Ich habe vor ein sehr kleines Eintonsignal bei ca. 10-40kHz bei starkem
Eingangsrauschen mit mehreren Filter und Verstärkerstufen zu
messen/detektieren. Hinter der Eingangsstufe sitz der AD630. Soll quasi
mal ein einfacher LockIn werden. Auf Grund noch nicht fertiger
Spezifikationen für den Messplatz was die Messfrequenz und
Signalamplitude angeht muss ich mit einfachen Angaben rechnen.
Kurz um habe ich erste Tests dem MAX410 gemacht, gefällt mir ganz gut
jedoch hat dieser einen kleinen Spannungsbereich und der starke
Rauschintergrund könnte mir auf Grund der hohen Verstärkung die OPV´s in
die Sättigung reiben. Was kann ich dagegen tun? Ich dachte an die Wahl
eines ähnlichen OPV mit weiterem Spannungsbereich, sodass ich meine
Signal bis vielleicht maximal 4V verstärke (wenn die maximale
Signalgröße bekannt ist) und die Luft nach oben zu den
Austeuerungsgrenzen für das verstärkte Rauschen vorhanden ist.
Weitere Möglichkeit ist ja schmaldbandig Bandpassfiltern wenn
Spezifikation und Frequenz fest stehen. richtig?
Nun hat eine kurze Suche ergeben dass +-15 OPV mit der Eigenschaft low
Offset bzw. rauscharm garnicht so leicht zu finden sind. Offsetabgleich
müsste auch noch möglich sein. Habt ihr ein IC parat? Oder ist die
Herangehensweise bezüglich Betriebsspannung des OPV hier völlig falsch?
Ich suche lediglich Hilfe, niemanden der mir Arbeit ab/wegnimmt.
Also wenn das Rauschen der Signalquelle so stark ist, dass es den OPV
übersteuert, dann ist es doch vollkommen egal welcher Tpy verwendet
wird. Einen rauscharmen OPV braucht man für ein großes
Signal/Rauschverhältnis, hier scheint es genau umgekehrt zu sein.
Maddin schrieb:> dass +-15 OPV mit der Eigenschaft low Offset bzw. rauscharm
Warum meinst du, einen rauscharmen OP zu brauchen, wenn dein
Eingangssignal sowieso schon verrauscht ist?
> Oder ist die Herangehensweise bezüglich Betriebsspannung des OPV hier> völlig falsch?
Ja, das ist eine Windmühle, die du dir selber aufgestellt hast:
Es ist letztlich doch egal, ob du dein Signal auf 1Vss oder auf 10Vss
verstärkst, der eigentliche Nutzwert bleibt gleich...
Mach einen Bandfilter in der ersten Stufe hin, der eine Guete von 100
oder so hat, das waeren dann noch 100-400Hz Bandbreite.
Bei einem Lockin muss man im AC Pfad nicht auf Volt gehen, milliVolt
gehen dabei auch.
ArnoR schrieb:> Also wenn das Rauschen der Signalquelle so stark ist, dass es den OPV> übersteuert, dann ist es doch vollkommen egal welcher Tpy verwendet> wird.
Genau aus disem Grund wil ich einen OPV nutzen der nicht mit +-5V
betrieben sondern mit +-15V betrieben wird, die Verstärkung bleibt dabei
die selbe, aber das Rauschen hat Platz sich innerhalb der +-15V
"breitzumachen" ohne den OPV zu übersteuern.
Lothar Miller schrieb:> Warum meinst du, einen rauscharmen OP zu brauchen, wenn dein> Eingangssignal sowieso schon verrauscht ist?
Mein Signal ist verrauscht ja. Bzw. sagen wir mal so, das Nutzsignal ist
nur sehr klein ;). Das ganze ist aber kein Probleme auf Grund der
typischen Arbeitsweise eines LockIn. Kurz gesagt interessiert mich nur
eine Frequenz im Signal, die restlichen Anteile sind mir egal, dürfen
die Einganstufen jedoch nie übersteuern.
Eine Bandpassfilterung am Eingang sollte aber trotzdem vorgenommen
werden. Und eben eine sehr große Verstärkung. Probleme für mich ist
einzig und allein der Vorverstärker. Ok streichen wir das rauscharm und
setzen dafür eine doppeltes Low-offset. Mitlerweile bin ich beim
Instrumentenverstärker und bis jetzt habe ich nur einen (INA111)
gefunden der eine Verstärkung von ca. 400 noch bei ca. 30kHz mitmacht.
Gruß
Maddin
Lothar Miller schrieb:> Ja, das ist eine Windmühle, die du dir selber aufgestellt hast:> Es ist letztlich doch egal, ob du dein Signal auf 1Vss oder auf 10Vss> verstärkst, der eigentliche Nutzwert bleibt gleich...
Azs diesem Grund sagte ich, ich verstärke mein Nutzsignal fest auf zb.
4V. Dazu muss ich natürlich wissen mit welcher maximalen Amplitude das
Nutzsignal reinkommt.
A...aha Soooo. schrieb:> Mach einen Bandfilter in der ersten Stufe hin, der eine Guete von 100> oder so hat, das waeren dann noch 100-400Hz Bandbreite.> Bei einem Lockin muss man im AC Pfad nicht auf Volt gehen, milliVolt> gehen dabei auch.
Bezüglich der Bandbreite wäre das natürlich super. Nur steht die
Sollfrequenz nicht fest. Deshalb muss der Bandpass breitbandiger
ausfallen, was natürlich mehr Rauschen einfängt. arg Ein hin und her.
Meinst du also in einer Stufe Verstärken und Filtern? Bis jetzt habe ich
das schön getrennt betrachtet. Verstärken -> Hochpass mit Verstärkung ->
Tiefpass mit Verstärkung -> LockIN
Maddin:
Du hast mich nicht verstanden. Wenn das Rauschen so stark ist wie du
sagst, ist der Typ des OPV gleichgültig, weil sein Eigenrauschen
praktisch nichts am Signal/Rauschabstand ändert. Das
Signal/Rauschverhältnis ist dann auch unabhängig vom Pegel bzw. der
Verstärkung.
ArnoR schrieb:> Du hast mich nicht verstanden. Wenn das Rauschen so stark ist wie du> sagst, ist der Typ des OPV gleichgültig, weil sein Eigenrauschen> praktisch nichts am Signal/Rauschabstand ändert. Das> Signal/Rauschverhältnis ist dann auch unabhängig vom Pegel bzw. der> Verstärkung.
Ich weiß nich ob ich dich wirklich verstanden habe. Deine Aussage: Wenn
mein Rauschen so stark ist, bringt ein rauscharmer OPV keine
Verbesserung des Signal/Rauschabstandes richtig? Es hört sich so an als
wäre es völlig gleichgültig was für Parameter mein OPV hat, was für mich
keinen Sinn macht.
Maddin schrieb
> Wenn mein Rauschen so stark ist, bringt ein rauscharmer OPV keine> Verbesserung des Signal/Rauschabstandes richtig?
Jetzt hast du es richtig verstanden. Verbessern kannst du die Situation,
wie schon gesagt wurde, durch ein schmalbandiges Filter vor dem
Verstärken. Ob ein rauscharmen OPV dann Sinn hat, ist vom dann
vorliegenden SIgnal/Rauschverhältnis abhängig. Ein Rauscharmer OPV
verringert das Rauschen nicht, er trägt nur nicht so viel dazu bei.
ArnoR schrieb:> Verbessern kannst du die Situation,> wie schon gesagt wurde, durch ein schmalbandiges Filter ...
Frage bleibt woher das Rauschen kommt und ob der Eingang besser
angepasst werden kann. Denn jeder nachfolgende Verstärker verstärkt auch
das Übel.
Maddin schrieb:> Eine Bandpassfilterung am Eingang sollte aber trotzdem vorgenommen> werden.
Genau , aber nicht trotzdem, sondern VOR ALLEM
> Und eben eine sehr große Verstärkung.
Aber erst NACH dem Filter
> Probleme für mich ist> einzig und allein der Vorverstärker. Ok streichen wir das rauscharm und> setzen dafür eine doppeltes Low-offset.
Wozu? Wenn dein Nutzsignal bei ca. 10kHz anfängt, dann ist es durchaus
üblich die einzelnen Verstärker- und Filterstufen AC zu koppeln ;)
Offsett Adee!
Große Verstärkungen mach man ja auch gerne mit mehreren Stufen damit
Offset und GBW klein bleiben. Die letzte Verstärkerstufe hat dann einen
Offsetabgleich (Automatisch oder per Trimmer)
Ich habe den Eindruck, dass soll alles mit einer einzigen OP-Stufe
erschlagen werden .... viel Spass.
Metabastler schrieb:> Ich habe den Eindruck, dass soll alles mit einer einzigen OP-Stufe> erschlagen werden .... viel Spass.
Wie ich geschrieben habe ist genau dies eben NICHT der Fall, viel mehr
bin ich beruhigt das es dazu einen größeren Aufwand erfordert.
Also. Wenn die Frequenz nicht genau feststeht, dann umso besser. Dann
mischt man das Nutzsignal auf zB 455kHz, und nimmt dort einen schmalen
Keramikfilter. zB einen mit 2kHz Breite. Dann mischt man wieder runter.
Zusaetzlich zum Lockin-oszillator benoetigt man dann noch einen
Oszillator fuer die differenzfrequenz zu 455.
> Bezüglich der Bandbreite wäre das natürlich super. Nur steht die> Sollfrequenz nicht fest. Deshalb muss der Bandpass breitbandiger> ausfallen, was natürlich mehr Rauschen einfängt. arg Ein hin und her.
Wenn Du einen LockIn-Verstärker machst, dass ist die Frequenz auf jeden
Fall bekannt; du brauchst also einen schmalbandigen, einstellbaren
Bandpass. Oder alternativ die angesprochene Lösung mit dem Mischer und
dem festen Bandpass.
Die professionellen Lock-ins gehen uebrigens auf 10.7MHz
Zwischenfrequenz, hoerte ich mal. Denn da gibt es wieder, dh wie bei
455kHz, guenstige, sehr steile Filter. Das 2kHz breite Filter bei 455kHz
kostet uebrigens nur um die 7 Euro.
Alternativ, koennte man sich switsched Capacitor filter anschauen, die
haben auch eine steuerbare Centerfrequenz. Aber mir scheint, wenn schon
einen zweiten Oszillator, dann kann man auch gleich mischen.
Johannes schrieb:> Wenn Du einen LockIn-Verstärker machst, dass ist die Frequenz auf jeden> Fall bekannt; du brauchst also einen schmalbandigen, einstellbaren> Bandpass. Oder alternativ die angesprochene Lösung mit dem Mischer und> dem festen Bandpass.
1.In wie fern einstellbar? Will man während der Laufzeit die
Filterbandbreite/Steilheit einstellen? Und warum?
2.Die Frequenz ist in dem Sinne nicht bekannt, da die
Messplatzanforderungen noch nicht feststehen. Ich muss also in dem Sinne
entwickeln, dass später im Layout leicht die Centerfrequenz des
Bandpasses angepasst werden kann oder eben einen breiten Filter bauen
damit die ganze Sache eben für einen weiten Bereich funktioniert. Ich
tendiere zu letzterem. Der genannte Bereich erstreckt sich übrigens von
10kHz bis ca 40kHz.
Ich verstehe noch nicht inwiefern eine Modulation/Mischen des Signals
vor der eigentlichen LockIn Modulation das Problem der variablen
Frequenz umgeht. Ok ich kann in einen Bereich mischen in dem gute Filter
möglich sind, aber die Differenzfrequenz um die es am Eingang geht liegt
doch dann auch auf der ZF Frequenz vor oder nicht?
Vergiss den breiten Filter. Das Rauschen kommt proportionl zur
Bandbreite, falls es weiss ist. Dh moeglichst kleine Bandbreite, sodass
aber die Dynamik des Systems noch gewaehrleistet ist. Falls das System
mit einer antwortzeit von 1 sekunde klarkommt, mach die Bandbreite des
Eingangsfilters auf 10Hz.
Ja man mischt von der Hackfrequenz auf eine ZF. Das Problem mit ganz
steilen analogen Filtern ist die Stabiltaet. zB ueber die Temperatur.
Man ist dann immer am Abgleichen.
Was das mischen bringt ? Das Rauschen ist nachher weg.
Bei einem stark verrauschen Signal sind die wichtigen Eigenschalften des
OPs der Eingangswiderstand, der Preis und ggf. die
Intermodulationsverzerrungen. Wirklich kritisch ist die Wahl da nicht.
Eine hoher Versorgungsspannung ist ggf. von Vorteil. Wenn man wirklich
mal ein kleines Signal hat, ist ein kleiner zur Signalquelle passender
Verstärker (z.B. 10 fach) direkt an der Signalquelle ohnhin die bessere
Wahl.
Die erste Stufe im Lockin wird meist nur eine geringe Verstärkung
bringen, im wesentlichen die niedrige Impedanz am Ausgang. Dann kommt
schon der Filter und danach gff. noch etwas Verstärkung. Bei eine stark
gestörten Signal will man auch am Multipizierer des Lockins oft noch
40-60 dB an Reserve habe. D.h. größer als etwa 1-100 mV muß das Signal
da noch gar nicht werden.
Der Filter am Eingang des Lockin ist eine zweischneidige Sache. Wenn der
Filter zu schmalbandig ist, kriegt man da leicht störende
Phasenverschiebungen. Außerdem ist ein Filter mit variabler Frequenz
(die der Signalfrequenz folgt) gar nicht so einfach aufzubauen. Wirklich
scharf muß der Filter in der Regel auch nicht sein. Für die Typischen
Störfrequenzen wie 50 Hz und 100 Hz kann man ggf auch noch einen extra
Notch vorsehen. Machmal reichen auch schon ein paar umschaltbare Filter
für z.B. jeweils eine Dekade.
Die Alternative ist es halt mit einer extra Zwischenfrequenz zu
arbeiten. Das Filter kann dann bei der festen relativ hohen
Zwischenfrequenz liegen. Der Weg ist dann so, dass man aus der
Referenzfrequenz (z.B. 10 kHz) und der ZF (z.B. 455 kHz) erstmal eine
Hilfsfrequenz (z.B. 445 kHz) erzeugt wird. Damit wird das Eingangssignal
gemischt um dann auf die ZF zu kommen. Die kann man dann filtern und
verstärken und schließlich noch einmal mit der ZF mischen um das
DC-Ausgangssignal zu bekommen. Im Idealfall muß man Teile dabei doppelt,
für 2 Phasenlagen ausführen, um keine Informationen zu verschenken und
so das Rauschen zu vergrößern.
Ein bisschen verstaerken ... Ich hatte mal eine Anwendung, da war die
Modulationsfrequenz 70kHz. Die Filterung geschah in der zweiten Stufe,
die erste war Impedanzwandler mit verstaerkung =10. Der Filter hatte
verstaerkung 10 im Durchlass und was 5kHz breit. Das war grad noch
machbar. Dann kamen zwei AC Stufen mit je verstaerkung 30. Also
verstaerkung = 90k bis da. Und dann gings auf den AD630. Dahinter kamen
dann milliVolt raus. Dann ging's auf einen Integrator. Der Regelkreis
hat auf Null geregelt.
Das war eine voll analoge Loesung. Heut wuer ich eher mischen und mit
einem controller steuern.
A...aha Soooo. schrieb:> Ein bisschen verstaerken ... Ich hatte mal eine Anwendung, da war die> Modulationsfrequenz 70kHz. Die Filterung geschah in der zweiten Stufe,> die erste war Impedanzwandler mit verstaerkung =10. Der Filter hatte> verstaerkung 10 im Durchlass und was 5kHz breit. Das war grad noch> machbar. Dann kamen zwei AC Stufen mit je verstaerkung 30. Also> verstaerkung = 90k bis da. Und dann gings auf den AD630. Dahinter kamen> dann milliVolt raus. Dann ging's auf einen Integrator. Der Regelkreis> hat auf Null geregelt.>> Das war eine voll analoge Loesung. Heut wuer ich eher mischen und mit> einem controller steuern.
Das entspricht so gut wie dem, was ich vorhatte.
Ich hab ein Problem.
Meine erste Stufe ist ein Instrumentenverstärker mit A=200.
Eingangssignal ist nen Sinus mit ca. 0.3mV Vpp. Diesen will ich nun
Verstärken und Bandpassfiltern. Für den Instrumentenverst. hab ich den
INA128 gewählt. Für den Bandpass hab ich nen NE5539 gehabt.
Ausgangsignal vom Verstärker sieht ohne den Bandpass ganz gut aus, mit
groben Offsetabgleich ca 2mV DC Anteil. Nun schalte ich den Bandpass
hinzu und das Ausgangsignal vom INA wird plötzlich verzerrt. Abhängig
von der Betriebsspannung wird von der unteren Halbwelle nen Stück
weggeschnitten. Die Verzerrung ist im Spektrum auch deutlich zu sehen.
Natürlich bin ich mit der Betriebspannung in den Grenzen beider IC´s!!
und das Signal ist ja mit A=100 auch nicht zu sehr verstärkt.
Das Ausgangssignal vom Bandpass sieht noch schlimmer aus, denn da
schwingt das Signal lustig an der oberen Betriebsspannung umher.
Für den Bandpass hab ich den NE5539 in der Mehrfachgegenkopplung
betrieben mit A=10 und Mittenfrequenz 20kHz. Breite des Filters hatte
ich zwischen 2,5kHz und 5kHz variert.
Des Weiteren habe ich schon öfter bemerkt, dass sich die Ausgangssignale
einzelner Verstärkerstufen verschieben wenn man eine weitere Stufe
hinten dranhängt. Warum ist das so? Belastung des Ausgangs zu groß?
Eigentlich habe ich immer auf genügend große Widerstände geachtet.
Gruß
Maddin
>Des Weiteren habe ich schon öfter bemerkt, dass sich die Ausgangssignale>einzelner Verstärkerstufen verschieben wenn man eine weitere Stufe>hinten dranhängt. Warum ist das so? Belastung des Ausgangs zu groß?>Eigentlich habe ich immer auf genügend große Widerstände geachtet.
Sind die Stufen DC-gekoppelt? Dann wird auch der Offset der OPV
entsprechend der eingestellten (Gleichspannungs)Verstärkung
mitverstärkt.
Wenn man es nicht unbedingt braucht,sollte man so schnelle OPs wie den
NE5539 vermeiden. Die haben zum einen oft einen relativ niederohmigen
Eingang und neigen zu HF Schwingungen (z.B: 100 MHz) - vor allem wenn
man keine gute Platine hat. Die HF Schwingungen können ggf. auch auf die
Stufen davor einkoppeln und dort stören. Je nach Oszilloskop sieht man
die Schwingungen auch nicht immer.
Für die Filterstufen usw. wären Audio OPs wie NE5534, NE5532, LM833 oder
ähnliche ausreichend.
Die Verstärkung der ersten Stufe sollte eigentlich nicht höher als etwa
10 sein, es sein denn man braucht wirklich eine sehr gute
Gleichtaktunterdrückung bei einem Differenzeingang. Die 10-fache
Verstärkung reicht aus, damit das Rauschen der nachfolgenden Stufen
nicht weiter ins Gewicht fällt. Weiter Verstärken kann man dann ggf.
nach dem Filter.
Ich verwende gerne die LT1128 oder LT1028, die haben zumindest
hinreichend Verstaerkungsbandbreite. Eine gute Leiterplatte ist
zwingend. Das letzte Mal hat ich sowas auf ner 2 Lagigen. Ich wuerd aber
diesmal mit einer Vierlagigen kommen, da man dabei spart. Das Layouten
wird kuerzer.
Ulrich schrieb:> Wenn man es nicht unbedingt braucht,sollte man so schnelle OPs wie den> NE5539 vermeiden.
Ich hatte diesen gewählt, weil ein aktiver Bandpass mit
Mehrfachgegenkopplung laut Tietze-Schenk, bei der Resonanzfrequenz noch
viel Differenzverstärkung gegenüber 2Q^2 übrig haben muss. Deshalb
dachte ich, nehm ich einen Schnellen. Ich werd mir die genannten OPV´s
mal anschauen.
Das mein bisheriger Testaufbau (Steckbrett) alles andere als Optimal
ist, muss ich mal vernachlässigen. Nur habe ich keine Zeit eine
Leiterplatte zu routen/fertigen. Durch Terminfristen bin ich gewzungen
in ultrakurzer Zeit eine Bauteiliste fertig zu stellen, damit mir das
Geld nicht flöten geht. Ich muss mich also damit begnügen die Bauteile
bei Bestellung nur unter schlechten Bedingungen getasten zu haben. Keine
rosigen Vorraussetzungen...
Aber nochmal zum DC-Koppeln. Mein Bandpass hatte eine DC Verstärkung von
ca. 10. Dann komme ich auf 10*2mV was den OPV ja nicht in die Bedrängnis
bringen sollte.
Beim AC-Koppeln wie gehe ich da vor? Muss ich den an Masse hängenden
Eingang des OPV´s antkopplen? Also z.B. ein kleinen R und mit
fg=1/(2piRC) ein C in Reihe bestimmen die ich dann zwischen Masse und
den Pin setze? Ich hab ja bis jetz nur ein Bandpass, das sollte doch eh
kein DC Anteil rauskommen, mal abgesehen von dem maximalen Offset laut
Datenblatt.
Den NE5539 auf dem Steckbrett stabil zu kriegen ist schon eine Kunst.
Nicht umsonst wird da im Datenblatt empfohlen keinen Sockel zu nutzen.
Die meisten der OPs sind Pinkompatibel den LT1028 (gut, aber teuer),
NE5534 und die meisten 1 fach OPs kann man so einfach auch später noch
tauschen. Da gleiche gilt für 2 fach OPs.
Bei den Schnelleren OPs sollte der Aufbau nicht zu hochohmig werden.
Gerade beim Steckbrett hat man da schnell 5-10 pF an zusätzlicher
Kapazität.
Bei einem Lockinverstärker ist ein hohes Q beim Filter oft nicht gut -
das gibt dann eine relativ stark Frequenzabhängige Phase. Auch wenn die
Frequenz sehr stabil ist, bleibt die erhöhte Drift bei der Phase, denn
die Teile des Filters werden auch etwas Temperaturabhängig sein. Lieber
ein kleines Q (z.B. 1-3) und dafür einen Filter 4 ter Ordnung.
Am Mixer (z.B. AD630) kann man noch etwa 40 dB (Faktor 100 bei der
Amplitude) an Reserve nach oben lassen, solange man keine sehr hohen
Anforderungen an die Stabilität hat. Da darf dann die Bandbreite für die
Störungen einiges größer sein als die für das Signal, ohne das man viel
verliert. Für 1 Hz Bandbreite am Ausgang sind dann 10 kHz Bandbreite vor
dem Mixer noch keine Problem.
Wenn man am Filter ausgang 20 mV oder auch 100 mV an Offset hat ist das
meist kein Problem. Der Bandpaßt sollte ja schon eine AC Kopplung haben
- ganz niedrige Frequenzen sollten ja unterdrückt werden, und das reicht
auch. Man muß nur ggf. weitere Verstärkerstufen auch so auslegen das
man keine DC Verstärkung hat, sondern erst ab z.B. 10 Hz oder 1 kHz.
Nur die Stufe direkt vor dem AD630 sollte ggf. wenig Offset (und Drift)
haben, wenn man nicht gleich da einen AC Kopplung zum AD630 nehmen kann.
AC Kopplung bedeutet einen Kondenser in Serie zum Signal. Zusammen mit
der Eingangsimpedanz der naechsten Stufe ergibt das einen Hochpass, der
die Kante bei omega = 1/RC hat.
Bis hier schon mal einen großen Dank an euch. Mir ist nun einiges klarer
bzw. habe ich ein klareres Ziel vor Augen!! Es ist auch mal gut von
Leuten zu hören die sich anscheinend mit der jeweilgen Anwendung um die
es geht, auskennen.
Da gibt es noch etwas. Bei der üblichen Filterrealisierung hat man oft
die Wahl zwischen Mehrfachgegenkopplung und Sallenkey-Struktur, bei der
ja kein Beinchem vom OPV an Masse hängt. Kann es sein, dass man sich
dadurch Offsets oder Rauschen an den jeweilgen Widerständen einfängt?
Offsets sind bei einem Bandfilter eher sekundaer. Ich bevorzuge Filter,
die von den Bauteilen her realisierbar sind, moeglichst ohne Pots. Die
Frequenz sollte passend mit der Guete stabil sein. Und das Q auch
irgendwie einstellbar. Ich rechne dafuer alle moeglichen Varianten, und
habe auf dem Layout mehrere Moeglichkeiten.
Meinen ersten Lock-in hatte ich auf einer Einschubstruktur,
Vorverstaerker, Filter, Oszillator, Schalter, alles auf Tochterplatinen
in eine gemeinsame Backplane.
