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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Genauigkeit Selbstbaumessgerät


Autor: Stefan Helmert (Firma: dm2sh) (stefan_helmert)
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Hallo,

heute kann jeder einen 24-Bit-AD-Wandler kaufen. Aber kann man als 
Hobbybastler alle 24-Bit auch sinnvoll verarbeiten? die Auflösung wäre 
ja 1/16 ppm der Messbereichs! Wenn man damit ein Multimeter bauen will 
und die Genauigkeit in die Größenordnung der Auflösung fallen soll, dann 
braucht man schon gute Bauteile. Hat das schon mal ein Hobbybastler 
hinbekommen?

Autor: Analoger (Gast)
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Die Datenblätter der Hersteller sind ja meist schon so ehrlich,
dass von den 24 bit nur 20-22 bit übrigbleiben.

Mit Metallschichtwiderständen, Keramiklötstützpunkten, Reedrelais und 
Freiluftverdrahtung des Analogteils sollte man das schon in den Griff 
bekommen.

Keramikkondensatoren hätten da auch nichts verloren.


Ich hab hier auch einige AD7793 die ihrer Verwendung harren.

Autor: hans23 (Gast)
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schau mal unter 
http://www.heise.de/ct/projekte/machmit/ctlab/wiki...
bei c't 02/2008: DIV Digitalvoltmeter-Modul

da ham die auch nen 24-Bit Wandler verbaut.
Im Online Artikel (überschrift anklicken) steht auch bissl was darüber 
drin, z.B. dass man peinlichst auf die sauberkeit der lötstellen achten 
muss etc.

Autor: Tobias Plüss (hubertus)
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Alle 24 Bits wirst du sowieso nie nutzen können. Der Wandler hat zwar 24 
Bit, aber davon kannst du 2 oder 3 Bit nicht wirklich gebrauchen. Das 
heisst dann: Entweder du schaust dir nur die obersten 21 Bits deines 
ADCs an oder nur die untersten 21, nicht aber alle 24 auf einmal.
Rechne doch mal aus, was für eine Auflösung dein Wandler hat, wenn er 
mit 5 Volt arbeiten würde. Ich weiss nicht obs das gibt, bisher habe ich 
nur Typen gesehen, die für 1 Volt vorgesehen sind.
Ich behaupte mal allein das Rauschen auf einer 2lagigen selbergeätzten 
Bastlerplatine wird dir einen Strich durch die Rechnung machen. Reichen 
16 Bits nicht?

Autor: Analoger (Gast)
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> sauberkeit der lötstellen

Die Lötstellen stellen wegen der Thermospannung zwar auch ein Problem 
dar, gemeint war aber die Beseitigung von Flußmittelrückständen auf der 
Platine.

Richtig stilecht wird es natürlich nur mit Hochohmwiderständen im 
passivierten Glasgehäuse im Eingang.

Mit normalen Metallschichtwiderständen kann man sonst nur einen 
Feuchtigkeitsmesser basteln.

Autor: Martin Laabs (mla)
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Man sollte bei solchen Auflösungen möglichst von Anfang an differentiell 
arbeiten und einen automatischen Offsetabgleich vorsehen. Dann hat man 
schon mal einen großen Tei der Probleme vom Hals. Was dann die absolute 
Genauigkeit beschränkt sind die Widerstände. Und unter 0.1% wird es 
richtig teuer. Gutes Layout, rauscharme (analoge) Versorgungsspannung 
und eine impedanzarme Masse soll selbstverständlich sein.

Viele Grüße,
 Martin L.

Autor: Frank (Gast)
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Wenn man schon ein Messgerät mit MC baut, könnte man doch auch aller par 
Minuten irgend eine Art der Selbstkalibrierung starten, oder? In welchem 
Maße lassen sich damit Drifteffekte (Temp., Feuchte, Bauteilalterung 
usw.) ausgleichen?

Frank

Autor: Gast (Gast)
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In dem Maß, in dem die Kalibrier-Referenz ebendiesen Drifteffekten 
selbst unterliegt.

Autor: Arc Net (arc)
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Analoger wrote:
> Die Datenblätter der Hersteller sind ja meist schon so ehrlich,
> dass von den 24 bit nur 20-22 bit übrigbleiben.
>
> Mit Metallschichtwiderständen, Keramiklötstützpunkten, Reedrelais und
> Freiluftverdrahtung des Analogteils sollte man das schon in den Griff
> bekommen.

Oder man schaut sich mal die EV-Kits der Hersteller an.
Z.B. CDB5534U zweilagig, keine Metallschichtwiderstände, keine 
Keramiklötstützpunkte, keine Relais, keine Freilufverdrahtung, dafür ein 
Haufen üblicher X7R-Kondensatoren. Noch nicht einmal eine Isolierung zw. 
USB und ADC-Teil.
Kurz gesagt, der Aufwand ist nur in den seltensten Fällen notwendig z.B. 
wenn man Leckströme im fA-Bereich messen will. Allerdings sollte man bei 
der Auswahl geeigneter Referenzen (Spannung, Widerstand) etwas mehr 
Aufwand treiben...
Ansonsten gilt: Je weniger Schaltung vor dem ADC sitzt, umso besser.

Autor: Wolfgang-G (Gast)
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Wenn es wirklich um die Genauigkeit und nicht um die Auflösung von 24 
Bit geht, dann dürfte das Spannungsnormal, wenn ich mich nicht 
verrechnet habe, nur einen max. Fehler von 0,000006% oder kleiner 
aufweisen.

Wolfgang

Autor: Erik D. (dareal)
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Die besten Referenzen von Linear z.B. haben 0,04% ... das sind bei 5 
Volt -> 2 mV max!

Das würde gerade so für 12 Bit reichen ...

24 Bit bei 5 Volt macht eine "Auflösung" von 0,2980 µV !!!

Ich denke mal Grundvoraussetzung für den Bau eines solchen DVM ist dann 
wohl ein vorhandenes, kalibriertes >=6,5 stelliges DVM, damit man das 
überhaupt abgleichen kann.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Wolfgang-G (Gast)

>Wenn es wirklich um die Genauigkeit und nicht um die Auflösung von 24
>Bit geht,

Ja, Auflösung und Genauigkeit sind zwei verschiedene Paar Schuhe.

> dann dürfte das Spannungsnormal, wenn ich mich nicht
>verrechnet habe, nur einen max. Fehler von 0,000006% oder kleiner
>aufweisen.

Solche dämlichen Angaben kriegen nur die Amis hin, wie auch z.B. 
0,022uF, statt 22nF. Die fortschrittlichen Europärer mit dem metrischen 
System sagen einfach 1/2^24 oder 59,6ppb.

MfG
Falk

P.S. Das einzige worauf man im metrischen "Rest der Welt" "verzichten" 
muss ist der Quarter Pounder von McDoof ;-)

Autor: Tobias Plüss (hubertus)
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Falk,
> P.S. Das einzige worauf man im metrischen "Rest der Welt" "verzichten"
> muss ist der Quarter Pounder von McDoof ;-)

Da hat wohl einer Pulp Fiction gesehen? ;-)
--> "Royal mit Käse", oder wie war das nochmal? ^^

Gruss

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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> P.S. Das einzige worauf man im metrischen "Rest der Welt" "verzichten"
> muss ist der Quarter Pounder von McDoof ;-)


Sowas hier?

Autor: B e r n d W. (smiley46)
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Wenn es sich um einen Delta Sigma Wandler handelt, einfach mal ins 
Datenblatt schauen, bei welcher Wandelrate dieser noch die 24 Bit 
schafft. Oft ist dies nur eine Wandlung pro Sekunde. Dazu muss man noch 
einen entsprechenden Tiefpass 3er oder 4er Ordnung vorschalten.

Meine Erfahrungen stammen vom MAX132 mit 18 Bit. Außer dem letzten Bit 
sind die Werte relativ ruhig. Er schafft 15 bis 16 Messungen pro 
Sekunde, hat aber kleine Übernahmeverzerrungen zwischen dem positivem 
und negativem Bereich, welche per Software korrigiert werden können. Das 
Messverfahren ist ein trickreich verbessertes dual Slope Verfahren. Um 
die Genauigkeit kontrollieren zu können, sollte eine 
Referenzspannungsquelle mit 1µV Auflösung vorhanden sein. Ganz wichtig: 
Als Integrationskondensator muss ein Polypropylentyp verwendet werden. 
Das Messverfahren bildet automatisch den Mittelwert über die Messdauer.

Ach ja, noch ein Problem. Falls die Schaltung nicht extrem gut 
abgeschirmt ist, sollte die Messdauer 20ms oder ein Vielfaches davon 
betragen, um den 50Hz Brumm zu eliminieren. Falls ein Gerät in ein 60Hz 
Land geliefert werden soll, muss sich die Samplerate umschalten lassen.

Die Auflösung entspricht 3,8ppm. Referenzspannungsquellen mit z.B. 5ppm 
Genauigkeit sind ja noch relativ einfach zu bekommen. Falls man sowiso 
einen Multiplexer vorschaltet, empfiehlt sich, einen Eingang auf Analog 
GND und einen auf die Referenz zu legen. Damit kann man Nullpunktdrift 
und Vollausschlag-Drift des AD-Wandlers nochmals überprüfen oder 
korrigieren.

Sehr wichtig sind keine Masseschleifen, sondern eine penible 
sternförmige Masseführung und saubere Betriebsspannugnen. Lassen sich 
Masseschleifen so nicht vermeiden, sollte eine galvanische Trennung in 
Betracht gezogen werden. Wer Ströme im nA oder pA-Bereich messen will, 
sollte keinesfalls den Datenbus oder die Batteriezuleitung quer durch 
diesen empfindlichen Bereich führen. Zwischen einem Eingang und einer 
spannungsführenden Leitung kann man eine Trennbahn durchführen, welche 
auf Analog GND liegt. Dann können keine Kriechströme auftreten 
(Feuchtesensor). Die Vias sollten abgedeckt werden und eventuel kann man 
auf die Platine nach dem Bestücken noch einen Wasserabweisenden Lack 
auftragen. Nicht vergessen: Vorher alle Steckverbinder, IC-Sockel usw. 
abkleben.

HF-Einstrahlung: Mangels anderer Möglichkeiten verwende ich ein kleines 
CB-Funkgerät mit ca. 100 mW Leistung und streiche damit in ca. 5cm 
Abstand über die Platine. Die Schaltung sollte sich dadurch nicht 
beeinflussen lassen. Damit lassen sich schon viele Probleme in dieser 
Richtung entdecken. Natürlich werden die Geräte anschließend nochmal 
"richtig" EMV getestet.

Zum Schluss einfach mal mit dem Föhn draufhalten. Die Messwerte dürfen 
ruhig ein paar Digits weglaufen (Thermospannungen), der Fehler sollten 
aber nach spätestens 1 Minute verschwinden, wenn sich die Temperaturen 
einigermassen ausgeglichen haben.

Bisher ist mir noch keinen 24Bit Wandler untergekommen, der unter den 
gleichen Bedingungen deutlich genauere und ruhigere Werte liefert. Ein 
Vorteil des Delta Sigma: eine gewisse Skalierbarkeit. Man kann sich die 
Samplerate und damit auch die Auflösung in einem gewissen Bereich 
aussuchen. Aber das Gesamtsystem ist so genau, wie sein schwächstes 
Glied.

Autor: Arc Net (arc)
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> Bisher ist mir noch keinen 24Bit Wandler untergekommen, der unter den
> gleichen Bedingungen deutlich genauere und ruhigere Werte liefert.

u.a. CS553x, AD7794, AD7793, AD7799, ADS1234, ADS1248, ADS1282 oder 
AD7691 (als Beispiel für einen SAR)

Zum MAX132 (LSB = +-512 mV / 2^18 ~ 2 uV): RMS Noise 15 uV d.h. 
Peak-To-Peak 99 uV und die kann man deutlich sehen (die letzten 
3-5-Bit).

> Referenzspannungsquellen mit z.B. 5ppm Genauigkeit sind ja noch relativ
> einfach zu bekommen.

Drift: << 5 ppm / °C, ja, alles andere nicht.

Autor: B e r n d W. (smiley46)
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@Arc Net

Tests mit den Analog Devices Typen wahren eher ernüchternd. Hast Du die 
schon mal selbst eingesetzt mit dieser Auflösung? Leider weiss ich nicht 
mehr, welcher Typ das ware. Aber er war speziell auf Messtechnik 
abgestimmt. Das ist schon ein paar Jahre her, deshalb hätte er ~20DM bei 
100 Stück gekostet. Voraussetzung für mich war aber die Umschaltung per 
Multiplexer und damit ein kompletter Neubeginn einer Messung. Wenn einer 
dieser Delta Sigmas 16 mal den selben Kanal messen kann, siehts auch 
wieder anders aus, da er kontinuierlich auf das vorherige Messergebnis 
aufbauen kann.

Der Max132 hatte +/- 2 Volt Messbereich. Wenn man dann noch ein wenig 
mittelte, stand er super ruhig. Die Ansprechzeit war ungefähr wie bei 
einem Multimeter, das aber bei z.B. 8 Kanälen.

ADR425: hat zwar 1ppm/°C, aber zwischen 0 - 50°C typisch unter 10ppm 
laut Datenblatt (Kurve Seite 9).

Autor: aha (Gast)
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Eine 24bit Aufloesung ist eher akademisch. Man sollte sich eine 
Fehlerrechnung leisten und herausfinden wieviel man wirklich braucht.

Autor: Arc Net (arc)
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B e r n d W. wrote:
> @Arc Net
>
> Tests mit den Analog Devices Typen wahren eher ernüchternd. Hast Du die
> schon mal selbst eingesetzt mit dieser Auflösung?

Von AD bislang eingesetzt: AD7714, AD7794 (aufgrund der besseren 
Selbstkalibrierung und anderer Funktionen, dem sonst ähnlich guten, 
ADS1234, vorgezogen, die Angaben aus dem Datenblatt sind sehr gut 
erreichbar), AD7691 ebenso bzw. knapp unterhalb der DB-Angaben.
Von TI: ADS1216, ADS1258 (hat ein paar schöne Features u.a. einstellbare 
Verzögerung beim Kanalwechsel, herausgeführte Mux-Anschlüsse), ADS1282 
in einem, noch nicht abgeschlossenen, Projekt...
Einige von Linear: LTC2408, LTC2410, LTC2449 (alle sehr problemlos 
einsetzbar).

> Leider weiss ich nicht
> mehr, welcher Typ das ware. Aber er war speziell auf Messtechnik
> abgestimmt. Das ist schon ein paar Jahre her, deshalb hätte er ~20DM bei
> 100 Stück gekostet. Voraussetzung für mich war aber die Umschaltung per
> Multiplexer und damit ein kompletter Neubeginn einer Messung. Wenn einer
> dieser Delta Sigmas 16 mal den selben Kanal messen kann, siehts auch
> wieder anders aus, da er kontinuierlich auf das vorherige Messergebnis
> aufbauen kann.

Kommt auf drn internen Aufbau des Wandlers an, bei einigen relativ 
problemlos (Filter werden neu gestartet, neue Messung dann entsprechend 
langsamer bzw. später), bei anderen muss man's selber machen und die 
ersten n-Messwerte verwerfen.

> Der Max132 hatte +/- 2 Volt Messbereich. Wenn man dann noch ein wenig
> mittelte, stand er super ruhig. Die Ansprechzeit war ungefähr wie bei
> einem Multimeter, das aber bei z.B. 8 Kanälen.
>
> ADR425: hat zwar 1ppm/°C, aber zwischen 0 - 50°C typisch unter 10ppm
> laut Datenblatt (Kurve Seite 9).

Eingesetzte Referenzen: LT1019, LT1461, ISL21007, MAX6126, VRE302, 
VRE112, mit entsprechend langem Burn-In, bevor man die eigentlichen 
Messungen macht.

Autor: Michael (Gast)
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Also 24 Bit ist schon übelst. Wo braucht man das denn? Eine Auflösung 
von 59.6 nV/V, das liegt ja schon weit im Bereich des (weißen) Rauschens 
von "normalen" Bauteilen (weshalb auch meist die letzten Bits nicht 
Stabil sind). Ich denke mal, wenn man ein Selbstbaumultimeter mit einer 
Genauigkeit von 0.1 % baut ist man schon nicht schlecht. Wie genau der 
ADC dafür sein muss kann man sich ja ausrechnen. Ich hab mal aus Spass 
an der Freude eine Multimeter mit 1% Genauigkeit gebaut (waren meine 
ersten Schritte mit ADCs, deshalb war Genauigkeit zweitrangig bei mir), 
ein 12 Bit ADC genügte dafür völlig da mit diesem eine Auflösung von ca. 
0.2 mV/V (entspricht 0.02 %) möglich ist. Am Ende hing die Genauigkeit 
lediglich an den Widerständen bei mir und der Referenzquelle.

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