем рисунке:

    Правда, избавиться удается не от всех шумов. Инерционность фоторезисторов позволяет осуществить модуляцию только до нескольких сот герц (а примерно до этой области и простирается генерационно-рекомбинационный шум). Для белого шума модуляция ничего не меняет. Но эти шумы не так велики, поэтому польза всё равно получается большая.

    Пока что я рассказал про модуляционный метод регистрации отклика фотосопротивления. Здесь еще не было ничего «синхронного». Вот этот момент сейчас и рассмотрим поподробнее.

    Представим, что у нас есть синусоидальный сигнал, который подается на «умный» ключ. Этот ключ отпирается строго синхронно с колебаниями синусоиды. Если он попадает с ними в такт, то на выходе получим выпрямленный сигнал, как если бы там стоял диод. Если ключ умеет еще и инвертировать сигнал, получится двухполупериодное выпрямление. Достоинство такого детектора по сравнению с диодным выпрямителем в том, что здесь нет искажения формы сигнала, связанного с прямым падением напряжения на диодах. Можно выпрямлять малые сигналы. Далее ставим интегрирующую RC-цепочку и получаем постоянное напряжение, пропорциональное амплитуде сигнала. Показания устанавливаются за время (4-5)τ.

    Чтобы ключ знал, когда ему нужно переключаться, нужно иметь так называемый опорный сигнал, который меняется синхронно с исследуемым. Как правило, в условиях физического эксперимента получить его не составляет труда. Кстати, синхронное детектирование применяется и в радиотехнике. Там опорный сигнал выделяют из основного.

    Посмотрим теперь, что получится, если ключ будет отпираться синхронно, но не синфазно с сигналом. Пусть он работает с опозданием по фазе в 90 градусов (четверть периода). На RC-цепочку будет поступать сигнал своеобразной формы, показанный посредине рисунка. Он симметричен относительно нуля, поэтому усреднение его даст ноль. Наконец, если ключ отпирается в противофазе с сигналом, на выходе получится отрицательное напряжение.

    Всё это означает, что синхронный детектор является еще и фазовым детектором. Зависимость выходного напряжения от сдвига фаз между основным и опорным сигналами имеет вид косинуса.

    Но это еще не всё. Одно из самых главных достоинств: синхронный детектор – это очень эффективный полосовой фильтр. Он жестко подавляет любую некогерентную помеху. Если был шум – он сам себя скомпенсирует при усреднении; был какой-то левый сигнал, отличающийся по частоте от основного (например, наводка от сети) – получатся биения, которые постигнет та же судьба; была постоянная составляющая – она пропадет. Передаточная функция такого фильтра имеет вид лоренциана (колоколообразная кривая). Полоса пропускания вводится как ширина прямоугольника такой же высоты и площади. Она зависит только от постоянной времени RC-цепи и в случае гармонического детектирования определяется по формуле

Конкретный пример, забегая наперед: мы проводили измерения при постоянной времени детектора 1 с. Полоса пропускания выходит 0,5 Гц, тогда как частота модуляции была 575 Гц!

    Если вернуться к картинке, показывающей принцип модуляционного метода, то роль ФВЧ сводится лишь к отсечению сильных шумов поблизости нуля частот во избежание перегрузки детектора. Отделение сигнала от всего остального производится именно этим полосовым фильтром.

    Стоит, однако, отметить, что ключевой синхронный детектор частично пропускает нечетные гармоники основного сигнала:

Усреднение таких кривых дает результат, отличный от нуля. Но в реальности при прохождении через всю систему (усилители, фильтры) каждая гармоника будет сдвинута по фазе на разную величину, так что детектор их задавит.

    На практике значительно проще осуществить как раз ключевой режим работы синхронного детектора, а не гармонический. Учитывая его поведение на гармониках, общая шумовая полоса пропускания выходит приблизительно в 1,23 раза шире основной.

    Подытоживая сказанное, синхронный детектор способен вылавливать слабый сигнал среди пучины шумов. Его свойство – повышать соотношение сигнал/шум. Улучшение зависит от ширины полосы шумов, действующих на входе, и определяется по формуле

    Фух. Да простят мне читатели эту небольшую лекцию, я надеюсь, что она вызовет у кого-нибудь интерес. Перейдем же, наконец, ближе к практике!

    Модуляция светового потока осуществляется с помощью обтюратора. Это такой диск с прорезями, насаженный на вал двигателя. Когда он крутится, луч мигает. Получается меандр с частотой 575 Гц.

    Опорный сигнал получается с помощью оптопары точно таким же образом. Для того чтобы можно было регулировать сдвиг фаз, оптопара может перемещаться вдоль специальной дугообразной прорези на держателе. Она фиксируется в нужном положении гайкой.

    На фото уже доработанный модулятор. Я заменил треснутую латунную трубку на деревянную конструкцию, положил гровера под открутившиеся гайки, заземлил двигатель, а вместо лампочки с фотодиодом поставил инфракрасные светодиод и фотодиод с парочкой транзисторов. Эта схемка выдает меандр с размахом 4,5 В.

    Начался творческий процесс по созданию схемы самого синхронного детектора. Между прочим, в Рунете на эту тему ничего нет. В Буржунете ситуация чуть получше (ключевые слова «Lock-in amplifier»), но всё равно негусто. В основном находит лабораторное оборудование. Так что питаю надежду, что для кого-нибудь из физиков моя статья окажется полезной :).

    Основ для отталкивания было несколько: схема того жалкого прибора, статья в Вестнике Киевского университета за 1979 год «Демодулятор с динамическим резервом 80 дБ» (для любознательных прикладываю ее, а то научную литературу в интернете так просто не сыщешь), лекции и лаба о синхронном детекторе. Очень полезными были советы преподавателя по оптоэлектронике. Хоть я и увлекаюсь электроникой давно, но готовых конструкций на счету мало. Теперь, оглядываясь на проделанную работу, вижу, что много чего можно было сделать попроще – и в схемотехнике, и в конструкции. Но обо всем по порядку.

    В результате долгих изысканий, консультаций с преподавателем, моделирования в LTspiceIV и совершенствования родилась такая схема:

    C1R1 – это тот самый ФВЧ, который убирает самые сильные шумы поблизости нуля. Далее сигнал усиливается и поступает на аналоговый демультиплексор HEF4053. Эта микросхема содержит три двунаправленных ключа на полевых транзисторах. Из них используются два.

    Опорный сигнал подается на триггер Шмитта, который делает из него меандр. Скважность можно корректировать подстроечным резистором R16. Насколько я понял из даташита, на управляющие входы ключей следует подавать только положительное напряжение. Поэтому после триггера стоит диод Шоттки VD1.

    Одним из самых важных элементов является инструментальный усилитель INA128. Это комбинация из трех операционных усилителей, образующая дифференциальный усилитель с коэффициентом усиления, задаваемым внешним резистором. Внутри у этой микросхемы есть очень точные резисторы, которые подганяли лазером на производстве. Вместе с демультиплексором INA128 образует собственно детектор: ее инвертирующий и неинвертирующий входы поочередно подключаются то к сигналу, то к земле.

    Выпрямленный сигнал сглаживается интегрирующий цепью, постоянную времени которой можно задавать переключателем SA2. Постоянное напряжение еще раз усиливается и поступает на выход прибора. К выходу подключается тестер. На случай, если максимум сигнала при вращении анализатора вылезет за выбранный предел измерения тестера, его можно уменьшить выходным делителем (в реальности, правда, такого не случалось). Также имеется встроенный стрелочный вольтметр. Он служит скорее для удобства поиска максимума, так как движение стрелки более наглядно, чем мелькание цифр.

    В схеме выведены также две контрольные точки для подключения осциллографа: первая – чтобы проверить форму опорного сигнала, вторая – чтобы убедиться, что мы точно настроили сдвиг фаз. Для исключения влияния внешних соединений на детектор вторая точка выведена не напрямую, а через буфер DA5.

    Уже точно не помню, что меня к этому подтолкнуло (кажется, хотел защитить INA128 от перегрузки), но я нагородил блок питания с двумя двухполярными напряжениями: +/-8 В для DA1, DA2, DD1 и+/-15 В для DA3, DA4, DA5. И это еще не всё! Для питания оптопары на отдельный разъем выведено напряжение +5 В. Получилось такое вот схемище:

В моем любимом Sprint-Layout 6.0 была разработана основная плата синхронного детектора:

    Поделюсь опытом: прежде чем собирать, я распечатываю рисунок платы и подписываю все элементы. Получается такая монтажная схема. Когда-то я вообще делал бумажные макеты плат: на куске ватмана распечатываю с одной или с двух сторон (так, чтобы совместить), вырезаю, накалываю шилом дырочки, подписываю. Конечно, много лишней работы, но такой макет потом можно отнести на радиокружок, чтоб дети повторяли.

    Плата блока питания:

Квадрат и полоски не имеют к схеме никакого отношения, просто на этой бумажке принтер когда-то печатал тестовую страницу. Сторона дорожек:

Основную плату сделал методом фоторезиста, а плату блока питания нарисовал цапонлаком.

Процесс сборки:

По даташиту, INA128 боится статики и ее надо впаивать со всеми предосторожностями. Я соорудил себе антистатический браслет, заземлил себя, плату и паяльник, отключил его от сети и благополучно впаял сие чудо:

Всё это добро было размещено в корпусе Z-17.

Галетные переключатели соединены с основной платой экранированными проводами. Мороки было много. Лучше было бы наборы резисторов разместить в непосредственной близости от переключателей.

Чтоб прибор выглядел красиво и ручки не торчали, я разместил переключатели на текстолитовой пластине, которая крепится к передней панели на стойках:

На плате присутствует блок индикации перегрузки детектора: после входного усилителя стоят два компаратора, которые сравнивают сигнал с напряжением на движке подстроечного резистора (делитель). Если выходит за установленные пределы – будут вспыхивать красные светодиоды. Это могло быть полезным при высоком уровне шума. Но на передней панели катастрофически не хватало места, поэтому я этот блок не задействовал.

    Передняя и задняя панели нарисованы в Sprint-Layout (отверстия и шкалы) и PaintNET (надписи). Распечатал, пошел в ларек на остановке, где мне их заламинировали. Отверстия повырезал маникюрными ножницами. В результате получился такой прибор:

    Чтобы проверить работу детектора, на макетке по-быстрому был собран фазовращатель на ОУ. Сигнал от звукового генератора частотой 575 Гц поступал на вход прибора напрямую, а на синхронизирующий вход – через фазовращатель. Подключился осциллографом к контрольным точкам. Сначала выставляем правильную форму меандра:

И после детектирования получаем:

Если покрутить фазу, будет то, что и должно быть:

    Проверка проводилась на том, что было. Старый ламповый гроб выдает сигнал, который синусом назвать можно лишь приближенно. Поэтому картинки и вышли такие корявые. Но главное – детектирование происходит, устройство работает!

    Одними из основных характеристик синхронного детектора являются динамический резерв и динамический диапазон. Они связаны друг с другом. Динамический диапазон есть отношение максимально допустимого входного некогерентного сигнала при данной чувствительности к минимальному распознаваемому синхронному сигналу. Динамический резерв – то же, но к максимальному входному синхронному сигналу. Выражаются эти характеристики в децибелах.

    Оценим их. Какое у нас максимально допустимое несинхронное входное напряжение (или уровень шума)? То, которое приведет к насыщению входного усилителя (8 В питания минус 1,5 В выходит 6,5 В). Обычно наш прибор эксплуатируется при максимальном усилении 20*40=800. В этом случае для насыщения нужно 325 мВ амплитуды входного сигнала. Чтобы на выходе была полная шкала (примерно 12 В, которые соответствуют насыщению выходного усилителя), надо 15 мВ. А чтоб тестер показал 0,01 В, нужно 12,5 мкВ на входе. Если посчитать на основе этих данных, получается: динамический резерв = 26,7 дБ, динамический диапазон = 88,3 дБ. Довольно неплохо.

    В реальности, правда, максимальное некогерентное входное напряжение может оказаться ниже. Чтобы точнее узнать характеристики детектора, на его входы подают два сигнала разной частоты и увеличивают основной сигнал до тех пор, пока показания тестера не станут отличными от нуля. Амплитуду этого сигнала и подставляют в расчеты.

    Стоит отметить, что у современных промышленных синхронных детекторов динамический резерв может достигать 120 дБ!

    Итак, новый синхронный детектор готов. Но нужно еще получить от фоторезистора сигнал. Для этого был собран специальный предусилитель.

    Есть три основных способа включения фотосопротивлений: в делитель напряжения, в мост и к преобразователю ток-напряжение. Я избрал первый способ. Получилась такая схемка:

Кучка танталовых конденсаторов и резисторов образуют трехступенчатый фильтр по питанию делителя. Переменная составляющая сигнала выделяется цепочкой C1 R3 и усиливается в 101 раз. Питание на схему подается от внешнего источника (его уже сделали до меня). Под размеры трубы была разработана небольшая плата:

Получилось вот так:

Установка наконец-то была собрана воедино. В рабочих условиях модулированный сигнал, несущий информацию об интенсивности падающего света, выглядит вот так:

    После детектора из такого хаоса получалось постоянное напряжение около двух с половиной вольт, причем последняя цифра на тестере (вторая после запятой) держалась вполне устойчиво. Постоянная времени была 1 с. При повороте призмы-анализатора стрелка прибора движется, позволяя быстро отыскать максимум. Пробный график зависимости интенсивности от угла поворота хорошо согласовался с законом Малюса (то бишь это был квадрат косинуса, немножко искаженный по причине не идеальной юстировки системы).

    Таким образом, установка теперь позволяет проводить эллипсометрические исследования и в ближнем инфракрасном диапазоне. Я благополучно померил свои образцы и защитил диплом. Чего и всем, кому это предстоит, желаю.

Что вы найдете в прикрепленных файлах:
• как и обещал, статью Суббота-Мельник П.А., Скирда А.С. Демодулятор с динамическим резервом 80 дБ.-Вестник Киевского университета, N 20, сер."Физика", 1979, с.61-67.
• методичку с теорией синхронного детектирования (у нас была такая лаба). Только она на украинском языке
• страничку из проспекта, где написано, какие бывают характеристики синхронных детекторов
• принципиальные схемы
• проекты Sprint-Layout 6.0
• чертежи передней и задней панелей прибора

Файлы:
Дополнительно
Проекты Sprint-Layout
Схемы
Страница 1
Страница 2
Страница 3
Страница 4
Страница 5

Все вопросы в Форум.