Hallo,
es kommt ja immer wieder die Frage nach dem DMS Streifen und der
Wechselspannung. Das wird immer nur kurz genannt, aber eine genauere
Beschreibung finde ich (mangels passender Suchwörter?) nicht.
Theoretisch sollte es doch gehen, das wohl bekannte (Sinus bekannter
Frequenz und Amplitude) Referenzsignal, welches auf den DMS los gelassen
wird, mit der Spannung die an der Brücke gemessen wird zu
multiplizieren.
Da die Multiplikation im Ortsraum einer Faltung im Frequenzraum
entspricht, sollte bei einem Sinus nach der Multiplikation mit dem
Messsignal ja wieder nur ein Sinus gleicher Frequenz herauskommen. Zum
messen kann dieser Tiefpassgefiltert werden, und man hat ein DC Signal,
welches proportional zum Messsignal ist.
Also der Aufbau sieht so aus:
1
Ausgang Brücke-->Verstärker (x100-x1000, je nach Brücke)-->-
2
|
3
--- Ref Signal--->Mulitplizierer
4
|
5
Tiefpass
6
|
7
DC Signal
Ist das wirklich so "einfach", oder funktioniert das so nicht? Als
Referenzsignal würde ich das mindestens 4-5 fache der Abtastfrequenz
nehmen, Tiefpass etwas über dieser Frequenz.
ok, das ist schonmal gut.
Noch eine theoretische Frage (welche bei einem DMS nicht interessiert)
Um die Phase herauszufinden, kann ich ein um 90° Phasenverschobenes
Referenzsignal mit dem Ausgangssignal multiplizieren und erhalte dann
eine weitere Spannung (nach tiefpassfilterung).
Die Spannung mit dem nichtverschobenen Referenzsignal entspricht dann
der Amplitude des Signales (falls dieses nicht phasenverschoben wäre),
multipliziert mit dem cosinus der Phasenverschiebung.
Das um 90° verschobene Referenzsignal enspricht der Amplitude mal dem
sinus der Phasenverschiebung.
So kann man beide unbekannte (Amplitude und Phasenverschiebung)
berechnen, oder?
Das wäre dann ein einfacher Lock-In. Passt das?
edit: so dann:
Das mit der um 90 Grad Verschobenen Phase machen analoge Lockin
Verstärker so.
Die vorgeschlagene Schaltung ist an sich ein Lockin-Verstärker.
Wenn man das Signal dahinter sowieso digitalisieren will, kann man auch
die Auswertung der Wechselspannung schon digital machen, also das Signal
und ggf. auch das Referenzsignal digitalisieren und die Multiplikation
und ggf. Phasenbestimmung digital machen. Das ist dann sozusagen ein
digitaler Lockin. Wegen des eher geringen Rauschens reicht da auch
relativ wenig Auflösung beim ADC.
Das hat den Vorteil, das man auch beim ADC keine DC Offsets stören und
man gut Oversampling für mehr Auflösung nutzen kann.
Sandhexe schrieb:> was ist denn ein Oversampling?
Da wird ein Sinus mit mehr als der (mindestens nötigen, siehe
Nyquist-Shannon-Theorem) doppelten Frequenz abgetastet.
Das ist bei einem langsamen Signal auch ok. Bei dem DMS soll das im
unteren kHz Bereich sein und es gibt auch keine Phasenverschiebung.
Ich überlege nur gerade ob ich auch andere Signale so auslesen soll.
Allerdings gehen diese Signale bis 2Mhz und es gibt
Phasenverschiebungen. Hier wäre allerdings eine Auflösung der Phase im
Grad Bereich nötig (danach wird geregelt). Deshalb analog, da der
Mikrocontroller da sonst mit dem auswerten nicht hinterher kommt. Läge
Phase und Amplitude als analoge Spannung vor, kann ich diese im 100kHz
Bereich abtasten (reicht von der Regelung). Möchte ich die Phase direkt
mit dem ADC messen, bräuchte ich eine Abtastrate > 4Mhz und müsste
dazwischen auch noch interpolieren/fitten, was sehr eng wird.
Danke nochmal
Falls es noch mehr Imput gibt, immer her damit :D
Gerald G. schrieb:> Da die Multiplikation im Ortsraum einer Faltung im> Frequenzraum entspricht,
"parser error" :)
> sollte bei einem Sinus nach der Multiplikation mit dem> Messsignal ja wieder nur ein Sinus gleicher Frequenz> herauskommen.
Nee, kommt nicht. Es kommt ein Sinus DOPPELTER Frequenz
und ein Gleichanteil heraus.
Eins der beiden Signale (typischerweise das Referenzsignal)
darf ein Rechteck sein (bzw. der Analogmultiplizierer wird
zum Umschalter).
Die gemischten Harmonischen tragen nix zum DC-Anteil bei.
> Ist das wirklich so "einfach",
Im Prinzip schon, ja.
> oder funktioniert das so nicht?
Doch.
> Als Referenzsignal würde ich das mindestens 4-5 fache der> Abtastfrequenz nehmen,
Hmm, ja.
Es handelt sich ja, nachrichtentechnisch ausgedrückt, um einen
Synchrondemodulator für AM-Signale. Die Trägerfrequenz sollte
schon deutlich höher sein als die höchste Spektralkomponente
des Nutzsignales, sonst passiert wildes Zeug.
Auf den DMS rückübertragen: Mit 1000Hz Trägerfrequenz an
der Brücke kann man schlecht eine mechanische Schwingung
von 900Hz erfassen.
Man kann auf diese Weise (Trägerfrequenztechnik) übrigens
auch Gleichsignale über Trafos schicken und z.B. potenzial-
trennen.
Gerald G. schrieb:> Da wird ein Sinus mit mehr als der (mindestens nötigen, siehe> Nyquist-Shannon-Theorem) doppelten Frequenz abgetastet.
Ach so - also bedeutet Oversampling nichts Negatives im Sinne von
Übersampelt? Aber wenn das Shannon-Theorem nicht eingehalten wird gibt's
ja dieses Aliasing-Zeugs, wenn ich mich noch richtig dran erinnere. Aber
das man das dann auch Oversampling nennt, dass wusste ich bisher noch
nicht.
Was möchtest Du denn so flott mit DMS ausmessen? Hast Du eine Welle oder
ein Körper, der sich sehr schnell dreht und Du ein Moment erfassen
willst? Kann man mit DMS eigentlich auch noch andere Sachen machen,
außer Spannungen in Bauteilen bestimmen?
Gerald G. schrieb:> Allerdings gehen diese Signale bis 2Mhz und es gibt> Phasenverschiebungen. Hier wäre allerdings eine> Auflösung der Phase im Grad Bereich nötig (danach> wird geregelt).
Das geht; das ist kein Problem.
> Deshalb analog, da der Mikrocontroller da sonst mit dem> auswerten nicht hinterher kommt. Läge Phase und Amplitude> als analoge Spannung vor, kann ich diese im 100kHz Bereich> abtasten (reicht von der Regelung).
Das Ganze ist im Prinzip ein Direktmischer mit I/Q-Mischer.
Top-aktuell das Thema - Stichwort: "SDR".
In der einschlägigen Literatur kannst Du Dir Anregung holen.
> Falls es noch mehr Imput gibt, immer her damit :D
Okay, weil Du es bist:
1)
Auf Signal-Rausch-Verhältnis aufpassen. So hoch aufgelöste
Phasenmessung ist anfällig für Rauschen. Je weniger Du
mitteln kannst, desto besser müssen die Signale sein.
2)
Prüfen, ob Schaltermischer verwendbar sind. Es gibt sehr gute
Analogmultiplizierer, die sind aber teilweise etwas hampelig
in der Anwendung.
Setzt i.d.R. ein Messsignal voraus, das entweder unverzerrt
oder rauschfrei ist.
3)
Offset lässt sich durch echte Vier-Quadranten-Technik eliminieren:
Der I-Kanal misst abwechselnd mit 0° und 180° Phasenverschiebung;
der Q-Kanal entsprechend mit 90° und 270°. Durch Differenzbildung
hebt sich ein Offset im Kanal auf.
Viele Digitale Waagen nutzen DMS, aber nicht alle.
Besonders billige nutzen ggf. Kapazitive Wegmessung und eine Feder.
Laborwagen mit sehr hoher Auflösung nutzen ggf. die Kraftkompensation.
Wenn es um die schnelle Auswertung eines Phasensignals geht, gleicht man
oft die Phase so ab, das man ein Signal mit maximaler Amplitude und
eines mit etwa 0 Amplitude hat. Man nutzt dann Veränderungen des 2.
Signals satt der Phase. Das ist in erster Näherung proportional zur
Phase.
Bei hohen Frequenzen neigt man eher zur analogen Auswertung Lösung, bei
niedrigen Frequenzen eher zur Digitalen. Die Grenze verschiebt sich aber
zunehmend.
So, also danke nochmal an alle.
Habe mal die Faltungen durchgerechnet, und weiß nun woher die doppelte
Frequenz kommt und woher der DC Anteil kommt. Auch ist mir klar warum
das wie ein Bandpass wirkt, und dass die Breite des Bandpasses
proportional zur Tiefpassfrequenz ist. Also Je höher das Verhältnis des
Referenzsignals zur Tiefpassfrequenz, desto Schmalbandiger der Bandpass.
Auch habe ich verstanden dass z.B. ein 50Hz das sich auf das Signal
"geschlichen" hat, um die Frequenz des Referenzsignals verschoben wird,
und deshalb einfach ausgefiltert wird.
Ich hätte nun noch ein paar "praktische" Fragen.
Beim DMS:
Abtastung: 100kHz --> Tiefpass bei 70kHz (eigentlich 50kHz, aber damit
das 50kHz Signal nicht so sehr abgeschwächt wird etwas großzügiger)
Anregung: ca. 1Mhz Quarz mit einfacher Sallen Key Filterung. ich sollte
dann bei einem ca 1VSS herauskommen.
Das dann durch den DMS (1kOhm je Widerstand) jagen, und das ganze dann
mit dem AD8428 Instrumentenverstärker (G=2000, BW=3.5Mhz) verstärken.
Ich sollte dann bei maximaler Dehnung bei 2VSS herauskommen.
Diese dann mit dem Referenzsignal multiplizieren und eben bei 70kHz
filtern. Ich sollte bei maximal 2V herauskommen. Diese Spannung kann
dann noch einfach verstärkt werden (in meinem Fall auf +-10V)
Das passt?
2. Praktische Frage:
Wie mache ich das bei den 2Mhz? Ich möchte ein Signal mit 2Mhz abtasten.
Das bedeutet ich sollte mindestens im 2-stelligen Mhz Signal einen Sinus
erzeugen. Da ich auch noch die Phase benötige, brauche ich noch den
cosinus. Dies würde ich über zwei DDS die synchron getaktet sind
verwirklichen. Die Spannung nach der Brücke noch verstärken und dann
Multiplizieren. Während ich schnelle Multiplizierer gefunden habe, ist
das schnelle verstärken ein Problem. Schnelle instrumentenverstärker in
dieser Region sind sowieso nicht wirklich auffindbar, ich würde also
zwei schnelle OPVs (z.B. ADA4895-2) mit einer Verstärkung von je 20
hintereinander schalten. Die Referenzspannung kann ich ja bis etwa 2V
erzeugen. Diese werden auf 10mV heruntergeteilt. Die Maximale Messbare
Spannung beträgt 100µV (Ja, MikroVolt). Ich hätte damit also ein Signal
von 40mV, welches ich mit 2V multipliziere. Ich erhalte also Werte im
Bereich von 80mV, welche man mit einem Instrumentenverstärker sauber
verstärken kann (da dieses Signal ja sehr sauber sein sollte).
Das passt ebenfalls?
Bei der Relativ hohen Frequenz kann man sehr gut einen Transformator
nutzen, und so die Anregung Symmetrisch machen. Der Verstärker muss dann
kein Instrumentenverstärker mehr sein - es genügt dann eine einfache
Verstärkung.
Trotz der recht hohen Frequenz ist es nicht so abwegig die Auswertung
digital zu machen: man benötigt nicht so wirklich viele Punkte pro
Periode bei der Abtastung. Auch kann so eine digitaler Tiefpass deutlich
schärfer als eine analoger sein und bei fester Anregungsfrequenz (etwa
vom µC per PWM Signal) die Oberwellen und Trägerreste (fast) perfekt
unterdrücken. Es reicht dann für ein Nutzsignal bis 50 kHz auch noch
eine Anregung mit etwa 150-500 kHz und eine Abtastung mit z.B. 1 MHz.
Wenn man es analog machen will, muss die Anregung auch nicht unbedingt
Sinusförmig sein, es geht auch mit einem "Rechteck" (ggf. mit etwas
entschärften Flanken) die Multiplikation kann man dann mit CMOS
Schaltern machen. Die Phasenverschiebung um 90 Grad lässt sich z.B. über
Teiler mit Flipflops erreichen.
Für ein Signal wo die Phase interessiert, muss man die Frequenzanteile
ggf. extra berücksichtigen - da hilft es das Signal für die Anregung
doch besser zu filtern, damit nicht zu viel von den Oberwellen bei der
Anregung über bleibt - die Auswertung könnte man ggf. immer noch per
Rechteck machen. Digital wäre dass dann etwa die Abtastung mit 4 Werten
pro Periode. Die beiden Teilamplituden kriegt man dann aus Wert1-Wert3
bzw. Wert2 - Wert4, ggf. noch gemittelt über 2 oder 4 Perioden, also mit
relativ wenig Rechenaufwand.
So eine Art schneller Intrumentenverstärker wäre der NE592: nicht ganz
so präzise wie man es von Instrumentverstärkern kennt, aber recht
schnell und günstig.
Ulrich H. schrieb:> Bei der Relativ hohen Frequenz kann man sehr gut einen> Transformator nutzen, und so die Anregung Symmetrisch> machen. Der Verstärker muss dann kein Instrumentenverstärker> mehr sein - es genügt dann eine einfache Verstärkung.
Genau.
Der Verstärker muss auch nicht zwingend einen hochohmigen Eingang
haben. Eine belastete Brücke verhält sich zwar anders als eine
unbelastete, aber bei bekannten Impedanzen ist das ein genau
bestimmbares Verhalten. Das kann man bei der Auswertung berück-
sichtigen.
> Trotz der recht hohen Frequenz ist es nicht so abwegig die> Auswertung digital zu machen: man benötigt nicht so wirklich> viele Punkte pro Periode bei der Abtastung.
Bei zur Anregung synchroner Abtastung müssten 4 Punkte je Periode
genügen.
> Wenn man es analog machen will, muss die Anregung auch nicht> unbedingt Sinusförmig sein,
Vorsicht. sin^2 + cos^2 = 1 gilt halt nur beim Kreis, nicht beim
Quadrat ;)
> Für ein Signal wo die Phase interessiert, muss man die> Frequenzanteile ggf. extra berücksichtigen - da hilft es das> Signal für die Anregung doch besser zu filtern, damit nicht> zu viel von den Oberwellen bei der Anregung über bleibt - die> Auswertung könnte man ggf. immer noch per Rechteck machen.
Genau. Sinusförmiges Messsignal; Synchrongleichrichter als
Schaltermischer mit CMOS-Schaltern, Transistoren, Dioden...
was beliebt.
Gerald G. schrieb:> Ich hätte nun noch ein paar "praktische" Fragen. [...]
Mal ganz allgemein: Dein Konzept liest sich, als hätte es ein
Physiker ohne tiefere Erfahrungen mit Schaltungsentwicklung
aufgestellt. Das ist nicht diffamierend gemeint; es fällt halt
auf, dass versucht wird, vieles "theoretisch exakt" umzusetzen,
während andere Störfaktoren gar nicht berücksichtigt sind.
Nur mal ein paar Stichpunkte dazu:
1)
Du hast natürlich bedacht, dass bei Frequenzen im MHz-Bereich
selbstverständlich geschirmte Leitungen eingesetzt werden
müssen?
2)
Anpassen!
Abschließen!
3)
50kHz Nutzsignal, 100kHz Abtastung und 1MHz Trägerfrequenz ist
merkwürdig.
50kHz Nutzsignal, 250kHz Trägerfrequenz und 1MHz synchrone
Abtastung ist mMn wesentlich besser.
4)
Mess-Signal-Pegel im Volt-Bereich (auf Leitungen) sind böse.
100mV sind i.d.R. mehr als ausreichend.
5)
Wir messen (hochfrequente) Wechselspannung. Transformatoren
sind erlaubt! Wechselspannungskopplung (über Kondensator)
ist erlaubt!
5)
Analogmultiplizierer sind böse. Sinusförmiges Messsignal
verwenden und Schaltermischer einsetzen.
6)
Keine irrsinnigen Vorverstärkungen verwenden, um zu kaschieren,
dass der Rest der Anlage rauscht wie eine Klospülung!
sinnvolle Beispielkonfiguration:
- Vorverstärker mit 20dB unmittelbar am DMS.
- geschirmtes Kabel
- nach Bedarf 0dB..40dB Verstärkung im Gerät
- 20dB Verstärkung fest vor A/D-Wandler
- A/D-Wandler mit z.B. 1V Aussteuerbereich
Gerald G. schrieb:> Wie mache ich das bei den 2Mhz? Ich möchte ein Signal mit> 2Mhz abtasten.
Warum? Erwartest Du mechanische Deformationen mit 1MHz?
Resistive Sensoren stoßen aufgrund des Rauschens an ihre
Grenzen. Ultraschall misst man i.d.R. kapazitiv.
Eine DMS-Brücke mit 1kOhm rauscht bei 1MHz Bandbreite mit
etwa 4µV.
Im übrigen: Die Schallgeschwindigkeit in Stahl beträgt
ca. 6000m/s. Wenn Dein DMS 6mm lang ist, misst er gar nix,
weil er über eine Vollwelle mittelt.
Du hast DMS mit etwa 1mm Länge?
> Das bedeutet ich sollte mindestens im 2-stelligen Mhz> Signal einen Sinus erzeugen.
Nee. Man sollte die Frequenz so niedrig wie irgend möglich
wählen. Ich würde mal mit 5MHz anfangen.
> Da ich auch noch die Phase benötige, brauche ich noch den> cosinus. Dies würde ich über zwei DDS die synchron getaktet> sind verwirklichen.
Ich wiederhole mich: I/Q-Mischung ist bei SDR (software-defined
radio) Stand der Technik.
> Die Spannung nach der Brücke noch verstärken und dann> Multiplizieren. Während ich schnelle Multiplizierer> gefunden habe,
Will man nicht wirklich einsetzen.
> ist das schnelle verstärken ein Problem.
Nein.
> Schnelle instrumentenverstärker in dieser Region sind> sowieso nicht wirklich auffindbar,
Braucht man auch nicht.
Ullrich hat eine mögliche Lösung genannt (Brücke symmetrisch
anregen, dann genügt ein einfacher Messvestärker); eine andere
Lösung ist ein (diskreter) Differenzverstärker. (Drift ist
egal, wir messen Wechselspannung!)
Übertragergekoppelt geht sicher auch irgendwie.
> ich würde also zwei schnelle OPVs (z.B. ADA4895-2) mit> einer Verstärkung von je 20 hintereinander schalten. Die> Referenzspannung kann ich ja bis etwa 2V erzeugen. Diese> werden auf 10mV heruntergeteilt.
Entschuldigung. Ich verstehe keine Wort.
> Die Maximale Messbare Spannung beträgt 100µV (Ja, MikroVolt).
Das ist die erwartete maximale Spannung an der DMS-Brücke?
> Ich hätte damit also ein Signal von 40mV, welches ich mit> 2V multipliziere. Ich erhalte also Werte im Bereich von> 80mV, welche man mit einem Instrumentenverstärker sauber> verstärken kann (da dieses Signal ja sehr sauber sein sollte).
Nee.
Mal von vorn:
Die erste Fußangel besteht darin, dass Du eine DMS-Brücke
in der einen Diagonalen anregen, aber in der anderen messen
musst. Eins der beiden Signale muss also massefrei (=symmetrisch
gegen Masse) sein; auf den ersten Blick bietet sich an, die
"Sendeseite" symmetrisch auszuführen.
Die zweite Fußangel liegt darin, das Messsignal unfallfrei
vom DMS zum Messgerät zu bekommen. Wenn man bei symmetrischer
Brückenspeisung bleibt, kann man das Messsignal unsymmetrisch,
d.h. über Koaxkabel abnehmen.
Nun ist 50Ohm-Koaxkabel eine arge Belastung; es bietet sich also
aus mehreren Gründen an, möglichst nahe am DMS einen Vorverstärker
anzubringen. Der sollte halbwegs rauscharm sein und 50 Ohm treiben
können.
Wenn Du aber schon ein unsymmetrisches Signal hast, brauchst
Du keinen Instrumentationsverstärker mehr - der ist nur bei
hochohmigen symmetrischen Signalen notwendig.
Ich hole nun etwas weiter aus, damit klar wird was ich mache:
Zunächst: Physiker ist korrekt. Schaltungen entwerfe ich schon eine
Weile, kenne mich damit auch "gut" aus, und kann mit meinen
Operationsverstärkern umgehen. Solche hohe Frequenzen sind in der Praxis
allerdings eher Neuland (Von SPI Signalen einmal abgesehen).
Was ich mache:
Hier sind es verschiedene Dinge, die bei uns verbessert werden müssen,
da die Signale sehr klein sind und nach entsprechender verstärkung das
rauschen deutlich wird.
Grundsätzlich arbeite ich mit TMR (Magnetische Tunnelresonanz) Sensoren.
Grob ändern sich hier der Widerstand bei einer Änderung des Winkels
zwischen Magnetfeld und Sensor.
Hierbei liegen etwa 10mV am Sensor an und der Widerstand ändert sich (im
idealfall) bis zu 10%. Hier gibt es einen Referenzsensor, der sich nicht
ändert und einen Sensor, der sich ändert. Deshalb sind die Sensoren in
einer Wheatstonschen Brückenschaltung verschalten.
Wir drücken nun mit einer gewissen Kraft auf eine Probe, die sich auf
einem Piezo befindet. Mit diesem Piezo wird die Höhe der Probe geregelt.
An diesem Piezo ist ein DMS geklebt. Dieser darf mit 5V Spannung
betrieben werden und ist zur Vollbrücke verschalten. Die maximale
Streckung gibt ein Signal von 0,1%, also 0,5mV.
Dieser DMS wird mit 100kHz ausgelesen. Um nun eine Änderung von "ganz
ausgefahren" zu "ganz eingefahren" zu erkennen, sollten eben Frequenzen
bis 50kHz erkennbar sein. Deshalb dachte ich an eien schnelle
Trägerfrequenz, welche mit dem DMS Signal multipliziert wird, und
anschließend so gefiltert, dass noch Frequenzen bis 50kHz möglich sind.
Der DMS wird im Moment mit Gleichspannung betrieben und mit einem
einfachen Instrumentenverstärker verstärkt. Das funktioniert auch
befriedigend hat aber noch Verbesserungspotential (wie gesagt, 0,5mV
sind das Spitzensignal). Deshalb die Idee mit der Wechselspannung.
Das zweite, "schnellere" Problem liegt bei den TMR Sensoren. Diese
werden zum schwingen angeregt. Die Resonanzfrequenz (+interessante
höhere Moden) liegt im Bereich zwischen 100kHz und 2Mhz. Bei diesem
schwingen tippt der Sensor immer auf die Probe und die Amplitude wird so
bei der halben "Freiluftamplitude" gehalten.
Nach dieser Amplitude (oder einstellbar auch Phase) wird die Höhe des
Piezo geregelt. Hierfür werden im Moment ein sehr teurer (6-stelliger
Betrag) Controller (mehrere schlechtere Lock-ins auf
Multipliziererbasis, ADCs, DACs) verwendet, der völlig überdimensioniert
ist (da er eigentlich viel mehr kann und eigentlich etwas anderes machen
soll).
Es soll also etwas "gebastelt" werden, was mir die Amplitude und Phase
(mit dem Anregungssignal) des 2Mhz Signales liefert. Wie genau das
geschehen soll, hierfür habe ich freie Hand, allerdings nur aus dem
Grunde, dass es niemand besser weiß.
Hier gibt es auch wieder zwei herangehensweisen:
a) Der Controller wird weiterhin genutzt. Da die Lock-Ins vom Controller
eher schlecht sind, wird das Signal verstärkt. Da durch die TMR-Sensoren
Wechselspannung möglich ist, diese anstatt mit Gleichspannung mit
Wechselspannung betreiben. Hier gilt dann das gleiche wie beim DMS. Es
sollen allerdings die Schwingungen bis 2Mhz gemessen werden können.
Gesampled wird hier mit 5Mhz. Es müssen die Sensoren also mit einer
Wechelspannugn über 5Mhz betrieben werden, um die Änderungen bei 2Mhz
noch messen zu können. Hier habe ich hauptsächlich Probleme wegen der
hoehen Frequenzen, mit denen ich bisher noch nicht gearbeitet habe.
b) Komplett eigenen Controller bauen. Bestehend aus einem einfachen
Lock-In aus zwei DDS (hier reicht es ja wenn diese bis 2MHz können)
einem Multiplizierer und Filter und entsprechend ADCs und DACs. Dies hat
zwar den Charm, alles so gestalten zu können wie man möchte, doch muss
hier auch noch Software für den µC, zur PC seitigen Steuerung etc.
entwickelt werden.
Deshalb wird im Moment a) bevorzugt.
Ihr erkennt also mein Dilemma. Viele Ideen, wenig Idee von der
Umsetzbarkeit. Deshalb versuche ich so viel wie möglich zu erfahren, um
abwägen zu können welchen Weg ich gehen soll. Ist die Entscheidung
getroffen, lese ich natürlich noch ordentlich. Aber wenn ich nicht weiß
wo nach ich suche, ist das lesen über dieses Thema sehr komplex.
Ich freue mich sehr über eure Kommentare. Teilweise werde ich von den
vielen Informationen erschlagen, weshalb ich immer etwas Zeit brauche um
genauer zu recherchieren und hier wieder zu antworten. Die meisten
Antworten hier geben mir für viele Stunden Aufgaben auf.
Danke nochmal. Ich hoffe es ist nun klarer was ich möchte und warum.
Einen DMS auf einen Piezo kleben und mit 50kHz anregen... eher nicht.
Der DMS kommt runter. Mit einem Piezo bei diesen Frequenzen geht alles
kaputt.
Vor allen... was soll das Ganze ? Ein Piezo hat einen definierten
Zusammenhang zwischen Anregung und Auslenkung. Auch mit einem
Zeitverhalten. Wenn man da noch was anklebt, macht man das Zeitverhalten
zunichte.
Ein Piezo, ein Multilayerpiezo, hat einen Auslenkung von vielleicht 5um.
Diese Auslenkung misst man nicht mit einem Piezo. Die misst man
allenfalls kapazitiv zur Kalibration.
Nein, die Anregung erfolgt zwar mit einem piezo, nicht aber mit dem der
die Probe hoch und runter regelt.
Die Amplitude des schwingenden TMR wird mit eben mit diesem TMR
gemessen.
Also:
Ein piezo bringt den TMR zum schwingen, eine Probe liegt auf einem
anderen Piezo darunter. Die Probe wird mit dem Piezo, an dem der DMS
klebt nach oben gegen den schwingenden TMR gedrückt, bis die Amplitude
noch ca der halben Ausgangsamplitude entspricht. Da die Auslenkung des
piezo, auf dem die Probe liegt, nicht nur proportional zur angelegten
Spannung ist, sondern auch noch eine Hystere und ein Piezocreep Einfluss
auf die Auslenkung hat, ist dieser DMS zur genauen Auswertung nötig. Den
DMS habe übrigens nicht ich drauf geklebt, sondern der ist genau so und
genau aus diesem Grund bei PI gekauft.
Gerald G. schrieb:> Der DMS wird im Moment mit Gleichspannung betrieben und mit einem> einfachen Instrumentenverstärker verstärkt. Das funktioniert auch> befriedigend hat aber noch Verbesserungspotential (wie gesagt, 0,5mV> sind das Spitzensignal). Deshalb die Idee mit der Wechselspannung.
Mal kurz nur eine Nebenrechnung zum AD8428...
Max. Signal: 0.5 mV
en = 1.5 nV/sqrt(Hz), in = 1.5 pA/sqrt(Hz), die 1 kOhm des DMS liegen
bei Raumtemperatur bei etwa 4 nV/sqrt(Hz)
Stromrauschen sqrt(2 * (1kOhm * 1.5 pA/sqrt(Hz))^2) = 2.12 nV/sqrt(Hz)
Widerstände: sqrt(2 * (4 nV/sqrt(Hz))^2) = 5.65 nV/sqrt(Hz)
dazu en und es sind ~6.2 nV/sqrt(Hz)
Bei 50 kHz Bandbreite sind das 1.386 uVrms, 9.149 uVp-p (rti)
Also irgendwas in der Größenordnung 1/50 des max. Signals.
Das reicht?
Gerald G. schrieb:> Zunächst: Physiker ist korrekt.
Hihihi...! :)
Hmpf. Entschuldigung. Bitte nicht übelnehmen. - Es ist nur so,
dass ich zweimal einen Physiker als Chef hatte. Diese Erfahrung
prägt...
> Schaltungen entwerfe ich schon eine Weile, kenne mich damit> auch "gut" aus, und kann mit meinen Operationsverstärkern> umgehen. Solche hohe Frequenzen sind in der Praxis allerdings> eher Neuland (Von SPI Signalen einmal abgesehen).
Ja, ich verstehe.
Nun, ich finde es sehr schwierig, dazu einen vernünftigen Rat
zu geben. Einerseits ist es sinnvoll, bei niedrigen Frequenzen
vorwiegend mit OPV zu arbeiten.
Andererseits führt das dazu, dass die Schaltungstechnik mit
Transistoren einfach nicht mehr beherrscht wird. Jeder, aber
wirklich jeder Kleinsignaltransistor arbeitet bei 5MHz - was
sich von Standard-OPV nicht behaupten lässt.
Mit Mikrowellentransistoren, die man bei Reichelt als Schüttgut
bekommt, kann man ausgezeichnete rauscharme Verstärker aufbauen.
Das macht aber niemand. Statt dessen müssen es Gigahertz-OPV
sein, die wesentlich anspruchsvoller in der Handhabung sind.
Generell sind Frequenzen über 1MHz kein Hexenwerk, wenn man
a) an die parasitären Blindwiderstände und
b) an die Kopplung über Felder und Wellen
denkt.
> [...]> Der DMS wird im Moment mit Gleichspannung betrieben und mit> einem einfachen Instrumentenverstärker verstärkt. Das funktioniert> auch befriedigend hat aber noch Verbesserungspotential (wie> gesagt, 0,5mV sind das Spitzensignal). Deshalb die Idee mit> der Wechselspannung.
Ja, okay.
Folgendes: Generell kann Dein Messergebnis nicht besser sein,
als der Sensor ist, der es liefert. Soll heißen: Du müsstest
mal ermitteln, worin das Verbesserungspotenzial konkret besteht.
Messung mit Wechselspannung (=Trägerfrequenztechnik) ist natürlich
gut gegen jede Form von Drift. Da man AC-Kopplung (über Kondensatoren)
verwenden kann und somit die Nullpunktdrift der Verstärker keine
Rolle spielt, kann man gegebenenfalls kleinere Spannungen zur
Anregung der Brücke verwenden. Dass das Messignal dann auch kleiner
wird, macht solange nix, bis man Probleme mit dem thermischen
Rauschen bekommt. (Bei Wechselspannung sind, je nach Bandbreite,
Signale bis/unter 1µV kein Problem.) Kleinere Anregungsspannung
hilft wieder gegen die Eigenerwärmung. Thermospannungen spielen
sowieso keine Rolle mehr (zu niederfrequent). Auch niederfrequente
Störungen (Netzbrumm) werden ausgefiltert.
Soweit alles schön.
ABER: Der DMS ist ein resistiver Sensor. Gegen sein Eigenrauschen
hilft auch AC-Messung nix. Wenn Widerstand, Temperatur und Band-
breite festliegen, liegt auch das Rauschen fest!
> Das zweite, "schnellere" Problem liegt bei den TMR Sensoren.> Diese werden zum schwingen angeregt. Die Resonanzfrequenz> (+interessante höhere Moden) liegt im Bereich zwischen 100kHz> und 2Mhz. Bei diesem schwingen tippt der Sensor immer auf die> Probe und die Amplitude wird so bei der halben "Freiluftamplitude"> gehalten.
Okay.
> Nach dieser Amplitude (oder einstellbar auch Phase) wird die Höhe> des Piezo geregelt. Hierfür werden im Moment ein sehr teurer> (6-stelliger Betrag) Controller (mehrere schlechtere Lock-ins> auf Multipliziererbasis, ADCs, DACs) verwendet,
Warum? - Also, ich meine: Warum ein Lock-In-Amplifier?
Und warum gerade dieser Lock-In-Amplifier?
Du hast oben von "10mV am Sensor" und "bestenfalls 10% Änderung"
geschrieben. Daraus folgere ich mal "maximal 1mV Messsignal".
Das ist ein Riesensignal.
Temperatur wird Zimmertemperatur sein, nehme ich an?! - Bleibt
die Frage nach dem Quellwiderstand. Interessant ist ja das
Signal-Rausch-Verhältnis im schlechtesten Fall.
> Es soll also etwas "gebastelt" werden, was mir die Amplitude> und Phase (mit dem Anregungssignal) des 2Mhz Signales liefert.
Verstehe. - Du musst nicht zwingend alles selber basteln. Das
PicoScope 4262 hat beispielsweise bei 100mV full scale 5MHz
Analogbandbreite, 10MS/s und 16bit(!) Auflösung. (Nur als
Beispiel; ich bekomme kein Geld von denen.)
> Wie genau das geschehen soll, hierfür habe ich freie Hand,> allerdings nur aus dem Grunde, dass es niemand besser weiß.
"Unter den Blinden ist der Einäugige..." :)
> Hier gibt es auch wieder zwei herangehensweisen:>> a) Der Controller wird weiterhin genutzt. Da die Lock-Ins vom> Controller eher schlecht sind, wird das Signal verstärkt. Da> durch die TMR-Sensoren Wechselspannung möglich ist, diese> anstatt mit Gleichspannung mit Wechselspannung betreiben.
Stop, stop.
> Hier gilt dann das gleiche wie beim DMS.
Ja, genau :)
Du müsstest als allererstes feststellen, wodurch die Leistung im
Moment beschränkt wird: Drift im Verstärker? Drift im Sensor?
Thermisches Rauschen? Fremdsignale?
> Es sollen allerdings die Schwingungen bis 2Mhz gemessen> werden können. Gesampled wird hier mit 5Mhz.
Tut mir leid, das verstehe ich nicht. - Ein Lock-In-Verstärker
ist ja ein Synchrongleichrichter, gefolgt von einem Tiefpass.
Also entweder ich erfasse das Signal mit einem Lock-In-Verstärker.
Dann brauche ich keine Abtastung mit 5MHz (weil es sowieso keine
Spektralkomponenten in diesem Bereich mehr gibt.)
Oder ich erfasse das Signal mit 5MHz Abtastrate. Dann brauche
ich keinen Lock-In-Verstärker - weil ich mit 5MHz Abtastrate
sowieso das komplette Signal erfassen kann.
Im Moment kommt mir das alles unsinnig vor. - Wo liegt mein Fehler?
> Ihr erkennt also mein Dilemma. Viele Ideen, wenig Idee von der> Umsetzbarkeit.
Ja, verstehe.
Mal allgemein: Der Lock-In-Verstärker zieht seine enorme Leistung
aus der Verringerung der Bandbreite. Die Frequenz des Messsignals
spielt nicht so die entscheidende Geige (das Signal wird ja
heruntergemischt); der Tiefpass beschränkt aber die Änderungsrate
des Signales, also seine Bandbreite.
Der Preis dafür, dass Du nV-Signale noch exakt erfassen kannst,
besteht darin, dass sich diese Signale nur in Zeiträumen von
Sekunden ändern dürfen.
Soll heißen: Ich glaube, dass Lock-In-Verstärker für Deinen
Fall der falsche Weg sind. Die sind für mehr oder weniger
stationäre Sinus-Signale gemacht.
> Deshalb versuche ich so viel wie möglich zu erfahren, um> abwägen zu können welchen Weg ich gehen soll. Ist die> Entscheidung getroffen, [...]
Also, ich würde versuche, diese Entscheidung hinauszuschieben :)
Soll heißen: Deine Signale liegen von Amplitude und Frequenz
her in einer gutartigen Größenordnung. 20dB oder 40dB Verstärkung
bei 2MHz sind gut machbar; viele Digital-Oszis können im
Zeitbereich mitteln, wenn man ein rauschfreies Triggersignal
hat. Direktabtastung solcher Signale mit 12bit oder 16bit ist
möglich (--> PicoScope).
Ich würde erstmal auf kleiner Flamme experimentieren: Verstärken,
digitalisieren, im PC verarbeiten und auswerten. Das hat den
Vorteil, dass Du sehr flexibel herumprobieren kannst. Software
ist geduldig... :)
Sehr interessantes Thema übrigens.
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