Universität Bielefeld - Technische Fakultät - Neuroinformatik



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Beschaltung der Sensoren

Abb. 3.2 zeigt die externe Beschaltung des PFS-Sensors. Der Sensor dient als Ladungsquelle; daher wird das Ersatzschaltbild aus Abb. 3.1(b) verwendet.

  
Figure 3.2: Beschaltung eines PFS: (a) Ersatzschaltbild der Folie; hier   wirkt die Folie als Ladungsquelle. (b) Ladungsverstärker mit Ausgangsspannung und Zeitkonstante . (c) Hochpaß zur Dämpfung von EMI (engl. electromagnetic interference). (d) Schwellenwert-Komparator für den Flankendetektor ICn und direkter Analogausgang ADn.

Die Schaltung besteht aus drei Funktionseinheiten: einen Ladungsverstärker, einen Hochpaßfilter und einen Komparator. Im folgenden wird die Wirkungsweise der einzelnen Komponenten erläutert.

Für die Bestimmung der Ausgangsspannung am Operationsverstärker (OP) ist die Knotenregel am invertierenden Eingang hilfreich. Der nichtinvertierende Eingang ist an die   virtuelle Massegif (engl. floating ground) V angeschlossen und der OP sorgt dafür, daß die Potentialdifferenz zwischen den beiden Eingängen 0V beträgt; deshalb kann die Last vorerst vernachlässigt werden. Da der OP von seinen Eingängen kaum Strom entnimmt, können die in der Folie entstehenden Ladungen nur auf den Kondensator übertragen werden, was zu einer Spannung von

führt; der Kondensator bestimmt also den Verstärkungsgrad des   Ladungsverstärkers. Die Potentialdifferenz am Kondensator wird über den Widerstand mit der Zeitkonstante ausgeglichen. Diese Berechnung setzt einen idealen OP voraus, der die Potentialdifferenz der beiden Eingänge exakt auf Null hält.

Bei einem realen OP spielt für das Verhalten der Schaltung das Verhältnis der Gesamtimpedanz von zur Gesamtimpedanz der Folie eine entscheidene Rolle. Diese Impedanzen betragen

Dabei bezeichnet die imaginäre Einheit. Das Verhältnis der Impedanzen wird eine reelle Zahl , wenn die Bauteile so dimensioniert werden, daß die Zeitkonstanten für den Ladungsabbau in der Folie und in der Verstärkerschaltung gleich sind, also . Die Schaltung bekommt dann annähernd phasentreue Allpaßcharakteristik (siehe dazu [TS90], [AMP93]).

Es folgt eine   Hochpaßfilterung mit einem RC-Glied (siehe Abb. 3.2(c)). Die Grenzfrequenz für diesen Filter beträgt

Das ist die Frequenz, bei der der Hochpaß die Intensität des Eingangssignals um -3dB dämpft. Weit unterhalb dieser Frequenz wird das Signal mit -10dB pro Frequenzdekade abgeschwächt (Filter erster Ordnung). Dieser Hochpaß dient zur Reinigung des Signals von elektromagnetischer   Interferenz (meist 50Hz-Störungen); die Grenzfrequenz wird dazu auf etwa 340Hz eingestellt.

Die Ausgangsspannung des Hochpaßfilters wird direkt an einen Analog/Digital-Wandler weitergegeben. Dieser Wandler kann die verhältnismäßig feinen Pulse im Kilohertzbereich schwer erfassen, da jeder Kanal meist mit nur etwa 500Hz abgetastet wird. Um kurze, intensive Pulse zu detektieren, wird das hochpaßgefilterte Signal daher einem Komparator zugeführt (siehe Abb. 3.2(d)), der ein TTL-Signal erzeugt. Ein   Flankendetektor (siehe Kapitel 6) kann dann den Zeitpunkt des Eintreffens der Pulse messen.

Im nächsten Abschnitt wird das Verhalten des Sensors und der Verstärkungselektronik anhand von Messungen untersucht.



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Markus Jankowski Jan Jockusch Lars Jansen Michael Jandrey Marjan Tomas , 1996-Dec-06