Suche Mikrocontroller mit 16Bit ADCs und DACs

Paul schrieb:

> Oder macht es Sinn bei diesen Anforderungen auf externe
> Bauteile auszuweichen.

Wenn Du nicht nur höhere Auflösung, sondern auch höhere Genauigkeit
willst, sind externe AD/DA-Wandler auf jeden Fall sinnvoll. Vor
allen, wenn diese zusätzlich auch noch schnell sein sollen.

Der Stm32H743 hat 16 bit Wandler mit 14bit ENOB.
Bei 750Khz kannst du noch 4fach oversamplen das wären dann 15Bit.
Das Nucleo Board kostet ca. 25€ probier es einfach aus.

The ADC module itself is a 16-bit successive
approximation converter with additional oversampling
hardware. Due to the noise level, only 14-bit equivalent
performance is achieved. To have more than 16-bit
performance, it is necessary to use oversampling
methodology. Under certain conditions, the oversampled
output can have a 21-bit result. The sampling speed is 5
mega samples per second for 14-bit resolution. Each ADC
module integrates an analog watchdog.

Die ADSP-CM40xF von Analog haben zwei 16-Bit-ADCs, die zwei DACs haben 
aber nur 12 Bit.

Der STM32F373 hat 3 Stk.16 Bit ADCs
https://www.st.com/en/microcontrollers-microprocessors/stm32f373.html

Aber max. 50 ksps bei einem Kanal bzw 16.6 ksps bei drei Kanälen.

Wenn Du das Datanblatt genau anguckst, siehst Du dass man die letzen 
2..3 Bit bzgl. Genauigkeit "rauchen" kann, bist also bestenfalls wieder 
bei 13..14 Bit.

Es gibt auch endere uC mit 16 Bit ADCs, aber die kämpfen mit den selben 
Problemem.

Wie schon mehrfach empfohlen: Suche dir einen guten externen 16 Bit ADC, 
die sind um Faktoren besser, Du sparst sonst am falschen Ort.

drm schrieb:
> jeder uC mit 16 digital IOs hat einen 16bit DAC wenn man daran ein R2R
> Netzwerk anschliesst

Wo gibt es denn bezahlbare Netzwerke mit 0,001% Matching?
Und die Analogschalter müssen bei 10k Widerständen <0,1 Ohm 
On-Widerstand bzw. >600M Off-Widerstand haben.

Diskrete R2R macht man bis maximal 7 Bit und da braucht es schon 0,1% 
Widerstände.

Peter D. schrieb:
> und da braucht es schon 0,1%
> Widerstände.

Und die feste Hoffnung, dass die Ausgangstreiber im Chip natuerlich auch 
alle keine oder genau definierte, gleiche Innenwiderstaende haben und 
deren Ausgangsspannung natuerlich auch keine weiteren relevanten 
Stoerungen ueber die Spannungsversorgung ausgibt...
Naja, die Hoffnung driftet, rauscht und schwingt zuletzt ;-)

Gruss
WK

Wolfgang schrieb:
> Hans-Georg L. schrieb:
>> Bei 750Khz kannst du noch 4fach oversamplen das wären dann 15Bit.
> Das reduziert nur das Rauschen und liefert ein Bit mehr Auflösung, wenn
> das Wandlerergebnis ausreichend rauscht, erhöht aber nicht die
> Genauigkeit.

Du hast gelesen das dies ein 16 Bit Wandler und weisst was ENOB ist ?

>750kS/s benötige ich, damit ich schnell (~100us) einregeln kann, damit
>die Selbsterwärmung des DUTs möglichst gering bleibt.

Das mit der Selbsterwärmung ist interessant. Wird die Kennlinie dann bei 
verschiedenen Temperaturen aufgenommen? Im späteren Betrieb wird die 
Diode ja dann auch abhängig vom Strom erwärmt.

Hier im Forum gab es ja mal jemand, der den Transistortester entwickelt 
hat. Ich bin immer wieder höchst erstaunt, wie genau der ist und was der 
alles kann ( C,R,L C und L auch mit Serienersatzschaltbild ).

Deshalb könnte ich mir gut vorstellen, dass man das Kennlinienproblem 
auch mit einem Atmega328 lösen könnte.

Hier mein erster Versuch mit einem Arduino Uno und 6 x 
Hühnerfutterbauelementen. Das Ding muss man vielleicht noch etwas 
kalibrieren ...

>Oh man, wie schön sieht denn Deine Kennlinie aus! Wie hast Du das so
>schön glatt bekommen? Oder warum habe ich so viel Rauschen drin?

Hmm ... die 1N5819 Kennlinie wäre gar nicht so glatt, wenn man reinzoomt 
...
Ich habe über 20 Werte gemittelt, aber verwende auch keinen DAC, der 
Rauschen erzeugen könnte.

>Benutzt Du dann PWM statt DAC?

Nein, das würde wahrscheinlich auch Störungen erzeugen.

Zufälligerweise habe ich vor kurzem ein paar ADS1115 ADCs ( 16Bit ) 
bestellt und für die gibt's einen Arduino Treiber.
Tatsächlich sehen die Kurven damit noch ein wenig besser als mit den 
internen 10Bit des Arduino Uno aus.

Christoph M. verrät uns bis jetzt nicht, wie er das gemacht hat. Also, 
es bleibt spannend, bleiben Sie dran!
Kutte

Paul M. schrieb:
> Das ganze soll übriges ein Geburtstagsgeschenk für meine Frau werden,
> damit sie ihre Kennlinien von Dioden und Transistoren bei verschiedenen
> Temperaturen automatisiert aufnehmen kann.

Der 1. April ist aber schon seit ner Weile vorbei... ;-)

Wo bitte wird denn da der Messstrom geregelt? Das was Du da misst ist 
kein Rauschen sondern einfach das Stromgewackel von deinem Fet.

Die Schutzdioden an den Ausgängen der OPs sind auch kontraproduktiv. 
Z-Dioden haben keine scharfe Kennlinie bei den kleinen Spannungen. Die 
verfälschen Dein Ergebniss zusätzlich.

Paul M. schrieb:
> Mark B. schrieb:
>> Der 1. April ist aber schon seit ner Weile vorbei... ;-)
>
> Das ist auch kein Scherz, ich habe Glück mit meiner Frau und wir basteln
> beide gerne. Auch das gibt es!

Mag sein. Dann betrachte Dich als glücklich :-)

Zur Lösung Deines Problems brauchst Du aber sehr wahrscheinlich keine 
A/D oder D/A-Wandler mit 16 Bit Auflösung... sondern einen vernünftigen 
Messaufbau ohne Störeinflüsse. Sonst misst Du nur die Störungen noch 
genauer und für teuer Geld. ;-)

Wer viel misst, misst viel Mist!

Wie bist Du auf die Anforderungen an die Abtastzeit gekommen?

Meiner Meinung nach bringt es nicht wirklich viel, schnell zu messen, 
weil man nichts über die Diodenfläche ( die dürfte sehr klein sein ) und 
über die punktuelle Erwärmung dort sagen kann.
Im Betrieb hängt dann die Kennlinie immer vom Strom und der daraus 
folgenden schnellen Erwärmung ab.
Die eigentliche Temperatur auf dem Silizium setzt sich dann aus der 
Eigenerwärmung und der Wärmeabfuhr an die Umgebung zusammen.

Mich würde mal interessieren, wie die Hersteller die Diodenkennlinien 
messen ( unter zeitlichen Randbedingungen ).

Habe mal etwas ähnliches gebaut und da hat es funktioniert.

Hallo,

nun endlich ein Foto vom Aufbau.
Außerdem habe ich die Dioden an den OpAmp-Ausgängen abgezwickt. Leider 
hat auch das keinerlei Verbesserung gebracht. Mir gehen die Ideen aus... 
was könnte ich denn noch versuchen?

Stefan ⛄ F. schrieb:
> Eigentlich wollte ich den Verlauf sämtlicher GND Leitungen sehen.

Na dann lade ich doch einfach das Layout hoch. Das GND-Net ist 
gehighlightet.

Paul schrieb:
> Am
> besten 14 oder 16 Bit.

bist du sicher mit 12-14 Bit umgehen zu kömnnen?
16bit umfasst schon mal runter bis 30µV bei maximal 2V signal.
Solche Forderungen nach 14-16 bit findet man öfter aber kaum jemanden 
der damit umgehen kann!
Dazu sind die meisten Versorgungsspannungen und Leiterbahnführungen oder 
die Verkabelung mit allen Impedanzen zu dilettantisch aufgebaut!

Christoph M. schrieb:
> Mich würde mal interessieren, wie die Hersteller die Diodenkennlinien
> messen ( unter zeitlichen Randbedingungen ).

Gar nicht.

Die messen 1 oder 2 markante Kennwerte, und der Rest wird durch eine 
schnelle Hand eines begabten Bleistifthalters dazwischengezogen, 
'interpoliert'.

Michael B. schrieb:
> Die messen 1 oder 2 markante Kennwerte, und der Rest wird durch eine
> schnelle Hand eines begabten Bleistifthalters dazwischengezogen,
> 'interpoliert'.

Quark, es gibt Kurvenlineale!
https://images0.gerstaecker.de/out/pictures/generated/1500_1500/pboxx-pixelboxx-2564338/STANDARDGRAPH+Kurvenlineal.jpg

Hallo nochmals,

zu später Stunde hatte ich die Idee, den noch unbenutzten ADC3-Eingang 
doch einfach mal direkt auf dem STM32-Nucleo-Board mit GND 
kurzzuschließen und währenddessen die Messung durchzuführen.

Anbei das Resultat: die rote Kurve zeigt den ADC2 der den Strom durch 
das DUT gemessen hat. Die blaue Kurve zeigt den ADC3, dessen Eingang 
nach GND kurzgeschlossen war. Wie man sieht, bekomme ich trotzdem Peaks, 
die bis zu ADC-Rohwert = 8 hoch reichen. Woran kann das liegen? Probleme 
mit Vref oder AGND auf dem Nucleo-Board? Hat jemand Tipps für mich, was 
ich noch probieren könnte?

Paul M. schrieb:
> Wie man sieht, bekomme ich trotzdem Peaks,
> die bis zu ADC-Rohwert = 8 hoch reichen.

Das sind doch nur die letzten 3 Bits die wackeln. Nimm mal viele (z. B. 
2^14) Werte am Stück auf und mach davon
- eine FFT
- ein Histogram.
(Oder poste hier eine z. B. CSV Datei mit vielen Werten und ich erstelle 
FFT/Histogram.)

Paul M. schrieb:
> Woran kann das liegen?

Da gibt es sehr viele Möglichkeiten.
Wie hast du den Eingang mit Masse verbunden? Ein langer Draht kann 
Rauschen einfangen.
Wie hast du AGND und DGND beschaltet? Ist das eine ordentliche 
Spannungsreferenz (welche?) mit einem schön großen Kondensator dran?

Paul M. schrieb:
> Probleme mit Vref oder AGND auf dem Nucleo-Board?

Ja genau, das kann beides sein. Tatsächlich eine hohe Genauigkeit zu 
erreichen ist gar nicht so einfach.

Ich vermute das wird mit einem ADC in einem uC sehr schwer werden. 
Verwende da lieber einen externen ADC mit ordentlicher Referenz, 
gefilterter Versorgung und einem möglichst jitterarmen Abtasttakt.

Was ich noch nicht ganz verstehe ist wieso du eine so hohe Genauigkeit 
brauchst/haben willst.

Gustl B. schrieb:
> Ich vermute das wird mit einem ADC in einem uC sehr schwer werden.

deswegen werden die auch selten sein, ein guter ADC hochauflösend und 
genau verträgt sich schlecht mit µC.

Was ich schrieb:

Joachim B. schrieb:
> bist du sicher mit 12-14 Bit umgehen zu kömnnen?

Ich hatte im industriellen Umfeld schon Schwierigkeiten -60dB zu messen 
(Kosten fast egal) und der TO will ja noch weiter aber günstiger runter.

>Christoph M. schrieb:
>> Mich würde mal interessieren, wie die Hersteller die Diodenkennlinien
>> messen ( unter zeitlichen Randbedingungen ).

>Gar nicht.

>Die messen 1 oder 2 markante Kennwerte, und der Rest wird durch eine
>schnelle Hand eines begabten Bleistifthalters dazwischengezogen,
>'interpoliert'.

Wer weiß, am Ende könntest Du noch Recht haben.

https://de.wikipedia.org/wiki/Shockley-Gleichung

Wenn ich's richtig sehe, sind da nur zwei variable Parameter in der 
Gleichung: Der Emissionskoeffizient und der Sättigungssperrstrom.

Gustl B. schrieb:
> Paul M. schrieb:
>> Wie man sieht, bekomme ich trotzdem Peaks,
>> die bis zu ADC-Rohwert = 8 hoch reichen.
>
> Das sind doch nur die letzten 3 Bits die wackeln. Nimm mal viele (z. B.
> 2^14) Werte am Stück auf und mach davon
> - eine FFT
> - ein Histogram.
> (Oder poste hier eine z. B. CSV Datei mit vielen Werten und ich erstelle
> FFT/Histogram.)
>
Vielen Dank für Dein Angebot und die Hilfe. Im Anhang ist die CSV-Datei 
mit 2^14 Werten. Die Samplerate war 1MSps. Der ADC-Eingang war direkt 
(mit so kurzem Draht wie möglich) mit GND kurzgeschlossen.

> Paul M. schrieb:
>> Woran kann das liegen?
>
> Da gibt es sehr viele Möglichkeiten.
> Wie hast du den Eingang mit Masse verbunden? Ein langer Draht kann
> Rauschen einfangen.
> Wie hast du AGND und DGND beschaltet? Ist das eine ordentliche
> Spannungsreferenz (welche?) mit einem schön großen Kondensator dran?
>
Da habe ich ganz auf ST vertraut. Es ist die Standardschaltung auf dem 
Nucleo-Board, siehe Schaltplan von ST anbei.

> Paul M. schrieb:
>> Probleme mit Vref oder AGND auf dem Nucleo-Board?
>
> Ja genau, das kann beides sein. Tatsächlich eine hohe Genauigkeit zu
> erreichen ist gar nicht so einfach.
Ja, das habe ich nun gelernt. Macht es Sinn, ein Design mit externem 
DAC/ADC anzugehen?

>
> Ich vermute das wird mit einem ADC in einem uC sehr schwer werden.
> Verwende da lieber einen externen ADC mit ordentlicher Referenz,
> gefilterter Versorgung und einem möglichst jitterarmen Abtasttakt.
>
Ok, mache mich daran.

> Was ich noch nicht ganz verstehe ist wieso du eine so hohe Genauigkeit
> brauchst/haben willst.
Muss es nicht unbedingt sein, aber ich möchte die Kennlinien ja noch bis 
ca. 50V aufnehmen... und 50V / 2^12 = 12mV, naja, stimmt, auch das wäre 
ja ok. Also genügen wohl doch 12Bit, aber das Rauschen (das ja jetzt 
schon mit dem 12Bit ADC da ist, es wird mit mehr Bit ja nicht weniger), 
stört. Das werde ich daher zuerst angehen und wenn ich dann doch noch 
mehr Auflösung benötige, mache ich mich an ein weiteres Design mit 16Bit 
DAC und ADC extern.

Paul M. schrieb:
> Andreas M. schrieb:
>> Wo bitte wird denn da der Messstrom geregelt? Das was Du da misst ist
>> kein Rauschen sondern einfach das Stromgewackel von deinem Fet.
>>
> Geregelt wird im Mikrocontroller. Über die ADCs wird ja Strom und
> Spannung erfasst und mit dem DAC gebe ich entsprechende Spannung über
> den OpAmp auf das Gate. Die Regelung funktioniert ziemlich gut, ich
> erreiche den Sollwert. Das Problem ist dann nur, dass die mit dem ADC
> gemessene Spannung und Strom um den Sollwert herum so stark rauschen....

Wie hast Du das geprüft, dass dein Sollwert stabil ist? Hast du mal mit
einem Oszi und AC Kopplung mit kleinem Messbereich draufgeschaut? Ich
verstehe nicht warum Du überhaupt per Software regelst. Wenn da eh schon
nen OP am FET ist. Der könnte das auch direkt viel genauer regeln.

Ich glaube eh das da was schwingt. Die ganzen Kapazitäten, der FET
ohne wirkliche Gegenkopplung und auf der Drain-Seite
eine nichtlineare Diode die gemessen werden soll.

Hast du mal eine Messung mit einem einfachen Widerstand gemacht?

Paul M. schrieb:
> Der ADC-Eingang war direkt
> (mit so kurzem Draht wie möglich) mit GND kurzgeschlossen.

Das sieht doch auch ganz gut aus. Ja, es gibt Rauschen, aber das gibt es 
immer. Das Histogramm zeigt deutlich, dass die Häufigkeit der höheren 
Werte ziemlich selten ist.

Paul M. schrieb:
> Macht es Sinn, ein Design mit externem DAC/ADC anzugehen?

Das kommt drauf an zu was du bereit bist und was du erreichen möchtest.

Paul M. schrieb:
> Das werde ich daher zuerst angehen und wenn ich dann doch noch
> mehr Auflösung benötige, mache ich mich an ein weiteres Design mit 16Bit
> DAC und ADC extern.

Naja, da gibt es Grenzen. 16 Bits ADCs haben selten eine ENOB von 16 
Bits. Da kannst du Aufwand treiben wie du willst.

Du verwendest hier 1 MSps als Abtastrate, welche Freuanz hat denn das 
Signal das du angucken möchtest? Mit 1 MSps fängst du dir vielleicht 
deutlich höherfrequentes Rauschen ein als seien müsste. Da könnte dann 
auch ein Tiefpassfilter in Software helfen oder analog vor dem ADC.

Hallo zusammen,

vielen Dank für die vielen Tipps, vor allem an Gustl für das Anfertigen 
der FFT.
Ich habe mich nun so entschieden, eine Platine mit externen DACs und 
ADCs zu machen. Ich melde mich dann wieder, mit dem was dabei 
rausgekommen ist.

Andreas M. schrieb:
> Wie hast Du das geprüft, dass dein Sollwert stabil ist? Hast du mal mit
> einem Oszi und AC Kopplung mit kleinem Messbereich draufgeschaut?

Genau so. Zum einen mit dem Oszi in kleinstem Messbereich (AC-Kopplung) 
aber auch in dem ich die DAC-Samples "mit geloggt" habe und man sieht, 
dass der DAC eine konstante Spannung/konstanter Wert ausgibt.

In meiner ersten Version früher, habe ich analog geregelt. Ging auch 
ganz gut, der Sollwert kam über ein Poti und später über einen DAC.
Da ich nun aber mit ADCs messen möchte, wirst ja im Mikrocontroller 
sowieso der Istwert schon erfasst. Deshalb ist es praktisch, die 
Regelschleife im Mikrocontroller zu schließen.

Paul M. schrieb:
> Genau so. Zum einen mit dem Oszi in kleinstem Messbereich (AC-Kopplung)
> aber auch in dem ich die DAC-Samples "mit geloggt" habe und man sieht,
> dass der DAC eine konstante Spannung/konstanter Wert ausgibt.

Es geht nicht um den DAC. Es geht um das was an dem Prüfling anliegt. 
Also:
1) Prüfling anschließen

2) Das Program im UC einen festen Stromwert regeln lassen. (Aufgrund 
deines Diagramms gehe ich davon aus, dass Du den Strom regelst)

3) In diesem Zustand mit dem Oszi an den Prüfling und Messen.

Hallo,

nach langem Basteln geht es nun weiter.
Habe eine Platine mit ADS8681 ADCs und AD5062 DACs gemacht und zwischen 
Mikrocontroller-Board (immer noch das Nucleo-Board) und die 
Leistungselektronikplatine gebaut.

Die ADCs rauschen damit noch ungefähr um 5 ADC-Rohwerte. (von Minumum zu 
Maximum). Die Kennlinie wird damit schon ganz ansehlich, siehe Anhang 
(Achsenskalierung stimmt noch nicht, aber das bekomme sogar ich hin).

Ich nehme also an, dass die ADCs/DACs im Mikrocontroller einfach durch 
zu viele Störungen (vielleicht aus dem Mikrocontroller selbst oder auf 
dem Nucleo-Board) für diese Anwendung ungeeignet sind.

Ein paar Kleinigkeiten sind noch zu tun und alles muss dann noch in ein 
schönes Gehäuse eingebaut werden, damit ich es meiner Frau schenken 
kann.

Vielen Dank nochmals an alle für die Tipps.

c-hater schrieb:
>> Die ADCs rauschen damit noch ungefähr um 5 ADC-Rohwerte.
>
> Das wäre ein wirklich sehr, sehr gutes Ergebnis.
>
> Die Frage ist: eher Zufall oder wirklich das Ergebnis eines bewussten
> und kompetenten Design-Prozesses?...

Habe 3 Wochen Urlaub genommen und mich intensiv damit beschäftigt. 
Außerdem habe ich etwas mehr Erfahrung als meine Posts hier vermuten 
lassen, da habe ich den falschen Eindruck hinterlassen. Es hat aber 
trotzdem zwei Iterationen (also zwei mal Platinen bestellen) 
gebraucht....

c-hater schrieb:
> Paul M. schrieb:
>
>> Die ADCs rauschen damit noch ungefähr um 5 ADC-Rohwerte.
>
> Das wäre ein wirklich sehr, sehr gutes Ergebnis.

stimme absolut zu, das ist wirklich gut!

Paul M. schrieb:
> Außerdem habe ich etwas mehr Erfahrung als meine Posts hier vermuten
> lassen,

da wage ich nicht zu widersprechen, trotzdem danke für die Rückmeldung!