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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Suche rauscharme Spannungsversorgung für 24 bit ADC


Autor: Dennis Köhn (cruzader)
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Heyho!

Wie im anderen Beitrag bereits erwähnt, möchte ich einen hochauflösenden 
PT100 Verstärker bauen. Da das Thema Spannungsversorgung für ADC aber 
auch für andere Suchende von Interesse sein könnte habe ich mir erlaubt, 
nen eigenen Thread zu eröffnen. So findet man es leichter... :)

Also:

Als ADC soll der im anderen Thread vorgeschlagene CS5532 zum Einsatz 
kommen, denn etwas mit weniger Eigenrauschen habe ich bisher nicht 
finden können. Nun weiß ich aber leider nicht, in wie fern ein Rauschen 
der Spannungsversorgung auf die Analogeingänge des ADC wirkt. Beim 
CS5532 liest man z.B. etwas von den oftmals in s-d-Wandlern vorhandenen 
50/60 Hz mit 90 dB und auch DC wird mit 120-130 dB richtig schon 
geblockt. Aber was ist mit dem ganzen anderen Schmutz - kommt der durch? 
Kann man ihn überhaupt so weit filtern, daß der ADC seine 24 bit 
theoretisch ausspielen könnte? Im Netz habe ich zwar zig sinnvolle 
Schaltungen zu dem Thema finden können, jedoch haben alle als Supply 
z.B. nur " +5V " - das hilft nicht wirklich weiter, wenn sie nicht 
schreiben woher die kommen... :(
Eine Batterieversorgung ist zwar zu Testzwecken vorgesehen, jedoch in 
der Praxis auf Dauer nicht nutzbar. Der Strom muß aus der Steckdose oder 
alternativ z.B. vom USB des Messrechners kommen, damit das Gerät im 
Dauerbetrieb laufen kann.

Was es zu versorgen gibt:

Konkret gilt es den ADC sowie die Konstantstromquelle für das RTD zu 
versorgen. Hierfür hatte ich jeweils einen eigenen (Linear- ?!) Regler 
angedacht. Da der Analogteil und vor allem die Kanäle untereinander 
galvanisch getrennt sein sollen wäre diesem 3-er Gespann (VD + 
Optokoppler  VA  Stromquelle) dann jeweils ein DC/DC-Wandler 
vorgeschaltet. Hier hört meine Planung dann leider auch schon auf, denn:

- Die meisten Spannungsregler haben bestenfalls 30 uV Rauschen im 
Bereich >10 Hz und ich habe Sorge, die nicht sauber gefiltert zu 
bekommen. Ein s-d-Wandler sampelt ja intern höher, als er die Daten 
ausgibt. Das Rauschen könnte also durchaus stören.

- Ein Linearregler mit 5V verlangt nach etwas mehr als 5V am Eingang, um 
sauber zu arbeiten. DC/DC mit 6V finde ich jedoch nicht und von 9V wurde 
mir aufgrund der höheren Verlustspannung (?!) abgeraten.

- Den ADC mit weniger als 5V zu betreiben ist unschön, da mir dies auch 
gleich den CM-Bereich verkleinert. 4.0 bis 4.5 V würden wohl gerade noch 
gehen habe ich mir vorhin überlegt - ist das Sinnvoll? Gibts solche 
Typen auch als "ultra low noise"?

Vielleicht kennt ja einer von euch eine vernünftige Lösung für mein 
Problem. Ich kann mir kaum vorstellen, daß ich der erste bin, der nen 24 
bit Wandler versucht auf voller Auflösung zu fahren ;)

Liebe Grüße,
Dennis

Autor: 3360 (Gast)
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Ich hab einen LDO zum 24 bitter. Eine Versorgung von 5.2V ergibt nach 
einem LP2951 noch 4.65V

Autor: Axel R. (axelr) Flattr this
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Hallo Dennis,
kannst Du bitte nochmal einen Link auf den anderen Thread setzen?

Bei Spannungsreglern kannst Du mal nach solchen suchen, die man auch bei 
GPS-Empfänger, bzw. den aktiven Antennen, vorgeschlagen bekommt.
Anererseits kann man, vorausgesetzt, der Linearregler hat einen 'SENSE' 
Ausgang, leicht einen Spannungsfolger über ein RC-Filter (1K/100µ)an den 
Ausgang anschließen.

Such mal nach "ultra low noise voltage regulator"

Und nach "maxim 6nV" (fällt mir jetzt die Application Notes Nr. nicht 
ein, gab 2Stück, hatte ich glaube schon hier gepostet)


Ich habe mal ein EvalBoard mit einem 24Bit ADC angeschafft (war für 
EEG-Messungen), fällt mir gerade ein.
Zusätzlich zur Muskelspannung wurde auch (Körper)Temparatur gemessen.
24Bit wurden da auch nicht erreicht, davon mal abgesehen.
Als Temparatursensoren hatten wir allerdings keine PT100, sondern 
linearisierte Halbleitersensoren im SC?? (hälfte SOT23 ohne Beinchen 
drann) eingesetzt. Hab' eben nochmal gesucht. Ist aber zu lange her - 
finde ich nicht mehr.
Jedenfalls waren DIE Dinger extremst genau, wie man so schön sagt.
Ging auch sehr schnell, da die Wärmekapazität der Sensoren sehr gering 
war.

Du brauchtest aber einen höheren Temparaturbereich, oder?

Muss ich zu Hause mal GENAU nachsehen, was dort konkret gemacht wurde.
Irgentwo muss so'n Hunde-EEG noch liegen ;-))

Gruß
Axelr.

edith:
http://www.maxim-ic.com/appnotes.cfm/an_pk/3656
http://www.maxim-ic.com/appnotes.cfm/an_pk/3657
http://www.linear.com/pc/productDetail.jsp?navId=H...

Autor: Josef (Gast)
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Bei TI gibt's eigentlich recht gute Info zu einem vergleichbaren 24-bit 
Wandler, der speziell fuer kleine Sensorsignalspannungen (z.B. Waage) 
eingesetzt wird. Bei diesem Wandler ist der Clockgenerator bereits 
integriert, bzw. kann natuerlich auch extern zugefuehrt werden. Speziell 
die App Notes koennten weiterhelfen.
http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/ads1232.html

Autor: Dennis Köhn (cruzader)
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@3360: Ich wurde vorhin drauf hingewiesen, daß der CS5532 gern 5V  +/- 
5% haben möchte. Das hatte ich ganz verschwitzt, da dem ADC, den ich 
zuerst im Visier hatte auch alles zwischen 2.X und 6.X V recht war. 
dessen Eigenrauschen war für meine Anwendung leider viel zu hoch. Auch 
der von Josef hier genannte TI sieht verlockend aus, ist bloß wieder 
komplizierter auszulesen, da das SPI-Interface für den CS5532 quasi 
schon fertig ist.

@Axel: Na klar. Hier ist er: 
Beitrag "Sehr hoch auflösender PT100 Messverstärker"

Die Suche nach "ultra low noise voltage regulator" habe ich glaube ich 
inzwischen in allen Varianten ausgereizt. Die App. Notes von Maxim habe 
ich aber dabei dennoch nicht gefunden - vielen Dank für die Links.

An die Schaltung eines EEG hatte ich lustigerweise auch schon gedacht, 
wüßte aber nicht, welcher Arzt mir erlaubt, das Innnenleben seiner 
teuren Geräte abzufotografieren ;) . Drauf gekommen war ich, weil mir 
damals beim Zivi eine Verstärkerbox abgeraucht ist, als die 
Eingangsspannung nur wenige nV zuviel war. Der Techniker hat mir dann 
was von extremer Verstärkung des Signals usw. erzählt und erst heute 
weiß ich wirklich was er meinte... ;)
...Habt ihr denn von dem EVAL-Board die mitgelieferte Spannung verwendet 
oder extern gespeist? Weißt du noch, inwieweit die Spannung auf das 
EEG-Signal durchgeschlagen ist? Der Temperatursensor hatte vermutlich 
doch einen recht großen Temp.koeffizienten, ist also mit dem PT100 kaum 
vergleichbar.

Stichwort Sensor: Ich denke, daß eher die Tatsache, daß er in Toluol, 
THF oder sonstige Lösemittel eingetaucht ist ihn killen würde, als die 
Temperatur (bei mir 0-200°C) ;)

@Josef: Der ADC sieht interessant aus, danke für den link. Leider ist er 
für mich etwas zu unflexibel und auch das Interface ist keines mit SPI, 
sprich die bereits fast fertige Steuerung wäre für die Katz'. 
Interessant wären Vorschläge zur Spannungsquelle gewesen aber in den 
App-notes konnte ich leider keine finden :(


@all: Weiß denn einer aus dem Bauch heraus, wie stark Rauschen bei einem 
24 bit sigma-delta durchschlägt? Die Samplingfrequenz soll bei 6.X Hz 
liegen aber intern sampeln die Dinger ja weit höher.

Autor: Rainer (Gast)
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Als A/D Wandler benutze ich den LTC2400 bzw. LTC2420 von Linear 
Technology. Der ist einfach anzuschließen und fällt vor allem nicht aus. 
Im Internet habe ich gelesen, daß es probleme mit dem CS Teil gibt ich 
meine, daß ich ihn früher auch mal ausprobiert habe und ähnliche 
Erfahrungen gemacht habe. Mit einem internen PGA wie bei dem CS Teil 
würde ich nicht arbeiten.

Wenn mit 0.001K Auflösung gemessen wird, muß evtl. aufgepasst werden, 
daß man die Temperaturänderung nicht mit dem Rauschen verwechselt. Bzw. 
daß beides auftritt.

Autor: Axel R. (axelr) Flattr this
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Hi,
bin jetzt in meiner Werkstatt mal auf die Suche gegangen:

Zu den Temperatursensoren und den EEG Verstärkern konnte ich nichts mehr 
finden, leider.

Der ADC ist ein AD7714.
Das EVAL Board "EVAL-AD7714-3EBZ" hat KEINEN Regler onboard.

Betrieben wurde das Board ganz normal am Labornetzteil.
Man erkennt gut, das die digitalen und analogen Massepolygone mittig 
unter dem Schaltkreis getrennt sind und am GND Pin vom ADC 
zusammenlaufen.
http://www.analog.com/en/prod/0,2877,AD7714,00.html
http://designtools.analog.com/dtSimADCWeb/dtSimADC...

Sorry, mehr Infos habe ich iM nicht...

Gruß
Axelr.

Autor: Arc Net (arc)
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Rainer wrote:
> Als A/D Wandler benutze ich den LTC2400 bzw. LTC2420 von Linear
> Technology. Der ist einfach anzuschließen und fällt vor allem nicht aus.
> Im Internet habe ich gelesen, daß es probleme mit dem CS Teil gibt ich
> meine, daß ich ihn früher auch mal ausprobiert habe und ähnliche
> Erfahrungen gemacht habe.

Ein so rauscharmer Wandler ist nun mal nicht so leicht zu handhaben. Das 
man auch, je nach Revision, einige Errata beachten sollte, dürfte auch 
klar sein.
Allerdings ist das deutlich besser, als das, was ein anderer Hersteller 
aus TX teilweise abliefert. Sei es beim Support oder bei 
reproduzierbaren Fehlern die unter den Tisch gekehrt werden oder 
Spezifikationen die in der Serie nicht eingehalten werden.

> Mit einem internen PGA wie bei dem CS Teil
> würde ich nicht arbeiten.

Würde ich, je nach Anwendung, eigentlich immer, da alleine der Aufwand, 
der nötig ist, um Gain und Offset-Fehler im Betrieb zu korrigieren nicht 
unerheblich ist (was z.B. beim AD7794 sehr gut und funktionierend gelöst 
ist), die restlichen Fehler der Eingangsverstärker mal aussen vor.
Zum Vergleich mal eine vereinfachte Fehlerrechnung beim LTC2440:
Geforderte Auflösung: 1 mK macht bei einem PT100 und 1 mA 385 nV
d.h. P-P-Rauschen << 385 nV
Nehmen wir mal großzügig an, das der zu messende Widerstand zw. 100 und 
200 Ohm liegt, sprich Ausgangsspannung zw. 100 mV und 200 mV.
Eingangsspannung ADC 0 - 2.5 V d.h. die maximale Verstärkung darf 
maximal 25 sein. LTC2440 rauscht mit 1.32 uV p-p, als OpAmp mal den 
OP627 angenommen.
Broadband Noise: BW = 10 Hz enbb ~ 15 nV RMS
enf = 1/f Noise ~ 75 nV RMS
en = sqrt(enbb^2 + enf^2) = 76 nV RMS,
Stromrauschen und thermisches Rauschen fallen hier nicht ins Gewicht.
Ausgangsrauschen:
en * Noise Gain = 76 nV * 25 = 1900 nV = 1.9 uV RMS
Gesamtrauschen = sqrt(1.9^2 + 0.2^2) = 1.9 uV RMS ~ 12 uV P-P ~ 1/32 °C
gefordert waren 1/1000 °C!

Autor: Rainer (Gast)
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...die PGA's in den Wandlern sind so genau?
Müßte mir mal das Datenblatt durchlesen...
Vielleicht wurde es schon erwähnt, aber wie bekommt man eine so genaue 
1mA Stromquelle hin?
Oder mißt man da abwechselnd einen Präzisionsreferenzwiderstand und dann 
den PT?

Ich habe momentan eine Schaltung mit einem PT1000 im Einsatz und den 
LTC, aber die Auflösung beträgt 'nur' 1/10°.

Autor: Arc Net (arc)
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Rainer wrote:
> ...die PGA's in den Wandlern sind so genau?

Ja bzw. jein.
Beim zuerst angedachten AD7794 hat man den Vorteil, das dieser die 
Offset und Gain-Fehler intern selbst kalibrieren kann (Fehler sind dann 
in der Größenordnung des Rauschens bei der entsprechenden 
Verstärkung/Datenrate).
Beim CS553x ist mehr Aufwand nötig, da dieser die interne Kalibrierung 
nur bei Gain=1 durchführen kann.

> Müßte mir mal das Datenblatt durchlesen...
> Vielleicht wurde es schon erwähnt, aber wie bekommt man eine so genaue
> 1mA Stromquelle hin?

Die braucht man nicht!

> Oder mißt man da abwechselnd einen Präzisionsreferenzwiderstand und dann
> den PT?

Entweder das, wenn man es so aufbaut wie im Link zu Hart Scientific
Beitrag "Re: Sehr hoch auflösender PT100 Messverstärker", dann müssen sowohl 
die Referenzspannung des ADCs, als auch die Stromquelle "nur" während 
der vier Messungen konstant sein.
Oder man ändert die ratiometrische Variante aus dem Posting entsprechend 
ab, wenn man damit noch genauer messen will.

> Ich habe momentan eine Schaltung mit einem PT1000 im Einsatz und den
> LTC, aber die Auflösung beträgt 'nur' 1/10°.

Autor: Dennis Köhn (Gast)
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Heyho!

Nun will ich auch mal wieder mitmischen, wenn auch das Thema inzwischen 
etwas OT in die Temperaturmessung bzw. Richtung ADCs geht. Kann man den 
Threadtitel anpassen...?!

@Rainer: Zu dem gibts auch ne App.Note, wo AFAIK sogar von 1 mK die Rede 
ist. Allerdings mit externem OA, weshalb ich mich dagegen entschieden 
habe. Ansonsten sicherlich ein robuster Alltags-ADC, das stimmt.

@Axel: Das 7794-EVAL hat wahlweise 5V vom USB oder 3.3V geregelt wobei 
der Regler nicht wirklich toll ist. Getestet haben wir nur mit den 
USB-5V, weil der ADC damit weniger rauscht, als mit 3.3V. Die Auflösung 
betrug etwa +/- 1 mK bei Mittelung von 500 Werten. Das geht schon in die 
richtige Richtung, ist aber noch etwas zu wenig. Leider, denn der kleine 
Bruder davon (AD7793) gefiel mir bisher am allerbesten. Nicht zuletzt 
wegen der Konstantstromquellen.

@Arc Net: Genau, ich möchte ratiometrisch messen und der Bereich wird 
etwa 100-180 Ohm entsprechend 0-200 °C überstreichen. Ich hatte mir das 
wie folgt ausgerechnet - vielleicht ist ja nen grober Fehler drin?!

(C&P aus Excel-Tabelle)

T(min) 0,000 °C entsprechend 100,000 Ohm
T(max) 200,000 °C entsprechend 178,154 Ohm
Konstantstrom = 0,001 A
 =>
U(min) 0,100 V
U(max) 0,178 V
 =>
U(delta 1K) 0,391 mV
U(delta 1mK) 0,391 uV

Der CS5532-BS (gibts z.B. bei Farnell) macht bei IMHO dafür sinnvoller 
Verstärkung von 32*  9 nV RMS, also 59 nV P-P Rauschen. Als 
Temperaturauflösung ausgedrückt wären das stolze 0.15 mK.

...Wie gesagt - der ADC ist mir auch nicht ganz geheuer, weil er in 
Sachen Spannung so anspruchsvoll ist. Aber wenn das Rauschen dem 
Datenblatt entspricht ist der integrierte IA auf ganz hohem Niveau und 
ermöglicht mir so mit ganz wenigen Teilen eine sehr präzise Schaltung. 
Was hier hauptsächlich fehlt ist halt die Spannungsversorgung, die 
diesem ADC gewachsen ist ;)

Liebe Grüße,
Dennis

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