Zeitmessung mit hoher Auflösung

Im Unterforum Messgeräte - auch im Selbstbau - Beschreibung: Vorstellung und Diskussion über Meßgeräte, die auch für Hobby noch erschwinglich sind.

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Autor
Zeitmessung mit hoher Auflösung

    







BID = 721040

cyan

Gerade angekommen


Beiträge: 3
Wohnort: Jena
 

  


Hallo,


Vorab:

ich bin auf der Suche nach einer Messschaltung um die Abklingzeit meines Signals recht genau zu ermitteln. Am liebsten wäre mir eine analoge Schaltung, digitale Schaltungen sowie Microcontroller wären auch kein Proglem, in das Themengebiet DSP müsste ich mich erst neu einarbeiten.
Weiterhin ist mein Budget etwas begrenzt (also über 150€ sind wahrscheinlich nicht drinn)

Aufgabenstellung:

Ich habe folgendes Signal, welches im Anhang zu erkennen ist.
Mir geht es darum die Abklingzeit zu messen. Also die Zeit in der das Signal von 100% (Zeitpunkt des negativen Anstieges) auf 36,8% abgefallen ist. Bis jetzt wurde das Signal am Oszi angezeigt und dann am PC gefittet.
Dies möchte ich nun in einer Schaltung realisieren um später den Zeitwert in einem uC zu verrechnen.

Je nach Versuchsaufbau klingt mein Signal unterschiedlich schnell ab.
Die kleinste Abklingzeit beträgt ca. 200ns, die größte ca. 1,5us.

Wie oben beschrieben geht es nun darum die genau Zeit zu messen. Also ob es nun 200ns oder 215ns sind.


Bei meinen Recherchen bin ich zu dem Schluss gekommen, dass man mit der A/D-Wandlung wohl bei so hoher Auflösung wohl schnell an die Grenzen stößt.

Meine Idee:

Mit OPVs sollte es eigentlich möglich sein die 2 Zeitpunkte zu Triggern (also 100% und ca. 37% des Signalpegels) und damit einen Oszillator anzusteuern. Die Oszillator-flanken müsste man dann ja mit einen Zählerbaustein zählen können und dann auf die Zeit zurückschießen.

Auf eure Ideen, Vorschläge, Tipps bin ich sehr gespannt.

mfg cyan

BID = 721042

perl

Ehrenmitglied



Beiträge: 11110,1
Wohnort: Rheinbach

 

  


Zitat :
Mit OPVs sollte es eigentlich möglich sein die 2 Zeitpunkte zu Triggern (also 100% und ca. 37% des Signalpegels) und damit einen Oszillator anzusteuern
Nicht mit Operationsverstärkern, sondern mit Komparatoren. Such dir etwas aus: http://www.analog.com/en/amplifiers......html
Evtl. wird man das 180mV Signal vorher mit einem schnellen Opamp noch etwas verstärken. Ob man dafür eine CFB oder VFB Typen nimmt, hängt auch von den Eigenschaften der Quelle ab.

Es ist zweckmäßig den Oszillator nicht Start-Stop zu betreiben, sondern durchlaufen zu lassen und nur sein Ausgangssignal zu schalten.

BID = 721044

QuirinO

Schreibmaschine



Beiträge: 2205
Wohnort: Behringersdorf
Zur Homepage von QuirinO ICQ Status  

Um mit einem Zähler 10ns auflösen zu können bewegst du dich im Bereich von etwa 100 Mhz, auch die Komperatoren sollten diese Geschwindigkeitsvorgabe erfüllen. Alles in allem eine mit Hobbymitteln nicht ganz einfach zu bewerkstelligende Aufgabe, schon die passenden Teile zu finden imho.
Die Profis hier werden dazu sicher noch ein paar Takte sagen können

BID = 721060

perl

Ehrenmitglied



Beiträge: 11110,1
Wohnort: Rheinbach


Zitat :
Alles in allem eine mit Hobbymitteln nicht ganz einfach zu bewerkstelligende Aufgabe
Auf einem Steckbrett geht das natürlich nicht, aber u.U. ist schon die preiswerte 74AHC-Serie dafür geeignet. Sonst eben ECL oder PECL.
FPGAs werden vermutlich wegen des Preislimits nicht in Frage kommen, weil sich die Hersteller die Entwicklungssysteme sehr gut bezahlen lassen. Evtl. gibts aber auch da Demoversionen oder Freeware, das weiß ich nicht.

Wenn es in Wirklichkeit lediglich um eine Gut/Schlecht-Erkennung geht, wäre auch an den Bau von zwei grenzwertigen Mustern zu denken.
Mit den Komparatoren brauchte man dann lediglich zu prüfen. ob sich die Flanke während der gesamten interessierenden Zeit im Toleranzfeld bewegt.
Dazu braucht man keine Zähler etc., sondern nur ein Flipflop, welches das Auftreten eines Fehlers registriert.


BID = 721073

high_speed

Schreibmaschine



Beiträge: 2073

FPGA (Field Programmable Gate Array)

Die Entwicklugssoftware kann man sich bei einigen Herstellern kostenfrei
herunterladen. Altera bietet ihre kostenfreies Entwicklungssoftware "Quartus
II Web Edition" neuerdings auch für unixoide Systeme an und ModelSim git es
dazu auch.(Unter Debian läuft es.)

Für größere FPGAs oder Sonderfunktionen muss man dann die Software kaufen.
Größere bezieht sich hier aber auf Hochleistungstypen, die für den Heimanwender interessanten, Cyclon I bis Cyclon IV mit bis zu 149760
Logikelementen, lassen sich mit der kostenfreien Version 'programmieren'.


Zitat :
.. Also ob es nun 200ns oder 215ns sind ..


Wie groß soll die Auflösung sein?
10ns würde einen Takt von 100MHz bedeuten.
Mit einigermaßen schnellen FPGAs aus dem 'Kleingeldbereich' müssten
Zähltakte von 400MHz realistisch sein.

MfG
Holger

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George Orwell 1984 ist nichts gegen heute.
Der Überwachungsstaat ist schon da!

Leider lernen die Menschen nicht aus der Geschichte,
ansonsten würde sie sich nicht andauernd wiederholen.

[ Diese Nachricht wurde geändert von: high_speed am 18 Okt 2010 18:56 ]

BID = 721084

QuirinO

Schreibmaschine



Beiträge: 2205
Wohnort: Behringersdorf
Zur Homepage von QuirinO ICQ Status  

Sollte dieses Projekt mittels FPGA gelöst werden, so halte uns bitte auf dem Laufenden, das Thema interessiert mich schon seit längerer Zeit brennend ... ich traue mich nur nicht so richtig ran.

BID = 721094

high_speed

Schreibmaschine



Beiträge: 2073


Offtopic :

Zitat :
QuirinO hat am 18 Okt 2010 19:36 geschrieben :

.. ich traue mich nur nicht so richtig ran.


1. Software herunterladen
2. Buch kaufen z.B.: VHDL-Synthese ISBN 978-3-486-58192-8
3. Entwicklungsbord kaufen z.B.: Altera DE0 Board
4. Spaß haben.


MfG
Holger

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BID = 721174

cyan

Gerade angekommen


Beiträge: 3
Wohnort: Jena

hi,
danke erstmal für die schnellen antworten.

FPGA wird wahrscheinlich die beste Lösung sein. Da muss ich aber erst nochmal mit meinem Chef reden und ihn davon überzeugen

Eine Auflösung von 10ns sollte mir reichen.

Komperatoren wurden ja oben schon welche gepostet.
Was für ein Zählbaustein sollte man denn nehmen? Habe bis jetzt leider keinen mit einer für mich ausreichend hohen Frequenz gesehen.

Ich habe auch mal etwas gelesen, dass man Abklingkonstanten über das Vergleichen mit der Entladezeit eines Kondensators ermittelt hat. Konnte das aber nicht wirklich nachvollziehen. Falls das schonmal jemand gemacht hat, wäre ich über eine kurze Erklärung sehr dankbar.

mfg cyan





BID = 721200

perl

Ehrenmitglied



Beiträge: 11110,1
Wohnort: Rheinbach

In linearen Systemen kann man die Flankensteilheiten auch über das Frequenzverhalten ermitteln.
Da du aber nichts zum was und warum schreibst, ist diese Diskussion müßig.

BID = 721215

cyan

Gerade angekommen


Beiträge: 3
Wohnort: Jena

hi,

kann gerne näher erklären um was es geht, bin aber nicht sicher ob das viel hilft

Das Signal stammt aus einem Laserresonator und wird mit einer Photodiode empfangen. An der Verstärkerschaltung arbeite ich gerade.

Der Versuchsaufbau mit dem Laserresonator nennt sich cavity ring down.

Ich würde gerne die Abklingzeit ermitteln, da ich daraus auf die Reflektivität der Laserresonatorspiegel zurückschließen kann.
Die Reflektivitäten der Spiegel zu ermitteln ist sozusagen mein Ziel.

mfg cyan

BID = 721429

perl

Ehrenmitglied



Beiträge: 11110,1
Wohnort: Rheinbach


Zitat :
bin aber nicht sicher ob das viel hilft
Doch das hilft.
Bedeutet es doch, dass das Signal nach einer einfachen Exponentialfunktion abfällt, genau wie die Entladung eines Kondensators über einen Widerstand. http://de.wikipedia.org/wiki/RC-Glied

P.S.:
Da oft, z.B. nachdem das Signal einen Verstärker durchlaufen hat, der Beginn des Abfalls nicht besonders genau bekannt ist, ist es z.B. bei Oszilloskopen üblich die Anstiegs- bzw. Abfallzeit anhand der messbaren 10% und 90% Marken der Flanke zu definieren.
Das macht aber nichts, denn das lässt, sich, ebenfalls wie evtl. die Halbwertszeit, alles in einander umrechnen, wenn man die Rechenregeln für Logarithmen beherrscht.

Beachte aber, dass die endliche Bandbreite des Verstärkers ebenfalls die Flankensteilheit beeinflusst.
Als Zahlenbeispiel: Ein Verstärker mit einer 3dB Grenzfrequenz von 5MHz hat eine Anstiegszeit (10%-90%) von 60ns. Diese addiert sich geometrisch zur Anstiegszeit deines Resonators, sodass sich bei einem 200ns (10%..90%) Resonator ein Messwert von 209ns ergibt.

2.P.S.:
Achte auch darauf, dass du mit den Messwetten die spezifierte maximale Anstiegsgeschwindigkeit (Slew-rate) des Verstärkers nicht überschreitest, denn dann ist das System nicht mehr linear und diese Rechnungen führen in die Wüste.
Ein Überschreiten der Slew-Rate kann z.B. durch zu große Ausgangsamplitude passieren. Dann wird aus einem Sinus ein Trapez.


[ Diese Nachricht wurde geändert von: perl am 20 Okt 2010 14:43 ]

BID = 728101

IC-Killer

Schriftsteller



Beiträge: 635
Wohnort: Stuttgart

Hallo, Cyan !!

Bin ganz neu hier aber mal ´ne doofe Frage : Warum Triggerst Du am Oszi nicht auf die abfallende Flanke (evtl.mit 25% Pre-Trigger) und spreizt dann die Zeitachse ??? Es interessiert Dich ja anscheinend nur die Abfallszeit. Nur so ´ne Idee ....


Gruß Killer

BID = 728209

Lötfix

Schreibmaschine



Beiträge: 2328
Wohnort: Wien


Zitat :
IC-Killer hat am 19 Nov 2010 21:53 geschrieben :

Hallo, Cyan !!

Warum Triggerst Du am Oszi...



Er will vermutlich ein Gerät bauen, daß ohne Oszi auskommt.

mfg lötfix

_________________
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Bei obigem Beitrag handelt es sich um meine private Meinung. Rechtsansprüche dürfen daraus nicht abgeleitet werden. Sicherheitsvorschriften beachten!


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