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.
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