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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Verbesserungsvorschläge für Messwerterfassungssystem


Autor: moin (Gast)
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Hallo
Ich bitte um Verbesserungsvorschläge für das folgende
Messwerterfassungssystem:
(Die Beschreibung ist leider etwas lang - sorry)

Ein ATMega 8 (18,432MHz) ließt galvanisch getrennt einen 24-bit
AD-Wandler (ADS1211) aus und gibt die Messwerte über UART  an einen PC
aus.
Mögliche Spannungen sind für Eingang 1 mit externem Spannungsteiler
(1-2 M Ohm) bei +- 20 V / +-10V oder für Eingang 2 Spannungen kleiner
als 2 V (abhängig vom Widerstand am INA128).

Die Bauteile bilden vielleicht einen Overkill, was die Güte angeht. Ich
habe für diesen Entwurf alle meine Reste zusammengekratzt und Glück bei
ebay gehabt. Als zweite Probeversion läuft das System und ich kann
Gleichspannungen mit einer Genauigkeit von 0,05% messen. Messungen
zwischen 50 und 1200 Samples pro Sekunde sind möglich (mit oder ohne
Mittelwertbildung). Die Genauigkeit bei Nicht-Gleichspannungen habe ich
noch nicht überprüfen können.

Zur Schaltung:
Aufgebaut ist die Schaltung zweilagig, damit ich größere Masseflächen
bilden kann. Es existieren drei unterschiedliche Massen mit jeweils
eigene Masseflächen und eigenen Versorgungsspannungen. Die Analogmasse
versorgt die OPVs und den analogen Teil des A/D-Wandlers. Die
Digitalmasse versorgt den digitalen Teil des A/D-Wandlers und die eine
Hälfte der galvanischen Trennung. Die dritte Masse ist die Masse des
ATMega8 und der zweiten Hälfte der galvanischen Trennung mit einem
74244 zur TriState-Schaltung der Ausgänge des A/D-Wandlers.

Analogteil der Schaltung:
Für den Eingang 1 mit einem Eingangs von mehr als 1 M Ohm (mehr habe
ich noch nicht ausprobiert) wird das Eingangssignal mit einem externen
Spannungsteiler verkleinert und in einen OPA627 geführt. Ich habe
diesen OPV gewählt, weil bei anderen OPVs der Eingangswiderstand zu
klein ist und bei kleinen Signalen die Fehler zu groß sind. (Möglich
ist vielleicht auch ein OP07 ???)
Mit einem INA105 oder einem AMP03 wird das Signal um 2,5 V ins positive
verschoben, da der Wandler nur positive Signale verarbeiten kann. Der
A/D-Wandler verträgt nur Spannungen im Bereich –0,3 bis 5,3 Volt bzw.
+-10mA. Da der Eingangswiderstand des Wandlers verhältnismäßig klein
ist, sind normale Dioden wohl weniger geeignet. Ich begrenze den
Eingansstrom mit Widerständen auf  15 mA. Als Ersatz für teure Dioden
mit sehr geringem Sperrstrom verwende ich Transistoren. Auf die Idee
hat mich das www.elektronik-kompendium.de gebracht (siehe Schaltplan).
Die gewählten Widerstände von 400 und 200 Ohm werde ich wohl
versuchsweise noch reduzieren, wenn ich die entgültige Schaltung
austeste. (Diesen Schutz der Eingänge ist noch von mir noch nicht
getestet worden)

Für den Eingang 2 habe ich einen anderen Weg gewählt. Kleine Signale
werden direkt in einen INA128 geführt. Dessen Verstärkung kann über
einen Widerstand eingestellt werden. Auch hier wird das Signal wieder
um 2,5 Volt angehoben, damit positive und negative Spannungen gemessen
werden können. Die Schutzschaltung ist dieselbe, wie bei Eingang 1.
Mein Versuch einen hochohmigen Spannungsteiler vor den INA128 zu
schalten ist fehlgeschlagen, da dessen Innenwiderstand zu Fehlern
geführt hat. Meine angestrebte Genauigkeit konnte ich bei kleinen
Signalen nicht erreichen.
Der Vorteil vom INA128 ist, dass mit einem einzigen Widerstand die
Verstärkung verändert werden kann, die Eingänge auch für größere
Spannungen geschützt sind und gleichzeitig das Signal angehoben werden
kann.
Der rail-to-rail OPV OPA2340 dient nur als Schutz vor zu großen oder
negativen Spannungen.

Galvanische Trennung:
Für die galvanische Trennung verwende ich HCPL-901J. Das ist ein
schneller Ersatz für Optokoppler, der sehr wenig Strom braucht und
somit die Ausgänge des Wandlers wenig belastet.

Zur Software:
Die Software habe ich noch nicht angefügt, da sie noch eine einzige
große Baustelle ist. Später soll noch mehr Speicher über SPI und auch
eine Ausgabe für den Grafikrechner von Ti TI-84 oder TI-83 hinzukommen.
In Teilen läuft die Software zufriedenstellend – aber nur in Teilen  ;;
)

Was noch fehlt:
-Noch wird die Versorgungsspannung 5 V an einem Punkt zusammengeführt
und die Versorgung für die OPVs läuft mit 9V-Blockbaterien.
-Die Abschirmung muss noch verbessert werden, da der Monitor und das
Ossi in 40cm das Rauschen verstärkt.   ; )

Vielen Dank für das Lesen
Euer
moin


PS: Später soll noch eine weitere Kanal hinzukommen - daher die
galvanische Trennung.

Autor: moin (Gast)
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Hallo
Hier noch die Schaltung als Eagle 4.13 Datei

Autor: Peter Dannegger (peda)
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Sag doch einfach mal, wozu das Ganze gut sein soll, also den konkreten
Einsatzzweck.

Sonst kann man ja nichts verbessern.

Verbessern heißt ja nicht den größtmöglichen Materialeinsatz, sondern
die optimale Anpassung an das Problem (immer nur so gut wie nötig
machen ).


Peter

Autor: moin (Gast)
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Hallo
Die Antwort ist wieder etwas länger geworden ,)

Mit dem Anwendungszweck ist das so eine Sache ;)
Vor einem guten Jahr habe ich versucht für den Unterricht (Oberstufe,
Naturwissenschaften) ein vernünftiges Messwerterfassungssystem
aufzutreiben, das bezahlbar ist, an unseren grafischen Taschenrechner
TI-83 angeschlossen werden kann (und PC) und die nötige Genauigkeit
liefert. Ich habe ein solches Interface nicht gefunden und begonnen es
selber zu entwickeln (als Hobby). Mir ist in dieser Zeit der 24-bit
A/D-Wandler ADS1211 in die Finger geraten und so begann mein Projekt.
Ich habe dann festgestellt, dass mit ein bisschen Gehirnschmalz sehr
viel mehr zu erreichen ist. Mein Physikerherz ist dann mit mir
durchgegangen, weil ich immer schon mal dies oder das mit größerer
Genauigkeit (z.B. kleinere Veränderungen) messen oder über eine längere
Zeit Messdaten aufnehmen wollte. So sind meine Wünsche gestiegen. Ich
habe festgestellt, dass ich mit Hobbymitteln für recht kleine
Frequenzen (Sampelrate bis 1250 Messungen/sek.) größere Genauigkeit
erreichen kann. Für Gleichspannungen ist die Genauigkeit sehr viel
besser als 1%. Wenn ich meinem Multimeter glauben darf sogar um 0,05%.
(Temperaturänderungen sind noch nicht ausgetestet)
Deine im Grundsatz richtige Meinung trifft für mich wohl nur teilweise
zu: „Verbessern heißt ja nicht den größtmöglichen Materialeinsatz,
sondern die optimale Anpassung an das Problem (immer nur so gut wie
nötig machen )“.

Ich versuch im Hobbybereich mein Material möglichst gut auszunutzen.
Der 24-bit A/D-Wandler ist nicht viel teurer als viele andere Wandler
mit 15 bit. Wir ist klar, dass ich nie 20 bit Genauigkeit erreichen
werden. Hierzu sind wohl sehr viel mehr Wissen, Multilayer-Platinen zum
besseren Abschirmen der Signale und eine sehr viel bessere äußere
Abschirmung notwendig.

Konkrete Fragen:
- Sind die Eingangs-OPVs ausreichend gegen Überspannung geschützt? Es
kann z.B. das Messsignal anliegen, ohne dass das Gerät eingeschaltet
ist.

- Sind die Eingangs-OPVs ausreichend gegen elektrostatischem Stress
geschützt?

- Ist der A/D-Wandler gegen Über- oder Unterspannung durch die
vergeschalteten OPVs geschützt?
Am Eingang 1 könnte z.B. der INA105 die maximale oder minimale
Ausgangsspannung erzeugen (geschätzt +- 7 Volt)
Ist meine Idee mit der Schutzbeschaltung (zwei Widerstände und zwei
Transistoren als Diodenersatz) überhaupt realitätsnah?

- Wie kann ich das Gerät besser gegen Störstrahlung schützen? Mein
Monitor hat z.B. ein deutlich feststellbares 50Hz-Rauschen verursacht.

Vielen Dank für das lesen meiner langen Ergüsse.

Euer moin

Autor: Kupfer Michi (Gast)
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Hmmm... welchen sinn macht es die Schutzbeschaltung Q3/Q4 gegen
AVDD/AGND am Ausgang des IC2A-OPA2340 zu machen. Der OPA2340 und der
ADS2211 hängen doch beide an AVDD/AGND. Da sollte doch nix mehr
passieren, oder?
Der Eingang des OPA2340 ist jedoch ungeschützt (ich vemute AVDD=5V?).
Q3/Q4 gehört also eher vor den Eingang.

IC1-INA128 verträgt zwar am Eingang +-40V aber ich weiss nicht ob das
so für einen rauhen Schuleinsatz ausreicht.

Autor: moin (Gast)
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Hallo Kupfer Michi
Dein Einwand bezüglich des OPA2340 ist wohl gerechtfertigt. Die
Schutzschaltung sollte wohl eher vor diesem OPV sitzen. Wenn die
Schutzschaltung ausreichen ist, könnte man vielleicht sogar auf den
OPA2340 verzichten (Dieser OPV war in meinem ersten Drahtverhau mein
Schutz vor Über- oder Unterspannung)

Reichen zusätzliche Widerstände (z.B. 10 k Ohm) vor dem INA128 als
zusätzlicher Schutz? Ist das richtig, dass bei vielen OPVs nur der
Eingangsstrom begrenz werden muss oder kann auch allein eine
Überspannung den Eingangs-OPV schädigen?

AVDD sind 5 V
moin

Autor: Kupfer Michi (Gast)
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Der INA128 ist nicht ESD geschützt, daher würde ich an den Eingängen
eine Schutzschaltung empfehlen.

10K in Serie vor dem 10GOhm Eingangswiderstand des INA128 dürfte nichts
an einer Überspannung ändern.
Wenn der OpAmp jedoch selbst Schutzdioden am Eingang gegen +-Vcc hat
reicht natürlich ein Serienwiderstand um den Eingangstrom zu
begrenzen.

Anbei die Schutzbeschaltung eines EEG Verstärkers die ich im Netz
gefunden habe http://openeeg.sourceforge.net/doc/modeeg/modeeg.html

Praktische Erfahrungen mit der von Schaerer vorgeschlagenen
Transistorschutzbeschaltung (insbesondere bei PräzisionsOpAmps) würde
mich allerdings auch selbst interssieren.

http://www.elektronik-kompendium.de/public/schaere...

Autor: Gehard Gunzelmann (Gast)
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Vrbesserungsvorschläge:

Als Physiker bist Du vielleicht auch dynamischen daten interessiert
(z.B. Beschleunigung, Schwingungen). Da reichen 1200 Hz Abtastrate
nicht. Da sind minimum 5Khz erforderlich für 2500 Hz maximale
Schwingung. Dann sind viellicht auch Sensoranpassungsschaltungen für
ICP- Sensoren und DMS interessant.


gerhard

Autor: moin (Gast)
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@ Kupfer Michi
Dein Einwand wegen dem fehlenden ESD-Schutz dürfte wohl für beide
Eingangs-OPVs gelten. Wenn ich das Datenblatt richtig verstehe ist der
OPA727 auch nicht ESD-geschützt.
Die von dir gefundene Schutzschaltung verstehe ich noch nicht. Ich muss
diese wohl erst mal nachbauen.

@ Gehard
Dein Einwand ist berechtigt. Ich habe aber momentan nur zwei
verschieden AD-Wandler:
Der ADS1211 mit 24-bit für höhere Genauigkeiten und den ADS7818 für
größere Geschwindigkeiten.
Den ADS7818 mit 12-bit habe ich in dem Buch 'Messen, Steuern und
Regeln mit AVR-Mikrocontrollern' (von Wolfgang Trampert) kennen
gelern. Erst wenn ich die aktuellen Schwierigkeiten gemeistert habe,
werde ich vielleicht den ADS7818 in das Projekt einbinden. Hierzu muß
aber auch noch die Speicherfrage geklärt werden. (Vielleicht der ATMEGA
128 mit externem Speicher?)

Autor: Gehard Gunzelmann (Gast)
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Wenn Du die Messdaten an einen PC weiterleitest ist der externe Speicher
vielleicht gar nicht nötig. Stattdessen ist die Übertragungsstrecke zum
PC zu überdenken. das könnte ein Nadelöhr werden. Z.B. 1200
Samples/Sekunde mal 2 Kanäle mal 3 Byte/Sample = 7200 byte/sek = 72000
Bit/Sekunde (Bei 1Startbit, 8 datenbit, 1 Stop-Bit, no Parity) Da bist
Du bald an der Grenze (sagen wir mal 115kBit)
Bei 2500 Samples/Sek oder 4 Kanäle mit 1200 Samples, dann wirds schon
knapp.

Gerhard

Autor: Kupfer Michi (Gast)
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>Die von dir gefundene Schutzschaltung verstehe ich noch nicht

War vielleicht nicht so intelligent diese Schaltung anzuführen,
(zumindestens sollte man sie sich vorher anschauen).

Die Transistoren schliessen einfach das Signal gegen GND wenn Vbe
überschritten wird und ist daher nur für Kleinsignalanwendungen
brauchbar. Schaerer (Bild5.2) ist da besser.

Autor: moin (Gast)
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Momentan ist genau dies mein Nadelöhr. Wenn ich die Daten direkt an den
PC sende und mit 115200 einlese bekomme ich jetzt schon Probleme. Das
Senden kostet bei mir (auf Seiten des ATMega8) soviel Zeit, dass meine
Datenrate dann deutlich eingeschränkt ist. Momentan werden die Daten
direkt in den kleinen Speicher des ATMega8 gelesen und wenn dieser voll
ist an den PC ausgegeben. Zum experimentieren muss dies reichen.
moin

Autor: moin (Gast)
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@ Kupfer Michi
Eignet sich diese Schaltung von Schaerer (Bild5.2) auch als ESD Schutz?
Werden Signale durch die FETs verfälscht? Da ich bisher noch nie mit
FETs gearbeitet habe, habe ich auch die Finger davon gelassen ;-
(Hier habe ich wohl Nachholbedarf)

Wenn ich die Schaltung richtig verstehe erhöht sich mein Schutz auf
+-80V. Ich sehe jetzt, dass die Schutzschaltung der schwierigste Teil
der Schaltung ist - wenn ich nicht die bisher erreichte Genauigkeit
deutlich einschränken möchte.

Autor: Kupfer Michi (Gast)
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Der BSS129 ist im Gegensatz zu den sonst üblichen MOSFETs selbsleitend
und hat dann einen Drain-Source Widerstand von ca. 20 Ohm. Eine
Verfälschung des (niederfrequenten) Eingangssignals kann man also
ausschliesen.

http://www.datasheetarchive.com/search.php?search=...

Erst bei groesseren Eingangsspannungen (und damit Stroemen über T3/T4
nach +-Vcc in Bild7 Schaerer) erhöht sich der BSS129 Rds
Durchgangswiderstand und begrenzt damit die in T3/T4 zu verbratene
Leistung.
So wie Schaerer angibt schützt die Schaltung bis +-80V dauer und +-200V
kurzfristig. Ist doch schon was, oder?

Keine Ahnung wie das ganze jedoch bei einem 2KV ESD Puls aussieht.
Vielleicht kann da jemand anders was dazu sagen ...

>FETs, Hier habe ich wohl Nachholbedarf

MOSFETS sind ganz nette Spielzeuge und machen so manche Schaltaufgabe
leichter da man nur eine Spannung braucht um einen (grossen) Strom zu
Schalten. Schau dir mal den 2N7002 und den IRLZ34N an

Autor: Kupfer Michi (Gast)
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Vielleicht ist in diesem Zusammenhang noch ein bischen
Hintergrundmaterial über Brücken- und Sensor- Eingangsbeschaltungen und
dergleichen hilfreich...

Sensor Signal Conditioning Seminar:
http://www.analog.com/en/content/0,2886,769%255F83...

AN43 Bridge Circuits:
http://www.linear.com/pc/downloadDocument.do?navId...

Autor: moin (Gast)
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So jetzt bin ich aus dem letzten Schneeresten wieder zurück.

Eine Frage zum BSS129: Welchen Ersatz FET kann ich nehmen, den man auch
bei Reichelt bekommen kann?

@ Kupfer Michi
Vielen Dank! Deine Artikel werde ich mir in den nächsten Tagen mal
genauer ansehen.

Autor: Kurt (Gast)
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Da ja der Schutz immer einen Eingriff in die Genauigkeit nach sich zieht
sollte man sich überlegen ob er überhaupt notwendig ist.
Bei einem AD-Wandler der direkt am Sensor angeschlossen ist (einige cm)
können keine grossen Spannungen auftreten (ausser wenn der Finger zu
neugierig ist), hier sollte die interne Schutzbeschaltung reichen.
Sobald dass Signal dann digitalisiert ist kommt man mit "normalen"
Schutzelementen gut zurecht (es findet ja keine Verfälschung mehr
statt).
Der Aufwand wird zwar grösser (getrennte Anlagenteile) aber die
Genauigkeit gewinnt.

Gruss Kurt

Autor: Kupfer Michi (Gast)
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>BSS129: Welchen Ersatz FET kann ich nehmen, den man auch bei Reichelt
bekommen kann?

hab bisher nur den BSP135 gefunden. Der kann dan allerdings dann für
0.90€ gleich 600V! ab.

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