Hallo, ich habe eine Spektroskopieschaltung aufgebaut, die einen Lock-In-Verstärker benutzt. Nun funktioniert alles einwandfrei bis zur Tiefpassfilterung, von der ich meine sie hätte mal besser ausgesehen. Die Schaltung im Anhang zeigt den Lock-In-Teil. Als Eingangssignal kommt ein 3.125kHz moduliertes Lichtsignal von einem Photosensor. Das Referenzsignal für Modulation und Lock-In-Demodulation ist das selbe 3.125kHz Signal aus einem PWM-AtMega-Ausgang. Der Lock-In Demoduliert richtig. Nur erhalte ich hinter dem Tiefpass 3. Ordnung mit Grenzfrequenz 2 Hz ein enorm starkes Rauschen, das ich mir nicht erklären kann. Ein Oszi-Bild ist im Anhang: Blau der Lock-In Ausgang, gelb das Signal hinter dem TP. Kann mir das jemand erklären? Das Rauschen ist ja offensichtlich höherfrequent als 3 Khz - sind das die höheren Ordnungen, die schlecht unterdrückt werden? Die Stormversorgung für LED-Treiber (ca. 100mA pro Puls) und Lock-In ist nur mittelmäßig gut entkoppelt, das heißt viel mehr gepuffert durch eine menge kondensatoren an den Bauteil-versorgungseingängen. Den Einfluss davon habe ich aber im gesamten Zweig bis inkl. Lock in bereits nachgemessen - der ist zwar sichtbar, sollte sich ja aber zum referenzsignal ohnehin synchron verhalten und das Rauschen hier nicht erklären können. Ich hätte bei 2Hz Grenzfgrequenz und einer Ordnung von 3 eigentlich erwartet, dass das Signal nicht SO aussieht - könnt ihr das bestätigen oder habt ihr eine Erklärung? Bzw. - was tun um das Signal glatt zu bekommen? Viele Grüße
Hier noch die FFT-Des Signals hinter dem TP. Wo kommen die hohen Frequenzen her?! Ich versorge die Schaltung mit einer Symmetrischen Batterieversorgung, also keine Step-Up-Wandler. Außerdem sende ich die Daten per Bluetooth, allerdings von einem anderen board aus - und das kanns ja wohl auch nicht sein... Ich habe den Invertierenden Verstärker mit G=5.6 erst nachträglich hinzugefügt (also die Beschaltung, der LMC6062 hatte noch einen OpAmp im gehgäuse frei) - kann irgendein Bockmist auf der PCB beim umrouten für so etwas verantwortlich sein?
Die Störungen sehen sehr danach aus das die Schaltung irgendwelche Störungen einfängt - das ist also kein Rauschen, sondern eher ein EMV Problem. Ein guter Teil ist sogar schon oberhalb 100 kHz und damit der GBW des OPs. Das ist also mehr ein Frage von Layout und Abblocken der Versorgung als der Schaltung.
Welche Versorgungsspannungen haben die OPAMPs? Du hast da zwei invertierende Strukturen, die auf Masse referenziert sind. Da benötigst du eine negative Versorgungsspannung.
Simon K. schrieb: > Da benötigst > du eine negative Versorgungsspannung. ja, sie bekommen +-5V Ulrich schrieb: > Das ist also mehr ein Frage von Layout und Abblocken der Versorgung als > der Schaltung. Layout und Abblocken inwiefern? Masse-Abschirmung der versorgungsadern?
Der Schaltplan kann die Störungen nicht erklären - schon gar nicht so ein Ausschnitt. Die Störungen kommen halt irgendwo von außen rein - ein heißer Kandidat ist dabei die Versorgung - muss es aber nicht sein. Bei solchen Störungen kommt es halt nicht nur darauf an wie die Schaltung auf dem Papier aussieht - Leiterbahnen sind da halt nicht mehr als ideal anzusehen. Ein Foto von der Platine (oder ggf. das Platinenlayout) ist da deutlich besser als die Glaskugel und zielloses rum raten. Zumindest das Testsignal sieht noch recht sauber aus - das könnte der µC wohl auch noch direkt mit dem ADC auswerten, sozusagen den Lockin in Software. Auch wenn man bei der analogen Lockin Schaltung bleiben will, sollte man eher die Grenzfrequenz des Filters höher legen (z.B. 50 Hz) und dann softwaremäßig auf die endgültige Bandbreite kommen - das spart auch gleich die unangenehm großen Kondensatoren. Außerdem kann man so die Einschwingzeit reduzieren.
Sieht stark nach Einkopplungen aus einem digitalen Teil aus. Die Störungen sehen wie Datenpakete aus - die breiten Störungen bestehen alle aus genau 8 Hauptpeaks. Es könnte sein, dass das Bluetoothmodul so stark einstreut, oder die Versorgungsspannung ist so stark verseucht. Ich tippe aber eher auf ersteres. Du kannst ja mal gucken, ob die Höhe der Störungen sich mit dem Abstand des Funkmoduls ändert.
Allenfalls mal ein Foto vom Aufbau rueberreichen.
Danke euch, werde ich machen sobald der nächste Schritt erfolglos geblieben ist: ich habe nun erstmal den filterteil noch einmal auf einem externen brett zusammengebaut und teste das jetzt, sobald ich NOCH ein Problem behoben habe (manchmal ist es einfach die Hölle)...
Christian L. schrieb: > Sieht stark nach Einkopplungen aus einem digitalen Teil aus. Die > Störungen sehen wie Datenpakete aus - die breiten Störungen bestehen > alle aus genau 8 Hauptpeaks. Es könnte sein, dass das Bluetoothmodul so > stark einstreut, oder die Versorgungsspannung ist so stark verseucht. > Ich tippe aber eher auf ersteres. > Du kannst ja mal gucken, ob die Höhe der Störungen sich mit dem Abstand > des Funkmoduls ändert. scharf beobachtet, das stimmt! ich denke mal du hast da die richtige spur, das schaue ich mir gleich mal genauer an
Also das Bluetoothmodul war der Volltreffer. Nun ist nur die Frage, was ich tun kann, um die Störungen möglichst gering zu halten! Im Anhang seht ihr Layout/Routing des Boards, auf dem offensichtlich die BT-Störung eingekoppelt wird. Entfernung des eigentlichen Moduls mit Lock-In hat keinen Unterschied gemacht (auch nicht abschirmung). Ich dachte (offensichtlich fälschlicherweise), dass es reichen müsste die Signal-Lines (Bottom-Layer) durch GND zu beiden seiten abzuschirmen. Nun die Frage. Was könnte man tun? Oder bleibt nur übrig das BT-Modul gänzlich auf eine andere Platine und an eine andere Stelle zu packen? Und die Signal-Platine metallisch abzuschirmen?
Am effektivsten wird es wohl sein die analogen Signale zu schirmen mit einem Metallblech. Wenn ich mir aber die Anschlüsse des Lock-In Teil angucke, frage ich mich, wie du die Signale überträgst. Benutzt du dafür Flachbandleitungen? Ein geschirmtes Kabel könnte hier auch noch ein wenig helfen.
Christian L. schrieb: > Benutzt du dafür Flachbandleitungen? ja. Ich sehe schon, ich muss an ein paar stellen schirmen. danke!
Ein erster Punkt wäre es am Ausgang des 2. OPs (5-fache Verstärkung) einen Widerstand (z.B. 100 Ohm) zu haben, um auch den Ausgang von kapazitiven Lasten (Kabel) zu entkoppeln. Das reduziert auch schon mal die Möglichkeiten das da HF Störungen zurück laufen und sich ggf. resonant (mit Kabellänge) verstärken. Der nächste Punkt wäre die Leitungen zum BT Modul Abzublocken - so das gar nicht erst so viele Störungen zurück auf die Versorgung usw. kommen. Ggf. braucht es da Ferrite zusätzlich zu eher kleinen Abblockkondensatoren.
Christian L. schrieb: > Am effektivsten wird es wohl sein die analogen Signale zu schirmen mit > einem Metallblech Mal generell: Kommt das Metallbleach auf GND oder bleibt das möglichst floating? Zweiteres, oder?
Ulrich schrieb: > Ggf. braucht es da Ferrite zusätzlich zu eher kleinen > Abblockkondensatoren. Damit kenne ich mich so gar nicht aus. mist! Wo bekomme ich da denn die notwendigen infos zu? (Also Entkoppelung mit Ferriten etc)
Alex v. L. schrieb: > Kommt das Metallbleach auf GND oder bleibt das möglichst > floating? Zweiteres, oder? Ich würde das Abschirmgehäuse mit Masse verbinden. Idealerweise sollte dies aber nur an einem Punkt geschehen und nicht an mehreren.
Die Ferrite sind in der THT Ausführung meist kleine Perlen - als relativ kleine Induktivität mit nur 1 Windung, dafür aber auch bis zu sehr hohen Frequenzen wirksam. Als SMD Ausführung ist das ggf. eine kleine Induktivität mit relativ hohem Verlust, die dann in die Versorgung zum BT Modul kommt. Es kommt halt darauf an, das die Induktivität auch bis zu den hohen Frequenzen noch wirksam ist. Der Analogteil sollte schon wegen anderer Störungen (etwa MW Radio, Schaltregler) eine Abschirmung haben. Gegen die hohen Frequenzen vom BT Modul ist es da schon gar nicht mehr so leicht, schon wegen der ganzen Zuleitungen und ggf. Öffnungen für die Optik. Da ist es ggf. effektiver auf eine Massefläche zu achten, die den Namen wirklich verdient hat. Auch bei der Spannungsversorgung für den Analogteil lohnt sich ggf. schon noch etwas mehr Filterung - nicht nur wegen der Störungen vom BT, sondern auch wegen des Choppersignals. Ein Übersprechen von der Modulation gibt halt unschöne Störungen, die nicht so leicht raus zurechnen sind.
Beim Layout wurde zu stark auf eng geachtet, es sind zuwenig Vias, die GND oben und unten verbinden. Und was sollen die 3 1000uF Elkos auf dem Board ? Speisung ? Die bringen wenig, nimm lieber 220uF Tantal und mach viel mehr 100nF an die Speisungen aufm Board. Ich wuerd mir fuer so eine Anwendung einen 4 Lagen Multilayer goennen, da ist man mit 100 euro dabei.
oohh schrieb: > Ich wuerd mir fuer so eine Anwendung einen 4 Lagen Multilayer goennen, > da ist man mit 100 euro dabei Ist schon lange in Planung, leider muss ich dafür erstmal den Grundsatz-Beweis liefern und das mit selbst-geätzten Platinen. Ich gebe dir aber recht, ich wünsche es mir auch anders... oohh schrieb: > mach viel mehr 100nF an die Speisungen aufm Board. An welchen Stellen meinst du? Ich habe bisher an allen +-VCC-Pins von jeglichen Bauteilen je einmal 100nF liegen. Wo würdest du noch welche hin machen? Das würde ich mir dann für den Vierlager merken.
Ich sehe bei der Schaltung gerade, dass da ein low drop Regler mit darauf ist (nahe am BT Modul) - der braucht in der Regel einen passenden Kondensator am Ausgang: etwa 5 µF mit ESR in einem definierten Bereich. Das heißt dann entweder ein Tantal Elko oder ggf. ein keramischer mit Widerstand in Reihen. Auch an Eingang des Reglers wären ggf. mehr als 100 nF angesagt. Eine Alternative wäre ein weniger wählerischer Regler, der auch mit keramischem Kondensator am Ausgang klar kommt.
Hallo Ulrich, danke für deine Anmerkungen! Die LDOs sind MC7805 und 7905. Also am Eingang habe ich ja die 1000µ Elkos, am ausgang bislang nur keramik. Tantal habe ich noch 10µFs da - wäre es sinnvoll C9/C10 gegen 10µF tantal auszutauschen?
Eine 9V Batterie vertraegt sich schlecht mit einem 7805. Der verbraucht zuviel strom. Ich an dessen Stelle einen LP2951 empfehlen.
Fuer einen Funktionstest leiht man sich einen Stanford SRS830, SRS850 oder so aus.
Die 7805 und 7905 sind normale Spannungsregler und recht unkritisch. Da können C9 , C10 so bleiben. Das Problem ist der TPS76333 - das ist ein LDO, und laut Datenlatt möchte der einen Ausgangskondensator mit etwa 5-10 µF und 0,3-10 Ohm Serienwiderstand / ESR. Der passende Ort für den Tantalelko wäre also hinter dem TPS76333. Vor dem TPS76333 wäre ggf. auch noch ein Elko (muss kein Tantal sein) oder etwas größerer Keramischer Kondensator (z.B. 4,7 µ) an den +5 V sinnvoll. Ein je nach Stromverbrauch des BT Moduls schwingender Spannungsregler könnte durchaus die Störquelle sein. Der Spannungsregler könnte ggf. auch etwas mehr Kupferfläche zur Kühlung gebrauchen. Wenn der Platz auf der Platine so knapp ist, könnte man zumindest die 1000 µF zwischen den +9 V und -9 V wohl einsparen können.
Danke für die konkreten Tips Ulrich, der Tantal am Ausgang und pufferkondensator am eingang ist im layout schonmal vorgemerkt! Generell eine Frage der Praktikabilität: Aus was / wie baut ihr euch denn "custom"-metallschirme? Muss es solides metall sein oder reicht ein faradayscher Käfig aus z.B. metallischem modelliergitter (wird für gips-Landschaften etc verwendet) mit Maschengröße ~1-2mm²? Oder ein Kunststoffgehäuse mit Silberlack bemalen?
So ein ein Gitter ist unüblich. Könnte gehen, aber die Kontakte sind ggf. nicht zuverlässig. Üblicher ist eher gebogenes Weißblech (Stahl hauchdünn verzinnt), und an den Kanten dann ggf. verlötet. So etwas gibt es auch fertig zu kaufen, lässt sich aber auch mal frei Hand schneiden / biegen. Man kann auch Kupferbeschichtete Platine (ungeätzt) nehmen und dann mit Drahtstücken an den Kanten verlöten. Das könnte ich mir ganz gut als zusätzliche Massefläche hinter so einer Platine vorstellen. Wenn das ganz Batteriebetrieben werden soll, ist nicht nur der 7805 eine schlechte Wahl, auch die AD630 sind nicht gerade sparsam. Sparsamer wäre da z.B. eine direkte digitale Auswertung, etwa über µC mit 12 Bit AD.
Alex v. L. schrieb: > Aus was / wie baut ihr euch denn "custom"-metallschirme? Wie Ulrich schon sagte, gibt es Weißblech in Form von Platten oder fertig, zu einem Gehäuse gebogen, zu kaufen. Man kann aber auch Konservendosen, Bonbon-Dosen oder Keksdosen dafür missbrauchen.
Ja, das mit dem 7805er sehe ich ein! Weißblech - gut, ist notiert. Blechschere etc habe ich, dann mache ich das Gehäuse selber. die digitale lock-In-Auswertung wäre dann Version 2, jetzt bin ich leider bei analog - und muss das erstmal gut zum laufen bekommen. Aber auch das ist vermerkt! Mein Grund für den 7805er mit 7905er war eigentlich nur, dass ich eine zuverlässige +-5V,GND Rail aufbauen wollte und keine Alternativen kannte (inklusive Verschaltung) die zuverlässig funktioniert! Was wäre denn das Gegenstück für die -5V im Falle des LP2951? Oder ist der 7905er gar nicht das problem und ich tausche einfach den 7805er und belasse den 7905er, Schaltung dann genauso?
Der LP2951 (bzw. LP2950) ist ein low drop Regler - das ist für Batteriebetrieb nicht so falsch, man muss aber wieder auf die Kondensatoren / Elkos achten. Allerdings ist maximale Strom nicht so hoch - für den µC usw sollte es aber reichen. Der 7805 hat relativ viel Ruhestrom und braucht wenigstens etwa 7,5 V - damit kann man eine 9 V Batterie nicht mal ganz leer machen. Es gibt auch negative Low drop Regler - die könnten im Prinzip sogar eher bessere Eigenschaften haben. Nur die Auswahl ist nicht so groß. Im Prinzip ginge es auch mit einem Positiven Regler und dann erst danach zusammenschalten - nur kann man dann die -9 V nicht mehr nutzen. Den Strom für die oben erwähnten LEDs sollte man eher nicht über den 5 V Regler ziehen - lieber direkt von der Batterie oder ggf. separat stabilisiert.
Der 7805 versorgt mir allerdings nicht nur µC sondern auch die analogschaltung inklusive sensor, verstärkung und LEDs.. Das board habe ich mal auf 500mA peak auslegen wollen, deshalb bin ich dann auch beim 7805er gelandet. Die LEDs direkt über die Batterie zu versorgen ist natürlich eine gute Idee, das überlege ich mir mal. Der Strom wird ja ohnehin über Stromregler gesteuert, extra stabilisieren müsste man die VCC der LED also nichtmal großartig denke ich...
Kannst du das Bluetoothmodul während der Messungen ausschalten?
Bestaendiger schrieb: > Kannst du das Bluetoothmodul während der Messungen ausschalten? ja ich habe eine jumperstelle für ein max232-Kabelmodul, damit läufts jetzt (auch störungsfrei). das BT-Modul muss halt in einem neuen Design dann vorsichtig dazu.
Aehh schrieb: > Eine 9V Batterie bringt hoechstens 50mA auch mit 1000µF gepuffert und von einem 7805er runtergeregelt?
Es hängt von den Batterien / Akkus ab, wie viel strom man da ziehen kann. Das ist keine scharfe Grenze - je höher der Strom, desto mehr stört der Innenwiderstand. Mit einer neuen Batterie geht es dann ggf. noch, aber man kann halt weniger der Kapazität nutzen, wenn man mehr Strom braucht. Gerade mit dem 7805 hat man da bei der Spannung nicht viel Reserve. Mit Akkus könnte man vielleicht die 500 mA nutzen, aber da ist die Spannung oft etwas niedriger - und schnell zu wenig für den 7805. Da hätte der Low Drop Regler dann Vorteile, weil die Spannung etwa 1,5 V niedriger sein darf. Die Elkos bringen nur etwas für den Spitzenstrom, etwa für die Modulierten LEDs. Da wäre es dann besser auch noch einen Widerstand (oder Induktivität) als Entkopplung vorzusehen, damit die Spannung am Elko auch sinken darf. Die Lockinschaltung ist so wie es aussieht für 50% Tastverhältnis ausgelegt. Da bringt der Elko noch nicht viel. Bei einer Lösung als Digitaler Lockin wäre ein kleineres Tastverhältnis möglich und für einen geringeren Stromverbrauch auch besser.
Ulrich schrieb: > Der LP2951 (bzw. LP2950) ist ein low drop Regler - das ist für > Batteriebetrieb nicht so falsch, man muss aber wieder auf die > Kondensatoren / Elkos achten. Allerdings ist maximale Strom nicht so > hoch - für den µC usw sollte es aber reichen. Nach etwas Urlaub bin ich wieder an meinem Projekt und nun bei der Einarbeitung all der Verbesserungsvorschläge. Den 7805er könnte ich ja einfach gegen den vorgeschlagenen LP2951 austauschen - aber was ist mit dem 7905er? Gibt es da ein LDO-Pendant? Edit: Ich denke ich mache für eine Batteriebetriebene +-5V Rail mal einen anderen Thread auf.
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Bearbeitet durch User
Es gibt im Prinzip auch LDOs für negative Spannung (z.B. LM2990 - kein besonders guter Typ für Batteriebetrieb), allerdings sind die eher selten, schwer zu bekommen und vergleichsweise teuer. Sofern man die -9 V nicht noch ungeregelt braucht, könnte man auch für die negative Spannung einen positiven Regler nutzen, wenn man nicht direkt die Batterien verbindet sondern erst die geregelten 5 V. Der LP2950 ist als Regel nur bis 100 mA vorgesehen, und auch schon mit 50 mA wird der im TO92 Gehäuse relativ warm. Der LP2950 ist zwar schon besser als der 7805, aber immer noch nicht wirklich sparsam. Sparsamer wäre etwa ein MCP1703. Bei dem recht hohen Stromverbrauch ist ohnehin zu überlegen von den 9 V weg zu gehen. Wie viel Strom wird denn gebraucht ?
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