Hallo,
ich bin bei der Suche nach der Lösung meines Problems auf dieses nette
Forum gestoßen und hoffe, dass ihr mir hierbei weiterhelfen könnt. Ich
muss dazu sagen, ich bin elektrotechnischer Neuling und noch recht
unerfahren.
Aber nun zu meiner Problemstellung:
Ich führe Messungen durch mit Messmikrofonen und muss das Mikrofonsignal
an eine Messwerterfassung leiten. Das Mikrofon ist ein
Elektret-Kondensator Mikrofon mit einer Sensitivität von 3mV/Pa. Es wird
eine Impedanzwandlung des hochohmigen Signals durchgeführt, sodass die
Ausgangsimpedanz des Mikrofons bei ca. 50 Ohm liegt. Weiterhin wird die
Gleichspannung per AC Coupling blockiert, sodass lediglich das
Wechselspannungssignal auf Grund der Schalldruckänderungen übrig bleibt.
Das Problem hierbei ist, dass auf Grund der geringen Sensitivität des
Mikrofons und dem großen Bereich zu erwartender Schalldrücke von einem
Spannungsbereich zwischen ungefähr 0,006mV und 6V (Minimum und Maximum,
es ist letztendlich nicht 100%ig sicher, wie groß der Bereich ausfällt)
ausgegangen werden muss.
Für die Messwerterfassung (ADC Wandler) wird ein 16bit System benutzt
mit einem Spannungshub (hoffe das nennt man so, bin nicht ganz
sicher...) von +-5V oder +-10V. Daraus ergibt sich eine für das Problem
unzureichende Auflösung.
Daher bin ich nun auf der Suche nach einem passenden Verstärker, der das
Mikrofonsignal bei kleinen Schalldrücken entsprechend verstärkt und
somit die weitere Verarbeitung ermöglicht.
(Als Zusatzfrage: Optimalerweise sollte der Verstärker hingegen große
Spannungen nicht/kaum verstärken, damit die Messwerterfassung nicht im
Overload arbeitet, ist das möglich?)
Im Internet habe ich nun zahlreiche Ansätze gefunden, bin aber zu dem
Schluss gekommen, dass alle (auch hier gelesenen) Lösungsansätze sehr
problemspezifisch sind, deshalb schreibe ich nun persönlich.
Ich hoffe, jemand ist in der Lage, mir Schritt für Schritt zu erklären,
welche Art von Verstärkung hier am besten ist? Die Anforderungen sollten
hierbei vor allem die rauscharme Verstärkung sein. Im Prinzip benötige
ich lediglich einen Spannungsverstärker für ein Mikrofonsignal. Ich
hoffe, mir kann jemand bei dieser Sache behilflich sein.
Vielen Dank!
Erst einmal wäre ein linear arbeitender Verstärker mit sehr geringem
Rauschen zu suchen.
Zusätzlich wäre ein Einengen der Bandbreite im Signalweg notwendig auf
das kleinste vertretbare Maß, also auf die höchste zu messende Frequenz
angepasst, da ja die Rauschleistung mit der Bandbreite wächst.
Zu überlegen wäre eventuell ein logarithmierender Verstärker, wegen des
Wertebereichs von 6µV bis 6V, nur haben solche Verstärker eher
schlechtere Rauschwerte als linear arbeitende.
Ganz wesentlich zur Bearbeitung des Problems sind also Angaben, in
welchem Frequenzbereich das Signal auftritt.
Ein andrer Weg wäre folgende Lösung:
1. Ein Grob-AD-Wandler, der z.B. das unverstärkte Signal direkt
verarbeitet, für den Spannungsbereich von z.B. 1mV bis 10V.
2. Ein Verstärker mit v = 1000, der übersteuerbar ist. Der würde mit
einem zweiten Fein-AD-Wandler parallel den Bereich von 1µV bis 1mV
verarbeiten.
3. Logik im Kontroller benutzt zunächst die vom "feinen" AD-Wandler, bei
overflow dieses Wandlers werden die Werte des Grob-Wandlers verwertet.
4. Bei guter Überlappung beider Wandlungsbereiche dürften da keine große
Probleme entstehen.
Von 6uV bis 6V klingt vor allem nach einem: Da hat jemand noch nicht
überlegt, was er überhaupt machen soll.
6uV so weit zu verstärken, dass ein 16 bit Wandler weitgehend
ausgesteuert wird, ist utopisch.
Bereits die Rauschspannung deines 50 Ohm Widerstandes liegt im
Audiobereich bei 0.17uV, also kannst du die hinteren 12 bit schon mal
vergessen.
Grundlagen Leute, Grundlagen.
Gehen wir von realistischen Verhältnissen aus, dann wird doch wohl der
das A/D Signal auswertende uC eine Einstellung des Verstärkungsfaktors
machen können.
Das ist dann nicht allzu schwer, im einfachen Fall reichen ein paar
Output Pins die Rückkopplungswiderstände entweder offen lassen oder an
GND legen.
Von 6mV bis 6V kann man dann wohl reden, aber 20kHz noch auf 1/65536
präzise abzubilden erfordert einen wirklich guten OpAmp.
Jo,
die offensichtlich bereits vorhandene Beschaltung des Mikrofons scheint
mir auch eher abwegig für eine vernünftige Signalauswertung entsprechend
der Vorgaben.
Balanced Line wäre da wohl angesagt.
Also, zuerst einmal vielen Dank für die schnelle Hilfe. Ich werde mal
versuchen, die Fragen, die hier aufgekommen sind weitesgehend zu
benatworten.
@Peter R.: Ich möchte Schalldruckschwankungen mit Frequenzen bis 2000Hz
untersuchen. Die Spannungsschwankung/Frequenz der Wechselspannung wird
also entsprechend geringer Frequenz sein.
2.Post: Leider habe ich keine Möglichkeit einen anderen AD Wandler zu
verwenden. Es muss genau dieser sein ...
@MaWin: Ich habe gut überlegt, was ich machen soll, jedoch wird erst im
Laufe der Experimente sicher sein, welche Schalldrücke, also Spannungen,
auftreten werden. Wie gesagt, die elektrotechnischen Grundkenntnisse
sind hierfür leider nicht ausreichend und eine Einarbeitung in die
komplexe Thematik würde leider meinen Zeitrahmen sprengen, da bald
Experimente durchgeführt werden sollen. Der genannte Bereich kommt aus
der Dynamic Range des Mikrofons, also all das, was mit dem Mikrofon
messbar ist. Um sicherzugehen, dass somit theoretisch der gesamte
Messbereich via AD Wandler ausgewertet werden kann, ist dieser große
Bereich leider erforderlich.
Ich bin nicht ganz sicher, ob ich dich im folgenden Absatz richtig
verstehe, aber dies bezieht sich anscheinend auf die elektrische
Verschaltung des AD Wandlers, oder? Ich würde ungern solche Varianten
machen, da dies nicht im Handbuch des Herstellers vorhanden ist, und
laut Hersteller leider keine Verstärkungseinheit angeboten wird (bzw.
eine Einheit zur guten Auflösung der mV-Signale)
@Blub: Auf welche Art der Beschaltung beziehst du dich genau? Bisher
sind ja lediglich die Randbedingungen gegeben, die leider als fest
angesehen werden müssen. Vielleicht hilft der geringe Frequenzbereich
bis 2kHz für weitere Aussagen?
Ich hoffe, es kann mir weiterhin jemand weiterhelfen. Ich hatte gehofft,
es gebe eine bestimmte Art Spannungsverstärker, mit denen eine einfache
Verstärkung des Mikrofonsignals möglich ist. Ich hatte bereits Kontakt
mit dem Mikrofonhersteller, der mir einen rauscharmen Verstärker
empfohlen hat, was wir ja bereits schon wissen. Darf ich fragen, welche
Tatsache die Verstärkung hier schwieriger macht? Wahrscheinlich der
große Spannungsbereich?
Nochmals vielen Dank!
MaWin schrieb:> Von 6uV bis 6V klingt vor allem nach einem: Da hat jemand noch nicht> überlegt, was er überhaupt machen soll.
Signale aus Geophonen haben einen ähnlichen Wertebereich.
Digitalisiert wurden (werden?) die mit Hilfe eines
logarithmischen AD-Wandlers.
Gruss
Harald
Und wenn Du einfach ein normales 24-bit-Audio-Interface (USB, PCIE, ...)
aus dem Audio-Bereich nimmst? Gängige Händler (z.B. Thomann) bieten da
eine breite Palette an. Mehrfaches Oversampling ist da üblich, um das
Rauschen weiter zu reduzieren. 2 kHz sind ja nun wirklich keine
Anforderung ...
Die unterschiedliche Verstärkung für verschiedene Amplituden (wie oben
schon genannt, ein Kompressor) gibt es dort auch in Hardware. Wobei ich
persönlich das dann nicht mehr als Messgerät bezeichnen würde: Wenn Du
im aufgenommenen Signal einen Pegel siehst, weißt Du ja nie, ob der auch
akustisch so gewesen ist, oder vom Kompressor auf den Wert gebracht
wurde.
> eine Einarbeitung in die
komplexe Thematik würde leider meinen Zeitrahmen sprengen...
Für das was du vorhast, braucht man aber fundierte Kenntnisse in einigen
Bereichen, sonst wirst du nur sehr mäßige Ergebnisse bekommen mit hohem
Aufwand.
Du weist nicht einmal die wichtigsten Anforderungen und auf was es
wirklich ankommt! (Genauigkeit, Auflösung, Abtastrate,
Antialias-Filterung...)
Viel Erfolg - Ironie aus.
Wenn du schnell Tests machen willst konzentriere dich nur auf den
Verstärker
und messe erst mal analog.
tom.bola1@web.de schrieb:> eine Einarbeitung in die> komplexe Thematik würde leider meinen Zeitrahmen sprengen,
Dann musst Du Dir wohl ein einfacheres, weniger komplexes Thema suchen.
> Ich hoffe, es kann mir weiterhin jemand weiterhelfen. Ich hatte gehofft,> es gebe eine bestimmte Art Spannungsverstärker, mit denen eine einfache> Verstärkung des Mikrofonsignals möglich ist.
Natürlich gibts die. Unter "Mikrofonverstärker" findest Du die
massenhaft unter google. Allerdings haben die typischerweise
eine feste Verstärkung. Mit einem Dynamikkompressor kannst Du
auch eine gewisse Anpassung der Verstärkung erreichen. Die
sind aber für Audiozwecke und nicht für Meßzwecke gedacht und
haben auch nicht einen Bereich von eins zu einer Million. Die
von mir erwähnten Geophonverstärker können das zwar, aber das
ist dann wirklich High Tech, insbesondere was die Signalaus-
wertung trotz hohem Rauschpegel angeht.
Gruss
Harald
So da bin ich wieder. Habe mir schon gedacht, dass ich direkt was zu
hören kriege, wenn ich das mit der Einarbeitung erwähne. Es ist nur
leider so, dass das Thema (Spannungs)Verstärkung im Rahmen meiner Arbeit
mehr oder weniger spontan aufgetaucht ist und ich daher eine schnelle
Lösung bevorzugt habe.
Vielleicht sollte ich meine Ausgangsfrage überarbeiten: Im einfachsten
Fall bräuchte ich ja lediglich einen Spannungsverstärker mit
entsprechenden Verstärkungsfaktor (am besten variabel zum
experimentieren). Der würde dann die mV in brauchbare Werte umrechnen
und die möglicherweise vorhandenen Volt in größere Volt, womit ich dann
irgendwie klarkommen müsste. Bei der Vielzahl an Verstärkern, die es so
gibt, wie kann ich entscheiden, welche für mein Problem effektiv sind?
Auf was muss ich achten? (Frequenzgang, rauschen, ???)
@Alex: Ich gehe mal davon aus, dass du nicht vom reinen
Spannungsverstärker sprichst, wenn du Dinge wie Abtastrate, etc.
erwähnst? Es geht mir nur um die Verstärkung der Spannung, nicht um den
ADC o.Ä.
@Ich: Ich habe heute bei Thomann angerufen, der Mitarbeiter meinte zu
mir, dass die Audio-Interfaces einen integrierten AD-Wandler haben,
deswegen passt das leider nicht. Er hat mir anschließend einen normalen
Mikrofon Preamp vorgeschlagen, nur weiß ich nun nicht genau, wie ich
entscheiden kann, ob dieser gut ist oder nicht.
@Harald Wilhelms: Wie gesagt, das Thema ist mir quasi zugeflogen, ich
habe nicht erwartet, dass die Verstärkung einer Spannung ein so großes
Problem werden wird. Ich werde wohl auf eine variable Verstärkung im
Sinne von große Verstärkung für kleine mV und kaum Verstärkung für V
verzichten, da dies die Messergebnisse quasi sinnlos macht (wie "Ich"
bereits gesagt hatte). Die Geophonverstärker sprengen wohl sehr
wahrscheinlich das Budget, wenn du schon sagst, dass sie zum High-Tech
gehören, oder?
Nochmals danke!
Wenn das eine Messanordnung werden soll, muss der Verstärker kalibierbar
sein und auch einen entsprechenden korrigierenden Frequenzgang besitzen.
Diesbezüglich ist es praktisch, wenn das offline gemacht werden darf,
weil das am Einfachsten im Rechner per post prozessing geht.
Was für ein Messmikrofon ist das?
Irgendwie wiedersprechen sich die Begriffe: Messmikrofon und verbogener
Lautstärkepegel.
Einzig die Idee, den Lautstärkepegel gezielt (logarithmisch) zu
verbiegen, erscheint mir sinnvoll. Andernfalls geht der Bezug der
Eingangslautstärke zu den Messwerten verloren.
Übrigens: Einen guten Messverstärker zu bauen ist nicht ganz ohne. Also
nichts für einen Anfänger und nichts für: "Eben mal so nebenbei".
Zu diesem Tema findest Du mit Sicherheit einiges bei den Analügnern
(früher Hi-Fi-Enthusiasten).
Amateur schrieb:> Zu diesem Tema findest Du mit Sicherheit einiges bei den Analügnern> (früher Hi-Fi-Enthusiasten).
Nein, die messen nicht, die hören.
Es ist halt wie immer vollkommen ungeklärt, ob wegen des 16 bit Wandlers
die Messergebnisse auf 0.0015% genau sein müssen, ob man Gelegenheit hat
den Verstärkungsfaktor passend einzustellen, ob 6uV 1bit oder full scale
entspricht, wie üblich wenn Unwissende schwammig über ihr ungeklärtes
Problem berichten.
Die umfassende Erfüllung der jeweils härteren Auslegung ist jedenfalls
physikalisch unmöglich.
