Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Differenzverstaerker mit AD8638 : zu viel Rauschen


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von Dieter_G (Gast)


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Hallo liebe Gemeinde,

Ich habe die erste Stufe eines Instrumentenverstaerkers, also die 
Differenzverstaerkerstufe, diskret mit zwei AD8638 OPamps aufgebaut 
(siehe Anhang). Ich habe nun das Problem, dasz die Schaltung auch bei 
kurzgeschloszenem Eingang recht stark rauscht, deutlich mehr als ich 
gemaesz dem Datenblatt dieser OPamps erwarten wuerde. Es ergeben sich 
folgende Werte :

R_FB=22K, R_G=270 -> A=164, mit Dickschichtwiderst. : U_noise ~= 7mV RMS
R_FB=22K, R_G=270 -> A=164, mit Metallfilmwiderst. : U_noise ~= 7mV RMS
R_FB=3K3, R_G=68 -> A=98, mit Metallfilmwiderst. : U_noise ~= 5mV RMS

Die Bandbreite dieser Schaltung betraegt ca. 10KHz, begrenz durch die 
OPamps. Wenn ich sie auf 6KHz begrenze, indem ich parallel zu jedem R_FB 
einen Kondensator mit 8nF (C0G) loete, dann erhalte ich mit R_FB=3K3, 
R_G=68 -> A=98 ca. 2-3mV RMS.

Ich habe die gleiche Schaltung, mit nahezu identischem Layout (AD8638 
sind SOIC-8, OP177 sind PDIP) auch mit OP177's aufgebaut und erhalte 
dort mit

R_FB=22K, R_G=270 -> A=164, mit Metallfilmwiderst. : U_noise ~= 1mV RMS

Hier noch meine Gedanken zu dem Ganzen :
Der AD8638 hat ca. 60nV/WRZL(Hz) und das ist auch ziemlich konstant, vor 
allem zu tiefen Frequenzen hin. Ich sollte also alleine dadurch bei 
A=100 ca. 600µV RMS an Rauschen erhalten (60nV * WRZL(10000)*A), 
entsprechend ca. 1mV bei A=164.
Zunaechst, mit den Dickschichtwiderstaenden, hatte ich die im Verdacht, 
da ich keine Angaben zu deren Rauschen hatte und vermutete dasz sie 
evtl. viel staerker rauschen als ein idealer Widerstand. Leider hat sich 
durch den Einsatz von Metallfilmwiderstaenden nichts geaendert. Dann 
hatte ich das Stromrauschen des AD8638 im Verdacht, da dieses nicht 
spezifiziert ist. Traditionell sollte es bei OPamps mit JFET-Eingaengen 
aber extrem niedrig sein. Dennoch habe ich eine niederohmigere 
Beschaltung getestet aber der Rueckgang des Rauschens ist nur 
proportional zur ebenfalls geringeren Verstaerkung dieser Konfig (A=98 
im Gegensatz zu 164 zuvor). Es scheint sich also um Spannungsrauschen zu 
handeln. Die Bandbreitenbegrenzung auf 6KHz brachte den groeszten 
Erfolg, aber das Rauschen ist immernoch zu stark.

Was mich jetzt wundert ist, dasz die gleiche Schaltung mit dem OP177F 
aufgebaut so deutlich weniger rauscht, selbst in der nicht 
Bandbreitenbegrenzten, hochohmigen Version.
Auch die OP177-Schaltung rauscht mehr als man rein von der 
Rauschspannungsdichte her erwarten wuerde (rechnerisch 184µV@BW=10KHz). 
Das habe ich bislang noch nicht untersucht, troeste mich jedoch mit dem 
Stromrauschen, dem Rauschen der hochohmigen Widerstaende und der 
Tatsache, dasz ich bei unter 1mV so langsam an die Grenzen meiner 
Mesztechnik komme (100µV werde ich wohl gerade noch so erkennen 
koennen).

Hat jemand eine Erklaerung dafuer ? Habe ich falsch gerechnet bzgl. des 
Erwartungswertes der Rauschspannung ?
Hat jemand selbst Erfahrung mit dem AD8638 und weisz evtl. etwas an das 
ich nicht gedacht habe ?

Ich hoffe ich bekomme einige konstruktive Anregungen.

Gruesze

Dieter_G

von ralf (Gast)


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Das Rauschen des AD8638 steigt bei höheren Frequenzen laut Datenblatt 
teilweise über 300nV/Wurzel(Hz). Als Bandbreite kannst du deswegen auch 
nicht 10kHz annehmen. Weil sich das Rauschen beider OPVs addiert kommt 
außerdem noch der Faktor Wurzel(2) hinzu.

von Christian L. (cyan)


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Wie misst du eigentlich das Rauschen? Besitzt dein Messgerät die nötige 
Bandbreite? Ok, das würde höchstens zu einem zu kleinen Wert führen.
Wie misst das Messgerät intern? Ist es ein TRMS oder nur ein einfachen 
RMS Messgerät auf Basis eines Spitzenwertgleichrichters?

Des weiteren steht in den Datenblättern nichts über das maximale 
Rauschen. Vielleicht hast du welche mit höheren Rauschen erwischt, so 
wie ich neulich bei zwei LT1028. Das würde zwar nicht den siebenfachen 
Wert erklären, aber es könnte ein zusätzlicher Fehler sein.

Hast du mal versucht, die OPVs einzeln in einer Testschaltung zu 
spezifizieren? Also z.B. Eingang kurzschließen und mit 10 Ohm und 1kOhm 
das Eigenrauschen bestimmen. Vielleicht gibt es ja da schon 
Auffälligkeiten.

LG Christian

von Rauschi (Gast)


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>Zunaechst, mit den Dickschichtwiderstaenden, hatte ich die im Verdacht,
>da ich keine Angaben zu deren Rauschen hatte und vermutete dasz sie
>evtl. viel staerker rauschen als ein idealer Widerstand.

Dickschichtwiderstände kannst du hier völlig vergessen.

>Was mich jetzt wundert ist, dasz die gleiche Schaltung mit dem OP177F
>aufgebaut so deutlich weniger rauscht,

Hast du Seite 14 vom Datenblatt durchgelesen? Den Teil mit der Clock 
Frequency?? Hat der OP177 so etwas?? Was meinst du wie der AD8636 das 
"Auto Zero" hinbekommt? Der enthält eine Art Chopper und die erzeugen 
massive Störungen...

von Dieter_G (Gast)


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Hallo,

@ralf
ralf schrieb:
> Das Rauschen des AD8638 steigt bei höheren Frequenzen laut Datenblatt
> teilweise über 300nV/Wurzel(Hz). Als Bandbreite kannst du deswegen auch
> nicht 10kHz annehmen. Weil sich das Rauschen beider OPVs addiert kommt
> außerdem noch der Faktor Wurzel(2) hinzu.

wg. Rauschen bis 300nV/WRZL(Hz) :
Es stimmt, dasz das Rauschen bei so 2-3KHz ansteigt. die 300nV jedoch 
sind duenne Peaks, ich denke dasz so 100nV im Bereich 3-10KHz der 
mittlere Wert ist. Darum vermutlich bringt die Bandbreitenbegrenzung 
auch ordentlich was.
Aber es stimmt, eigentlich ist es Bloedsinn von mir mit 60nV zu rechnen, 
da der groeszte Bandbreitenbereich eigentlich der von 1KHz-10KHz ist 
(9KHz Bandbreite) und es dort eher so 90-100nV sind. Und dann noch die 
Wurzel (2)...

das waeren dann also : U_inputNoise = Wrzl(2 * 10000) * 90[nV/Wrzl(Hz)] 
= 12.7µV
Bei A=98 ergaebe sich U_outputNoise = 1.24mV
Bei A=164 erbaebe sich U_outputNoise = 2.09mV

Hmmm, dadurch bin ich der Realitaet schonmal deutlich naeher was meine 
Erwartungshaltung angeht.

Aber was du genau mit "Als Bandbreite kannst du deswegen auch
 nicht 10kHz annehmen." meinst, verstehe ich nicht.

@Christian L.

Das stimmt natuerlich auch, die haben ja nur den typischen Wert 
angegeben ! Und das kann fuer den max.-Wert ja nicht Gutes bedeuten. 
Evtl. gibt es hier eine riesen Streuung.
Das mit der isolierten Testschaltung werde ich evtl. noch machen, das 
ist auf jeden Fall interessant (habe den Verstaerker aber innerlich 
schon so gut wie aufgegeben, deshalb kann ich mir vielleicht die Zeit 
dafuer vielleicht nicht nehmen).

Zur Messung:
Ich benutze ein hochentwickeltes bionisches Geraet zur ortsaufgeloesten 
Intensitaetsmessung elektromagnetischer Strahlung im 
Wellenlaengenbereich von 400-700nm mit einem Dynamikumfang von 
unglaublichen 140dB !
Also mein Auge, in Kombination mit einem ordinaeren Speicheroszi. Das 
kann bis 2mV/DIV runter und wenn man die Schaltung auf ein groeszeres 
Blech legt, das fest mit der Masze des Oszis verbunden ist, dann ist der 
"Noise-Floor" der Anordnung zumindest so gering, dasz man ihn kaum von 
der natuerlichen Dicke der Linie (Roehrengeraet) unterscheiden kann. 
Also die RMS-Werte sind geschaetzt, daher habe ich auch immer ca. 
dazugeschrieben.


@Rauschi

ja, die Dickschichtteile habe ich ja deshalb ersetzt, von denen hab ich 
halt ein Sortiment, daher waren die zuerst drin. Aber du glaubst 
garnicht wie enttaeuscht ich war, als ich die Metallfilm reingeloetet 
hab und nichts hat sich veraendert :(

Also das mit dem Chopper- und Autozerotakt ist auch interessant. Ich 
hatte die Passage zwar schonmal gelesen, aber so richtig Bewuszt war sie 
mir nicht mehr, danke fuer den Hinweis.
Hmmm, die beruhigen einem da aber ziemlich was das angeht und behaupten 
sogar :

"In systems with signal bandwidths ranging from 5 kHz to 10 kHz, the 
AD8638/AD8639 provide true 16-bit accuracy, making this device the best 
choice for very high resolution systems."

also 1/65535 FS, davon bin ich weit weg :D. Das wuerde ich auch so nicht 
erwarten.

@All
Aber aus der Kombination eurer Hinweise ergibt sich ein recht gutes 
Bild. Zum einen habe ich mit zu geringen Werten gerechnet was den 
Erwartungswert des Rauschens angeht.
Dann habe ich ignoriert, dasz ich evtl. ein bischen Pech gehabt haben 
koennte mit den OPamps die ich erwischt habe und zudem der zusaetzliche 
Krach der vom den autoZero-ing + chopping kommt (der macht ja irgendwie 
beides, steht drin). Noch dazu habe ich ja nur ein -6dB/Oct-Filter, wenn 
ich die Kondis ueber die Feedbackwiderstaende mache. Ich sollte wohl 
(zusaetzlich) mit einem steileren Filter hinter dem Ausgang arbeiten.

Also alles in allem wohl die Summer vieler kleiner Fehler. Gut moeglich, 
dasz es nur das ist/war.

von Rauschi (Gast)


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Wie groß ist denn R_1?? Schalt mal zum unteren einen Cap parallel.

Wie hast du denn die Rauschwerte bestimmt?

von Dieter_G (Gast)


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Rauschi schrieb:
> Wie groß ist denn R_1?? Schalt mal zum unteren einen Cap parallel.
>
> Wie hast du denn die Rauschwerte bestimmt?

frueher war die Messbruecke, also der Drucksensor "R_1" (effektiv ein 
paar KOhm, genau weisz ich es im Moment nicht, die Brueckenwiderstaende 
selbst haben 4K, aber es gibt noch jeweils einen Serienwiderstand 
unbekannter groesze gegen Masse und V+).
Inzwischen habe ich "echte" 22KOhm-Widerstaende eingeloetet (lagen 
gerade rum). Daran habe ich aber auch schon mal kurz gedacht, aber da 
deren Rauschen ja common-mode waere habe ich es fuer unwahrscheinlich 
eingestuft.
Koennte ich aber auchmal testen, das mit dem Kondi.

von Dieter_G (Gast)


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Achso, die Rauschwerte sind geschaetzt, siehe meine vorangegangene, 
lange Antwort (ca. mittig : "Zur Messung")

von Rauschi (Gast)


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>Achso, die Rauschwerte sind geschaetzt,...

Also Spitze-Spitze-Wert geteilt durch 6,6?

von Dieter_G (Gast)


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ja so ca. Spitze Spitze zu schaetzen ist halt nicht so einfach, da ich 
ja viele Amplituden habe. Ich lasse die Nadelfoermigen Ausreiszer weg 
und setze den Peak-Wert da an, wo so der "Hauptkoerper" des Rauschens, 
der also wie ein massiver breiter Strich wirkt, endet. Habe leider 
gerade kein Oszibild zur Verfuegung.

von Dieter_G (Gast)


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...also meine bescheidene Mesztechnik ist natuerlich eine weitere der 
vielen kleineren Fehlerquellen.

von Rauschi (Gast)


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>ja so ca. Spitze Spitze zu schaetzen ist halt nicht so einfach, da ich
>ja viele Amplituden habe.

Du nimmst einfach die größten Ausreißer für den Spitze-Spitze-Wert. 
Genau genommen, die, die in nur 0,1% des Beobachtungszeitraums noch 
überschritten werden. Diesen spitze-Spitze-Wert teilst du dann durch 
6,6.

Das ist garnicht so schwierig, es geht ja hier nur um einen Schätzwert. 
Im Anhang siehst du ein Beispiel: Hier ist der Spitze-Spitze-Wert rund 
1µVss, macht rund 0,15µVeff.

von Dieter_G (Gast)


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Achso !

du hattest ja gesagt "durch 6.6" und nicht "mal 0.66". Letzteres hatte 
ich aus irgend einem Grund beim Lesen deines Postings "gelesen". Also 
wenn das stimmt, dann hat sich alles erledigt, denn dann habe ich viel 
zu hohe Werte angegeben. Aber es wundert mich etwas : haette man einen 
reinen Sinus, dann waere der RMS-Wert ja V_peak/WRZL(2). Davon bin ich 
bei meinen Schaetzungen ausgegangen. Warum also wird durch so einen 
hohen Wert geteilt ?

von Christian L. (cyan)


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Dieter_G schrieb:
> Aber es wundert mich etwas : haette man einen
> reinen Sinus, dann waere der RMS-Wert ja V_peak/WRZL(2). Davon bin ich
> bei meinen Schaetzungen ausgegangen. Warum also wird durch so einen
> hohen Wert geteilt ?

Die Wurzel 2 gelten eben nur bei einem reinen Sinus. Das Rauschen wird 
durch eine statistische Verteilung beschrieben. Der Effektivwert ergibt 
sich also aus der Verteilung des Rauschens.
Ein paar Grundlagen zum Rauschen gibt es z.B. von Hameg: (vor allem 
Seite 5 ff durfte für dich interessant sein.)
http://www.hameg.com/downloads/fachartikel/HAMEG_Rauschen.pdf

LG Christian

von Dieter_G (Gast)


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Ah jetzt verstehe ich es schon besser. Auch bei genauerem Betrachten des 
Rauschens von der Datenblattseite sieht man, dasz WRZL(2) nicht 
hinkommen kann. Das PDF ist ganz gut (fuer einen Rausch-Anfaenger). 
Danke dir.
Den Mathematischen Hintergrund musz ich noch mehr beleuchten, das sehe 
ich schon. Da bin ich nur meistens zu faul dazu :/
Aber jetzt ist mir schon klar, dasz der Faktor 6.66 fuer Amplituden die 
in mehr als 0.1% des Zeitraumes vorhanden sind, sich eben aus der 
Wahrscheinlichkeitsverteilung der Amplituden ergibt.

von Rauschi (Gast)


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>Den Mathematischen Hintergrund musz ich noch mehr beleuchten, das sehe
>ich schon.

Naja, es ist ja auch nicht immer Gaußsches Rauschen. Das mit dem "durch 
6,6 teilen" ist einfach ein Daumenwert, mehr nicht. Will man es genauer 
haben, muß man den Effektivwert explizit messen bzw. berechnen.

von Dieter_G (Gast)


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ok, vielen Dank nochmal euch allen.

Falls noch jemand auf Anhieb einen OpAmp mit geringem Offset-Drift 
(<200nV/°C) und geringem Rauschen (<60nV/WRZL(Hz) im Kopf hat, kann er 
die Bezeichnung mal posten.
Aber wie gesagt, natuerlich soll hier keiner meine Arbeit machen und 
danach suchen, nur wenn einer einen auswendig weisz.

Gruesze

Dieter_G

von Christian L. (cyan)


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OP270
OP184 OP284 OP484
AD797
AD8574
OP1177 OP2177 OP4177
AD8675
LTC1250
LTC2050HV
LTC1151
...

Da gibt es noch so viele andere. Einige von den aufgelisteten haben 
200nV/°C. Die meisten der genannten erreichen mit ihren typ-Werten die 
Anforderungen, nicht aber mit ihren max-Werten.
Ich weis nicht, wie viel Eingangsoffset der OP haben darf. Falls er 
wenige zehn µV betragen darf brauchst du wahrscheinlich nicht einmal 
einen Chopper oder Zero-Drift OP. Dann wäre z.B. der AD797 sehr 
interessant für dich (0,9nV/sqrt(Hz), 25µV Offset, 200nV/°C). Den Offset 
könnte man mit einem externen Poti abgleichen.

LG Christian

von Rauschi (Gast)


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>Ich benutze ein hochentwickeltes bionisches Geraet zur ortsaufgeloesten
>Intensitaetsmessung elektromagnetischer Strahlung im
>Wellenlaengenbereich von 400-700nm mit einem Dynamikumfang von
>unglaublichen 140dB !

Hhm, mißt das DC??

von Michael L. (Gast)


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Hallo,

> Ich habe nun das Problem, dasz die Schaltung auch bei
> kurzgeschloszenem Eingang recht stark rauscht, deutlich mehr als ich
> gemaesz dem Datenblatt dieser OPamps erwarten wuerde. Es ergeben sich
> folgende Werte :

da Du nichts von der verwendeten Spannungsversorgung gesagt hast, will 
ich dort einhaken:
- Verwendest Du einen Linearregler oder hängt die Spannungsversorgung 
direkt am Labornetzteil?
- Welche Entstörkondensatoren verwendest Du für die Gleichspannung.

(Ich habe schon zu viele Leute gesehen, die meinten, sie könnten die 
Entstörkondensatoren einsparen und sich dann gewundert haben.)


Gruß,
  Michael

von Dieter_G (Gast)


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@ Michael Lenz

Hallo,

nene, ich benutze einen 9V-Block. Mein Labornetzteil ist ein SMPS, das 
geht garnicht, das habe ich schon gemerkt. Mann kann es allerdings 
deutlich zaehmen, indem man je eine 100µH Stabferritkerndrossel (zur 
Funkentstoerung, also ne UKW-Drossel) in jede Leitung haengt. Aber fuer 
diese Zwecke ist es immernoch zu schlecht.

Der 9V-Block ist mit kurzer Leitung mit der Schaltung verbunden und 
steht ebenfalls auf dem Blech (auf dem die ganze Schaltung liegt und das 
mit Oszi-Masse verbunden ist, siehe ggf. oben). Zusaetzlich befindet 
sich ein (bei den kurzen Leitungen eigentlich unnoetiger) 100µV Elko auf 
der Platine und neben bzw. unter jedem OPamp noch ein 330nF X7R Keramik. 
Das ganze ist in SMD und daher sehr kompakt (~3x3cm). Also beim 
power-distribution-network geb ich mir immer ziemlich den risz.
Ich musz mal ein Photo posten...

@Rauschi

ja DC schon, aber leider logarithmisch und dynamisch geht nicht so 
viel... bei so 25Hz ist schlusz. Dafuer rauschts aber auch praktisch 
nicht :D


@Christian L.

Ah, der AD797 sieht beim ersten lesen (deines Postings, Datenblatt hab 
ich noch nicht) gut aus.
Hmmm, da sind einige dabei die ich in der Herstellerliste zwar gesehen, 
aber aus irgendwelchen Gruenden nicht naeher in Erwaegung gezogen habe.
Bin mal gespannt.... am Anfang hatte ich ja noch Null Ahnung und hab 
vornehmlich auf den Tcos geglozt. Das ist hinterher immer lustig, wenn 
man merkt wie beschraenkt die eigene Sicht am Anfang war (und i.d.R. 
auch immernoch ist, wenn auch etwas weniger).
Vielen Dank fuer die Anregung.

von Rauschi (Gast)


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>ja DC schon, aber leider logarithmisch und dynamisch geht nicht so
>viel... bei so 25Hz ist schlusz. Dafuer rauschts aber auch praktisch
>nicht :D

Dann ist für dich das Breitbandrauschen ja sowieso uninteressant, oder? 
Das 1/f-Rauschen ist dann schon wichtiger.

Du willst also DC handlen und bei 25Hz tiefpaßfiltern??

von Dieter_G (Gast)


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@Christian L.

Der LTC1250, den hatte ich auch schon herausgesucht. Wobei der OP177 den 
ich jetzt drinnen habe auch ganz ok ist.
Der AD797 ist ja ein brutales Geraet. Aber bei dem krassen input-offset 
current verhagelt mir dessen Drift den Nullwert (wird fuer Drucksensoren 
verwendet, Null soll moeglichst stabil sein, deshalb will ich den 
kleinen offset-drift)

@Rauschi

Nachtrag : ich habe heute interessehalber einen 100nF Kondi vom 
Mittelpunkt des Spannungsteilers, der die Eingaenge common-mode maeszig 
auf halber Versorgungsspannung haelt, zu Masse geschaltet. Hat am 
Rauschen nix geaendert.

von Christian L. (cyan)


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@ Rauschi
Äh, irgendwie habe ich das Gefühl, dass du nicht du recht verstanden 
hast, was er damit meinte. Oder bin ich blind und sehe die Ironie nicht?

LG Christian

von Dieter_G (Gast)


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ne, ich glaub du hast mein Posting nicht richtig gelesen...
das hochentwickelte Meszgeraet zur ortsaufgeloesten 
Intensitaetsmessung...
ist mein Auge !

von Dieter_G (Gast)


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@Rauschi

du hast wohl etwas zu schnell quergelesen :)

Aber ich hab auch zu dick aufgetragen, denn eigentlich ist mein Auge ja 
garnix bionisches, sondern nur was (ordinaer) biologisches.
Aber da "bionisch" viel mehr nach SciFi-Hightec klingt, habe ich mir 
erlaubt diesen "Fehler" zu machen ;)

von Rauschi (Gast)


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>Aber ich hab auch zu dick aufgetragen, denn eigentlich ist mein Auge ja
>garnix bionisches, sondern nur was (ordinaer) biologisches.

Sorry, ich habe vor einer Dekade mal ein solches Meßgerät gebaut, das 
140dB Dynamik hatte (allerdings AC) und dich deshalb für voll 
genommen...

von Ulrich (Gast)


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Als Alternative zu einem Zero Offset Verstärker für einer DMS-Brücke 
gibt es die Möglichkeit die Brücke mit AC zu betreiben. Ist vom Aufwand 
eventuell etwas höher, aber man spart sich den Ärger mit Drift (auch 
thermelektrisch) und dem 1/f Rauschen.

von Dieter_G (Gast)


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@Rauschi

oha, das ist aber viel. davon bin ich ja ewig weit weg mit meiner 
Schaltung. Ich komme auf was ... ~70 vielleicht (?)

von Dieter_G (Gast)


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@Ulrich

ja das habe ich schon bemerkt. Die alten Meszverstaerker die wir haben 
(ganze Geraete, also grosze Kaesten mit Einschueben) mach das alle. Die 
von Hottinger&Baldwin ("HBM") arbeiten mit 8KHz. Aber das ist mir im 
Moment noch zu hoch. Zudem hab ich keine Ahnung von den Zusammenhaengen 
die bestimmen, bis zu welcher Frequenz ich dann bei einer gegebenen 
Traegerfrequenz meszen kann. Die HBM-Verstaerker sind alle ultralahm, 
also nur fuer DC zu gebrauchen.
Soweit ich weisz geht dann auch das gefi**e los, dasz man die 
parasitaere Kapazitaet der Kabel kompensiren musz und so Kruscht. Aber 
der Dynamikumfang von den Teilen ist schon beachtlich (bin im Moment 
nicht ganz sicher, aber 20dB mehr sinds bestimmt wie bei mir im Moment).

Hast du Erfahrung mit der thermoelektrik ? Ich hab mal ein paar 
Ueberschlagsrechnungen gemacht, aber das Problem ist die Abschaetzung 
der Temperaturdifferenz zwischen den verschiedenen OP-Beinchen.

von Dieter_G (Gast)


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Dieter_G schrieb:
> Die
> von Hottinger&Baldwin ("HBM") arbeiten mit 8KHz. Aber das ist mir im
> Moment noch zu hoch.

mit "zu hoch" mein ich bzgl. der Geistigen Anforderungen, nicht die 
Frequenz :D

von Ulrich (Gast)


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Bei den Trägerfrequenzbrücken kann man bis vielleicht 1/10 der Frequenz 
gehen. Wenn die sich Mühe geben mit dem Filter usw. geht es auch weiter, 
bis fast zu 1/2 der Frequenz, mit rechteckförmiger Modulation geht es 
ggf. sogar auch bis über die Trägerfrequenz, mit nur einer kleinen Lücke 
bei der Modulationsfrequenz.

Es gibt und gab auch schnellere Trägerfrequenzbrücken (auch von HBM) mit 
ca. 50 kHz Trägerfrequenz wenn ich mich richtig erinnere. Damit kann man 
dann auch relativ schnelle Effekte messen.
So schlimm ist das mit dem Abgleichen der Kapazitäten eigentlich nicht. 
In der Regel sind die Kabel ja gleich lang, und bei den meist kleinen 
Widerständen der DMS stören ein paar 100pF an Kapazität nicht so sehr. 
Das wird erst bei hoher Frequenz und sehr langen Kabeln ein Problem.

Ich habe schon Erfahrungen mit der Thermoelektrik: Wenn man nicht 
aufpasst kriegt man darüber auch mit driftfreien OPs noch Drift rein und 
eine Art 1/f Rauschen rein. Als Gegenmaßnahmen sollte der Verstärker 
eher klein sein und nicht zu viel Wärme erzeugen. Konvektionsströme in 
der Luft können zu störendem niederfrequentem Rauschen führen und 
sollten vermieden werden.

Auch an den Messbrücken selber hat man thermelektrische Spannungen. 
Leider ist bei Konstantan die Thermokraft gegen Kupfer relativ hoch.

Die Abschätzung der Temperaturdifferenzen ist schwer. Die Kunst ist es 
ja gerade den Verstärker so aufzubauen, das da möglichst keine Differenz 
auftritt. Entsprechend sollte man auf Symmetrie achten und im kritischen 
Teil auf wenig Verlustleistung achten.

von j. c. (jesuschristus)


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>Dickschichtwiderstände kannst du hier völlig vergessen.

Blödsinn. Fürs Spannungsrauschen ist das völlig egal.

von Rauschi (Gast)


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>Blödsinn. Fürs Spannungsrauschen ist das völlig egal.

Die Erfahrung lehrt, daß Dickschichtwiderstände in einer solchen 
Anwendung ungeeignet sind.

Dickschichtwiderstände zeigen erheblich größeres Stromrauschen als 
Dünnfilmexemplare, wie hier kurz erläutert wird:

http://de.farnell.com/jsp/bespoke/bespoke7.jsp?bespokepage=farnell/de/ed_world/news/industry_news/2007/wk1/ab_resistor.jsp

Zusätzlich ist die Streuung bei der Herstellung viel größer, meint, es 
gibt einzelne Ausreißer, die weit stärker rauschen als der Durchschnitt.

Was beim Stromrauschen aber immer unterschlagen wird, ist, daß die Norm 
vorschreibt, das Stromrauschen nur im Band zwischen 618Hz und 1618Hz zu 
messen. Das in einer Schaltung tatsächliche anzutreffende Stromrauschen 
wird damit garnicht erfaßt.

Stromrauschen hat oft eine ausgeprägte 1/f-Charakteristik. Ich habe 
schon Schaltungen mit Dickfilmwiderständen gesehen, bei der die 
Offsetspannung regelrecht hin- und herzuspringen schien. Austausch der 
Dickfilmwiderstände durch Dünnfilmwiderstände beitigte dieses Problem.

von Dieter_G (Gast)


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@Rauschi

ja das habe ich auch gehoert, dasz die Dickfilm mehr rauschen. Leider 
habe ich mit der OP177-Schaltung den Test nicht gemacht, ich denke da 
haette ich vielleicht einen Unterschied zwischen beiden Typen gesehen.

@Ulrich

Sehr interessant das alles.
Nur ein Hinweis : Ich verstaerke Druckmesssonden, keine DMS. Sind zwar 
im Prinzip das gleiche, aber die Bruecke hat 4K Ausgangsimpendanz (also 
nicht niederohmig wie du meintest).

wg. Seebeckeffekt, Temperaturdifferenzen :
Hmmm, also du meinst die Differenz zwischen den Bausteinen, also 
zwischen 2 OPs in je einem eigenen Gehaeuse, oder zwischen den OPs und 
anderen Bauteilen, z.B. den Feedbackwiderstaenden ? Von wo sind die 
staerksten Effekte zu erwarten ? Ich hatte bisher immer nur Sorge um den 
Uebergang vom Kupfer zu den OP-Beinchen (genauer : + und - Eingang) und 
war daher darauf fokusiert die Temp.Differenz zwischen diesen beiden 
(i.d.R. benachbarten) Beinchen zu eliminieren. Der Sensor selbst wird 
kaum warm, und auch die Temp.Differenz zwischen OPamp und Sensor sorgt 
mich kaum, denn solange die jeweiligen Uebergaenge auf ein anderes 
Metall bei paarweise gleicher Temperatur in der Hin- und Rueckleitung 
(also den 2 Leitungen vom S-Ausgang zu den OPs) {liegen}/{sich 
befinden}, heben sich die Thermospannungen ja gegenseitig auf.
Was sind denn da deine Erfahrungen ?
Und kennst du eine gute Moeglichkeit um Bauteile thermisch gut zu 
koppeln, ohne sie elektrisch zu verbinden (also z.B. benachbarte 
OP-Beinchen) ?

von Dieter_G (Gast)


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@Ulrich
Was meinst du mit "eine Art 1/f Rauschen" ? wie aeuszert sich das ?

von Ulrich (Gast)


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Die Thermospannungen können an verschiedenen Stellen entstehen. Das sind 
wie schon vermutet die Übergänge IC Pin zum Kupfer, aber auch die 
Übergänge an Widerständen vom Kupfer zum Widerstandsmaterial. Das ist 
vor allem bei Shunts ein Problem. Eine große Thermospannung gibt es auch 
am Chip selber, also vom Metall zum Silizium. Damit hier die Differenzen 
kleine bleiben sollten alle Pins des ICs auf etwa gleicher Temperatur 
sein, nicht nur die beiden Eingänge.

Den Sensor selber würde ich nicht unterschätzen. Oft wird der Strom 
gerade als Kompromiss hinsichtlich Rauschen und den thermischen 
Problemen gewählt. Konstantan gegen Kupfer hat rund 40 µV/K an 
Thermokraft, also relativ viel im Vergleich zu den IC Pins usw. Wenn man 
es auch besser 1 µV genau haben will, stört da schon eine Differenz im 
Bereich von 25 mK.

Um die Temperaturdifferenzen klein zu halten sollte man zum einen die 
Wärmefreisetzung auf das nötige begrenzen. Entsprechend gibt es ein 
Abwägen zwischen wenig Rauschen (viel Strom, kleine Widerstände) und 
wenig Leistung.
Für den Instrumentenverstärker sind nur die beiden ersten OPs kritisch - 
der Rest kann weiter weg sein, oder stromsparend ausgelegt sein.
Wenn die Schaltung und noch ein paar cm drum herum symmetrisch sind, 
kann man von einigermaßen geringen Gradienten ausgehen. Die Wärme sollte 
per Wärmeleitung verteilt werden, nicht per Konvektion. Das ginge z.B. 
mit einem Blech über oder unter der Platine. Die Störungen durch 
Konvektion sind halt ein vor allem niederfrequent, nicht unbedingt als 
Rauschen, teils auch fast "periodeisch". Je nach Abmesungen vor allem 
unter 10 Hz bis vielleicht 0,1 Hz.

Neben der Thermoelektrizität gibt es noch einen indirekten thermischen 
Effekt über mechanische Spannungen, die sich auf ICs auswirken. Gerade 
bei SMD ICs muss man mechanische Spannung auf der Platine vermeiden. 
Ggf.kommen da noch extra Schlitze in die Platine.

Wie sind denn die Anforderungen an die Messaufgabe (Linearität, 
Rauschen, Bandbreite, Weiterverarbeitung (AD?)) ?  Eine AC Brücke wäre 
da ggf. doch einfacher. Es gibt auch schon passende ICs die einem Viel 
abnehmen können. Eine eher alte Type wäre z.B. NE5521, auch wenn der vor 
allem für LVDT gedacht ist.

von Dieter_G (Gast)


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@Ulrich

aha aha, ich seh schon, da gibts noch viel zu lernen. Das mit den 
mechanischen Spannungen ist ja auch interessant, daran hatte ich noch 
nie gedacht.
Vielen Dank fuer die vielen interessanten Informationen.
Wegen der Anforderungen an die Messtechnik : Die sind nicht genau 
spezifiziert. Ich hab kein Lastenheft wie in der Industrie. Bandbreite, 
urspruenglich 10KHz, aber inzwischen hab ich mich mit mir auf ~5KHz 
geeinigt, aus verschiedenen Gruenden (die die Realisierung vereinfachen) 
was mir leicht viel, da 10KHz schon groszzuegig war. Rauschen : so wenig 
wie moeglich. Ab 1‰ abwaerts, also 60dB finde ich akzeptabel. Im Moment 
habe ich ~1mV-PP mit den OP177 bei +-1.4V Nutzsignal, d.h. 1/28'000 also 
0.036‰ oder 88dB Rauschabstand. Aber die Schaltung ist ja noch nicht 
fertig, die zweite Stufe fehlt ja noch bei meinem 
Instrumentenverstaerker, der OP, der das Differenzsignal auf Masse 
bezieht. Werde ich morgen oder uebermorgen aufbauen und dann testen, 
aber eigentlich duerfte da ja nix mehr anbrennen, denn verstaerkt ist 
das Signal da ja schon. Ich habe aber dennoch etwas Sorge, weil 
zwischendrinn noch ein Kabel kommt, also nicht wegen Rauschen, sondern 
wegen Stoerungen (hauptsaechlich RF). Linearitaetsfehler : kein Blasser, 
die Sensoren selbst haben ja schon ?0.5%? oder sowas, also wenn ich da 
um Faktor 10 hoch 18 drunter bleibe ists ok :D. Ne im Ernst, also wenn 
ich Faktor 4 unter dem Sensor bleibe ist das genug. Weiterverarbeitet 
wird mit A/D, genau. 16 bit Aufloesung habe ich erchoren (das ist ne 
schoene runde Zahl). Daraus ergibt sich auch bzgl. des Rauschens eine 
Maximalanforderung von 1/65535, darunter zu kommen ist absolut 
ueberflueszig. Der Nullpunktdrift ist mir noch sehr wichtig. Die 
Sensoren sind kompensiert, aber es bleibt natuerlich ein Restfehler der 
natuerlich auch nicht mehr linear ist. Es sind typisch +-0.2mV, max. 
+-0.5mV spezifiziert bei +-20mV FS (!). Bei EINEM den ich getestet habe, 
waren es 20µV bei 25°C->45°C. Das ist mir der wichtigste Punkt, da will 
ich irgenwie noch nachbessern um das zu verringern. Dabei bin ich 
natuerlich darauf angewiesen, dasz ein halbwegs systematischer Fehler 
bleibt. Mal sehen. Hinterher per Software korrigieren geht natuerlich 
unter gewissen einschraenkungen auch, find ich aber irgendwie unschoen.

von Ulrich (Gast)


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5-10 kHz Bandbreite ist schon recht viel für einen Drucksensor (außer es 
ist ein Mikrofon, da ist es eher wenig).
Die AC Brücke hätte halt praktisch keine Nullpunktdrift, außer das was 
der Sensor von sich aus hat, und man hat oft weniger Rauschen, weil das 
1/f Rauschen weitgehend wegfällt. Dafür hat man bei AC oft mehr Fehler 
beim Skalenfaktor und Linearität. Vor allem bei eher geringer Frequenz 
kann man bei der AC Brücke die Demodulation ggf. auch mit den AD-Wandler 
(ggf. auch mit weniger Auflösung) machen.

Gegen RF Störungen sollte am Verstärker Eingang ein Tiefpassfilter sein 
(z.B. Ferrite Perle + Kondensator nach GND.

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