Ich habe vor ein sehr kleines Eintonsignal bei ca. 10-40kHz bei starkem Eingangsrauschen mit mehreren Filter und Verstärkerstufen zu messen/detektieren. Hinter der Eingangsstufe sitz der AD630. Soll quasi mal ein einfacher LockIn werden. Auf Grund noch nicht fertiger Spezifikationen für den Messplatz was die Messfrequenz und Signalamplitude angeht muss ich mit einfachen Angaben rechnen. Kurz um habe ich erste Tests dem MAX410 gemacht, gefällt mir ganz gut jedoch hat dieser einen kleinen Spannungsbereich und der starke Rauschintergrund könnte mir auf Grund der hohen Verstärkung die OPV´s in die Sättigung reiben. Was kann ich dagegen tun? Ich dachte an die Wahl eines ähnlichen OPV mit weiterem Spannungsbereich, sodass ich meine Signal bis vielleicht maximal 4V verstärke (wenn die maximale Signalgröße bekannt ist) und die Luft nach oben zu den Austeuerungsgrenzen für das verstärkte Rauschen vorhanden ist. Weitere Möglichkeit ist ja schmaldbandig Bandpassfiltern wenn Spezifikation und Frequenz fest stehen. richtig? Nun hat eine kurze Suche ergeben dass +-15 OPV mit der Eigenschaft low Offset bzw. rauscharm garnicht so leicht zu finden sind. Offsetabgleich müsste auch noch möglich sein. Habt ihr ein IC parat? Oder ist die Herangehensweise bezüglich Betriebsspannung des OPV hier völlig falsch? Ich suche lediglich Hilfe, niemanden der mir Arbeit ab/wegnimmt.
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Wäre sehr toll, wenn wir hier ne Art Diskussion starten könnten. Gruß Maddin
Also wenn das Rauschen der Signalquelle so stark ist, dass es den OPV übersteuert, dann ist es doch vollkommen egal welcher Tpy verwendet wird. Einen rauscharmen OPV braucht man für ein großes Signal/Rauschverhältnis, hier scheint es genau umgekehrt zu sein.
Maddin schrieb: > dass +-15 OPV mit der Eigenschaft low Offset bzw. rauscharm Warum meinst du, einen rauscharmen OP zu brauchen, wenn dein Eingangssignal sowieso schon verrauscht ist? > Oder ist die Herangehensweise bezüglich Betriebsspannung des OPV hier > völlig falsch? Ja, das ist eine Windmühle, die du dir selber aufgestellt hast: Es ist letztlich doch egal, ob du dein Signal auf 1Vss oder auf 10Vss verstärkst, der eigentliche Nutzwert bleibt gleich...
Mach einen Bandfilter in der ersten Stufe hin, der eine Guete von 100 oder so hat, das waeren dann noch 100-400Hz Bandbreite. Bei einem Lockin muss man im AC Pfad nicht auf Volt gehen, milliVolt gehen dabei auch.
ArnoR schrieb: > Also wenn das Rauschen der Signalquelle so stark ist, dass es den OPV > übersteuert, dann ist es doch vollkommen egal welcher Tpy verwendet > wird. Genau aus disem Grund wil ich einen OPV nutzen der nicht mit +-5V betrieben sondern mit +-15V betrieben wird, die Verstärkung bleibt dabei die selbe, aber das Rauschen hat Platz sich innerhalb der +-15V "breitzumachen" ohne den OPV zu übersteuern. Lothar Miller schrieb: > Warum meinst du, einen rauscharmen OP zu brauchen, wenn dein > Eingangssignal sowieso schon verrauscht ist? Mein Signal ist verrauscht ja. Bzw. sagen wir mal so, das Nutzsignal ist nur sehr klein ;). Das ganze ist aber kein Probleme auf Grund der typischen Arbeitsweise eines LockIn. Kurz gesagt interessiert mich nur eine Frequenz im Signal, die restlichen Anteile sind mir egal, dürfen die Einganstufen jedoch nie übersteuern. Eine Bandpassfilterung am Eingang sollte aber trotzdem vorgenommen werden. Und eben eine sehr große Verstärkung. Probleme für mich ist einzig und allein der Vorverstärker. Ok streichen wir das rauscharm und setzen dafür eine doppeltes Low-offset. Mitlerweile bin ich beim Instrumentenverstärker und bis jetzt habe ich nur einen (INA111) gefunden der eine Verstärkung von ca. 400 noch bei ca. 30kHz mitmacht. Gruß Maddin Lothar Miller schrieb: > Ja, das ist eine Windmühle, die du dir selber aufgestellt hast: > Es ist letztlich doch egal, ob du dein Signal auf 1Vss oder auf 10Vss > verstärkst, der eigentliche Nutzwert bleibt gleich... Azs diesem Grund sagte ich, ich verstärke mein Nutzsignal fest auf zb. 4V. Dazu muss ich natürlich wissen mit welcher maximalen Amplitude das Nutzsignal reinkommt.
A...aha Soooo. schrieb: > Mach einen Bandfilter in der ersten Stufe hin, der eine Guete von 100 > oder so hat, das waeren dann noch 100-400Hz Bandbreite. > Bei einem Lockin muss man im AC Pfad nicht auf Volt gehen, milliVolt > gehen dabei auch. Bezüglich der Bandbreite wäre das natürlich super. Nur steht die Sollfrequenz nicht fest. Deshalb muss der Bandpass breitbandiger ausfallen, was natürlich mehr Rauschen einfängt. arg Ein hin und her. Meinst du also in einer Stufe Verstärken und Filtern? Bis jetzt habe ich das schön getrennt betrachtet. Verstärken -> Hochpass mit Verstärkung -> Tiefpass mit Verstärkung -> LockIN
Maddin: Du hast mich nicht verstanden. Wenn das Rauschen so stark ist wie du sagst, ist der Typ des OPV gleichgültig, weil sein Eigenrauschen praktisch nichts am Signal/Rauschabstand ändert. Das Signal/Rauschverhältnis ist dann auch unabhängig vom Pegel bzw. der Verstärkung.
ArnoR schrieb: > Du hast mich nicht verstanden. Wenn das Rauschen so stark ist wie du > sagst, ist der Typ des OPV gleichgültig, weil sein Eigenrauschen > praktisch nichts am Signal/Rauschabstand ändert. Das > Signal/Rauschverhältnis ist dann auch unabhängig vom Pegel bzw. der > Verstärkung. Ich weiß nich ob ich dich wirklich verstanden habe. Deine Aussage: Wenn mein Rauschen so stark ist, bringt ein rauscharmer OPV keine Verbesserung des Signal/Rauschabstandes richtig? Es hört sich so an als wäre es völlig gleichgültig was für Parameter mein OPV hat, was für mich keinen Sinn macht.
Maddin schrieb > Wenn mein Rauschen so stark ist, bringt ein rauscharmer OPV keine > Verbesserung des Signal/Rauschabstandes richtig? Jetzt hast du es richtig verstanden. Verbessern kannst du die Situation, wie schon gesagt wurde, durch ein schmalbandiges Filter vor dem Verstärken. Ob ein rauscharmen OPV dann Sinn hat, ist vom dann vorliegenden SIgnal/Rauschverhältnis abhängig. Ein Rauscharmer OPV verringert das Rauschen nicht, er trägt nur nicht so viel dazu bei.
ArnoR schrieb: > Verbessern kannst du die Situation, > wie schon gesagt wurde, durch ein schmalbandiges Filter ... Frage bleibt woher das Rauschen kommt und ob der Eingang besser angepasst werden kann. Denn jeder nachfolgende Verstärker verstärkt auch das Übel.
Maddin schrieb: > Eine Bandpassfilterung am Eingang sollte aber trotzdem vorgenommen > werden. Genau , aber nicht trotzdem, sondern VOR ALLEM > Und eben eine sehr große Verstärkung. Aber erst NACH dem Filter > Probleme für mich ist > einzig und allein der Vorverstärker. Ok streichen wir das rauscharm und > setzen dafür eine doppeltes Low-offset. Wozu? Wenn dein Nutzsignal bei ca. 10kHz anfängt, dann ist es durchaus üblich die einzelnen Verstärker- und Filterstufen AC zu koppeln ;) Offsett Adee! Große Verstärkungen mach man ja auch gerne mit mehreren Stufen damit Offset und GBW klein bleiben. Die letzte Verstärkerstufe hat dann einen Offsetabgleich (Automatisch oder per Trimmer) Ich habe den Eindruck, dass soll alles mit einer einzigen OP-Stufe erschlagen werden .... viel Spass.
Metabastler schrieb: > Ich habe den Eindruck, dass soll alles mit einer einzigen OP-Stufe > erschlagen werden .... viel Spass. Wie ich geschrieben habe ist genau dies eben NICHT der Fall, viel mehr bin ich beruhigt das es dazu einen größeren Aufwand erfordert.
Also. Wenn die Frequenz nicht genau feststeht, dann umso besser. Dann mischt man das Nutzsignal auf zB 455kHz, und nimmt dort einen schmalen Keramikfilter. zB einen mit 2kHz Breite. Dann mischt man wieder runter. Zusaetzlich zum Lockin-oszillator benoetigt man dann noch einen Oszillator fuer die differenzfrequenz zu 455.
> Bezüglich der Bandbreite wäre das natürlich super. Nur steht die > Sollfrequenz nicht fest. Deshalb muss der Bandpass breitbandiger > ausfallen, was natürlich mehr Rauschen einfängt. arg Ein hin und her. Wenn Du einen LockIn-Verstärker machst, dass ist die Frequenz auf jeden Fall bekannt; du brauchst also einen schmalbandigen, einstellbaren Bandpass. Oder alternativ die angesprochene Lösung mit dem Mischer und dem festen Bandpass.
Die professionellen Lock-ins gehen uebrigens auf 10.7MHz Zwischenfrequenz, hoerte ich mal. Denn da gibt es wieder, dh wie bei 455kHz, guenstige, sehr steile Filter. Das 2kHz breite Filter bei 455kHz kostet uebrigens nur um die 7 Euro. Alternativ, koennte man sich switsched Capacitor filter anschauen, die haben auch eine steuerbare Centerfrequenz. Aber mir scheint, wenn schon einen zweiten Oszillator, dann kann man auch gleich mischen.
Johannes schrieb: > Wenn Du einen LockIn-Verstärker machst, dass ist die Frequenz auf jeden > Fall bekannt; du brauchst also einen schmalbandigen, einstellbaren > Bandpass. Oder alternativ die angesprochene Lösung mit dem Mischer und > dem festen Bandpass. 1.In wie fern einstellbar? Will man während der Laufzeit die Filterbandbreite/Steilheit einstellen? Und warum? 2.Die Frequenz ist in dem Sinne nicht bekannt, da die Messplatzanforderungen noch nicht feststehen. Ich muss also in dem Sinne entwickeln, dass später im Layout leicht die Centerfrequenz des Bandpasses angepasst werden kann oder eben einen breiten Filter bauen damit die ganze Sache eben für einen weiten Bereich funktioniert. Ich tendiere zu letzterem. Der genannte Bereich erstreckt sich übrigens von 10kHz bis ca 40kHz. Ich verstehe noch nicht inwiefern eine Modulation/Mischen des Signals vor der eigentlichen LockIn Modulation das Problem der variablen Frequenz umgeht. Ok ich kann in einen Bereich mischen in dem gute Filter möglich sind, aber die Differenzfrequenz um die es am Eingang geht liegt doch dann auch auf der ZF Frequenz vor oder nicht?
Vergiss den breiten Filter. Das Rauschen kommt proportionl zur Bandbreite, falls es weiss ist. Dh moeglichst kleine Bandbreite, sodass aber die Dynamik des Systems noch gewaehrleistet ist. Falls das System mit einer antwortzeit von 1 sekunde klarkommt, mach die Bandbreite des Eingangsfilters auf 10Hz. Ja man mischt von der Hackfrequenz auf eine ZF. Das Problem mit ganz steilen analogen Filtern ist die Stabiltaet. zB ueber die Temperatur. Man ist dann immer am Abgleichen. Was das mischen bringt ? Das Rauschen ist nachher weg.
Bei einem stark verrauschen Signal sind die wichtigen Eigenschalften des OPs der Eingangswiderstand, der Preis und ggf. die Intermodulationsverzerrungen. Wirklich kritisch ist die Wahl da nicht. Eine hoher Versorgungsspannung ist ggf. von Vorteil. Wenn man wirklich mal ein kleines Signal hat, ist ein kleiner zur Signalquelle passender Verstärker (z.B. 10 fach) direkt an der Signalquelle ohnhin die bessere Wahl. Die erste Stufe im Lockin wird meist nur eine geringe Verstärkung bringen, im wesentlichen die niedrige Impedanz am Ausgang. Dann kommt schon der Filter und danach gff. noch etwas Verstärkung. Bei eine stark gestörten Signal will man auch am Multipizierer des Lockins oft noch 40-60 dB an Reserve habe. D.h. größer als etwa 1-100 mV muß das Signal da noch gar nicht werden. Der Filter am Eingang des Lockin ist eine zweischneidige Sache. Wenn der Filter zu schmalbandig ist, kriegt man da leicht störende Phasenverschiebungen. Außerdem ist ein Filter mit variabler Frequenz (die der Signalfrequenz folgt) gar nicht so einfach aufzubauen. Wirklich scharf muß der Filter in der Regel auch nicht sein. Für die Typischen Störfrequenzen wie 50 Hz und 100 Hz kann man ggf auch noch einen extra Notch vorsehen. Machmal reichen auch schon ein paar umschaltbare Filter für z.B. jeweils eine Dekade. Die Alternative ist es halt mit einer extra Zwischenfrequenz zu arbeiten. Das Filter kann dann bei der festen relativ hohen Zwischenfrequenz liegen. Der Weg ist dann so, dass man aus der Referenzfrequenz (z.B. 10 kHz) und der ZF (z.B. 455 kHz) erstmal eine Hilfsfrequenz (z.B. 445 kHz) erzeugt wird. Damit wird das Eingangssignal gemischt um dann auf die ZF zu kommen. Die kann man dann filtern und verstärken und schließlich noch einmal mit der ZF mischen um das DC-Ausgangssignal zu bekommen. Im Idealfall muß man Teile dabei doppelt, für 2 Phasenlagen ausführen, um keine Informationen zu verschenken und so das Rauschen zu vergrößern.
Ein bisschen verstaerken ... Ich hatte mal eine Anwendung, da war die Modulationsfrequenz 70kHz. Die Filterung geschah in der zweiten Stufe, die erste war Impedanzwandler mit verstaerkung =10. Der Filter hatte verstaerkung 10 im Durchlass und was 5kHz breit. Das war grad noch machbar. Dann kamen zwei AC Stufen mit je verstaerkung 30. Also verstaerkung = 90k bis da. Und dann gings auf den AD630. Dahinter kamen dann milliVolt raus. Dann ging's auf einen Integrator. Der Regelkreis hat auf Null geregelt. Das war eine voll analoge Loesung. Heut wuer ich eher mischen und mit einem controller steuern.
A...aha Soooo. schrieb: > Ein bisschen verstaerken ... Ich hatte mal eine Anwendung, da war die > Modulationsfrequenz 70kHz. Die Filterung geschah in der zweiten Stufe, > die erste war Impedanzwandler mit verstaerkung =10. Der Filter hatte > verstaerkung 10 im Durchlass und was 5kHz breit. Das war grad noch > machbar. Dann kamen zwei AC Stufen mit je verstaerkung 30. Also > verstaerkung = 90k bis da. Und dann gings auf den AD630. Dahinter kamen > dann milliVolt raus. Dann ging's auf einen Integrator. Der Regelkreis > hat auf Null geregelt. > > Das war eine voll analoge Loesung. Heut wuer ich eher mischen und mit > einem controller steuern. Das entspricht so gut wie dem, was ich vorhatte.
Ich hab ein Problem. Meine erste Stufe ist ein Instrumentenverstärker mit A=200. Eingangssignal ist nen Sinus mit ca. 0.3mV Vpp. Diesen will ich nun Verstärken und Bandpassfiltern. Für den Instrumentenverst. hab ich den INA128 gewählt. Für den Bandpass hab ich nen NE5539 gehabt. Ausgangsignal vom Verstärker sieht ohne den Bandpass ganz gut aus, mit groben Offsetabgleich ca 2mV DC Anteil. Nun schalte ich den Bandpass hinzu und das Ausgangsignal vom INA wird plötzlich verzerrt. Abhängig von der Betriebsspannung wird von der unteren Halbwelle nen Stück weggeschnitten. Die Verzerrung ist im Spektrum auch deutlich zu sehen. Natürlich bin ich mit der Betriebspannung in den Grenzen beider IC´s!! und das Signal ist ja mit A=100 auch nicht zu sehr verstärkt. Das Ausgangssignal vom Bandpass sieht noch schlimmer aus, denn da schwingt das Signal lustig an der oberen Betriebsspannung umher. Für den Bandpass hab ich den NE5539 in der Mehrfachgegenkopplung betrieben mit A=10 und Mittenfrequenz 20kHz. Breite des Filters hatte ich zwischen 2,5kHz und 5kHz variert. Des Weiteren habe ich schon öfter bemerkt, dass sich die Ausgangssignale einzelner Verstärkerstufen verschieben wenn man eine weitere Stufe hinten dranhängt. Warum ist das so? Belastung des Ausgangs zu groß? Eigentlich habe ich immer auf genügend große Widerstände geachtet. Gruß Maddin
>Des Weiteren habe ich schon öfter bemerkt, dass sich die Ausgangssignale >einzelner Verstärkerstufen verschieben wenn man eine weitere Stufe >hinten dranhängt. Warum ist das so? Belastung des Ausgangs zu groß? >Eigentlich habe ich immer auf genügend große Widerstände geachtet. Sind die Stufen DC-gekoppelt? Dann wird auch der Offset der OPV entsprechend der eingestellten (Gleichspannungs)Verstärkung mitverstärkt.
Wenn man es nicht unbedingt braucht,sollte man so schnelle OPs wie den NE5539 vermeiden. Die haben zum einen oft einen relativ niederohmigen Eingang und neigen zu HF Schwingungen (z.B: 100 MHz) - vor allem wenn man keine gute Platine hat. Die HF Schwingungen können ggf. auch auf die Stufen davor einkoppeln und dort stören. Je nach Oszilloskop sieht man die Schwingungen auch nicht immer. Für die Filterstufen usw. wären Audio OPs wie NE5534, NE5532, LM833 oder ähnliche ausreichend. Die Verstärkung der ersten Stufe sollte eigentlich nicht höher als etwa 10 sein, es sein denn man braucht wirklich eine sehr gute Gleichtaktunterdrückung bei einem Differenzeingang. Die 10-fache Verstärkung reicht aus, damit das Rauschen der nachfolgenden Stufen nicht weiter ins Gewicht fällt. Weiter Verstärken kann man dann ggf. nach dem Filter.
Ich verwende gerne die LT1128 oder LT1028, die haben zumindest hinreichend Verstaerkungsbandbreite. Eine gute Leiterplatte ist zwingend. Das letzte Mal hat ich sowas auf ner 2 Lagigen. Ich wuerd aber diesmal mit einer Vierlagigen kommen, da man dabei spart. Das Layouten wird kuerzer.
Ulrich schrieb: > Wenn man es nicht unbedingt braucht,sollte man so schnelle OPs wie den > NE5539 vermeiden. Ich hatte diesen gewählt, weil ein aktiver Bandpass mit Mehrfachgegenkopplung laut Tietze-Schenk, bei der Resonanzfrequenz noch viel Differenzverstärkung gegenüber 2Q^2 übrig haben muss. Deshalb dachte ich, nehm ich einen Schnellen. Ich werd mir die genannten OPV´s mal anschauen. Das mein bisheriger Testaufbau (Steckbrett) alles andere als Optimal ist, muss ich mal vernachlässigen. Nur habe ich keine Zeit eine Leiterplatte zu routen/fertigen. Durch Terminfristen bin ich gewzungen in ultrakurzer Zeit eine Bauteiliste fertig zu stellen, damit mir das Geld nicht flöten geht. Ich muss mich also damit begnügen die Bauteile bei Bestellung nur unter schlechten Bedingungen getasten zu haben. Keine rosigen Vorraussetzungen... Aber nochmal zum DC-Koppeln. Mein Bandpass hatte eine DC Verstärkung von ca. 10. Dann komme ich auf 10*2mV was den OPV ja nicht in die Bedrängnis bringen sollte. Beim AC-Koppeln wie gehe ich da vor? Muss ich den an Masse hängenden Eingang des OPV´s antkopplen? Also z.B. ein kleinen R und mit fg=1/(2piRC) ein C in Reihe bestimmen die ich dann zwischen Masse und den Pin setze? Ich hab ja bis jetz nur ein Bandpass, das sollte doch eh kein DC Anteil rauskommen, mal abgesehen von dem maximalen Offset laut Datenblatt.
Den NE5539 auf dem Steckbrett stabil zu kriegen ist schon eine Kunst. Nicht umsonst wird da im Datenblatt empfohlen keinen Sockel zu nutzen. Die meisten der OPs sind Pinkompatibel den LT1028 (gut, aber teuer), NE5534 und die meisten 1 fach OPs kann man so einfach auch später noch tauschen. Da gleiche gilt für 2 fach OPs. Bei den Schnelleren OPs sollte der Aufbau nicht zu hochohmig werden. Gerade beim Steckbrett hat man da schnell 5-10 pF an zusätzlicher Kapazität. Bei einem Lockinverstärker ist ein hohes Q beim Filter oft nicht gut - das gibt dann eine relativ stark Frequenzabhängige Phase. Auch wenn die Frequenz sehr stabil ist, bleibt die erhöhte Drift bei der Phase, denn die Teile des Filters werden auch etwas Temperaturabhängig sein. Lieber ein kleines Q (z.B. 1-3) und dafür einen Filter 4 ter Ordnung. Am Mixer (z.B. AD630) kann man noch etwa 40 dB (Faktor 100 bei der Amplitude) an Reserve nach oben lassen, solange man keine sehr hohen Anforderungen an die Stabilität hat. Da darf dann die Bandbreite für die Störungen einiges größer sein als die für das Signal, ohne das man viel verliert. Für 1 Hz Bandbreite am Ausgang sind dann 10 kHz Bandbreite vor dem Mixer noch keine Problem. Wenn man am Filter ausgang 20 mV oder auch 100 mV an Offset hat ist das meist kein Problem. Der Bandpaßt sollte ja schon eine AC Kopplung haben - ganz niedrige Frequenzen sollten ja unterdrückt werden, und das reicht auch. Man muß nur ggf. weitere Verstärkerstufen auch so auslegen das man keine DC Verstärkung hat, sondern erst ab z.B. 10 Hz oder 1 kHz. Nur die Stufe direkt vor dem AD630 sollte ggf. wenig Offset (und Drift) haben, wenn man nicht gleich da einen AC Kopplung zum AD630 nehmen kann.
AC Kopplung bedeutet einen Kondenser in Serie zum Signal. Zusammen mit der Eingangsimpedanz der naechsten Stufe ergibt das einen Hochpass, der die Kante bei omega = 1/RC hat.
Bis hier schon mal einen großen Dank an euch. Mir ist nun einiges klarer bzw. habe ich ein klareres Ziel vor Augen!! Es ist auch mal gut von Leuten zu hören die sich anscheinend mit der jeweilgen Anwendung um die es geht, auskennen. Da gibt es noch etwas. Bei der üblichen Filterrealisierung hat man oft die Wahl zwischen Mehrfachgegenkopplung und Sallenkey-Struktur, bei der ja kein Beinchem vom OPV an Masse hängt. Kann es sein, dass man sich dadurch Offsets oder Rauschen an den jeweilgen Widerständen einfängt?
Offsets sind bei einem Bandfilter eher sekundaer. Ich bevorzuge Filter, die von den Bauteilen her realisierbar sind, moeglichst ohne Pots. Die Frequenz sollte passend mit der Guete stabil sein. Und das Q auch irgendwie einstellbar. Ich rechne dafuer alle moeglichen Varianten, und habe auf dem Layout mehrere Moeglichkeiten. Meinen ersten Lock-in hatte ich auf einer Einschubstruktur, Vorverstaerker, Filter, Oszillator, Schalter, alles auf Tochterplatinen in eine gemeinsame Backplane.
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