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Forum: Digitale Signalverarbeitung / DSP Störfrequenz 2,5Hz


Autor: Paul (Gast)
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Hallo,
ich habe von einer Sensorik (infrarot Abstandssensoren SHARP GP2D12) die 
Ausgangsspannungen mit einem 16Bit A/D digitalisiert und von der 
Bitfolge eine diskrete Fouriert Transformation gemacht.

Bei völliger Ruhestellung der Sensoren hat man ein gewisses 
Quantisierungsrauschen. Man sieht sowohl in der Bitfolge über Zeit als 
auch in der DFT eine Störfrequenz alle 2.5Hz. Also bei 2.5Hz, 5Hz, 7.5Hz 
usw...

Hat jemand eine Ahnung woher diese Störfrequenzen kommen?

Autor: Andreas (Gast)
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Hallo,

zur Klärung wären folgende Punkte von Interesse:
- mit welcher Freqenz wird das Analogsignal abgetastet?
- welche Bandbreite soll erfasst werden?
- befindet sich vor dem A/D-Wandler ein Anti-Aliasing Tiefpass, wenn ja
  mit welchen Daten (Ordnung, Grenzfrequenz, Filtertyp)?

Es wäre möglich dass sich die Störungen aus der Unterabtastung eines 
Höherfrequenten Signals (Netzfrequenz?!) ergeben.

Autor: Paul (Gast)
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Hallo Andreas,

das Signal wird mit 250Hz abgetastet und hat einen analogen Tiefpass 1. 
Ordnung (RC) mit 100Hz Knickfrequenz als Anti-Aliasing. Somit sollte 
NIQUIST genüge getan sein, oder?!

Was du mit Bandbreite meinst weiß ich nicht, aber ich hab es so anelegt 
das die gesamte Wordlänge 2^16=65000Bit genutzt wird.

Vielen Dank!

Autor: Andreas (Gast)
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Hallo

warum die Störungen so niederfrequent sind kann ich mir auch noch nicht 
erklären.

Allerdings ist mir im Datenblatt was aufgefallen:
http://document.sharpsma.com/files/GP2D12-DATA-SHEET.PDF
(Seite 2 Fig.3)

Der Sensor arbeitet selbst schon gepulst. Wobei die Abtastperiode mit 
38,3ms +-9.6ms angeben ist. Das entspräche einer Abtastfrequenz von 
21Hz-ca 35Hz. Da läge die zehnfache Freuenz deiner Störungen mitten 
drin.

Wenn man nun das Signal mit 250Hz abtastet werden natürlich alle 
Harmonsichen mit erfasst.

Zum Tiefpass:
Ein einpoliger Tiefpass mit ner Grenzfrequenz von 100 Hz macht bei 250Hz 
grade mal ca 8.5dB Dämpfung sprich Faktor 2.66. womit Nyquist wieder ein 
Problem haben dürfte...

Ich kann dir im Moment nur empfehlen die Grenzfrequenz des Tiefpasses 
auf unter 20Hz zu senken.

Sollte das keine Verbesserung bringen müsste man sich noch genauer damit 
auseinandersetzen.

Autor: Paul (Gast)
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Danke nochmals Andreas,

ich habe den AAF analog mit R&C gemacht, das würde jetzt Aufwand 
bedeuten das umzulöten. Ich hab mich stattdessen entschlossen die 
Abtastrate auf 1000Hz hochzunehmen, das müsste ja dann ungefähr das 
gleiche Ergebnis für NIQUIST haben, oder?!

Hier nochmal die Ruhelage der Sensoren mit 1000Hz abgetastet. Diesmal 
erhöhte Leistung bei anderen Frequenzen. Ich hab keine Idee woran es 
liegen könnte. Ich hab auch schon an die Sensoren und die ca. 40ms 
gedacht, aber kann es nicht zuordnen.

Hat noch jemand eine Idee woher die "Störungen" kommen?

Autor: Paul (Gast)
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Das Signal sieht im Zeitbereich so aus, falls es zum Verständnis 
weiterhilft...

Autor: Paul (Gast)
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Ich hab gerade festgestellt, dass es ja immer ein ziemlich gleiches 
"Rauschen" ist, also eine gewisse Wiederholung der Flanken stattfindet. 
Der Abstand zwischen einem zum nächsten "Einbruch" ist ca. 35ms (rot zu 
blau im Bild!), welches der im Sensordatenblatt angegebenen Zeit sehr 
nahe kommt...

Es scheint tatsächlich an den Sharp Sensoren zu liegen, welche so ein 
merkwürdiges Signal rausgeben.

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo Paul,

> Es wäre möglich dass sich die Störungen aus der Unterabtastung eines
> Höherfrequenten Signals (Netzfrequenz?!) ergeben.
ich würde auch in Andreas Richtung denken. Wichtig ist es, dabei zu 
klären, ob die Störung mechanisch oder elektrisch ins Signal kommt. 
Beides ist möglich.

Doch ehe ich wissen will, woher die Störung genau kommt, interessiert es 
mich, ob die Spannungsversorgung des Sensors in Ordnung ist. Wie also 
sieht die Spannungsversorgung des Sensors aus?

Gut wäre die Verwendung eines:
Linearreglers 7805 mit jeweils 100nF (Kerko) || 100uF (Elko) an Ein- und 
Ausgängen direkt in der Nähe des Linearreglers. Zusätzlich 100nF (Kerko) 
direkt am Sensor.

Du glaubst gar nicht, wie häufig die Fragesteller hier im Forum diese 
grundlegenden Dinge falsch angehen. Wenn Du keinen Linearregler nimmst 
oder anderweitig eine gute Qualität der Spannungsversorgung 
sicherstellst, will ich auch gar nicht nach anderen Ursachen suchen.

Trotzdem würde ich gerne wissen:
- Gibt es an der Anlage Motoren mit einer merklichen Unwucht, z. B. 
einen Schrittmotor?
(Eine Asynchronmaschine hätte knapp 50 Hz bei Polpaarzahl 1 und knapp 25 
bei Polpaarzahl 2; das erklärt die Probleme eher nicht.)

- Wird 5 mal in der Sekunde eine größere Last geschaltet; oder 2,5 mal.
  Die größere Amplitude sieht man ja bei 5 Hz. Es kann sich hier
  vielleicht um eine Lampe handeln.


Gruß,
  Michael

Autor: Paul (Gast)
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Hallo Michael, hallo Andreas,

also die Spannungsversorgung sieht so aus:
Ich habe ein AC/DC Netzteil (kleines schwarzes Kästchen, kein 
Labornetzteil) am 220V Netz, welches laut Beschriftung 9V ausgibt. Diese 
geht auf eine Platine, worauf sich ein 7805 mit einem 0.33 und 0.1 C 
befindet. So wie im Datasheet vom 7805 angegeben.
Den 100nF (Kerko) direkt am Sensor habe ich nicht! Denkt ihr das das die 
entscheidende Sache ist!?

Zu den mechanischen Sachen kann ich leider nur Entwarnung geben. Ich 
sitz an einem ruhigen Schreibtisch im Labor und habe hier nichts was 
irgendwie Unwucht oder Last erzeugt.

Könnte es daran liegen das die Signalleitungen von den Senoren nicht 
geschirmt sind? Außerdem sind das ja Infrarotsensoren, könnte es sein 
das die Neonröhren der Beleuchtung eine solche Frequenz aussenden?

Im Anhang mal der Spannungsausgang der Sensoren mit Oszi geloggt. 
Abtastrate vom Oszi war 250Hz.

Autor: Paul (Gast)
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Auf Grund der Anmerkungen mit der Spannungsversorgung habe ich die 
Sensoren mal ein an Akkupack gehangen und mit dem Oszi die 
Sensorspannung geloggt...
Ich denke ich fang nochmal einen neuen Thread im Bereich der 
Analogsensoren an. Danke euch!

Autor: Paul (Gast)
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Im Diagramm darüber ist die Zeitachse falsch! Richtig ist [ms]

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo,

> also die Spannungsversorgung sieht so aus:
> Ich habe ein AC/DC Netzteil (kleines schwarzes Kästchen, kein
> Labornetzteil) am 220V Netz, welches laut Beschriftung 9V ausgibt. Diese
> geht auf eine Platine, worauf sich ein 7805 mit einem 0.33 und 0.1 C
> befindet. So wie im Datasheet vom 7805 angegeben.
Störungen bei analogen Sensoren kommen meiner Erfahrung nach in 95% der 
Fälle über die Versorgungsspannung. Da Du einen Billigschaltregler 
verwendest, gehe ich sehr stark davon aus, daß die Versorgungsspannung 
bei Dir das Problem ist.

Ich würde daher unbedingt die Elkos am Spannungsregler einsetzen. Denn 
kurzen Spannungseinbrüchen kann der 7805 sonst überhaupt nichts 
entgegensetzen! Die Datenblattbeschaltung taugt nur etwas bei einer 
ohnehin guten Versorgungsspannung.

Wenn ein 100uF Elko aus Platzgründen nicht mehr ins Layout paßt, dann 
kannst Du auch einen 10uF-Kondensator in der Größe 0805 nehmen:
http://de.farnell.com/kemet/c0805c106k4pac/kondens...

> Den 100nF (Kerko) direkt am Sensor habe ich nicht! Denkt ihr das das die
> entscheidende Sache ist!?
Die 100nF Kerko gehört unbedingt dort hin, wobei er aber wahrscheinlich 
schon eingebaut ist. Im Sensor selbst ist nämlich anscheinend schon ein 
Spannungsregler eingebaut.
http://www.farnell.com/datasheets/73776.pdf

Ich würde daher beides austesten: Zusätzlich einen 100uF Elko (oder 
größer) zwischen VCC und GND sowie einen sehr kurzbeinigen Kerko 
zwischen VCC und GND halten (direkt am Sensor). Du siehst ja dann am 
Oszilloskop, ob sich irgendwas ändert.

> Zu den mechanischen Sachen kann ich leider nur Entwarnung geben. Ich
> sitz an einem ruhigen Schreibtisch im Labor und habe hier nichts was
> irgendwie Unwucht oder Last erzeugt.
Aha, also eher elektrisch.

> Könnte es daran liegen das die Signalleitungen von den Senoren nicht
> geschirmt sind? Außerdem sind das ja Infrarotsensoren, könnte es sein
> das die Neonröhren der Beleuchtung eine solche Frequenz aussenden?
Die Neonröhren sind es eher nicht - zumindest nicht über die Optik.

Neonröhren flackern mit 100Hz, 200Hz usw, also der doppelten 
Netzfrequenz und den Harmonischen. Die 50 Hz treten optisch eher nicht 
auf, weil es sowohl hell wird, wenn der Strom von links nach rechts 
fließt, als auch, wenn er andersherum fließt. (Du siehst das 
Leistungssignal.)

Wenn Deine Abtastfrequenz 1005Hz statt 1000Hz wäre - vielleicht. 
Allerdings würde ich optisch eher einen Sinusverlauf und nicht ein 
appruptes Schalten erwarten.


Gruß,
  Michael

Autor: Paul (Gast)
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Hallo Michael,
danke für die ausführliche Beschreibung! Gilt dein Beitrag aber auch 
noch mit der Info aus meinem davor getätigten Posting?
Ich denke du hast angefangen zu schreiben bevor ich gepostet hatte, 
oder?!

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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In Dein Signal kommt immer wieder kurz eine Störung rein. Meiner 
Erfahrung nach kommt das Problem meist über die Versorgungsspannung. Das 
gilt auch für Akkus, denn da hast Du auch noch Zuleitungen, über die 
etwas einstrahlen kann.
Ja - und auch wenn ich Linearregler mit einer sauberen Spannung 
(Labornetzteil) versorge, kommen in meinen Schaltungen immer Elkos rein. 
Ich habe nämlich keine Lust, immer wieder zu raten, ob das Problem in 
den fehlenden Elkos besteht oder anderswo herkommt.

Probier mal ein bißchen rum:
- Spannungsversorgung verdrillen
- Meßkabel verdrillen oder Koaxkabel nehmen
- Beim Messen mit dem Oszi sicherstellen, daß Du die Masse des 
Oszilloskops
  direkt am Sensor auch anschließt.
- Elkos und Kerkos an die Spannungsversorgungen halten und schauen, ob 
sich
  was ändert

> Hallo Michael,
> danke für die ausführliche Beschreibung! Gilt dein Beitrag aber auch
> noch mit der Info aus meinem davor getätigten Posting?
> Ich denke du hast angefangen zu schreiben bevor ich gepostet hatte,
> oder?!

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Mach ansonsten mal ein Bild des Aufbaus. Vielleicht sieht man ja da noch 
eine Fehlermöglichkeit.

Autor: Paul (Gast)
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Ich habe jetzt 1000µF Kondensatoren direkt an die Sensoren V+ zu GND 
geklemmt und eine Verbesserung festgestellt.

Danke!

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo,

freut mich, daß es geklappt hat, wobei 1000µF ja ein richtiger Klopper 
ist - fast größer als der Sensor. Aber da Du ja jetzt weißt, wie die 
Störungen ins Signal kommen, kannst Du ja gegensteuern.
Die Ursache kennen wir freilich noch nicht, was aber manchmal auch egal 
ist.

Gruß,
  Michael

Autor: Paul (Gast)
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Hallo Michael,

ja der C ist ungefähr so groß wie die Sensoren. :-)
Nicht schön, aber selten.

Ich habe jetzt allerdings ein anderes Problem! Die Spannungsversorgung 
des Sensors und die Spannungsversorgung vom Mikrocontrollerboard 
C8051-DK hingen an einem Netzteil. Gestern ist mir das µC-Board 
irgendwie durchgeraucht. Es zieht jetzt >1A, also es ist Kurzschluss auf 
dem Board. Kann es sein, dass durch die Kondensatoren an den Sensoren 
(immerhin 2x 1000µF) beim Abschalten des Netztteils eine so hohe 
Spitzenspannung in das Board gerast ist, dass es dort irgendwas 
durchgehauen hat?

Normalerweise kann ein C ja nicht mehr Spannung abgeben als er 
aufgenommen hat, aber ich bringe den Defekt des Controllerboards jetzt 
irgendwie in Verbindung mit den seit gestern montierten 1000µF 
Kondensatoren.

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo Paul,

> Ich habe jetzt allerdings ein anderes Problem! Die Spannungsversorgung
> des Sensors und die Spannungsversorgung vom Mikrocontrollerboard
> C8051-DK hingen an einem Netzteil. Gestern ist mir das µC-Board
> irgendwie durchgeraucht. Es zieht jetzt >1A, also es ist Kurzschluss auf
> dem Board. Kann es sein, dass durch die Kondensatoren an den Sensoren
> (immerhin 2x 1000µF) beim Abschalten des Netztteils eine so hohe
> Spitzenspannung in das Board gerast ist, dass es dort irgendwas
> durchgehauen hat?
Der Kondensator bewirkt, daß die Spannung beim Abschalten zunächst 
konstant bleibt.

Ich kenne eine Situation, bei der die Spannungsregler abrauchen können. 
Selbst passiert ist mir das allerdings noch nicht. Und zwar dann, wenn 
die  Eingangsspannung des 7805 schneller absinkt als die 
Ausgangsspannung, d. h. Ua > Ue.

Diese Situation kann eintreten:
a) wenn am Ausgang des 7805 eine hohe Kapazität anliegt
b) wenn am Eingang des 7805 mehrere Verbraucher angeschlossen sind, so 
daß die Eingangsspannung sehr schnell absinkt

Deshalb schaltet man am 7805 häufig als Schutz eine Diode vom Ausgang 
zum Eingang. Die Ausgangsspannung ist dann nie mehr als 0,7V größer als 
die Eingangsspannung. Das verkraftet der 7805 dann.

> Normalerweise kann ein C ja nicht mehr Spannung abgeben als er
> aufgenommen hat, aber ich bringe den Defekt des Controllerboards jetzt
> irgendwie in Verbindung mit den seit gestern montierten 1000µF
> Kondensatoren.
Mach vielleicht mal ein Bild und poste den Schaltplan. Vielleicht ist es 
ja was ganz anderes.

Konntest Du herausfinden, welches Bauteil kaputtgegangen ist?


Gruß,
  Michael

Autor: Paul (Gast)
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Hallo.
Es ist wohl der LM2937 Festspannungsregler des Boards kaputt gegangen.
Aber warum und ob er das einzige Teil auf dem Board ist was kaputt 
gegangen ist kann man auch nicht sagen.
Danke für die Hilfe erstmal!

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