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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik AD- Wandler mit 24 Bit sinnvoll?


Autor: Wolfgang-G (Gast)
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Der AD- Wandler LT2400 hat eine Auflösung von 24 Bit, d.h. 1:16 777 216. 
Wenn ich das Datenblatt richtig deute, dann tritt ein Rauschen von 1ppm 
auf. Daraus würde ich zunächst ableiten, dass zumindest die letzten 4 
Bit wenig sinnvoll sind. Nach meinen eigenen Messungen stehen die 
letzten 4-5 Bit nicht still.
Meine Frage: Ist es theoretisch (und auch praktisch) sinnvoll, die 
letzen 4-5 Bit überhaupt zu beachten, um evtl. durch eine 
Mittelwertbildung zumindest einen Trend der Spannung zu erfassen?
Von Statistik habe ich zu wenig Ahnung, um dies beurteilen zu können.
MfG
Wolfgang

Autor: Bensch (Gast)
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> Nach meinen eigenen Messungen stehen die
letzten 4-5 Bit nicht still.

Das entspricht ja auch den Angaben im Datenblatt.

>Meine Frage: Ist es theoretisch (und auch praktisch) sinnvoll, die
letzen 4-5 Bit überhaupt zu beachten, um evtl. durch eine
Mittelwertbildung zumindest einen Trend der Spannung zu erfassen?

Im Prinzip ja....
Kommt auf den Anwendungsfall an, z.B bei einer Waage immer. Wenn's 
keinen Sinn machen WÜRDE, warum macht der Hersteller dann sowas?

> Von Statistik habe ich zu wenig Ahnung, um dies beurteilen zu können.

Hat damit (zum Glück...) auch wenig zu tun.

Autor: Peter Diener (Gast)
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Hallo,

wenn deine Anwendung es zulässt, die Samplingrate niedriger zu wählen, 
als es der Wandler kann, erbrint eine Mittelung von mit hoher 
Samplingrate gemessenen Samples eine Rauschunterdrückung. Die (nutzbare, 
nicht verrauschte) Auflösung ist dann höher. (SNR = 
signal-to-noise-ratio ist größer)

Grüße,

Peter

Autor: Bensch (Gast)
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Wobei noch zu sagen wäre:
Ist das Rauschen näher spezifiziert?

Mit Mittelung kriegt man weisses Rauschen prima raus, aber nicht das 
1/f-Rauschen (Funkelrauschen). Das kann so niederfrequent sein, dass 
eine Mittelung nichts bringt.
Ich hatte schlechte Erfahrungen mit einem Baustein von AD, der nach dem 
Einlöten nicht mehr zu gebrauchen war, weil er mit einer Frequenz von 
unter 1Hz rumzappelte. Die SMD-Teile liessen sich nur manuell löten- 
ganz ganz vorsichtig....

Autor: Knut Ballhause (Firma: TravelRec.) (travelrec) Benutzerseite
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Mal ganz ehrlich: 24Bit auf einer Leiterkarte mit noch anderen digitalen 
BE sind ohnehin nicht zu erreichen, da die Störungen über Vcc und Masse 
mehr Gewicht haben, als das Eigenrauschen des ADC.

Autor: Kai Walz (walle79)
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Hi,

pi*daumen

n = samplerate (genutzt) / samplerate (notwendig)

noise = noise / n

Das Rauschen wird sozusagen um den Fakter der oversampling reduziert.


Grüße

Kai

Autor: yalu (Gast)
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Bei der Mittelung von n verrauschten Werten wird die Rauschleistung um
den Faktor n, die Rauschspannung um den Faktor sqrt(n) reduziert.

Oder stochastisch ausgedrückt: Die Varianz wird um den Faktor n
reduziert, die Standardabweichung um den Faktor sqrt(n).

Um auch in den letzten 4 Bits sinnvolle Ergebnisse zu erhalten, muss die
Rauschspannung (bzw. die Standardabweichung) mindestens um den Faktor 16
reduziert werden. Dazu müssen mindestens 16² = 256 Werte gemittelt
werden.

Autor: Jens G. (jensig)
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Das Mitteln meherer Werte entspricht ja letztendlich einer Reduzierung 
der Bandbreite, also auch weniger Rauschen dann im Endergebnis (um es 
mal in Worten, und ohne Formeln auszudrücken ;-).

Autor: fast so (Gast)
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Das Rauschen wird mit der Wurzel der Messungen kleiner. Also, einen 
Faktor Zehn bekommt man mit 100 Messungen.

Autor: Wolfgang-G (Gast)
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Vielen Dank.
Vorwiegend die letzten 3 Beiträge decken sich in ihrer Aussage und falls 
niemand diesen Aussagen widersprechen sollte, dann betrachte ich meine 
Frage zunächst als beantwortet.
Wie man daraus entnehmen kann, sind die 24 Bit aus mathematisch 
statistischer  Sicht durchaus sinnvoll.
Vielleicht hat noch jemand aus Erfahrung konkrete Hinweise (oder sogar 
ein Leiterkartenbild), wie man das Rauschen schaltungstechnisch 
minimieren kann.

MfG
Wolfgang

Autor: Bensch (Gast)
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Weisses Rauschen des ADC kann man nicht extern schaltungstechnisch 
beheben, sondern nur durch Mittelung- wird ja auch von keinem hier 
bestritten.
Aber dem 1/f-Rauschen ist auch nicht durch Mittelung beizukommen.

Autor: vielleicht so (Gast)
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Rauchen minimieren ? Tiefe Impedanz, kleine Bandbreite.

Autor: B_Spitzer (Gast)
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Hallo Wolfgang,

> Vielleicht hat noch jemand aus Erfahrung konkrete Hinweise
> (oder sogar ein Leiterkartenbild), wie man das Rauschen
> schaltungstechnisch minimieren kann.
Ich habe mal den LT2402 eingesetzt. Auf 30x60mm sind 4 Wandler, einzeln 
galvanisch getrennt, Diskrete DCDC-Wandler, Isolation der Datenleitungen 
und ein FPGA zur Datenerfassung (und PWM-Erzeugung für die DCDC-Wandler) 
drauf. Mit dem Ergebnis (19 stabile Bits) war ich, gemessen an den 
Randbedingungen, recht zufrieden.
Zu empfehlen wäre:
- mindestens 4 Layer, Split-Ground (AGND, DGND) unter dem LT
- sehr gute Spannungsreferenz (außer du machst ratiomtrische Wandlung)
- Masse-Guard-Ring um die Eingänge
- Spannungsversorgung separat führen und per LC filtern
- mechanische Belastung vermeiden - Keramik-Cs erzeugen wunderschöne 
Spannungen... Die Frequenz ist aber nicht mehr stastisch verteilt.
- Temperaturschwankungen vermeiden (Thermospannungen von weningen µV 
machen sich bei 5V Messbereich bereits in mehreren LSB bemerkbar)
- wenn im Frontend Dioden im MELF-Gehäuse drin sind, nicht bei 
Neonröhrenlicht messen. Die 100Hz erzeugen im PN-Übergang ebenfalls 
Störspannungen. Dioden also mit Plastik-Gehäuse verwenden oder die 
Glasgehäuse abschatten.
- Eingangsschutz mit Z-Dioden ist nicht drin. Die Rauschen zu stark.

ansonsten: viel Erfolg und besorge dir schon mal ein Multimeter mit 6 
1/2 Stellen....
tschuessle
Bernhard

Autor: Bensch (Gast)
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> Rauchen minimieren ? Tiefe Impedanz, kleine Bandbreite.

Wenn das Rauschen im ADC entsteht wie in diesem Fall, hilft das nichts.

Autor: Martin (Gast)
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Der LTC2400 ist hoffnungslos überaltert. Es gibt sehr viel bessere 
Wandler.
Als Fehlerquelle nur das Rauschen zu betrachten, macht keinen Sinn, da 
es noch sehr viel weitere Faktoren gibt (Offset Error/Drift, Integral 
Nonlinearity etc....)
Wenn man alle diese Fehler aufaddiert, so sind weniger als 16 Bit 
effektive Genauigkeit möglich.

Autor: Sven (Gast)
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Mal ne andere Frage: Wozu soll das gut sein? Wo benötige ich einen 
Dynamikbereich von 1 : 16 Millionen, den ich nicht besser und mit 
weniger sekundären Problemen durch umschaltbare Vorverstärkung erreichen 
kann?

Autor: Erik D. (dareal)
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Ich frage mich, wie man dann z.B. die 32 Bit AD-Wandler von TI einsetzen 
will .. da muss das Rauschen ja schon den halben Chip unbrauchbar machen 
:D


Aber mal ne generelle Frage: aktuelle Chips sollten doch bei nicht ganz 
so kritischem Layout schon nutzbare 18-20 Bit liefern oder?

Autor: Wolfgang-G (Gast)
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@Martin
>Der LTC2400 ist hoffnungslos überaltert. Es gibt sehr viel bessere
>Wandler.
Der LTC2400 fliegt bei mir schon mehrere Jahre rum und ich wollte das 
Projekt mal wieder beleben.
Welche AD- Wandler sind denn heute zu empfehlen?
>Als Fehlerquelle nur das Rauschen zu betrachten, macht keinen Sinn, da
>es noch sehr viel weitere Faktoren gibt (Offset Error/Drift, Integral
>Nonlinearity etc....)
Richtig, deshalb meine Eingangsfrage, ob man evtl.  die letzten 4 Bit 
gleich unter den Tisch fallen lassen sollte oder ob die max. Auflösung 
doch unter bestimmten Voraussetzungen nutzbar ist.

@B_Spitzer
Ja, genau so hatte ich mir die Antwort gewünscht. Danke
Einiges habe ich schon so oder ähnlich gemacht und werde nach einem 
Kurzurlaub einige Hinweise mal testen.
Als erstes wird mal der X7R-G0805 am Eingang rausfliegen, den ich schon 
in Verdacht hatte.

Wie verhalten sich Elkos und Styroflexkondensatoren bzw. welcher Typ ist 
zu empfehlen?

@Sven
>Wozu soll das gut sein?
Da gibt es schon einige sinnvolle Anwendungen aber wahrscheinlich nicht 
gleich für den Bastler.
2  Beispiele aus der Chemie:  Wägetechnik  oder Thermoanalyse. Bei der 
Thermoanalyse will man kleinste Änderungen der Temperatur beim Erwärmen 
eines Stoffes im Vergleich zu einem indifferenten Material erkennen.
MfG
Wolfgang

Autor: Jens G. (jensig)
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naja, ihr dürft Euch nicht von der Vorstellung verrückt machen lassen, 
daß das Rauschen jede Messung zunichte machen würde. Stichwort ist hier 
ganz einfach Bandbreitenreduktion im/nach dem ADC - egal, wie (z.B. eben 
die Wertemittelung). Hier gehts also um niedrige Frequenzen bzw. 
Bandbreiten, wo eben das Rauschen je nach Bandbreite im Endeffekt sehr 
niedrig ausfallen kann.
Wo man das brauchen kann, ist natürlich eine andere Frage - nutzbar ist 
die Bittiefe jedenfalls von der Machbarkeit her gesehen.

Autor: Sven (Gast)
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Wägetechnik: Falls Du an DMS denkst, Analysewaagen arbeiten nach wie vor 
mit magnetischer Kompensation, weil DMS viel zu temperaturempfindlich 
sind.

Thermoanalyse: Wenn es eine differenzielle Messung ist, muss ich nicht 
24 Bit auflösen, ich brauche nur einen cleveren Aufbau, der mir ein 
Differenzsignal ausgibt.

Jaja, es wird gerade im Labor schon Anwendungen geben, umsonst bauen TI 
und Co nicht solche Wandler. Aber der unbedarfte Physikstudent, der 
glaubt, er kann jetzt mit einem 24-bit-Wandler alles erschlagen, weil 
der ist ja so gut, wird wohl damit auf die Nase fallen.

24 bit bei 5V Messbereich sind => 0.3 µV
Mikrovolt! MIKROVOLT!!! Hat jemand eine Vorstellung, was das bedeuted?

Eine Referenz von 5V mit 10ppm / K Temperaturgang hat 50 µV pro K. Man 
müßte also die Temperatur der Referenz auf 0.006 K konstant halten. ???

Ein Kupfer-Zinn-Übergang hat 3.3µV / K Thermospannung. Man müßte die 
Schaltung konstant auf 0.1 K gleichmäßig warm halten. ???

Und unterschiedlicher Alterung von Widerständen in Spannungsteilern, 
Temperaturgang der Widerstände... und weitere Dreckeffekte kommen noch 
dazu.

Autor: Bensch (Gast)
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Sven,
du hast sicher recht mit deiner Aufstellung.

Aber nimm mal ein Beispiel aus der Praxis (zufälligerweise meine 
Anwendung):

Es soll eine Verwiegung gemacht werden bis 15.000 kg mit einer Auflösung 
von 0,5 kg. Da es sich um Differenzverwiegung handelt, geht es NICHT um 
die Genauigkeit, sondern "nur" um die Auflösung.
Geforderte Auflösung ist also 15Bit, da die letzte Stelle ohnehin 
schlabbert, sind wir bei 16Bit. Das kann mir aber kein 16Bit-ADC 
garantieren, also nehm ich 20 oder 24Bit.
Das thermische Rauschen krieg ich mit Mittelung gut in den Griff, nicht 
aber das 1/f-Rauschen- und davon hatte der erste gewählte ADC von AD 
reichlich. Damals gab's noch nicht viel besseres, also half nur ein 
vorgeschalteter Chopper, damit der ADC ein Signal bekam ausserhalb 
seines Eigenrauschen.

Vermutlich sind moderne ADCs deutlich besser, das werd ich in Kürze 
wissen, da eine Neukonstruktion der Anlage fällig wird. Dabei ist dann 
allerdings die geforderte Auflösung 0,1 kg.

Autor: Sven (Gast)
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Auflösung != Genauigkeit

Und vergiss den Temperatursensor am DMS nicht, so es denn ein DMS ist 
(was ich mal vermute).

Autor: Bensch (Gast)
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> Auflösung != Genauigkeit

Das hatt ich ja auch ausdrücklich betont in meinem Beispiel. Eine 
Genauigkeit von 24Bit ist sicher mit normalen Mitteln nicht erreichbar.

> Und vergiss den Temperatursensor am DMS nicht, so es denn ein DMS ist
(was ich mal vermute).

Auch der ist im Beispiel nicht notwendig- es sei denn die Temperatur 
ändert sich schlagartig um mehrere Grad....

Autor: Falk Brunner (falk)
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Autor: Suchender (Gast)
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> Der LTC2400 ist hoffnungslos überaltert. Es gibt sehr viel bessere
Wandler.

Soetwas zu schreiben ohne die Alternative zu nennen ist unfähr!

Autor: Bensch (Gast)
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> Soetwas zu schreiben ohne die Alternative zu nennen ist unfähr!

unfähr- was?

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