MCP3208 und Wemos D1 Mini - langsame Anwendung

[Frank M. (fabian_u_frank)]

Hallo,

ich versuche erstmal zu beschreiben, was ich habe und möchte:
Ein Netzteil für einen Elektrolyse-Versuch hat Monitor-Ausgänge. V_ref 
liegt bei 5.1V zur Gnd_a. Die beiden Monitorausgänge liegen, je nach 
Last, dazwischen, logisch. Spezifiziert sind diese Ausgänge mit R_o = 
1.2 Ohm und Imax = 4mA.

Ich möchte den Versuch "loggen", also zuerst Strom-Spannungs-Kennlinie 
aufnehmen oder im Betrieb wenige Messwerte pro Minute an den Kontroll-PC 
senden. Hochfrequente Geschichten, z.B. durch Ablösen der Gasblasen und 
damit veränderte Querschnittsflächen, interessieren mich erstmal nicht. 
Die gesuchten Signale sind eher langsam veränderlich.

Die Datenerfassung möchte ich mit erstmal mit einem MCP3208 machen, das 
Auslesen des DAC mit einem Wemos D1 Mini. Die Datenübertragung dann per 
USB oder WLAN in das ultimative Datentool Excel (SCNR), Takt etwa 1x bis 
60x pro Minute.

Nun die Frage: Um das Signal und den DAC etwas zu Entrauschen setze ich 
ein RC-Glied, 1µF Elko und 2KOhm. Das ergibt ein \tau von 10ms - voll 
akzeptabel. Programmtechnisch wollte ich sowieso über einige 1000 
samples mitteln - der Wemos langweilt sich sonst.

Sollte ich auch noch einen Keramik-Kondensator vorsehen? Gibt es weitere 
Tipps? BTW: VEE soll Vref sein. Und bitte nicht motzen - KiCad gehört 
nicht zu meiner Standard-Software, bin da echter Anfänger.

LG

Frank

Nachtrag: Natürlich bekommt Vref = VEE auch einen 2K Widerstand.

[M. K. (sylaina)]

Von welchem DAC redest du oder meinst du den ADC? Der MCP3208 ist nen 
ADC. Und VDD vom MCP3208 würde ich auch noch anschließen, hilft 
ungemein. Was genau der 2kΩ Widerstand an VREF/VEE bringen soll kann ich 
auch nicht nachvollziehen, braucht deine Referenzquelle eine solche 
Last?
Kerko ist an den richtigen Stellen nie verkehrt, bekommt bei mir jeder 
MCP3208. Nur weil sich der Wemos langweilt würde ich aber nicht über 
mehrere 1000 Samples mitteln, wer nix zu tun hat kann auch schlafen ;)

[Klaus R. (klara)]

Hallo,
die Schaltung ist OK. Ich würde am MCP3208 wie üblich noch ein 100 nF 
Kerko platzieren. Natürlich so nahe wie möglich zwischen +UB und Masse.
mfg Klaus

[Frank M. (fabian_u_frank)]

M. K. schrieb:
> Von welchem DAC redest du oder meinst du den ADC? Der MCP3208 ist nen
> ADC. Und VDD vom MCP3208 würde ich auch noch anschließen, hilft
> ungemein. Was genau der 2kΩ Widerstand an VREF/VEE bringen soll kann ich
> auch nicht nachvollziehen, braucht deine Referenzquelle eine solche
> Last?

Sry, mein Fehler: Natürlich ein ADC. Mit dem 2K an Vref wollte ich die 
Referenzspannung und die Signalspannungen gleich belasten. Vielleicht 
unnötig, aber so sollten Änderungen gleich sein. Und dann kommen noch 
100nF Kerkos rein und Vdd=5V an Pin 16.

Wenn ich 1000 Samples mittele, komme ich auf 1/100s reine Messzeit, dann 
vielleicht noch großzügig 5ms Rechenzeit, sind das weniger als 20ms im 
schlimmsten Fall pro Sekunde oder sonst pro Minute. Das ist maximal 2% 
Rechenlast, der Rest ist immer noch Schlafenszeit.

Danke erstmal

Frank

[M. K. (sylaina)]

Frank M. schrieb:
> Mit dem 2K an Vref wollte ich die
> Referenzspannung und die Signalspannungen gleich belasten.

Aber zu welchem Zweck willst du deine Referenz genauso belasten wie dein 
Messignal? Das ist im Grunde unnötig, im worst case kann das zu 
komischen Effekten führen. Würde ich mir schenken.

Frank M. schrieb:
> Wenn ich 1000 Samples mittele, komme ich auf 1/100s reine Messzeit, dann
> vielleicht noch großzügig 5ms Rechenzeit, sind das weniger als 20ms im
> schlimmsten Fall pro Sekunde oder sonst pro Minute. Das ist maximal 2%
> Rechenlast, der Rest ist immer noch Schlafenszeit.

Mir scheint du bist ein Freund davon Dinge zu tun, die nicht nötig sind. 
Dein TP mit 2k und 1u macht ja schon nen TP mit nem tau von 2ms. Ob du 
da jetzt ein Sample oder eintausend einsammelst bei 100kHz Abtastrate 
macht keinen praktischen Unterschied, nur dein Code wird unnötig länger. 
Ich bin ne faule Socke und würde mir das sparen. ;)

[Gregor J. (Firma: Jasinski) (gregor_jasinski)]

Frank M. schrieb:
> Mit dem 2K an Vref wollte ich die Referenzspannung
> und die Signalspannungen gleich belasten.

Die Leute kommen an Orten wie diese auf merkwürdige und absurde Ideen – 
die Beschaltung an VRef eines ADCs sollte möglichst kurz und komplett so 
nah wie möglich am IC liegen, also normalerweise alles (incl. Ref-IC) 
maximal ein paar Zentimeter vom ADC oder vom DAC entfernt sein. Lange 
Zuleitungen (hier geht es mit VRef auf mysteriöse Weise noch irgendwo an 
einen SUB-D-Stecker oder -buchse oder was auch immer das sein soll) oder 
irgendwelche Widerstände dazwischen machen dann alles schön „kaputt”, 
was man in puncto „genaue und brauchbare Messergebnisse” haben und 
deswegen z.B. einen externen AD- oder DA-Wandler überhaupt erst 
einsetzen wollte. Schon mal ins Datenblatt des Chips geschaut und 
wenigstens sich das Applikationsbeispiel angeschaut? Das von mir rot 
markierte ist genau die empfindlichste Stelle eines ADCs oder DACs – und 
wo man kurze Wege auf der Platine haben, niederohmig und mit 
Abblockkondensatoren arbeiten sollte (von denen gibt es übrigens auch 
welche an anderen wichtigen Stellen reichlich, wie man unschwer erkennen 
kann). Dadrunter im Datenblatt sind noch weitere Infos bezüglich des 
Layouts etc. Wenn man das erste aber schon grob missachtet, dürfte das 
zweite, also das Entwerfen eines richtigen, passenden Layouts, dann 
quasi eh egal sein. Und mit Leitungen über 50cm, z.B. 1-2m, als VRef 
oder die an VRef zusätzlich angeschlossen sind, wird man schöne Antennen 
und viel Spaß haben – „viel Erfolg”. Vielleicht ist deswegen auch die 
Idee – aus 1000 Messungen einen Mittelwert zu bilden – entstanden; nun 
ja, bei einem total verbockten Konstrukt wird man leider nicht alles 
mitteln, interpolieren oder – generell – glattbügeln können, egal wie 
viele es am Ende werden, aber jeder hat natürlich das Recht, es zu 
versuchen.

[Frank M. (fabian_u_frank)]

Gregor J. schrieb:
> Die Leute kommen an Orten wie diese auf merkwürdige und absurde Ideen –
> die Beschaltung an VRef eines ADCs sollte möglichst kurz und komplett so
> nah wie möglich am IC liegen, also normalerweise alles (incl. Ref-IC)
> maximal ein paar Zentimeter vom ADC oder vom DAC entfernt sein. Lange
> Zuleitungen (hier geht es mit VRef auf mysteriöse Weise noch irgendwo an
> einen SUB-D-Stecker oder -buchse) oder irgendwelche Widerstände
> dazwischen machen dann alles schön „kaputt”, was man in puncto „genaue
> und brauchbare Messergebnisse” haben wollte und deswegen z.B. einen
> externen AD- oder DA-Wandler überhaupt erst eingesetzt hat. Schon mal
> ins Datenblatt des Chips geschaut und wenigstens sich das
> Applikationsbeispiel angeschaut?

Na klar, und auch
https://ww1.microchip.com/downloads/aemDocuments/documents/MCU08/ApplicationNotes/ApplicationNotes/00688b.pdf
und solche Sachen habe ich gelesen.

WARUM nehme ich ein "dubioses" Signal von einem SUB-D-Stecker? Die 
Antwort steht im ersten Beitrag. Das verwendete Netzteil liefert eine 
Referenzspannung von 5.1V. In Bezug auf genau diese Referenz - nein, 
keine per externe Referenzspannungsquelle erzeugte - wird die Ausgabe 
des Stroms und der Spannung, beides die Größen die ich loggen möchte, 
bezogen. Also 25A= 50% des maximalen Stroms, sind 5.1V*50% = 2,55V. 
Ändern sich die 5.1V vom Gerät, ändern sich auch die 
"Monitor"-Spannungen entsprechend. Aber das Verhältnis bleibt gleich! 
Also warum sollte ich eine andere Referenz verwenden?! Und der 
Ausgabe-Port am Gerät ist ein - rate mal - 15 pol Sub-D!!!! Hab ich 
nicht da dran gebaut, muss ich aber nutzen.

Ok, ob der 2K stört oder hilft: Ok - Versuch macht klug. Das kann das 
Messgerät auf dem Schreibtisch bestimmt beantworten, wenn das Ganze vom 
Steckbrett (zum Code testen!) runter ist.

Wo wir beim Code sind: Ob vier bis sechs Zeilen Code zusätzlich einbaue 
oder nicht, stört kein Skript. Die Anwendung ist alles andere als 
zeitkritisch. Ja, der Punkt mit dem \tau von 2ms stimmt, leider stehen 
im Netzteil-Handbuch keine Angaben zur Grenzfrequenz der Ausgänge. Und 
ich kann die Signal-Änderung durch  Blubbern der  Glasblasen an den 
Elektroden als AC-Anteil der durchkommt nicht abschätzen. Daher der 
Ansatz des Mittelwertes. Normalerweise nimmt man da rotierende 
Elektroden oder andere Techniken, die hier leider nicht gehen.

Ist mein absurder und merkwürdiger Ansatz jetzt etwas klarer?

VG

Frank

[Gregor J. (Firma: Jasinski) (gregor_jasinski)]

Frank M. schrieb:
> Also warum sollte ich eine andere Referenz verwenden?!

In meiner Textpassage ging es nicht darum, eine andere Referenzquelle 
oder -spannung zu verwenden, sondern darum, WIE man generell mit einer 
Referenzquelle an ADCs und auch DACs umgehen sollte. Und genau da ist 
etwas faul in Deinem Konzept.

[Frank M. (fabian_u_frank)]

Ok, danke für deine Antwort. Ja, kurze Leitung sind klar und Kerko, wie 
auch die Vorgänger geschrieben haben, kommen rein.

Was soll ich deiner Meinung nach ändern? Vref kommt auf das Board, Elko 
und KerKo blocken AC-Anteile - genau wie gefordert. Gut den 2K sehe ich 
vor und werde mich bei Problemen sofort von dem verabschieden. Eine 
Brücke statt des Widerstands zu setzen ist leichter als einen Widerstand 
nachträglich reinfummeln. Das waren meine Gedanken. Ich bin offen für 
deine konkreten Vorschläge.

VG

Frank

[Gregor J. (Firma: Jasinski) (gregor_jasinski)]

Frank M. schrieb:
> Was soll ich deiner Meinung nach ändern? Vref kommt auf das Board, Elko
> und KerKo blocken AC-Anteile - genau wie gefordert. Gut den 2K sehe ich
> vor und werde mich bei Problemen sofort von dem verabschieden. Eine
> Brücke statt des Widerstands zu setzen ist leichter als einen Widerstand
> nachträglich reinfummeln. Das waren meine Gedanken. Ich bin offen für
> deine konkreten Vorschläge.

Man könnte z.B. die Referenzspannung für den A/D-Wandler von den ganzen 
langen Leitungen und sonstigen Störungen auf der Schiene entkoppeln und 
dann – trotz der ganzen Leitungen – doch noch eine kurze, ordentliche 
Referenzversorgung mit dem gleichen Spannungswert haben – mit einem 
gutgewählten Operationsverstärker als Spannungsfolger und mit einem 
Tiefpass am Eingang könnte man so etwas beispielsweise realisieren, ist 
aber schon wieder alles nicht so trivial, da kann man dann auch wieder 
vieles falsch machen. Ein minimalistisches R/C-Tiefpass-Filter, sofern 
die Stromstärke an VRef nicht allzu groß ist, könnte man stattdessen 
auch nehmen – den dort fließenden Strom bzw. Spannungsabfall muss man 
halt messen können (und auch mir dem Wert im Datenblatt vergleichen, 
sofern diese Angabe verfügbar) und anhand der Messungen unter realen 
Bedingungen es dann ausprobieren. Was Du jetzt machst oder versuchst zu 
machen, ist die Wirkung bzw. Auswirkungen Deines schlechten Designs zu 
bekämpfen, statt an der Ursache anzusetzen und dort erstmal die 
richtigen Schrauben zu nehmen sie auch richtig zu drehen, aber 
vielleicht ist die Genauigkeit der Messungen fürs „Loggen der Werte” nur 
sekundär von Bedeutung und man könnte sich mit – in einem gewissen 
Bereich – hin und her wandernden Werten begnügen, wer weiß das schon.

[Frank M. (fabian_u_frank)]

Gregor J. schrieb:
> Ein minimalistisches R/C-Tiefpass-Filter, sofern
> die Stromstärke an VRef nicht allzu groß ist, könnte man stattdessen
> auch nehmen – den dort fließenden Strom bzw. Spannungsabfall muss man
> halt messen können (und auch mir dem Wert im Datenblatt vergleichen,
> sofern diese Angabe verfügbar) und anhand der Messungen unter realen
> Bedingungen es dann ausprobieren.

Ok, der maximale Strom am Pin ist mit 4mA und die Quelle mit R_o = 
1.2Ohm spezifiziert, siehe ersten Post. Der rot eingekreiste Teil ist 
doch ein minimalistischer RC-Filter an Vref, oder?

VG

Frank

[Gregor J. (Firma: Jasinski) (gregor_jasinski)]

Frank M. schrieb:
> Ok, der maximale Strom am Pin ist mit 4mA und die Quelle mit R_o =
> 1.2Ohm spezifiziert, siehe ersten Post. Der rot eingekreiste Teil ist
> doch ein minimalistischer RC-Filter an Vref, oder?

NEIN, und bei so einer Vorgehensweise und was Du da sonst noch versuchst 
würde ich sagen – lieber bei Deinen 1000 Messungen pro Messung bleiben 
und „habe fertig”. Übrigens, 1000 Messungen zu nehmen spricht für sich 
und ist eigentlich ein Indiz für ein schlechtes Design – plausibel und 
unauffällig wäre es, wenn Du z.B. 10 bis 30 bräuchtest, um ein wenig 
alles noch zu filtern oder zu glätten.

[Gregor J. (Firma: Jasinski) (gregor_jasinski)]

Frank M. schrieb:
> Wenn ich 1000 Samples mittele (...)

Vielleicht noch etwas aus programmtechnischer Sicht. Wenn man schon 1000 
Messungen macht, dann kann man für die Anzahl auch gleich eine Zahl aus 
den Zweierpotenzen nehmen, also z.B. 1024, weil das als Zweierpotenz 
dann einem die Division des Aufsummierten erspart bzw. erleichtert und 
man diese durch eine einfache Bitverschiebung bei Integerzahlen 
realisieren kann – hier nimmt man in der Regel für alle Operanden 
Integerzahlen statt der üblichen Fließkommazahlengeschichte, damit diese 
Berechnungen schneller erledigt werden können – viele der moderneren µC 
haben einen Barrel-Shifter, so dass fast alle Vorgänge und 
Rechenoperationen diesbezüglich wirklich nur 1-2 Takte der CPU im µC 
dauern. Die meisten Arduinojünger rechnen aber solche Berechnungen 
natürlich ahnungslos mit und in „Float” aus, weil ihr „Guru” aus dem 
Internet, dem sie ja so gerne folgen, es ihnen so vorgemacht hat; oder 
sie machen es einfach, weil andere es auch so machen oder weil sie den 
Vorteil der Integerzahlenarithmetik gar nicht kennengelernt haben und 
somit in ihren Anwendungen auch nicht nutzen können. Bei den heutigen 
RISC-Kernen geht das aber bei der üblichen 16MHz-Arduinotaktfrequenz 
meistens alles auch gut aus, den Rechenaufwand, den der Prozessor macht, 
merken sie bei zeitunkritischen Projekten gar nicht.

Und wenn man schon so ein „Oversampling” betreibt, kann man auch leicht 
aus einem 12-Bit-A/D-Wandler einen 14- oder 16-Bit-ADC machen, obwohl 
der Chip selbst weiter nur ein 12-Bit-Wandler bleibt, und hätte gleich 
schöne hochauflösende 16-Bit Werte, sofern das mit seinem 
Linearitätsfehler oder sonstigen Offsetfehlern noch vereinbar ist bzw. 
Sinn macht, denn unendlich die Auflösung zu verdoppeln geht natürlich 
nicht, in einem gewissen, realistischen Rahmen bekommt man aber durchaus 
noch sehr gute und brauchbare Ergebnisse. Dazu müsste man aber das 
Design des Wandlers schon gut gemacht haben, weil das einem sonst wieder 
einen Strich durch die Rechnung macht. Manchmal führt man sogar ein 
definiertes und selbsterzeugtes Störsignal an VRef des A/D-Wandlers 
absichtlich ein, um die Interpolation der Werte zu optimieren. Der 
Code-Aufwand ist relativ gering, ein bis zwei Zeilen C-Code reichen aus, 
um aus den 12-Bit-Werten am Ende dann die 13-, 14- oder gar 16-Bit-Werte 
zu machen.

[Frank M. (fabian_u_frank)]

Hallo,

komisch - ich wollte auch schon 1024 und 2048 samples programmieren - 
allerdings um mit der Fouriertransformation mir das Rauschspektrum 
anzuschauen :-)

Auch werde ich, wenn die Schaltung mal fertig ist, probeweise von 
10samples bis 2048 samples die Variation anschauen. Ein Histogramm 
Variation über Samplezahl - schnell programmiert und vermutlich 
hilfreich zur Bewertung des Ergebnisses.

Ja, an Oversampling dachte auch auch schon mal. Eine kurze 
Überschlagsrechnung dazu:
Das Netzteil macht maximal 15V - das sind 4mV pro Step. Der Arbeitspunkt 
wird aufgrund der Chemie hoffentlich bei 4V bis 5V liegen, dann ist das 
ein Promille Auflösung oder aufgrund von Murks lass es 0,3% sein. Bei 2K 
Temperaturänderung erwarte ich auch eine Änderung von 0,5%. Dazu kommt 
das Blubbern der Gasblasen an der Elektrode. Daher habe ich beschlossen, 
dass 12Bit Auflösung reichen sollten. Auch gilt Oversampling meines 
Wissens nur für "ordentlich"  normalverteilte Signale, das sehe ich dann 
ja in der Datenanalyse.

Deine Hinweise zur Kabellänge habe ich ernst genommen. Am Stecker komme 
ich nicht vorbei, aber ich bleibe möglichst dicht am Gerät und versuche 
möglichst keine EM-Signale einzufangen. Die Digitalleitung wird dann die 
lange Leitung, damit der Laptop nicht neben der Chemie steht.

LG

Frank

[Gregor J. (Firma: Jasinski) (gregor_jasinski)]

Frank M. schrieb:
> Ok, der maximale Strom am Pin ist mit 4mA und die Quelle mit R_o =
> 1.2Ohm spezifiziert, siehe ersten Post. Der rot eingekreiste Teil ist
> doch ein minimalistischer RC-Filter an Vref, oder?

Es ging mir um den Strom, der in den VRef-Pin (15) des ICs hineinfließt, 
und der ist laut Datenblatt mit 100-150µA spezifiziert – genau das 
müsste man auch überprüfen, wie groß der dann auch tatsächlich ist. Dein 
"minimalistischer Filter" ist immer noch an der falschen Stelle (er soll 
vor dem Pin 15 sitzen und nur für diesen sein) und mit Deinen 2kΩ mit 
4mA, sofern sie durch diesen Widerstand fließen sollten, wird das zu 
einer Milchmädchenrechnung – einfach mal im Kopf oder mit Taschenrechner 
ausrechen, wie groß der Spannungsabfall dann an diesem Widerstand bei 
4mA ist, dann sieht man den Denkfehler. Auch bei 1mA oder gar 100µA wäre 
das immer noch viel zu viel und demenstsprechend überhaupt nicht 
akzeptabel.

Da der VRef-Strom (angeblich laut Datenblatt) ca. 100-150µA beträgt, 
muss der Widerstandswert eines solchen R/C-Filters sehr niedrig 
ausgelegt sein, damit der dadurch entstehende Fehler in der 
Referenzspannung möglichst klein und akzeptabel bleibt – z.B. 4,7-10 Ω 
kombiniert mit einem 1-10µF (Keramik)Kondensator. Der Spannungsabfall 
und Unterschied der Referenzspannung zum Rest würde dann irgendwo 
zwischen 0,47mV bis 1,5mV liegen, was noch zu verschmerzen wäre, man 
könnte aber noch einen kleineren Widerstandswert nehmen oder sogar 
versuchen, das R/C- durch ein L/C-Filter zu ersetzen, z.B. mit 10µH und 
100nF, wie man es bei den ATMEGAs für AVCC macht. Man muss aber alles 
testen wie sich das auswirkt und verhält; und vor allem – ob es 
überhaupt den gewünschten Effekt bringt, denn es kann sein, dass noch 
woanders alles so verrauscht, antennenartig gebaut oder am rippeln ist, 
dass das alles unterm Strich dann sehr wenig bringt oder so ein Filter 
selbst zum Schwingen neigt und den Messfehler nur noch vergrößert. Als 
Lösungs- bzw. Verbesserungsansatz könnte auch ein Kabel mit einzeln 
abgeschirmten Adern dienen – man kann das mit den anderen Ansätzen 
kombinieren, um das Optimum in so einer Situation zu suchen. Die Arbeit 
nimmt Dir aber keiner ab – für faule Leute und sonstige Theoretiker am 
Schreibtisch – oder die sonst so im Internet unterwegs sind – ist das 
nichts, die werden hier nur labern und sich weiter alles schön im Kopf 
vorstellen, aber de facto überhaupt nicht weiterkommen. Man muss schon 
was dafür real auf dem Arbeitstisch tun, vor allem viele Versuche, Tests 
und Messungen durchführen. Dabei am besten auch irgendwie geordnet und 
systematisch vorgehen (also nicht planlos irgendwas messen), sich das, 
was man da macht, auch gut notieren/dokumentieren, um währenddessen und 
auch später mal darauf zugreifen zu können. Ein Versuchsaufbau auf einem 
Steckbrett ist übrigens die schlechteste Wahl in so einem Fall – eine 
Liebesmüh oder einfach Zeitverschwendung.

[Frank M. (fabian_u_frank)]

Gregor J. schrieb:
> Ein Versuchsaufbau auf einem
> Steckbrett ist übrigens die schlechteste Wahl in so einem Fall – eine
> Liebesmüh oder einfach Zeitverschwendung.

Hallo,

das unterschreibe ich Dir sofort und uneingeschränkt!
Das Steckbrett nehme ich um den Code zu testen - das käme nie an einen 
echten Aufbau.

Als abschreckendes Beispiel habe ich den Probelauf mit einer gelbgrünen 
LED auf Steckbrett angehängt. Wie gesagt: Programmtest! Wenn die LED 
geht, geht auch eine Elektrolysezelle. Fazit: Das Programm macht was es 
soll, eine Durchlassspannung oder so würde ich nicht berechnen.

Den Rest arbeite ich heute in Ruhe durch!

LG

Frank