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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Potential 5 - 200 Vp (10 - 200Hz) auf konstant 5Vp


Autor: Axel Krüger (axel)
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Hallo : )

ich stehe vor einer für mich derzeit noch nicht lösbaren 
Aufgabenstellung))

Ich möchte das Signal eines Audioverstärkers an den Boxenklemmen 
abgreifen und es mit einem µC untersuchen (Clippinganzeige...) Zum teil 
treten an den Ausgangsklemmen hohe Spannungen auf und um die mit dem ADC 
auswerten zu können, muss ich die Amplitude auf max 5v begrenzen, da für 
mich ja nur die Kurvenform und nicht der pegel interessant ist.

Habt ihr Ideen?


Grus Axel

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Mit Spannungsteiler runterteilen und einen ADC entsprechend guter
Auflösung benutzen.  CDs können ja mit 16 bits auch eine gute
Dynamik ermöglichen.

Autor: gast (Gast)
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Hallo, wenn du nur Signale bis 200Hz messen willst (kannst) musst du 
noch einen Tiefpassfilter einbauen. Nyquist und Shannon beachten!

Autor: Axel Krüger (axel)
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Edit: der Verstärker begrenzt  den bereich bis auf 200 hz



ich habe ganz vergessen zu schreiben, das ich eigentlich vorhatte, Alles 
mit einem Atmega8 zumachen (Hab davon einige rumliegen)

das mit dem Spannungsteiler habe ich auch überlegt, (aber leider hat der 
Atmega 8 nur max. 10Bit Auflösung) - Wenn ich die Schaltung dann für 
max. 200 Vp auslege , dann hätte ich eine Auflösung von ca. 0,2 Volt - 
eigentlich etwas zu wenig :S

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Clipping findet doch nur im Bereich um die Betriebsspannung statt. Wieso 
interessiert dich dann der komplette Bereich von 5-200V?

PS: Früher hat man sowas analog gemacht: Ein Differenzverstärker der das 
Eingangs mit dem Ausgangssignal vergleicht, und sobald die Abweichung zu 
groß wird, ist der Verstärker in der Begrenzung, überlastet oder defekt.

Autor: Axel Krüger (axel)
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Ich möchte es im Car Hifi Bereich verwenden - Die Endstufen haben ja 
intern noch einen DC/DC Verstärker mit Spannungen an den Klemmen weit 
über 12 Volt   (Leistungen über 1 Kw)

Prinzipiell könnte man ja auch es so auswerten, wenn man weiss dass die 
maximale Ausgangsspannung z.b. xx Volt ist, wenn der Pegal 90 % von Ua 
max erreicht hat..  Allerdings müsste man das jedesmal bei jeder anderen 
endsufe neu justieren etc.

Bezüglich der Ein- und Ausgangsspannung vergleichen:  Tritt da nicht die 
Komplikation mit der Phasenverschiebung zwischen ein und ausgangssignal 
(falls vorhanden?) auf?

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Axel Küger wrote:
> (Leistungen über 1 Kw)

Willst du dein Auto auf Lautsprecherantrieb umbauen?

SCNR.

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Axel Küger wrote:
> Prinzipiell könnte man ja auch es so auswerten, wenn man weiss dass die
> maximale Ausgangsspannung z.b. xx Volt ist, wenn der Pegal 90 % von Ua
> max erreicht hat..  Allerdings müsste man das jedesmal bei jeder anderen
> endsufe neu justieren etc.

Wie willst du eigentlich das Clipping erkennen? Oder hast du ein festes 
Testsignal (z.B. einen 1kHz Sinus) und prüfst auf Oberwellen?

> Bezüglich der Ein- und Ausgangsspannung vergleichen:  Tritt da nicht die
> Komplikation mit der Phasenverschiebung zwischen ein und ausgangssignal
> (falls vorhanden?) auf?

Ja, spätestens wenn noch ein Tiefpassfilter oder ähnliches vorhanden 
ist.
Ich dachte du möchtest das ganze fest in eine Endstufe einbauen, dann 
funktioniert das nämlich wunderbar. Die Endstufe selbst (ohne 
Vorverstärker mit Equalizer usw.) sollte zumindest keine 
Phasenverschiebung verursachen.

Autor: Axel Krüger (axel)
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Jörg Wunsch wrote:
> Axel Küger wrote:
>> (Leistungen über 1 Kw)
>
> Willst du dein Auto auf Lautsprecherantrieb umbauen?
>
> SCNR.

Naja, ich mach es eher für einen Bekannten der viel mit soetwas hantiert 
und Wettbewerbsmäßig sowas macht - db-drag )))


Könnte man die Oberwellen nicht mit einem Kondensator glätten oder wäre 
es das selbe als wenn ich den an einem PWM - Signal hänge (Zerstörung 
wegen des hohen Stromflusses?

Autor: Axel Krüger (axel)
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So, ich habe mir jetzt nochmal den Kopf zerbrochen..

Um nichts Halbes zu machen, ist es wohl doch besser das Eingangs-  sowie 
das Ausgangssignal zu vergleichen.

So hab ich es mir gedacht:

Da das Audiosignal von der HeadUnit ein breiteres Frequenzspektrum 
bestitzt als der Subwooferausgang, müssen die Frequenzen vom 
Eingangssignal herausgefiltert werden, die auch intern von der Endstufe 
herausgefiltert werden. Dazu wird das Eingangssignal über einen 
Spannungsfolger und anschließend über einen Bandpass 1. oder höherer 
Ordnung gefiltert. Nun muss manuell (bzw. automatisiert mittels µC) der 
Spannungsverstärkungsfaktor der Endstufe ermittelt werden und danach der 
Rückkopplungswiderstand (entweder mittels poti justieren oder diese 
Widerstands IC´s mittels µC Ansteuerung) der 2.OP Schaltung hinterm 
Spannungsfolger und dem Filter dimensioniert werden um das 
Ausgangssignal und Eingangssignal auf dem selben Spannungswert zu haben.
Nun muss mittels r-l bzw. r - c Parallelschaltung der 
Phasenverschiebungswinkel der beiden Spannungen auf Null gebracht werden 
und dann kann der Komparator bzw. Adc vom Atmega seine Arbeit beginnen..

Kommt die Theorie ungefähr hin?

Gruss Axel

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Axel Küger wrote:
> Nun muss manuell (bzw. automatisiert mittels µC) der
> Spannungsverstärkungsfaktor der Endstufe ermittelt werden und danach der
> Rückkopplungswiderstand (entweder mittels poti justieren oder diese
> Widerstands IC´s mittels µC Ansteuerung) der 2.OP Schaltung hinterm
> Spannungsfolger und dem Filter dimensioniert werden um das
> Ausgangssignal und Eingangssignal auf dem selben Spannungswert zu haben.
> Nun muss mittels r-l bzw. r - c Parallelschaltung der
> Phasenverschiebungswinkel der beiden Spannungen auf Null gebracht werden
> und dann kann der Komparator bzw. Adc vom Atmega seine Arbeit beginnen..

Theoretisch klingt das gut, praktisch ist es aber so nicht zu 
realisieren, denn je nachdem was alles an Filtern in der Endstufe ist, 
kann der Frequenzgang und die Phasenverschiebung sehr komplex sein.
Die einzige Lösung die mir dazu einfallen würde, wäre ein DSP der den 
Frequenz und Phasengang der Endstufe vermisst und diese digital 
nachbildet.
Anschließend vergleicht er das erwartete mit dem realen Signal und zeigt 
Clipping an.
Eine andere, eventuell einfachere Lösung, währe der Vergleich des 
Frequenzsspektrums des Eingangs mit dem Ausgangssignal. Clipping 
bedeutet Verzerrungen, also Oberschwingungen (2x, 3x, 4x, 5x Frequenzen 
des Ursprungsspektrums).

Autor: Axel Krüger (axel)
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Guten Morgen!

oh ja, stimmt, es sind ja auch noch regler für "BassBosst" 0 - 12db etc 
an dem Verstärker..

Danke für die tips!

Spontan würde mir nichts einfallen, wie ich das mit dem Oberwellen 
erfassen realieren sollte.


Wie sieht es damit aus, wenn mann den Verstärkungsfaktor der Endstufe 
ermittelt, - dann zumindestens die Amplitudenhöhe vom Eingangssignal 
dem Ausgangssignal angleicht, und dann das Clipping detektiert, wenn die 
Amplitude vom Eingangssignal höher ist, als die von dem verstärkten 
Endstufenausgangssignal?
Der Verstärkungsfakteor dürfte sich doch nicht verändern?

http://noiasca.rothschopf.net/deutsch/stoerung_cli...


z.B.



Fall1: Up Eingang 0,5 Volt -> Up Ausgang 5 Volt (aha-also 
verstärkungsfakter von 10)

Fall2:
Nun wird lauter gemacht:
Up Eingang 1,5 volt -> Up Ausgang 15 Volt (noch alles gut..)

Fall3:
Jetzt Überschreitet die Ausgangsamplitude aber die maximale Interne 
Spannung , von z.b. 20 Volt, der Endstufe:

Up Eingang 2,2 Volt -> Up Ausgang 20 Volt (ALARM - Ausgangsamplitude 
hätte 2 Volt höher sein müssen!)

Das gute bei der Benutzung von Ops wäre, das man tatsächlich einfach die 
maximal Ausgangsspannung mit einem Spannungsteile auf 5 Volt bringt, da 
der Differenzverstärker ja nicht das problem mit der Auflösung hat, wie 
der ADC.

gruß Axel

Autor: Axel Krüger (axel)
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Huhu!  Jetzt habe ich mir nochmehr Gedanken gemacht habe eine für mich 
realisierbare Lösung gefunden, welche ich mal grob umschreibe:

Die Einstellung der Gain Regler von der Head Unit und der Amp erfolgt 
mittels eines z.b. 60 Hz Dauertons.

Signal von der Headunit:
Der µc untersucht das Signal und stellt Abweichungen von einer optimalen 
Sinuskurve fest. Damit kann die maximale Lautstäke der Headunit 
ermittelt werden.

Nachdem man nun sicher sein kann, dass überhaupt ein ordentliches Signal 
am Amp ankommt, ermittelt man den Verstärkungsfaktor der Amp und macht 
mit dem LS Signal das gleiche wie mit dem Signal von der Head Unit - bei 
den ersten Verzerrungen kennt man die Spannung der Amplitude, bei der 
das passiert. Nun misst man einfach ständig das Signal und wenn sich die 
Amplitude z.B. 90% dem Wert nähert, wo Verzerrungen auftreten, gibs ne 
Led die Aufleuchtet oder was auch immer...

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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Warum prüft ihr nicht, ob der Ausgangstransistor in Sättigung geht, bzw. 
nahe an diese Herankommt?

Das könnte durch Spannungsmessung über der C-E Strecke geschehen.
ist diese kleiner zB 2V, dann gibts Clipping..

Wäre das ne Lösung?

Autor: Axel Krüger (axel)
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Die Idee ist super! Dann würde man sich in der Tat den ganzen Amplituden 
Messkram vorher schenken, allerdings müsste man die Endstufe 
aufschrauben und damit wäre es wieder unhandlich

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Axel Küger wrote:
> Der µc untersucht das Signal und stellt Abweichungen von einer optimalen
> Sinuskurve fest. Damit kann die maximale Lautstäke der Headunit
> ermittelt werden.

Letztendlich ist das nichts anderes als ein Klirrfaktormessgerät, nur 
eben im Zeit als im Frequenzbereich.
Als µC würde sich dafür ein ARM oder ein dsPIC mit einem externen 
Audiocodec eignen. Mit diesem könnte man den Signalton auch erzeugen, so 
dass man sich sicher sein kann, dass das Signal möglichst 
verzerrungsfrei ist.
Der µC könnte dann selbständig die Amplitude durchfahren und so den 
Maximalwert ermitteln.
Das ganze würde ich aber dennoch im Frequenzbereich machen, also eine 
FFT des Ausgangssignal, und als Indikator das Verhältnis der Amplitude 
der 3x Signalfrequenz zu der Signalfrequenz messen. Im Idealfall sollte 
nur die Signalfrequenz rauskommen, erst wenn die Verzerrungen anfangen 
kommen die Oberschwingungen hinzu.
Mit einem dsPIC sollte das ganze relativ einfach sein, da es die FFT 
schon fertig gibt.
Der Vorteil davon ist, dass das ganze frequenzunabhängig ist.

Die analoge Lösung wäre ein Bandpassfilter, das nur die Messfrequenz 
durchlässt. Jetzt müsste man nur die Amplitude (bzw. den Effektivwert) 
von dem gefilterten und dem Ausgangssignal messen und vergleichen. Das 
ganze ist dann allerdings auf eine Frequenz festgelegt.

Autor: Axel Krüger (axel)
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Zu dem Analogen Teil habe ich noch eine Frage:

Sind die Oberwellen in ihrer Amplitudenhöhe nicht so minimal, dass es 
schwer sein wird, diese zu detektieren?

http://www.klaus-pohlig.de/taweb/amps/pa/main.htm#Clipping

Die Lösung mit der FFT klingt Professionell, aber da müsste ich mich 
erstmal in die materie genau hineinarbeiten und dann noch entsprechende 
Hardware zum brennen etc,. kaufen.

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Angehängte Dateien:

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Axel Küger wrote:
> Zu dem Analogen Teil habe ich noch eine Frage:
>
> Sind die Oberwellen in ihrer Amplitudenhöhe nicht so minimal, dass es
> schwer sein wird, diese zu detektieren?

Im Anhang mal zwei Bilder von einem 1kHz Sinus:
Oben komplett, unten minimal übersteuert (etwa 2% der Amplitude fehlen). 
Bei 3kHz sind es bereits -54dB. Der Formel auf dem Link nach sind das 
etwa 5% Verzerrung. -54dB sind etwa ein Faktor von 0,002, das sollte man 
selbst mit einer 16bit Fixedpoint FFT hinbekommen.

Autor: Axel Krüger (Gast)
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huhu!

Wie gesagt, ich habe NULL Ahnung was diese Sachen betrifft. Aber 
letztendlich wird mir nix Anderes übrig bleiben. Ua Max fällt nähmlich 
auch ins Wasser da ich die starken Impedanzschwankungen des 
Laustprechers nicht berücksichtigt habe.

Kannst du mir mal in groben Zügen das Prinzip erklären, wie das 
überhaupt von statten geht - vom der anliegenden Spannung bis zum µc 
oder was auch immer) Einfach sagen If Frequenz > 25000Hz then Portd.2 = 
1  wird ja nicht funzen : )

thx
gruß

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Der Aufwand an Hardware ist vernachlässigbar. Im Prinzip reicht ein 
Spannungsteiler der die Pegel auf für den ADC niedrige Werte bringt. Der 
Rest geschieht digital.
Falls ein PC auch eine Lösung ist, dann geht es sehr einfach:
Es gibt etliche Programme die alles mögliche per Soundkarte messen, u.a. 
auch die Verzerrung, wie z.B. diese Sofwtare: 
http://www.sillanumsoft.org/

Autor: Axel Krüger (Gast)
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Mit dem PC wäre ungünstig - die Anzeige soll mehr oder wenige eine 
Standalone Lösung sein.

Was würde dagegen sprechen, einen extrem steilen aktiven Hochpass 
zubauen, der frequenzen ab z.b. 25 khz durchlässt.   Dann bräuchte man 
am Ende des Passes einen OP als Komparator , bei deim ein Eingang direkt 
auf 0 V liegt, und der andere Eingang mit dem Ausgang des Hochpasses 
verbunden ist und mit einm Pulldown ebenfalls auf Null Volt liegt. 
Kommen jetzt hohe frequenzen durch dann....

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Prinzipiell geht das. Das Problem an dieser Lösung ist, dass eine 
gewisse Verzerrung oder auch Rauschen immer da ist. Ein stärkeres 
Ausgangssignal würde daher immer zu einem ansprechen führen.
Man muss das Signal daher irgendwie mit dem Ausgangssignal in Verhältnis 
setzen (so wie es mathematisch ja auch in der Formel in dem Link weiter 
oben gemacht wird).

Autor: Axel Krüger (Gast)
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Also das man das Ausgangssignal der endstufe mit einem µC misst und auch 
dass Signal aus dem aktiven Hochpass und das ganze dann irgendwie per 
Software macht?    Die Frage ist, wie stark ist soein Rauschen? Hat das 
die gleiche Frequenz wie die Oberwellen?

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