Hallo,
ich habe eine eher grundlegende ADC Frage. Und zwar möchte ich auf sagen
wir mal 100µV stabil eine DC Spannung messen. Es reicht, wenn ich alle
2-3s einen Messwert bekomme. Der analoge Part sieht auch soweit gut aus
und mit einem Multimeter und großer Integrationszeit (100NPLC) bekomme
ich auch die gewünschten Ergebnisse.
Wenn man sich die OPAMP Ausgangsspannung Spektral ansieht, dann ist die
Schaltfrequenz des OPAMPs deutlich sichtbar (ca. 8kHz und viele
Oberwellen). Die Amplitude bei 8KHz liegt bei etwa -30dBm.
Daher meine Frage: Welchen Wandler verwendet man hier am besten? Das
Multimeter macht ja ein Multislope-Verfahren und stört sich daher nicht
an den 8kHz. Schnelle Wandler mit SAR oder ähnlichem machen hier sicher
Probleme. Wie schneiden hier Delta-Sigma Wandler ab? Die meisten werben
ja mit kurzen Messzeiten, aber eigentlich hätte ich es viel lieber, wenn
möglichst lange integriert wird. Ich hätte gerne ca. 16bit Auflösung
(nicht Genauigkeit).
Welcher Delta-Sigma-Wandler?
Welche Messrate bzw. sollen die Werte danach gemittelt und/oder
gefiltert werden?
Genereller: Die meisten DS-Wandler nutzen Sinc-Filter (oder
Kombinationen aus diesen, hin und wieder auch mit FIR-Filtern
kombiniert) d.h. je nach Messrate/Wandler filtern die bei 8 kHz von
wenig bis stark genug und es kann daher ein einfacher Tiefpass hinter
dem/den OpAmp/s reichen oder ganz darauf verzichtet werden oder es
wird/muss (Bandbreite des Analogteils vor dem ADC?) schnell genug
gewandelt und alles in Software gefiltert (werden).
100 uV sind jetzt nicht gerade eine Herausforderung für aktuelle ADCs
d.h. da könnte je nach Eingangssignal und/oder Messprinzip auch ganz auf
OpAmps bzw. auf choppende vor dem Wandler verzichtet werden
Durch den Aufbau des Eingangs kann leider nicht auf den Chopper/Autozero
verzichtet werden. Die Verstärkung liegt bei ca. 1500, darauf möchte ich
hier aber auch gar nicht weiter eingehen.
Arc N. schrieb:> Welcher Delta-Sigma-Wandler?
Meine Frage war erst mal ob es überhaupt der richtige Wandler dafür ist.
Wenn ja, dann würde ich mich da umschauen. Bisher steht da noch nichts
fest.
> Welche Messrate bzw. sollen die Werte danach gemittelt und/oder> gefiltert werden?
Wie oben erwähnt, alle 2-3s ein Messwert. Ich würde diese Zeit aber halt
gern möglichst komplett für die Erfassung/Integration nutzen. Wenn ich
da mit einem schnellen Wandler ein paar Schnappschnüsse mache und diese
Mittel habe ich Angst vor Aliasing.
Arc N. schrieb:> 100 uV sind jetzt nicht gerade eine Herausforderung für aktuelle ADCs
Die 100µV machen mir da auch weniger sorgen als die paar mV peak peak
aus dem OPAMP
Sind "Chopper/Autozero" gefolgt von einem 08/14-A/D-Wandler würglich das
Gelbe vom Osterei?
Kommt mir ein bisschen vor wie, Mikrometerschraube auf rostiger
Oberfläche.
Amateur schrieb:> Sind "Chopper/Autozero" gefolgt von einem 08/14-A/D-Wandler würglich das> Gelbe vom Osterei?
Ist der LTC2400 08/15?
Und das eine hat doch nicht direkt etwas mit dem anderen zu tun.
Steffen schrieb:>> Welche Messrate bzw. sollen die Werte danach gemittelt und/oder>> gefiltert werden?> Wie oben erwähnt, alle 2-3s ein Messwert. Ich würde diese Zeit aber halt> gern möglichst komplett für die Erfassung/Integration nutzen. Wenn ich> da mit einem schnellen Wandler ein paar Schnappschnüsse mache und diese> Mittel habe ich Angst vor Aliasing.
Nicht ein paar Schnappschüsse, sondern bspw. mit einem SAR-ADC
kontinuierlich mit 10 kHz oder 100 kHz samplen und danach in Software
filtern.
Aliasing ist immer ein Problem, auch bei Delta-Sigma-Wandlern, wenn auch
nicht so kritisch wie bei anderen Wandlernarten siehe z.B.
https://e2e.ti.com/blogs_/b/precisionhub/archive/2015/10/02/the-delta-sigma-advantage-to-anti-aliasing-filters
oder
http://www.analog.com/library/analogDialogue/Anniversary/15.html> Die 100µV machen mir da auch weniger sorgen als die paar mV peak peak> aus dem OPAMP
mV p-p bei 1500-facher Verstärkung -> Signal irgendwo im uV oder
dreistelligen nV Bereich (ähnlich wie bei anspruchsvolleren
Thermoelementmessungen). Auch dazu würden DS-Wandler problemlos reichen.
Zum LTC2400: Der rauscht relativ stark (1.5 uV RMS oder 9.9 uV p-p)
ansonsten ist der in Bezug auf unkalibrierte Fehler, Drift und
Nicht-Linearität immer noch sehr gut
Die Sigma delta Wandler sind schon relativ gut in der Unterdrückung von
höherfrequenten Störungen. Ggf. sollte man aber auch da analog filtern
um wenigstens die hohen Frequenzen (z.B. > 100 kHz) weg zu bekommten.
Der LTC2400 ist schon relativ gut, aber im wesentlichen unipolar, also
für Spanmungen einer Polarität. Für bipolare Spannungen gibt es ähnliche
varianten, wie etwa LTC2410.
Wegen der Störungen kann man ggf. auch einen anderen AZ OP testen - da
gibt es schon noch Unterschiede in den Störungen.
Arc N. schrieb:>> Die 100µV machen mir da auch weniger sorgen als die paar mV peak peak>> aus dem OPAMP>> mV p-p bei 1500-facher Verstärkung -> Signal irgendwo im uV oder> dreistelligen nV Bereich (ähnlich wie bei anspruchsvolleren> Thermoelementmessungen). Auch dazu würden DS-Wandler problemlos reichen.
Die mV die ich da Ansprach sind vom choppen/Autozero, mein Messwert sind
die 100µV. Ich benötige bei der Messung außerdem einen Eingangsstrom im
einstelligen pA Bereich, darum habe ich nicht mal daran gedacht, einen
ADC dort direkt anzuschließen. Selbst die Auswahl an OPs wurde da schon
sehr sehr knapp. Zudem ist das ganze elektrisch sowie thermisch sehr gut
geschirmt und die Temperatur wird auch geregelt um einigermaßen stabile
Ergebnisse zu erhalten. Da würde ich dann ohnehin nur sehr ungern mit
Digitalsignalen rein gehen.
Aber wie auch schon erwähnt wollte ich den Analogteil auch gar nicht
diskutieren. Dieser läuft sehr schön und nun ging es darum auch die
Datenerfassung mit zu integrieren. Momentan macht das ein HP 34401A das
mit 100NPLC dann ja gut 2s lang integriert. Da machen die 8kHz dann
nichts mehr.
Wie schon gesagt so super hoch sind meine Anforderungen eigentlich auch
gar nicht. Ich möchte auf sagen wir mal +/-2V Bereich ca. 10µV Auflösung
haben, dass ganze sollte nur halt so stabil sein, dass es wirklich auf
etwa 100µV stehen bleibt. (Diese Specs gelten erstmal nur für den
Wandler nicht für die Kette). Oder sind meine Anforderungen doch größer
als ich gerade denke?
Ich hab mittlerweile einige Multimeterhandbücher angesehen und gesehen,
dass es zB 6,5 stellige Philips Tischmultmeter gibt (oder gab) die
einfach einen DualSlope Wandler hatten. Meint Ihr, dass dies evtl. ein
gangbarer Weg wäre oder wird es da dann doch sehr kniffelig die von mir
angestrebten Auflösungen und Empfindlichkeiten zu erreichen?
Wenn der Verstärker zu viel Störungen verursacht hilft ggf. ein Filter
zwischen Eingangsverstärker und AD Wandler. Als Anit Aliasing filter ist
der sowieso eine gute Idee. Im Prinzip passen da Sigma delta Wandler
schon gut, weil sie durchgängig integrieren. Die üblichen Dual Slope
Wandler integrieren das Signal nur für eine eher kleine Zeit (z.B. 1/4
der Wandlungszeit) und vergrößern so die effektive Rauschbandbreite,
wenn kein passender Antialiasing filter vorhanden ist.
Je nach AZ OP und Schaltung könnte ein Kondensator am Eingang nach Masse
die Störungen reduzieren. Normal sollten der AZ OP keine so großen
Störungen verursachen das es den ADC wirklich stört. Auch eine nicht so
hohe Verstärkung für den AZ OP kann helfen die Störungen zu reduzieren.
D.h. es wäre zu überlegen die 1500 fache Verstärkung auf z.B. 100 fach
für den Eingangsverstärker und dann 15 fach für einen 2. filternde Stufe
aufzuteilen.
Lurchi schrieb:> Je nach AZ OP und Schaltung könnte ein Kondensator am Eingang nach Masse> die Störungen reduzieren.
Den Schaltungsteil würde ich nur sehr ungern wieder anfassen. Probieren
kann ich es natürlich mal, aber wie gesagt Leckströme sind da ein großes
Problem.
Lurchi schrieb:> Auch eine nicht so> hohe Verstärkung für den AZ OP kann helfen die Störungen zu reduzieren.> D.h. es wäre zu überlegen die 1500 fache Verstärkung auf z.B. 100 fach> für den Eingangsverstärker und dann 15 fach für einen 2. filternde Stufe> aufzuteilen.
Hmm, das wäre ggf eine Möglichkeit einfach einen 2. Autozero OPAMP
hinterher zuschalten. Dieser hat dann ja auch nicht mehr die
Anforderungen mit dem Eingangsstrom.
Ist das choppen/autozero, das man am Ausgang so eines Autozero OPAMPS
noch sieht stark verstärkungsabhängig? Ich hatte gehofft, dass ich bei
meiner großen Verstärkung ohnehin keine Banbreite mehr für störende
Dinge übrig hätte ;)
Wie sich die Schaltstörungen am AZ OP verhalten ist je nach Type ggf.
etwas unterschiedlich. Von der Tendenz her hat man aber Störungen als
Eingangsstrom, d.h. bei einer sehr hochohmigen Quelle muss man mit mehr
Störungen Rechnen. Ein Kondensator (z.B. 100 pF) am Eingang kann da
schon einiges Ausmachen.
Die begrenzte GBW des OPs muss nicht zu weniger Störungen führen, dass
kann auch gut zu mehr Ströungen führen, weil der normale OP teil dann
die höherfrequenten Störungen nicht mehr so gut ausgleichen kann. Wenn
man an die GBW Grenze des OPs kommt, werden Störungen und Rauschen
späterer Stufen nicht mehr durch die Rückkopplung ausgeglichen - von
daher sind da also eher negative Effekte zu erwarten.
Was helfen könnte, wäre die Bandbreite des Verstärkers extern zu
begrenzen, durch den üblichen Kondensator parallel zum
Rückkopplungswiderstand. Damit hätte der Verstärker dann für höhere
Frequenzen (z.B. ab 100 Hz) dann weniger Verstärkung, der OP aber mehr
Rückkopplung.
Lurchi schrieb:> Was helfen könnte, wäre die Bandbreite des Verstärkers extern zu> begrenzen, durch den üblichen Kondensator parallel zum> Rückkopplungswiderstand. Damit hätte der Verstärker dann für höhere> Frequenzen (z.B. ab 100 Hz) dann weniger Verstärkung, der OP aber mehr> Rückkopplung.
Das habe ich auch gemacht mit einem kleinen FKP Kondensator. Ich werde
einfach mal ein wenig messen wie viel Leckstrom die Kondensatoren, die
man so bekommen kann so haben.
Stefan D. schrieb:> Welchen OPV hast Du denn eigentlich derzeit in Deinem Design vorgesehen?
Ich bin noch nicht sicher ob es beim AD8638 bleiben wird, aber momentan
ist er es.
@Steffen
Hiermit möchte ich mich in aller Form, bei Dir dafür entschuldigen, dass
meine hellseherischen Fähigkeiten mangelhaft sind.
Bis 1 Minute vor meinem Beitrag war an keiner Stelle (außer von Uwe) von
einem LTC24xx die Rede!
Deshalb kann ich auch meine Bemerkung zur Qualität der normalen
µP-Wandler nicht zurücknehmen.
@Amateur erwartest Du jetzt ernsthaft eine Diskussion zu dieser Osterei
Bemerkung?
Und wie im Thread ja schon erwähnt wurde ist es durchaus möglich, dass
man sehr hohe Ansprüche an den OPAMP haben kann ohne das es danach einen
super ADC bedarf. Und ich sehe da auch nicht wo ich gesagt haben soll,
dass ich einen 0815 ADC suche. Wenn mir das so egal wäre hätte ich wohl
kaum hier gefragt.
Zurück zum Thema:
Ich benötige einen bipolaren Eingang. Natürlich könnte man einen Offset
hinzufügen um mit einem unipolaren ADC zu messen, aber irgendwie macht
auch auch der bipolare Eingang einen Dual-Slope attraktiv. Ggf mit
schnellem Rampdown. Oder stelle ich mir das zu einfach vor mit
Dual-Slope an 14bit Genauigkeit zu kommen?
Die dual slope wandler sind eher nicht mehr so attraktiv. Man braucht
zum Wandler Chip in der Regel einen relativ großen guten Kondensator,
der oft die Linearitätsfehler dominiert mit einem PP Kondensator wird es
schon Anspruchsvoll die 14 Bit Genauigkeit zu ereichen. Man kann auf 14
Bit Auflösung / Genauigkeit kommen, aber die Auwahl an Chips ist
begrenzt (im wesentlichen ICL7135, ggf. noch max132). Die nur relativ
kurze Integrationszeit erfordert halt einen extra Anit aliasing Filter,
wenn man kein extra Rauschen haben will.
Sigma delta Wandler gibt es auch günstiger als den LTC2400. Da kann man
halt beim AA-Filter einiges sparen und man braucht keinen externen
Integrationskondensator. Es ist halt schon ein Unterschied wenn man den
ICL7135 mit 330 nF PP Kondensator mit einem MCP3421 (18 Bit SD Konverter
im SOT23-6) vergleicht.
Beim Dual-Slope dachte ich an etwas komplett selbstgemachtes zB mit
einem AVR. Da kann man dann ja in gewissen Grenzen die Zeiten bestimmen.
Der Preis ist hier nicht entscheidend, es sind Prototypen und da kommt
es beim ADC nicht auf 10€ mehr oder weniger an.
Steffen schrieb:> Ich benötige einen bipolaren Eingang. Natürlich könnte man einen Offset> hinzufügen um mit einem unipolaren ADC zu messen, aber irgendwie macht> auch auch der bipolare Eingang einen Dual-Slope attraktiv. Ggf mit> schnellem Rampdown. Oder stelle ich mir das zu einfach vor mit> Dual-Slope an 14bit Genauigkeit zu kommen?
Machbar ist viel. Die Frage ist nur, ob es auch gemacht werden sollte...
Mal ins blaue ein paar Delta-Sigma-Wandler mit bipolarem Eingang:
AD7175-2 Rail-Rail-Input-Buffer, +-2.5V, ist zwar ziemlicher Overkill,
dafür sehr flexibel: externer Takt möglich, um die internen Filter auf
die Störung abzustimmen, 5 Messungen/s bis 250k Messungen/s und damit
auch gut per Software (nach) zu filtern, Rauschen liegt zw. 70 nV RMS (5
M/s) bis 10 uV RMS (250k M/s). AD7176-2 wäre die Variante ohne interne
Input-Buffer.
ADS1248, +-2.5V, ebenso externer Takt möglich, interner PGA, Rauschen
zw. 50 nV RMS (5 M/s, Gain=128) und 32 uV RMS (2000 M/s, Gain=1)
LTC2442/LTC2440, zwar nicht von Haus aus bipolar, mögliche Schaltung ist
im Datenblatt des LTC2442 angegeben, ebenso externer Takt möglich,
mit/ohne internen OpAmps, Rauschen zw. 220 nV RMS (15 M/s) und 3.6 uV
(4k M/s)
Offsetdrift der ADCs: im Bereich 20 nV/°C bis 110 nV/°C und ist, ebenso
wie die Gaindrift, je nach Messschaltung (automatisch) korrigierbar
Steffen schrieb:> Ich bin noch nicht sicher ob es beim AD8638 bleiben wird, aber momentan> ist er es.
Wenn es ein Chopper mit externen Takteingang gewesen wäre, hätte man
sicherlich auch darüber nachdenken können den OPV und ADC zu
synchronisieren. Allerdings weiß ich nicht, wie häufig es moderne
Chopper OPVs mit Takteingang gibt. Bei älteren Modellen gab es so etwas
häufiger mal.
Einen Dual Slope Wandler diskret aufzubauen muss man sich nicht wirklich
antun, wenn es auch anders geht. Die Wander in 6 Stelligen DMMs, die
noch aus OPs 7 Schaltern aufgebaut sind, sind auch vom Aufbau her mehr
Sigma Delta Wandler als Dual Slope Wandler - wenn man nicht unbedingt
sub ppm Linearitätsfehler braucht, kann man aber auch gut Wandler ICs
nutzen.
Ein Dual Slope Wandler ist auch nicht weniger Empfindlich auf die
Störungen als ein SD wandler, sondern vielfach noch empfindlicher. Das
klasssiche Dual slope Prinzip ist einfach überholt, schon wegen des
benötigten relativ großen und anspruchvollen Integrationskondensators.
Wenn man mit einem kleinen µC unbedingt einen höher auflösenden Wandler
bauen will, dann geht das auch eher besser als eine Art
Sigma-Delta-Wandler - ich bin da auf gut 16 Bit Auflösung (Rauschlimit)
für 1 Wandlung pro Sekunden gekommen. Wirklich sinnvoll ist das aber
trotzdem nicht. Fertige Wandler sind da einfacher, besser, zuverlässiger
und sparsamer.
Ja ihr habt mich überzeugt :).
Vor allem de bipolaren ADCs die ArcNet genannt hat sehen sehr
interessant aus. Ich hatte bisher nur unipolare gefunden.
Vielen Dank ich bin schon sehr gespannt wie der Aufbau dann im Vergleich
zum 34401A abschneiden wird. Also weniger was die Auflösung angeht
sondern eher ob es Unterschiede in der Stabilität geben wird.
