DMS-Technik

Tom Steiner Gast 27.05.2006 10:22 #337580

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Hi Jungs, wir führen an der Uni im Werkstoff Labor gerade
Zugfestigkeitsversuche für verschiedene Werkstoffe durch. Als Sensor
dient ein Kraftaufnehmer, der unter Volllast ein Ausgangssignal von
30mV liefert (Wheatstonesche Messbrücke). Dieses Signal geht in einen
Messverstärker, der das ganze auf 150000dig auflöst. Würde so eine
Geschichte sehr gerne mal mit meinem AD-Board nachbauen, um zu sehen
wie viel schlechter die "Mikro Lösung" im Vergleich zu richtiger
prof. 19" Hardware wäre... Für mich stellt sich die Frage wie genau
man denn mit einem 24bit AD-Wandler real auflösen kann, ohne dass
störende Effekte wie Rauschen sich bemerkbar machen? Im Falle der
Messverstärker Lösung sind das nämlich 30mV/150000=0,2µV pro dig...

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Christian F. (fasti) 27.05.2006 10:37 #337581

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Hi!

Also meines Erachtens müssen die 30mV erst mal aufbereitet sprich
verstärkt werden, weil mir ist kein AD-Wandler bekannt, der bei 30mV
24 Bit auflöst. Grundsätzlich hat man bei 24Bit und 5V max. Eingang
0,2uV pro Schritt. Das schwierigste wird dabei das Boardlayout werden,
weil davon hängt die Qualität am meisten ab. Mit ordentlichem
Board-Layout denke ich sind gut 20-22 Bit drin, der Rest wird im
Rauschen untergehen. Ohne 4-Layer PCB wirds da aber schwierig werden
optimale Ergebnisse zu erzielen.

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Tom Steiner Gast 27.05.2006 10:49 #337582

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Hallo Christian, Danke für Deine Antwort! Ja, die - für den kleinsten
Schritt erforderlichen 0,2µV müssten erst einmal verstärkt werden -
könnte daher ein zusätzliches Prob. bzgl. Linearität geben. Kann mir
nur sehr schwer vorstellen, dass eine einfache Transistor
Verstärkerschaltung da ausreicht - Muss da wahrscheinlich auf OP´s
zurückgreifen, oder? Kannst Du mir bitte den Hintergrund bzgl. 4 Layer
PCB genauer erläutern? Danke und Gruß Tom

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schorschi Gast 27.05.2006 11:05 #337583

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Ich würde mir an deiner Stelle mal den MSC1210 von TI genauer anschauen,
ist ein 24Bit-Delta-Sigma ADC mit 8051-Mikrocontroller, der genau für
diese Anwendung gebaut wurde. Der hat nämlich auch gleich noch einen
PGA sowie einen Offset DAC drinnen.
Schau dir einfach mal die Application Sheets auf der TI-Seite an. Das
wäre dann eine 1-Chip-Komplettlösung, die noch nichtmal viel kostet.

Den Kompiler gibts auf www.wickenhaeuser.de, in den pdfs dazu findest
du auch noch viele Anregungen.

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Christian F. (fasti) 27.05.2006 11:13 #337584

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Hi!

Also ohne hochwertigen Instrumentenverstärker (gibts als fertige,
abgeglichene Bausteine zB: AD624) würde ich da nichts machen.
Da bei solchen Schaltungen die Spannungsversorgung und das EMV-Design
sehr wichtig ist würd ich das ganze mit 4-Layer Boards machen. Die
Spannungsversorgung und GND kommen dabei in die inneren Layer, außen
die Signalpfade mit Masseflächen zur besseren Abschirmung. Dabei ist zu
beachten, dass die Spannungsversorgung möglichst gut gefiltert wird und
die Versorgung vom Analogen und Digitalen Teil getrennt wird und nur an
einem Punkt zusammengeführt ist. Auch eine sternförmige Führung der
Versorgungsleitungen ist sicher nicht schlecht. Die Masseflächen auf
den beiden Signallayern möglichst oft auf den GND Layer
durchkontaktieren um einen Potentialausgleich zu machen.
Man kann das ganze eventuell auch als 2 Layer Board machen. Dabei ist
dann besonderes Augenmerk auf die Signalführung zu legen und den
AD-Wandler möglichst gut von der Analogen Seite zu trennen. Ist halt
alles eine Frage des Budgets

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Thomas S. Gast 27.05.2006 13:19 #337585

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Servus,

die Frage bei der ganzen Sache ist doch, wie genau überhaupt der Sensor
ist. 22 oder 24 Bit sind i.a. nicht so einfach verfügbar. Die
Delta-Sigma Wandler mit Vorverstärker drinne sind nicht die
schlechtesten. Vor allem ist eine hochauflösende Messung ohne
Berücksichtigung der Thermospannungen nicht so ganz der "Brüller".
Aber so 18-20 Bit lassen sich mit DC Erregung schon auflösen. Analog
Devices + Texas (z.Teil aus Burr Brown Zeiten) hat da einiges zu
bieten. Es ist eher dabei die Frage mit welcher Geschwindigkeit
gemessen werden soll.


Gruß Thomas

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Tom Steiner Gast 27.05.2006 13:55 #337586

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"Es ist eher dabei die Frage mit welcher Geschwindigkeit
gemessen werden soll"

Ja, ist ein sehr wichtiger Aspekt - Bittiefe vs. Geschwindigkeit!
Daher ~ 300 bis 500 Messungen die Sekunde. 18bit Auflösung sollten
schon ausreichend sein > 2^18=262144dig > 150000dig.

Habe auch schon nach Alternativen bzgl. Messprinzip gesucht und bin
auf:
http://www.acam.de/Content/Deutsch/picostrain/ps_perf_1.html
gestossen. Bin mir aber noch unschlüssig wie/ob ich die dargestellen
Messungen interpretieren soll...

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Tom Steiner Gast 27.05.2006 13:57 #337587

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Diese Picostrain Lösung geht bei höheren Abtastfrequenzen ganz schön in
die Knie ... Leider!

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Profi Gast 27.05.2006 17:02 #337588

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@Christian: bis Du auch in dieser Branche aktiv?

Wir entwickeln solche Verstärker professionell. Bei dieser Genauigkeit
ist das alles andere als trivial. Da steckt jahrelange Erfahrung
dahinter.
Die größten Probleme machen Temperatur und Luftfeuchtigkeit.
Die Platinen müssen penibel gereinigt werden, da Luftfeuchtigkeit und
Flussmittel schon störende Kriechströme ergeben.
Aber das ist noch wenig im Vergleich zur Temperaturdrift.
Offsetkorrektur ist unbedingt notwendig.
20-22 Bit ist illusorisch, mit allen gezogenen Registern
(Digitalfilter, e-Modul-Kompensation...) schaffen wir eine Genauigkeit
von 18 Bit (262144 Teile), das sind 25mg bei 6,5kg.
150000 Teile sind 17,19 Bit.

Den TI/BB MSC1210 (auf dem EVAL-Board) habe ich auch hier, da werde ich
demnächst mal Tests durchführen.
Empfohlene Bauteile:
TI/BB ADS1252 oder ähnliche aus dieser Serie

http://focus.ti.com/paramsearch/docs/parametricsearch.tsp?family=analog&familyId=500&uiTemplateId=NODE_STRY_PGE_T

Instrumentenverstärker aus der Serie INA:

http://focus.ti.com/paramsearch/docs/parametricsearch.tsp?family=analog&familyId=500&uiTemplateId=NODE_STRY_PGE_T

Seminar / Basiswissen
http://focus.ti.com/docs/training/catalog/events/event.jhtml?sku=SEM406005

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Egon Gast 27.05.2006 17:43 #337589

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Ich würde erst einmal untersuchen, welche Temperaturdrift der DMS-Sensor
hat. Alles andere ist zweitrangig.

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