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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Sensor-Messrauschen ermitteln


Autor: Anfänger (Gast)
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Hallo,

vielleicht könnt ihr mir weiterhelfen -- wäre euch sehr dankbar.

Ich habe eine 
Fotodiode(http://www.reichelt.de/?SID=271@kAw6wQARsAAC4lyk44...)
zu Lichtmessung.

Bei der Messung kann ein typisches Messrauschen entstehen.
Dieses Messrauschen kann durch Mehrfachmessung entfernt werden.
Dabei kann die Genauigkeit durch die Formel:
WURZEL(anzahl der Messung)=Faktor der Verbesserung der Genauigkeit.

Meine Frage nun, wie bekomme ich aus dem Datenblatt das Messrauschen?
Ich muss ja das Messrauschen mit dem LSB des ADC verrechnen:

10Bit ADC bei 5V -> ca. LSB=5mV d.h. wenn das Messrauschen(z.B. 10mV) > 
als 1/2 LSB  kann der digitalisierte Wert des ADC einen anderen Wert 
betragen, als er eigentlich ist durch das Rauschen.

gruss
 Markus

Autor: Andreas W. (Gast)
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ich weiß nicht direkt was du meinst.

Das Rauchen der fotodiode ist temperaturabhängig, es gibt sehr viele 
quellen für das rauschen. den genauen wert bekommst du nur durch messen 
raus.

für die brechnung, nimmst du zum beispiel 2 werte und bildest den 
mittelwert.( sollten natürlich deutlich mehr sein)
im einfachsten fall bilde ich eine gleitenden mittelwert und mache das 
über so viele werte das der ausgegebene Wert nur noch ab und zu um ein 
diget wechselt bei gleichgroßen signal.

Das Rauschen sollte weißes rauschen sein, das heißt alle frequenzen in 
einen bereich sind dadrin vorhanden. also kann man nie sagen ob man nun 
den oberen punkt des rauschen misst, oder den unteren oder irgendeinen 
dazwischen.

hoffe sowas meintest du.

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (christoph_kessler)
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Hier gibts Leute, die das Rauschen von Fotodioden besonders 
interessiert:
http://www.lichtsprechen.de
http://www.hhcuno.homepage.t-online.de/afu/whitran...
Amateurfunk auf Laserlicht, ein Entfernungsrekord von 248 km mit blauem 
Licht ist hier aufgelistet.

Die Rauschleistung von weißem Rauschen ist abhängig von der 
Meßbandbreite (und der Temperatur). Im Datenblatt müßten, wenn das 
überhaupt drinsteht, diese beiden Parameter enthalten sein. Für 
Funkempfänger gibt die Rauschzahl in dB an, wie weit das zusätzliche 
Rauschen der Elektronik über dem natürlichen Rauschen liegt. Merkwert: 
natürliches Rauschen -174 dBm/Hz.
Beispiel: Satelliten-LNBs liegen unter 1 dB Rauschzahl, 
Spektrumanalysatoren haben 20-30 dB Rauschzahl, da ist die Gesamtdynamik 
wichtiger.

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (christoph_kessler)
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Das Vishay-Datenblatt ist nicht sehr ergiebig, das alte Siemens bietet 
mehr:
http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/44...

Quantenausbeute, l = 550 nm
eta= 0.80 Electrons/Photon

Rauschäquivalente Strahlungsleistung VR = 5 V, l = 550 nm
NEP = 7.2*10^–14 W/Sqrt(Hz)

Nachweisgrenze, VR = 5 V, l = 550 nm
D = 1*10^-12 cm*Sqrt(Hz)/W

Dunkelstrom (Vr=5V) 2nA typ 30 nA max.

Kennwerte (TA = 25 °C, Normlicht A, T = 2856 K)

Daraus kann man vielleicht die Rauschgrenze ermitteln.

Autor: Anfänger (Gast)
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Vielen Dank für die vielen Kommentare!

Das Datenblatt enthält eine Formel zur Rauschäquivalente 
Strahlungsleistung.
Wegen den Toleranzen, die so ein Sensor besitzt, dachte ich mir, dass es 
besser sei es zu messen anstatt zu berechen über eine Formel aus dem 
Datenblatt.


@Andreas.
Sorry, dass ich mich was seltsam ausgedrückt habe!

Also habe ich dich so verstanden, dass man ein Art Queue mit Messwerten 
aufbaut. D.h. kommt ein neuer Wert rein, wird er vorn reingeschoben und 
der letzte bzw. älteste hinten rausgeworfen. Über die Werte der Queue 
wird der Mittelwert berechnet.

Habe ich nicht immer noch das Problem, dass im Mittelwert ein Rauschen 
drin ist, sozusagen ein gemitteltes Rauschen?

Autor: Andreas W. (Gast)
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ja genau das meinte ich. das ist nützllich um das rauschn zu minedern. 
es bleibt immer rauschen drin. du filters so nur die hohen frequenzen 
raus. niedrige frequenzen im rauschen sind eh nicht vom signal zu 
unterscheiden. mit mehreren sensoren kann man da noch was machen. 
schwankungen anhand der umgebungsparameter gehen so aber auch nicht.

das oben beschriebene ist halt nur die einfachariante.

Autor: Andreas W. (Gast)
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uch noch was übersehn. du mittelst das rauschen ja. im idealfall ist das 
rauschen flächenmäßig über den wahren signal gleichgroß unter wie den 
signal. wenn man nur lange genug mittelt, ist das rauschen also null, 
nur leider ist das nur bedingt möglich, man möchte ja einen relativ 
schnellen sensor. da muss man einen kompromiss finden.

Autor: Anfänger (Gast)
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@Andreas
(Wenn du noch einwenig Zeit übrig hast:)

D.h.

Wenn ich beispielsweise zwei Sensoren hätte, für beide den Mittelwert 
bilde(jeweils eine eigene Queue). Diese Beide Mittelwert nochmals 
mittel. Dadurch kann ich auch niedrige Frequenzen entfernen aus dem 
eigentlichen Messsignal.

Temperaturschwankungen kann ich einfach durch eine Lookup-Table mit 
Hilfe des Datenblatts entfernen. In dem Datenblatt steht nur die 
Beziehung zwischen Dunkelstrom und Temperatur.
Kann ich davon ausgehen wenn zB
    Dunkelstrom:
    bei 0°C = 1nA
    bei 25°C= 10nA
dass sich dies für die gesamte Kennlinie, sprich auch bei 1000lx 
Helligkeit, fortführen lässt, also
    1000lx:
    bei 0°C = 10µA
    bei 25°C= 10,01µA
?

Oder hast du eine bessere Idee, wie man Umgebungseinflüsse filtern kann?

Autor: Andreas W. (Gast)
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ehrlichgesagt kenne ich mich mit photodioden nicht ganz so gut aus. ich 
entwickel widerstandsmessgeräte :)

also wenn das im datenblatt der diode so steht dann ist das so ja.

ich würde den werten im datenblatt eh nicht so trauen :) wenn es nicht 
nach DIN fest beschrieben ist. den dunkelstrom kann man ja relativ 
leicht messen.

aber das mit den beiden sensoren die das selbe signal messen ist 
richtig.

was möchtest du eigendlich machen, das du das so genau brauchst. ein 
lux-meter kann man locker 1 s glätten ohne das es einen so richtig 
aufällt, mehr als 2 werte pro sekunde kann man eh nur sehr schwer 
wahrnehmen.

Autor: Anfänger (Gast)
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Eigentlich nichts besonders. Ich muss für ein Projekt in meinem Studium 
eine Lichtstärkemessung vornehmen, um eine Roll(l)ade hoch oder runter 
zu fahren.

Ich bin so ziehmlich neu auf dem Gebiet der Sensorik, daher weiss ich 
nicht wie genau ich messen muss, damit ich ein akzeptables Ergebnis 
bekomme.

Ist es nach deiner Ansicht ausreichend einfach zwei Sensoren(wie oben 
beschrieben) zur Messung einzusetzen?

Autor: Andreas W. (Gast)
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für deinen fall würde auch ein sensor reichen.

dein fall ist eine zweipunktreglung. ist drausen hell, also heller 1000 
lux (punkt muss natürlich auswählbar sein) Roll(l)ade öffnen, ist es 
dunkel, dunkler 1000 lux Roll(l)ade schließen.
du wirst feststellen das eine hysterese für deinen Fall nützlich ist, 
also Roll(l)ade auf bei 1000 lux und Roll(l)ade zu bei 500 lux.

Dann kann das sogar sehr träge sein, also glätten über 1 sekunde wird 
kaum einer merken. ewentuell kannst du auch den temperaturdrift 
vernachlässigen. so wie du es oben bestrieben hast, ist er nur ein 
tausenstel von deinen Messwert (bei 1000 lux). ohne direkten vergleich 
kann kein mensch 1000 lux von 800 lux unterscheiden, ist beides hell :)
du misst das sicher auch mit einen im µC eingebauten 10. bit AD-Wandler 
oder? der hat also über den ganzen messbereich eh +- 1/1024 abweichung.

ich würde dir empfehlen eine integrierende OPV schaltung mit einer 
zeitkonstante um die 100ms zu nehmen. dann ungefähr alle 20 ms ein 
AD-Wandler wert zu nehmen. der müsste jetzt schon relativ stabiel sein, 
es kommt noch das rauschen deiner AD-Wandlerschaltung dazu, ich nehme 
darum immer 4 werte kurz hintereinander und addiere sie auf. Wenn nötig 
kannst du jetzt noch einen gleitenden Mittelwert bilden, bis eine 
Sekunde kannst du ja über 50 Werte mitteln, aber das wird möglicherweise 
nicht nötig.
Wie gesagt kenne mich mit photodioden nicht so richtig aus, wenn das 
rauschen aber so extrem ist, dann wären die aber nicht zu gebrauchen :)

jetzt musst du "nur noch" clever den wert umrechnen. (eventule 
nichtlinearität rausrechnen, vielleicht doch die Temperatur rausrechnen, 
usw.)


P.S.:
Die obigen werte sind nur Hausnummern, ich habe sie weder errechnet oder 
gemessen. Sie dienen nur der Veranschaulichung meiner Beschreibung.

Autor: Anfänger (Gast)
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Ich bin dir sehr sehr dankbar!!

Stimmt, ich wollte einen 10Bit ADC nehmen.
Sorry nochmal, was bedeutet denn " glätten über 1 sekunde"?
 -Einfach mehrer Werte pro sek mitteln?

Wenn ich schon so an der Quelle des Wissens bin :-) und ich deine Nerven 
nicht zu stramperziert habe, möchte ich dich gern noch was fragen.

Ich habe zur Messung des Lichts vorerst ein Transimpedanzwandler 
eingesetzt.

Dieser wandelt den Strom, der die Diode in eine negative Spannung, die 
dann durch einen ADC messbar ist. Also nicht ganz da der ADC nicht mit 
negativen Spannungen klar kommt. Daher habe ich noch einen 
invertierenden OpAmp nach geschaltet. Leider invertiert dieser die 
Spannung nur bedingt:
-32mV -> 23mV
-21mV -> 11mV

Dies hängt doch bestimmt mit den Herstellertoleranzen der Widerstände, 
die
für den invertierenden OpAmp eingesetzt werden müssen zusammen, oder?

Hast du vielleicht eine Idee wie man dies Beheben kann?

Meine erster Gedanke war, dass die Differenz prozentualler Natur ist. 
Also man könnte einfach einen bestimmten Prozentsatz drauf addieren. 
Leider ist dies nicht so, da die Wert unterschiedliche Differenzen 
aufweisen.

Autor: Andreas W. (Gast)
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es gibt 2 Möglichkeiten wo der Effekt herkommt.
1. du hast ihn falsch angeschlossen
2. ein Offset

hast du ihn so,
http://de.wikipedia.org/wiki/Operationsverst%C3%A4...
angeklemmt?
Wenn ja dann verstärke das Signal noch ein wenig, wenn du die interne 
Reverens Vref nimmst dann solltest du auch den kompletten bereich 
nehmen, sonst steht dir effektiv weniger Auflösung zur Verfügung.

Wegen den Offset gibt es bei vielen OPV die Möglichkeit einen Poti 
anzuschließen damit kann man ihn dann "wegregeln". Dieser ist aber auch 
Temperaturabhängig.

die Möglichkeiten sind auf diesen Gebiet unbegrenzt, um da das optimum 
zu finden müsste ich mir die Signale genauer angucken.

gruß
Andreas

Autor: Karl Heinz (kbuchegg) (Moderator)
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Verzeiht mir, wenn ich mich da einmische. Vielleicht sehe
ich das etwas zu naiv.
Aber: Ist das alles nicht ein bischen viel Aufwand für
den doch relativ simplen Vorgang: Rolladen auf/zu

Konstantstromqelle an Diode. Spannung per ADC messen und
mit einem Vergleichswert vergleichen (Hysterese nicht vergssen).
Den Vergleichswert wird ja doch wohl keiner mit einem Luxmeter
festlegen, sondern sich abends in den Raum begeben und solange
am Wert rumdrehen, bis der Rolladen zu geht. Fettich.

Autor: Andreas W. (Gast)
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Entschuldigung wegen der Grammatik.

Mit eine Sekunde glätten meinte ich nur im Bedarfsfall, weil es das 
Signal ja träge macht.
Angenommen du nimmst alle 20 ms einen AD-Wert dann musst du über 50 
Werte einen gleitenden Mittelwert nehmen, um auf eine Sekunde zu kommen.
Da ich das Signal ja nicht kenne reichen vielleicht sogar 4 Werte. musst 
dann also nicht 50 nehmen. Das kann man leicht Experimentell ermitteln.

Außerdem kommen noch die Grenzen vom µC hinzu. In einer 16.Bit Zahl kann 
man maximal 64 10.Bit-Werte aufaddieren bevor sie überläuft. Wenn du 
schon bei jeder AD-Wandlung 4 Werte aufaddierst ohne sie durch 4 zu 
teilen, dann reichen schon 16 Werte für den Überlauf.

grüße
Andreas

Autor: Andreas W. (Gast)
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@ Karl heinz Buchegger (kbuchegg)

ja finde ich auch, aber ich kenne ja die Aufgabe nicht. Da sie von einen 
Professor gestellt wird, kann es ja sein das man die Helligkeit Luxgenau 
(tolles Wort) einstellen muss.

Autor: Anfänger (Gast)
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Hi,

vielen vielen Dank!

ich habe alles soweit implementiert!

Ich wollte zusätzlich, wie du vorgeschlagen hast, ein Tiefpass 
verwenden.

Kann ich nicht anstatt ein OP auch einfach ein RC-Glied nehmen?


Dabei habe ich noch ein Problem.

Wenn die Diode eine Grenzfrequenz von 100KHz hat, muss bei einem 
RC-Glied einen 100Ohm R und 10nF C benutzen(1/(2*PI*R*C)) werden. Dabei 
komme ich aber zu einer Zeitkonstante von gerade mal zu 1µs.

Muss man da einen Kompromiss finden zwischen Zeitkonst. und 
Grenzfrequenz?
Oder habe ich da was falsch verstanden?

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