Ich habe ein Projekt zugeteilt bekommen, in dem es um Messwerterfassung
geht.
8 differentielle 16-bit ADC sollen diverse Daten von Sensoren aus
unserem Labor dauerhaft auslesen und an einen Raspberry senden. Die
Sensoren halten sich an industrielle Standards und liefern
typischerweise 0-10V (manche auch 4...20mA, das muss ich ebenfalls noch
beachten).
Ich bin mir darüber im klaren, dass 16bit-AD-Wandlung kein leichtes
Spiel ist, aber das ist die Mindestanforderung, 18-bit wären theoretisch
besser.
Worum es mir eigentlich geht:
Ich habe nun einige Herstellerseiten abgesucht und auch den ein oder
anderen ADC gefunden, der einen Eingangsbereich bis 10V besitzt, aber
die haben alle irgendwelche anderen Nachteile, wie z.B. nur
Single-Ended-Kanäle.
Ich habe mir nun den ADS1115 rausgesucht, da er mit I2C leicht
anzusprechen ist. Davon würde ich 4 Stück für 8 differentielle Kanäle
anschließen.
Aber da er eine Vref von nur 4,096V besitzt, muss ich die
Eingangsspannung herunterteilen. Und darauf bezieht sich meine
eigentliche Frage: Wie sehr muss ich da bei einem Spannungsteiler
aufpassen? Wie stark ist das Rauschen, das ich mir mit
Metallschichtwiderständen im Bereich um 10k einhandeln würde? Würde
diese meine genauen Messungen bereits ad absurdum führen?
Viele Grüße
EGSler
EGSler schrieb:> Aber da er eine Vref von nur 4,096V besitzt, muss ich die> Eingangsspannung herunterteilen. Und darauf bezieht sich meine> eigentliche Frage: Wie sehr muss ich da bei einem Spannungsteiler> aufpassen? Wie stark ist das Rauschen, das ich mir mit> Metallschichtwiderständen im Bereich um 10k einhandeln würde? Würde> diese meine genauen Messungen bereits ad absurdum führen?
10k-Widerstände haben ein Rauschen von etwa 13 nV/Wurzel(Hz).
Bei einem Messintervall von 20 ms (um 50 Hz-Störungen zu verringern),
gäbe das eine mittlere Rauschspannung von etwa 92 nV. Also sehr weit
unter dem Wert für ein Digit von 62,5 µV.
Gruß
S. E. schrieb:> Wenn 16-bit sicher funktionieren sollen, dann vielleicht besser was> fertiges?
Nunja, es existiert bereits eine professionelle (und entsprechend teure)
Lösung von NI.
Ich bin als Student dort am Arbeiten und dieses Projekt soll künftig
irgendwann mal eine Ergänzung darstellen, die kostengünstig einfach auf
Verdacht hin bei jedem Experiment angebracht werden kann, obwohl man
nicht davon ausgeht, dort irgendwas bestimmtes zu messen.
Ich vermute mal, dass es vorrangig darum geht, dass ich ein Projekt
habe^^ ;)
@Joachim
Ah, danke für deine Rechnung, dann kann ich ja einfach einen
Spannungsteiler verwenden.
Das fällt mir ja erst jetzt auf: Das Rauschen ist da gar nicht das
Problem.
Viel schwieriger ist es einen Spannungsteiler zu konstruieren, der mir
die hohe Genauigkeit von 16bit nicht kaputt macht!
Ich hab mal nach integrierten Präzisions-Spannungsteilern gesucht, aber
außer Megatron nicht viel gefunden. Und bei denen habe ich keine
Bezugsquelle ausmachen können, ich weiß nicht, ob die nur nach Auftrag
fertigen...?
Eine Möglichkeit wäre noch, 0,1% Widerstände aus einer Charge zu kaufen
und die dann bestmöglich zu selektieren. Damit komme ich den benötigten
~0,01% Genauigkeit wohl schon gut nahe ;)
EGSler schrieb:> Viel schwieriger ist es einen Spannungsteiler zu konstruieren, der mir> die hohe Genauigkeit von 16bit nicht kaputt macht!
Das Schlagwort heisst: Kalibrieren!
Messkette komplett aufbauen und dann mit entsprechenden
Kalibrier-Equipment Verstärkung und Offset für alle Kanäle einstellen.
Die 16 Bit Auflösung (nicht Genauigkeit!) ist wohl auch eher akademisch,
in Real Life sind 14 Bit eigentlich ausreichend.
Thomas Forster schrieb:> Messkette komplett aufbauen und dann mit entsprechenden> Kalibrier-Equipment Verstärkung und Offset für alle Kanäle einstellen.
Du meinst Softwareseitig?
Ja, das wäre tatächlich noch ein guter Plan, das werde ich direkt mal
mit aufnehmen.
Aber wäre natürlich schon sinnvoll, das ganze System so auszulegen, dass
da wenig kalibriert werden muss.
Wie langzeitstabil sind denn eigentlich Spindeltrimmer? Damit könnte ich
den Widerstand ja auch noch genau einjustieren!
EGSler schrieb:> Wie langzeitstabil sind denn eigentlich Spindeltrimmer? Damit könnte ich> den Widerstand ja auch noch genau einjustieren!
Für eine Feinjustage durchaus möglich. Wir haben in den letzten JAhren
einiges an messtechnik eingekauft. Kein Gerät verwendet noch diskrete
Bauteile zum Abgleich. Das macht man alles in Software.
Ok... ich werde einfach mal beides testen.
In Hardware, weil es schön einfach ist. Und dann wage ich mich an eine
Softwarelösung ran, weil das scheinber so seine Vorteile mit sich bringt
;)
Thomas Forster schrieb:> Kein Gerät verwendet noch diskrete> Bauteile zum Abgleich.
für Einzelstücke wie sich sie baue geht das aber, normal MF 1%er als
Teiler und durch parallelschalten am oberen oder unteren Teiler R von
größeren Widerständen genau hintrimmen.
EGSler schrieb:> Und dann wage ich mich an eine> Softwarelösung ran, weil das scheinber so seine Vorteile mit sich bringt
mache ich auch oft, die Kette sollte ja linear sein, alos nimmt man 2
Messpunkte, einen oben, einen unten und setzt die Gradengleichung im MC
ein
y = m * x + b
wobei m = dx/dy und b durch Nullstellenermittlung eingesetzt wird.
dann gibt es zu jedem Digitalwert die Spannung.
wer es noch genauer braucht macht eben eine Tabelle zu jedem Digitalwert
die Spannung gemessen eintragen, der MC muss dann nur noch indizieren.
EGSler schrieb:> Das fällt mir ja erst jetzt auf: Das Rauschen ist da gar nicht das> Problem.> Viel schwieriger ist es einen Spannungsteiler zu konstruieren, der mir> die hohe Genauigkeit von 16bit nicht kaputt macht!> Ich hab mal nach integrierten Präzisions-Spannungsteilern gesucht, aber> außer Megatron nicht viel gefunden. Und bei denen habe ich keine> Bezugsquelle ausmachen können, ich weiß nicht, ob die nur nach Auftrag> fertigen...?>> Eine Möglichkeit wäre noch, 0,1% Widerstände aus einer Charge zu kaufen> und die dann bestmöglich zu selektieren. Damit komme ich den benötigten> ~0,01% Genauigkeit wohl schon gut nahe ;)
Widerstände bzw. fertige Spannungsteiler/Netzwerke gäbe es u.a. von
Vishay
http://www.vishaypg.com/foil-resistors/voltage-dividers-networks/
Wenn es auf die absoluten Werte nicht so ankommt, gibt es von Linear die
LT5400-Reihe http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/5400fb.pdf
(Verhältnis der Widerstände +-0.01% max., Drift des Verhältnisses +-0.2
ppm/°C typ. +-1 ppm/°C max.). Noch stabiler wird es nur noch mit den
(hermetisch geschlossenen) Widerständen von Vishay.
> Wie langzeitstabil sind denn eigentlich Spindeltrimmer? Damit könnte ich> den Widerstand ja auch noch genau einjustieren!
Kommt drauf an wie die eingesetzt werden... Trimmer haben immer,
zumindest verglichen mit den oben genannten
Widerständen/Widerstandsnetzwerken, eine drastisch schlechtere Langzeit-
und Temperaturdrift und ebenso Drift durch Luftfeuchtigkeit etc. pp.
Eine Möglichkeit für den ADC wäre im übrigen noch der AD7609, der die
Anforderungen u.U. schon von sich aus schafft.
http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD7609.pdf
noch genauer wird es wenn der Temperaturgang mit aufgenommen wird, oder
die Teiler und Bauteile vorgeheizt auf einer Temperatur gehalten werden
die über der Raumtemperatur liegen, möglichst auf gute Wärmespeicher,
Kupferplatte z.B.
Arc Net schrieb:> Eine Möglichkeit für den ADC wäre im übrigen noch der AD7609, der die> Anforderungen u.U. schon von sich aus schafft.> http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD7609.pdf
Der bietet tasächlich einige Vorteile, sieht aber auch erstmal sehr
komplex aus. Leider hat er kein I2C, aber SPI wird vermutlich auch nicht
viel schwieriger werden. Zumal ich mit diesem ADC nur ein einziges
Bauteil ansteuern muss, sodass auch der Nachteil der dritten Leitung für
Chip-Select nicht ins Gewicht fällt (bzw. ich die Leitung theoretisch
sogar über einen Pullup hochziehen könnte. Wobei das vermutlich aufgrund
der eingeschränkten Flexibilität für später eine blöde Idee wäre...).
Ja, den werde ich auch nochmal genauer in Augenschein nehmen.
Joachim B. schrieb:> noch genauer wird es wenn der Temperaturgang mit aufgenommen wird, oder> die Teiler und Bauteile vorgeheizt auf einer Temperatur gehalten werden> die über der Raumtemperatur liegen, möglichst auf gute Wärmespeicher,> Kupferplatte z.B.
Was bei 16-Bit und halbwegs guten Widerständen hier sehr wahrscheinlich
nicht notwendig ist.
1/65536 ~ 15 ppm des ADCs (ohne dessen Fehler) vs. < 0.2 ppm/°C oder
besser der Widerstände. Da das fertige Gerät wahrscheinlich nicht
außerhalb des Bereichs 10 °C - 40 °C betrieben werden wird, wäre der
Fehler durch die Widerstände bspw. 15°C * 0.2 ppm/°C = +-3 ppm.
Interessanter wird es da die restlichen Fehler der Spannungsreferenz und
des ADCs im Rahmen zu halten. Was natürlich einfacher wird, wenn gleich
alles auf konstanter Temperatur gehalten wird.
Ein wenig sonderbar ist das Datenblatt von dem AD7609 aber, da sind
immer mal so kleine Unstimmigkeiten, die mich stutzen lassen.
Im Anhang ist mal ein Ausschnitt: Sie schreiben von einem keramischen
Kondensator, zeichnen aber einen Gepolten ein.
In einer anderen Darstellung haben alle ADs einen 100nF Cap, während
einer einen 0.1µF Cap besitzt oO
Verwirrende Art der Bezeichnung...^^
EGSler schrieb:> Im Anhang ist mal ein Ausschnitt: Sie schreiben von einem keramischen> Kondensator, zeichnen aber einen Gepolten ein.
10µF gepolt für REF out
> In einer anderen Darstellung haben alle ADs einen 100nF Cap, während> einer einen 0.1µF Cap besitzt oO
100nF für REF in und 0,1µ sind 100nF nix was mich stören würde
> Verwirrende Art der Bezeichnung...^^
finde ich nicht oder sagen wir so, finde ich nicht schlimm.
Joachim B. schrieb:> 10µF gepolt für REF out
Ja, im Text steht aber ceramic ;)
Mir ist schon klar, dass 100n und 0,1µ das Gleiche sind, daher ja meine
Verwunderung^^
Aber du hast schon Recht, ist nichts schlimmes. Ich musste nur stutzen.
EGSler schrieb:> Mir ist schon klar, dass 100n und 0,1µ das Gleiche sind, daher ja meine> Verwunderung
mache ich auch häufig 100nF = normale Bauform, 0,1u dann Sonderbauform.
Einen preiswerten 2:1 Spannungsteiler mit Stabilität im ppm-Bereich läßt
sich einfach mit einem halben LTC1043 (+ LTC1050/LTC2057 als Buffer)
aufbauen. Ein nachgeschalteter LTC2400 hätte dann 24 Bit Auflösung. (Ok
nicht ganz: es bleiben bei sorgfältigem Aufbau 19 rauschfreie Bits
übrig).
Ein MAX4051/CD4051 multiplext die 8 Kanäle.
Wenn man es auf die Spitze treiben will:
Eine LM399 als stabile 7V Referenz die dann über einen 2. LTC1043 Faktor
3/4 heruntergeteilt wird. -> 5.2V Referenz und bis zu 10.4V Meßbereich
wenn man den ADC und die Logik mit 5.2V versorgt.
Gruß Anja
Ach so ja:
Die 2. Hälfte des LTC1043 und einen weiteren MAX4051/CD4051 dann für die
differentielle Abtastung.
Ich gehe mal nicht davon aus daß die Sensoren mit großen
Massedifferenzen behaftet sind.
Gruß Anja
Anja schrieb:> Ach so ja:>> Die 2. Hälfte des LTC1043 und einen weiteren MAX4051/CD4051 dann für die> differentielle Abtastung.> Ich gehe mal nicht davon aus daß die Sensoren mit großen> Massedifferenzen behaftet sind.>> Gruß Anja
Wer weiß, was da alles läuft... Die Anforderung 16-Bit besser 18-Bit ADC
zur Digitalisierung von 0-10 V, 4-20 mA Signalen aus Messwertumwandlern
ist eigentlich normalerweise Overkill.
Hallo,
auch ich meine, dass ist so ein typischer Fall von konfus formulierten
Anforderungen.
Da hatte man evtl. mal eine Lösung mit 12 Bit, die auf Grund gruseliger
Komponenten und schlechtem Aufbau nur 8 Bit Genauigkeit brachte und die
Schlussfolgerung ist dann: Wir brauchen 16 Bit???
Welche Sensorik mit popligen analaogen Standardinterfaes hat denn
überhaupt eine Genauigkeit, die deutlich über 10 Bit geht???
Selbst wenn man die 16 Bit dann hat, ist das kein Garant für hohe
Genauigkeit. Das muß dann auch sehr sicher funktionieren un darf von
äußeren Störungen nicht beeinflußt werden.
Deutlich höhere Auflösung kann sinnvoll sein, um sich z.B.
Messbereichumschaltungen zu sparen, aber sonst scheinen mir 16 Bit auch
nur akademisch.
> Eine Möglichkeit wäre noch, 0,1% Widerstände aus einer Charge zu kaufen> und die dann bestmöglich zu selektieren. Damit komme ich den benötigten> ~0,01% Genauigkeit wohl schon gut nahe ;)
Nein, damit bekommst du eben nur ca. 0,1%.
Relevant ist dann eher noch der TK (Temperaturkoeff.) und Älterung.
Der übliche TK von 0,1%-R ist TK25 bis TK15.
Mit TK25 und 5K Temp.diff bist du auch schon über die 0,1% Toleranz
Und auf Einstellregler jeder Art sollte man dann sowieso verzichten.
Die sind eine hochgradige Fehlerquelle und haben deutlich schlechter
Difteigenschaften als hochpräsise Festwiderstände.
Um mögliche Ungenauigkeiten und auch Alterung auszugleichen, macht
softwaremäßige Regression in Verbindung mit Kalibrierung immer Sinn.
Aber das wurde ja schon merhfach betont.
Gruß Elektronika
U. M. schrieb:>> Eine Möglichkeit wäre noch, 0,1% Widerstände aus einer Charge zu kaufen>> und die dann bestmöglich zu selektieren. Damit komme ich den benötigten>> ~0,01% Genauigkeit wohl schon gut nahe ;)> Nein, damit bekommst du eben nur ca. 0,1%.> Relevant ist dann eher noch der TK (Temperaturkoeff.) und Älterung.> Der übliche TK von 0,1%-R ist TK25 bis TK15.> Mit TK25 und 5K Temp.diff bist du auch schon über die 0,1% Toleranz
Selektion auf 0.01% vor oder nach dem Löten?
Wenn man die "billigen" 0.1% Metallfillm (MPR) von Reichelt (YAGEO)
nimmt driften die beim Löten bereits um bis zu 0.25%.
0.1% sind 1000 ppm -> es sind 40K Temperaturdifferenz bei TK25 der MPR
0.1% Widerstände für nochmal 0.1% Temperaturdrift.
Über Lebensdauer (Load Life) kommen dann nochmal 1,5% Drift dazu.
http://www.reichelt.de/Metall-0-1-1-0-k-Ohm-91-k-Ohm/MPR-1-00K/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=3104&ARTICLE=12751&SEARCH=mpr&OFFSET=16&WKID=0&;
Die bereits erwähnten Spannungsteiler (z.B. DSMZ) haben im Idealfall 2
Widerstände auf demselben Substrat. Da hofft man dann daß sich die
Effekte teilweise wieder kompensieren. Wobei die 0.1ppm/K "typ tracking"
im Datenblat (Werbebroschüre) wohl eher optimistisch sind. Die 0.5-1
ppm/K die als Max-Wert angegeben sind sind wahrscheinlich realistischer.
Gruß Anja
Anja schrieb:> Selektion auf 0.01% vor oder nach dem Löten?> Wenn man die "billigen" 0.1% Metallfillm (MPR) von Reichelt (YAGEO)> nimmt driften die beim Löten bereits um bis zu 0.25%.
guter Einwand, es bleibt immer noch die Möglichkeit das im MC zu
kompensieren durch Korrektur.
U. M. schrieb:> Und auf Einstellregler jeder Art sollte man dann sowieso verzichten.> Die sind eine hochgradige Fehlerquelle und haben deutlich schlechter> Difteigenschaften als hochpräsise Festwiderstände.
sag ich auch immer, die meisten Fehler kommen von Trimmer deswegen
gleiche ich mit Festwiderstände ab.
