Feldmühle A/D Wandler

Wie kommt man mit 8 Bit auf 1024?

Kannst du nicht dein zu messendes Signal verstärken? Wäre denke ich 
einfacher

>Mit einem 8Bit Wandler habe ich
>eine Auflösung von 1024 welches mir aber nur eine Auflösung von 14,6mV
>bringt.

Ne! Mit 8 bit kannst du die Zahlen von 0 - 255 darstellen. Du sprichst 
hier von 10 bit.


Eigentlich ganz einfach: Bei der von dir geforderten Auflösung kommst du 
mit Selbstbau und einlagigen Platinen nicht weit. Such weiter nach einer 
fertigen Lösung, wenn du die 16 bit brauchst und damit messen willst.

gruß jonas

P.S. Ich schau auch mal nebenbei, ob  ich noch ein Link finde...

BerndW: falsch  die Feldmühle gibt am Messausgang eine Gleichspannung 
aus...

Sorry mit den 8 bit meinte selbstverständlich 10Bit :-)

@anderer jonas :-) joa das war ja die frage, möchte ja auch wenn es geht 
den nicht selber bau, denn warum soll man ein Rad zweimal erfinden :-) 
Ich wollte eigentlich nur wissen ob ihr nicht irgendeinen kennt, den man 
dafür nehmen kann?

Lg jonas

Jonas schrieb:
> Ich wollte eigentlich nur wissen ob ihr nicht irgendeinen kennt, den man
> dafür nehmen kann?

Warum nimmst Du nicht irgend ein Digitalmultimeter mit USB oder 
RS232-Schnittstelle?
Also irgend eines aus der UT61-Serie oder das DM 620?

Gruß Anja

Wie sieht deine Front-End Elektronik überhaupt aus? Normalerweise müßte 
die doch schon einen Synchrongleichrichter mit Tiefpaß enthalten, so 
dass du eine Gleichspannung messen mußt. Wenn man das mit einem 
Mikrocontroller macht, kann man gleich noch einen umschaltbaren 
Verstärker (INA...) vorsehen, so dass man auch mit relativ wenig Bit 
Auflösung vom ADC eine ausreichende Meßdynamik zur Verfügung hat. Unter 
Gewitterwolken sind die µV sowieso uninteressant ;-)

Stand, bzw. stehe vor dem selben Problem.
Habe mir gedacht eine Meßbrücke zu bauen so das ich die Spannung auf 3 
Analogeingänge aufteilen kann, so kann ich dann dem Mikroprozessor eine 
Referenzspannung von 2 Volt vorgeben. Dann bleibt eine relativ kleine 
Einteilung...

@Michael: doch ist sehr interessant auch kleine Änderungen 
mitzubekommen, die Feldmühle läuft ja nicht nur wenn es gewittert ;)

@Anja: bitte nochmal nach oben scrollen und meinen Beitrag richtig 
lesen, denn ich benutzte bereit ein DMM mit USB-Schnittstelle (das 
gefällt mir aber nicht, weil es poplig ist)

@Silvio K.: Hier wird keine Wechselspannung gemessen...

Jonas schrieb:
> @Michael: doch ist sehr interessant auch kleine Änderungen
> mitzubekommen, die Feldmühle läuft ja nicht nur wenn es gewittert ;)

Darum ja eine automatische Meßbereichsumschaltung. Das erhöht die 
Dynamik für unterschiedlich "Wetterlagen", ohne hochauflösenden Wandler. 
Für einen Plot des Verlaufes sehen 8-Bit mit der Auflösung von 256 
Stufen schon ok aus, bei 10-bit sieht es richtig glatt aus, wenn der 
Rauschpegel nicht sowieso zu hoch ist. Hast du mal den 
Signal-Rauschabstand für den eigenlichen Sensor bestimmt, d.h. bei 
konstanter Feldstärke den Rauschpegel deines Signals analysiert? Es 
bringt nichts, wesentlich genauer zu messen.

Jeppa, das Problem ist, ich habe die Feldmühle selber geeicht.
Sprich ein Feld vorgegeben in einem definierten Abstand. Das hat sich 
allerdings nicht als einfach erwieser, da sich relativ viele Dinge sehr 
schnell steatisch aufladen. Dennoch habe ich dann Material genommen 
welches sich nicht stark aufläd. Dabei habe ich eine Feldstärke von 
1kV/m vorgegeben und das sind am Messausgang 10mV. Das Problem ist, je 
mehr Verstärker man reinhängt, desto mehr rauschen bekommt man. Das 
Rauschen jetzt beträgt ca. 1mV.

Bei Schönwetterlagen beträgt das Feld außerhalb ca. 300V/m ergo nach 
meiner Schaltung (Eichung) 3mV am Messausgang.

Das nächste Problem ist, dass im Aufzug von einem Gewitter man schon 
ziemlich früh entfernte Blitze mitbekommen, also durch relativ kleine 
Fledsprünge, sprich bei einer Feldstärke von 200V kann es schonmal 
kleine Feldsprünge von 300V/m geben, sprich von +200V auf -100V und dazu 
brauche ich schon die hohe Auflösung.

Und ich gehe mal nach dem Spruch "Je genauer desto besser" :-)

Lg Jonas

Jonas schrieb:
> Das Problem ist, je
> mehr Verstärker man reinhängt, desto mehr rauschen bekommt man.

Nein, das Rauschen (im Vergleich zum Signal) wird durch deinen Sensor 
und die erste Verstärkerstufe bestimmt. Dahinterliegende 
Verstärkerstufen heben Signal und Rauschen zusammen an, tragen aber 
selber nur unwesentlich zum Gesamtrauschen bei.

Jonas schrieb:
> Und ich gehe mal nach dem Spruch "Je genauer desto besser" :-)

Das ist Verschwendung von Resourcen.

Bei 1 mV Rauschen (entsprechend 100 V/m) und Quantisierung mit 0.5 mV 
wären mit einem 10-Bit Wandler noch Spitzen bis 50 kV/m meßbar.
Für Gewitter kenne ich Werte bis 10kV/m, so dass das locker hinhauen 
würde, solange man nicht die letzten µs der Feldmühle bei einem direkten 
Blitzeinschlag aufzeichnen möchte ;-)

Oder wie sieht bei deinem Standort die Dynamik der Meßsignale im 
Gewitter aus?

Hi Silvio: Das habe ich auch genommen, allerdings misst man trotzdem 
eine Gleichspannung und keine Wechselspannung. Es ist zwar eine in 
positiv bzw. negativ schwankende Gleichspannung aber immer noch 
Gleichspannung und keine Wechselspannung.

Hi Michael: Sicherlich sind Ausschläge bis 50kV/m durchaus erstmal 
ausreichend, allerdings wie oben schon beschrieben hat man wenn man es 
runterrechnet bei einem 10Bit Wandler nur 1024Möglichkeiten. Bei dem 
kompletten Messbereich, also +7,5V und -7,5V hat man trotzdem nur eine 
Genauigkeit von 14,7mV. Ich hingegen möchte gerne eine Möglichkeit die 
mir auch 1mV genau Auflösen kann!! Wenn mir die 10Bit ausreichen würden, 
dann könnte ich auch gleich mein Messgerät weiter nutzen, welches dann 
nämlich noch westenlich genauer wäre. Denn ich möchte keine Abstufung 
der Technik machen, sondern mehr und mehr eine Verbesserung.

Also ich habe unter Gewittern Schwankungen von bis zu +35kV/m und 
-35kV/m. Ich denke aber das geht noch höher, da der Standort meine EFM 
nicht sonderlich gut gewählt ist, desweiteren kommt dazu, dass die 
bisherigen Gewitter auch nicht besondern kräftig gewesen sind.

Lg Jonas

Eins noch zu Silvio, wenn man wirklich Wechselspannung messen würde, 
wozu dann die Lichtschranke, die für den gesteuerten Gleichrichter da 
ist? Macht ja irgendwo keinen Sinn. Also denn

Ich nehm mal an, er meint die Wechselspannug vor dem 
Synchrongleichrichter. Die kann natürlich noch verstärkt werden.

Wenn Dich das Rauschen stört, solltest Du mal die TL084 durch was 
Besseres ersetzen.

Ausserdem dürfte auf das Signal die Genauigkeit des 
Synchrongleichrichters erheblich Einfluss haben.

Also erstmal mit Oszi rausbekommen, ob das wirklich Rauschen der 
Verstärker oder eher Jitter durch die Mechanik (Motor, Unterbrecher, 
Lichtschranke, Synchrongleichrichter) ist.

Wenn Du das im Griff hast, kannst Du ganz einfach das Signal verstärken. 
Ich würde da eine Verstärker-Kaskade bauen mit 2 10x Verstärkern 
hintereinander. Dann greifst Du die Verstärkungen 1x, 10x und 100x ab 
und legst sie (mit Vorwiderstand 10k und Kondensator 10n) auf 3 
AD-Wandler-Eingänge. Die Eingänge fragst Du zyklisch ab, und wertest 
jeweils den Eingang mit dem höchsten Signal, das noch nicht in der 
Sättigung ist, aus.

Ohne den Gleichrichter wird das messen sehr schwierig, man hat so viele 
verschiedene Störungen in dem Signal, das das sicher nichts genaues 
wird.
Wollte auch die Signale direkt von der Feldmühle weiter verarbeiten, 
aber ich mußte feststellen, das das so nichts wird. Bin jetzt auf 4 
Verstärkerstufen und einem Syncrongleichrichter gekommen.
Das schlimmste sind jetzt noch die Störungen die ich durch das Netzteil 
bekomme, wenn ich die beiden Masse anschlüsse sauber trenne, messe ich 
im mV bereich, sobald ich die Masse der Spannungsversorgung mit auflege 
habe ich Oberschwingungen ohne Ende, und min. 2 V Störspannung...
Falts von euch jemand da einen Tip hat, nur her damit......

Jonas schrieb:
> dem kompletten Messbereich, also +7,5V und -7,5V hat man trotzdem
> nur eine Genauigkeit von 14,7mV.

Du schmeißt da Auflösung mit Genauigkeit in einen Topf.
In dem Störpegel eines Gewitters wird es dir nicht gelingen, das Signal 
vor lauter Rauschen so genau abzulesen.
Das Verhältnis von max. Signal zu deinem Rauschen auf dem Signal ist das 
Maß der Dinge. Und ich glaube kaum, dass das Rauschen auf deinem Signal 
im Gewitter unter den 14.7 mV liegt. Bei ruhigem Wetter kann die 
Verstärkung automatisch erhöht werden, so dass du insgesamt einen großen 
Dynamikbereich überstreichen kannst. Wenn du das mit einem µC steuerst, 
kann der anhand der gemessenen Werte selbst entscheiden, welcher 
Meßbereich ok ist.

Wie breit (=Rauschen) ist dein Signal im Gewitter im Vergleich zu den 
maximal auftretenden Feldstärkespitzen?

Für den Beitrag des OPs zum Rauschen, spielt die Bandbreite deines 
Detektors eine Rolle. Mit welcher Zeitkonstanten und welcher 
Signalfrequenz/Drehzahl arbeitet dein Sensor?

@Elou
Eine Direktmessung bekommt das Signalrauschen aus einem viel zu breiten 
Frequenzband. Beim Synchrongleichrichter kann man die Detektorbandbreite 
theoretisch über die Zeitkonstante des Tiefpaß beliebig reduzieren, 
wobei dem wegen der begrenzten Genauigkeit der Mechanik/Elektroden 
praktische Grenzen gesetzt sind und man natürlich auch eine geweisse 
Zeitauflösung für sein Signal haben möchte. Man kann 
Synchrongleichrichter und TP natürlich von der Hardware in eine DSP 
verlagern, aber das ändert nichts am Prinzip.

Also die Umdrehungszahl des Motor ist ca. 1600 Umdrehungen / Minute.

Das mit dem Rauschen in einem Gewitter habe ich noch nicht so 
kntrolliert, da wie gesagt der Standort auch nicht der beste ist und ich 
nicht weiß welches die höhste Auslenkung der Kurve ist.

Nochmals zu dem Soundkartenproblem, das wird auch nicht gehen, habe das 
auch schon ausprobiert... Man kann mit der SK nur max 2V Messen, alles 
was da drüber geht, kann dazu führen, dass die Soundkarte die Hufe hoch 
macht.

Naja meine Abtastrate liegt bei Gewittern bei 1Messwert / Sekunde, dies 
muss auch beibehalten werden, da man sonst keine "Blitze" sehen kann.

Zu dem Netzteil kann ich nur sagen, dass ich das selbstgebaute habe mit 
den ganzen Entstörkondensatoren drin und muss sagen, dass dies 
einwandfrei funktioniert.

Timm Thaler schrieb:
> Wenn Dich das Rauschen stört, solltest Du mal die TL084 durch was
> Besseres ersetzen.

Hast du da eine konkrete Empfehlung?
Um zu beurteilen, wieviel die OPs zum Rauschen beitragen, müßte man mehr 
über den Rauschpegel des Eingangssignals wissen und das zusammen mit der 
Detektorbandbreite in Relation zum äquivalenten Eingangsrauschen der OPs 
setzen. Da sollte man auf jedem Fall gucken, wie weit da bei ruhigem 
Wetter der OP zum Rauschen beiträgt.

Jonas schrieb:
> Also die Umdrehungszahl des Motor ist ca. 1600 Umdrehungen / Minute.

...also im elektronischen Sinn recht langsam.

> Nochmals zu dem Soundkartenproblem, das wird auch nicht gehen, habe das
> auch schon ausprobiert... Man kann mit der SK nur max 2V Messen, alles
> was da drüber geht, kann dazu führen, dass die Soundkarte die Hufe hoch
> macht.

Nun, da kann man ja problemlos einen Spannungsteiler vorschalten.
Den kann man auch mit Dioden versehen, die hohe Störspannungen
kurzschliessen. Da die SK zwei Kanäle hat, würde ich auch die
(Synchron-)Gleichrichtung im Computer machen. Der zweite Kanal
würde dann das Synchronsignal verarbeiten.
Gruss
Harald

Joa der muss aber so langsam drehen, laut Beschreibung

Silvio K. schrieb:
> Schmeckt die Soundkarte nicht doch ein bisschen? :-)

... und dann muß ewig die 1..x GHz-Kiste mit Millionen von Transistoren 
laufen, nur weil die Feldmühle eine Dauerregistrierung macht.

So ein S......sinn, mit Verlaub.

Matthias schrieb:
> Da sollte man auf jedem Fall gucken, wie weit da bei ruhigem
> Wetter der OP zum Rauschen beiträgt.

Du kannst die Mühle doch in einen Faradayschen Käfig packen, damit 
sollten sich äußere Störeinflüsse ausreichend unterdrücken lassen.

Timm Thaler schrieb:
> Du kannst die Mühle doch in einen Faradayschen Käfig packen, damit
> sollten sich äußere Störeinflüsse ausreichend unterdrücken lassen.

Um zu beurteilen, ob ein anderer OP vorteile hat, muß man erstmal alle 
Rauschquellen quantitativ kennen:
1. Rauschen Elektronik (evtl nach Datenblatt OP + Widerstandrauschen)
2. Rauschen durch Mechanik (Jitter), (Rest-)Störungen Motor/Versorgung
3. Rauschen durch atmosphärische Quellen

Wenn man 2. und 3. kennt, ist der Faraday-Käfig (geerdetes Abschirmblech 
über der Mühlenöffnung) sicher eine gute Möglichkeit um 1. isoliert zu 
erfassen. Für 2. ist wahrscheinlich direkt der Kalibrieraufbau 
verwendbar.
Gruß
Matthias

Misst man dann überhaupt noch was wenn man die darein packt? ich wage es 
ja zu bezweifeln...

Jonas schrieb:
> Misst man dann überhaupt noch was wenn man die darein packt? ich wage es
> ja zu bezweifeln...

Ich meine schon. Die Eingangsverstärker erzeugen ein bestimmtes 
Rauschspektrum, aus dem man alles bei den Frequenzen vom Vielfachen der 
Abtastfrequenz mit dem Synchrongleichrichter in den 0Hz-Bereich 
abbildet. Mit dem dahinter liegenden Tiefpaß schränkt man die Bandbreite 
ein, so dass von dem Rauschen immer noch ein Anteil proportional zur 
Bandbreite überbleibt.
Gruß
Matthias

Silvio K. schrieb:
> Ich habe meine Meinung nun auch genug kund getan und bleibe
> fortan passiv

Ich wollte dich nicht vertreiben, sorry.

Silvio K. schrieb:
> Der erste Verstärker ist, wenn er rauscharm ist und hohe Verstärkung
> hat, sehr wichtig. Siehe Friies-Formel.
Genau das ist der Punkt, das Rauschverhalten der ersten Stufe. Ein 
zweiter Punkt ist die nie perfekte Mechanik (Feldverzerrung durch 
Elektrodenform, ungleichmäßiger Motorenlauf, Jitter beim 
Referenzdetektor). Auch bei Verwendung der Soundkarte in 
Signalverarbeitung im PC käme man um diese Komponenten nicht drumrum. 
Und ich vermute, dass die Elektronik des Synchongleichrichters das 
kleinste Problem ist.

Jonas schrieb:
> Misst man dann überhaupt noch was wenn man die darein packt? ich wage es
> ja zu bezweifeln...

Dann zweifel doch. Alternativ kannst Du es auch ausprobieren...

Pack die Mühle in einen Faradayschen Käfig. Platziere über der Mühle im 
Käfig Deine Elektrode. Lege eine konstante Gleichspannung an. Schau Dir 
auf dem Oszi das Signal nach dem Synchrongleichrichter, vor dem Tiefpass 
an, am besten im Vergleich zum Signal vom Unterbrecher. Ist da Jitter 
drauf, musst Du den Unterbrecher bzw. dessen Auswertung verbessern.

Hast Du das optimiert, mach den Käfig feldfrei. Schau Dir die Nulllinie 
an. Ist da noch nennenswertes Rauschen, musst Du entweder besser sieben, 
d.h. besserer Tiefpass, Höhenbegrenzung der Eingangsverstärker oder 
bessere Eingangsverstärker verwenden.

Der 084 ist uralt, es gibt bessere, rauscharme OPVs mit geringerem 
Eingangsstrom. Ob es was bringt, musst Du mit obigen Tests rausfinden. 
Aber der beste OPV nützt nichts, wenn Dein Synchrongleichrichter nicht 
sauber getaktet wird, also fang damit an.

Solltest Du das nach dem Schaltplan 
http://www.hcrs.at/BILDER/FELDMU4.GIF aufgebaut haben, fallen mir 
spontan folgende Verbesserungen in aufsteigendem Nerdigkeitsgrad ein:

Unterbrecherauswertung:
- Spannungsteiler R11/R12 mit Poti ergänzen, durch die Schaltschwelle 
kann das Umschalten des Syn-GR auf den Unterbrecher angepasst werden
- Ausbau des Komparators U2D zum Schmitt-Trigger, durch eine Hysterese 
können + und -Schwelle des Syn-GR gegeneinander verschoben werden
- Einsatz eines richtigen Komparator-OPV statt des TL084
- Einsatz zweier Komperatoren mit logischer Verknüpfung zur getrennten 
Regelung von + und -Schwelle mit 2 Potis
=> Verbesserung der Synchrongleichrichtung

Motor:
- Stabilisierung der Motorspannung
- Drehzahlregelung des Motors mittels IxR-Regler
=> Verbesserung der Synchrongleichrichtung bei Spannungs- oder 
Temperaturschwankungen

Eingangsverstärker:
- Frequenzgang beschränken mit C über R8
- bessere OPVs
- direkt Instrumentenverstärker verwenden (INA...)
- umschaltbare Verstärkung an U1A / U1B mittels Doppelschalter, 
Reedrelais oder 4066
- umschaltbare Verstärkung an U2A oder Inst.verst.

Ausgangstiefpass:
- bessere Filterwirkung mit Sallen-Key-Filter

Hallo Timm Thaler,
deine Verbesserungsvorschläge sind sehr interessant. Einige davon 
bringen IMHO aber nicht viel, so dass man da sicher Prioritäten setzen 
muß.

Unterbrecher:
Für das Signal vom Unterbrecher ist die Symmetrie des Signals 
entscheident. Eine leichte Phasenverschiebung wirkt sich nur 
proportional zur Phasendifferenz auf die Signalamplitude und nicht auf 
den Signal/Rausch-Abstand aus. Damit ist sie nicht so kritisch.
Eine elektronischer Abgleich der Phase wäre nur sinnvoll, wenn es eine 
Überlappung der Einstellbereiche von mechanischer Justage für die 
Grobeinstellung und der Schaltschwellen für die Feineinstellung gäbe.
-> IMHO reicht es, eine Triggerschwelle einstellbar zu haben und auf 
Signalsymmetrie abzugleichen.

Motordrehzahl:
Für die Messung ist primär der Gleichlauf wichtig, der vermutlich auf 
Grund der Massenträgheit schon ganz gut ist, falls die Lager nicht 
"rumpeln". Ob die absolute Drehzahl in die Kalibrierung eingeht, ist mir 
nicht ganz klar. Ein echter Drehzahlregler ist darum vielleicht nicht so 
wichtig.

Deinen anderen Vorschlägen kann ich voll zustimmen. Bei den ersten 3 OPs 
fällt mir neben dem Rauschen noch die Offset-Spannung und -Drift als 
Kriterium ein.

Gruß
Matthias

Matthias schrieb:
> -> IMHO reicht es, eine Triggerschwelle einstellbar zu haben und auf
> Signalsymmetrie abzugleichen.

Yo, aber die Symmetrie sollte wirklich stimmen.

> nicht ganz klar. Ein echter Drehzahlregler ist darum vielleicht nicht so
> wichtig.

Yo, das ist der Nerdfaktor. Aber die Drehzahl sollte sich auf den 
Abgleich auswirken, da der Eingangswiderstand endlich ist. Also 
wenigstens spannungstabilisieren würde ich die.

> Deinen anderen Vorschlägen kann ich voll zustimmen. Bei den ersten 3 OPs
> fällt mir neben dem Rauschen noch die Offset-Spannung und -Drift als
> Kriterium ein.

Offset-Spannung und Drift sollte der Synchrongleichrichter rausnehmen, 
WENN das Tastverhältnis exakt ist.

Timm Thaler schrieb:
> Offset-Spannung und Drift sollte der Synchrongleichrichter rausnehmen,
> WENN das Tastverhältnis exakt ist.

Hast Recht, da hab' ich nicht zu Ende gedacht.

Für den Symmetrieabgleich des Referenzsignals könnte es gut sein, die 
Flanken des Detektorsignal mit einem leichten TP etwas abzuflachen, 
damit man durch verschieben der Triggerschwelle einen vernünftigen 
Einstellbereich überstreichen kann.

Solange die Symmetrie des Umschaltsignals am Gleichrichter 
sichergestellt ist, dürfte IMHO eine Unsymmetrie der Rotorflügel und 
damit des Meßsignals nur auf die Kalibierung durchschlagen und die 
Messung eigentlich nicht stören, oder?