Hallo zusammen, anschließend an Beitrag "In Stromregler-application: Welcher LDO ist effizienter?" habe ich folgendes Konzept für ein Power Supply, zu dem ich gerne konstruktive Kritik haben würde. Das Konzept ist im Anhang und der Schaltplan kommt, sobald er fertig ist (evtl auch mit bereits integrierten Verbesserungsvorschlägen) gerne hier hinein: Ziel: Ein Power supply, von dem a) 3.3V digitalschaltungen (ARM Controler, Bluetoothmodul,...) (Strom: dominiert von BT Modul: <80mA) b) symmetrische +-2.5V Versorgung für ein hochpräzises Analogfrontend (µV für Signale <250Hz) und ein möglichst rauscharmes SiPhotodioden signal.(Strom: insgesamt wenige mA) c) ein präzise geregelter rechtecks-Modulationsstrom für eine LED. Stromreglerdesign ist OpAmp basiert auf einem AD824a (Strom: ca. 100mA, bei 2-4kHz, 50% duty cycle) gespeist werden sollen. Alles soll hochpräzise Messungen erlauben und sich möglichst nicht gegenseitig in die Quere kommen - und dabei natürlich (;-) ) möglichst effizient und klein sein. Kurze Anmerkungen zum Konzept im Bild: Ich habe bei der Auswahl vor allem darauf geachtet, dass alle verwendeten Bauteile low-noise und high PSRR sind. der LTC3530 kann mit 300kHz-2MHz schalten lassen, hier haben die nachfolgenden LDOs überwiegend hohe PSRRs je nach Schaltfrequenz weit über 40dB. -Analog Frontend (Instrumentenverstärker) kommt, sowie die Photodiode, an +-2.5V. - eine 3.3V rail vom TPS1933 ist für die Digitalen Teile gedacht - eine 3.3V rail für den LED zweig. Zur Verringerung der welligkeit und hochfrequenten Schaltanteile sind LC Filter und Ferrite an den FB+LC Stellen eingeplant, wie u.A. in der Linear Devices Application Note www.linear.com/docs/11877 empfohlen. PRIORITÄT hat die Stabilität/low Noise der Quelle. DANACH kommt der Platz DANACH kommt die Effizienz. Was die Auslegung (/Platzierung) der Ferrite/LC Filter angeht bin ich noch nicht fertig, auch hier sind alle Anmerkungen hochwillkommen! ______________Info zu den Bauteilen:______________ LTC3530: Wide Input Voltage, Synchronous Buck-Boost mit f=300-2000kHz, <96% effizienz, max 250/600/1000mA output TPS1933: Dual, 200mA low noise (70µVrms/V), high psrr LDO (PSRR@200kHz 70dB, @2MHz ~50dB) TPS60403: unregulated 60mA Charge pump voltage inverter @ 250kHz TPS7A4901: 150mA ultralow noise (12.7µVrms <20kHz, 15.4µVrms < 100kHz) LDO, PSRR@200kHz 60dB, @2MHz <30dB TPS7A3001: -200mA ultralow noise (14µVrms <20kHz, 15.1µVrms<100kHz) LDO, PSRR@200kHz 60dB, @2Mhz <35dB _________________________________________________
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Meine Erfahrung mit bio-... 10% ist genuegend. Denn die Biofaktoren schwanken viel mehr. Bau mal einen Prototypen um zu schauen, was fuer Anforderungen wo benoetigt werden. Alles mit hochpraezis, ultra low noise ist viel zu tuer, wenn man's nicht wirklich braucht. Solange man 100mA auf eine LED geben kann ist auch Power nicht so wirklich wichtig. Also versuch's mal mit Analog zu Beginn.
Siebzehn Zu Fuenfzehn schrieb: > Meine Erfahrung mit bio-... 10% ist genuegend 10% was? Siebzehn Zu Fuenfzehn schrieb: > was fuer > Anforderungen wo benoetigt werden. Die kenne ich schon ziemlich genau. Das Analogfrontend hat nur 1µVpp eingangsrauschen, das ich gerne nicht verschlechtern möchte. Tatsächlich habe ich noch nicht viel Erfahrung zu der Auswirkung vom PSRR der Analogteile auf die tatsächlichen Anforderungen für das supply - aber da bin ich dann lieber zu vorsichtig als andersherum!
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1uVpp bei welcher Bandbreite und Frequenz ?
70Hz BW von 0-70 Hz ;)
Die Frequenzen vom Schaltwandler sind deutlich höher (eher so 500 kHz und aufwärts) als die des Biosignal (eher < 100 Hz). Gegen die hohen Frequenzen helfen die LDOs usw. kaum - da wirken vor allem Low ESR Kondensatoren, LC Filter und ein gutes Layout. Die hohen Frequenzen können auch nur indirekt Stören, weil sie ggf. irgendwo am Verstärker Eingang demoduliert werden können. Solange man keine super DC präzision braucht - muss i.A. nicht mal die Spannung stabilisiert sein. Die Akkuspannung ändert sich nur sehr langsam. Vom rauschen her ist der Akku direkt besser als fast jeder Regler. Beim µC und BT Modul wäre es halt schön wenn man was findet das direkt mit 2,7-3 V läuft - damit könnt man den Step-Up vermeiden. Den Akku nicht so weit zu entladen erhöht auch die Lebensdauer. Die 2,5 V kann man z.B. auch noch direkt aus dem Akku per LDO gewinnen. Wenn Störarmut absolute Priorität hat, dann ggf. halt 2 Akkuzellen, so dass es ganz ohne Schaltwandler/Ladungspumpe geht. Strom sparen kann man vermutlich bei der IR LED (50% Tastverhältnis sind eher nicht optimal) und dem BT-Modul.
Ulrich H. schrieb: > Die hohen Frequenzen können auch nur indirekt Stören, weil sie ggf. irgendwo am Verstärker > Eingang demoduliert werden können Meine Vermutung bislang war hierzu ja: Hochfrequentes (250kHz-2MHz) rauschen des Power supplys wird gedämpft - was nicht gedämpft wird könnte das Verstärkereingangsrauschen verschlechtern: Und dann sind >1µVpp langsames biosignal in hochfrequentem xµVpp rauschen ja nicht so optimal..? Ich werde nicht direkt aus dem Akku speisen können. Zwar habe ich mit Li+/po bislang keine Erfahrung, möchte aber gerne möglichst viel aus einer "Ladung" herausholen - und Elemente wie die Photodiode geben ja ein Signal proportional zum detektierten Licht, aber auch zur Versorgungsspannung raus - und das darf sich nicht ändern über die Zeit!
Die Photodiode kann man mit einem LDO ab Akku speisen. Die zieht nicht so viel Strom. Noch kein Grund fuer einen Schaltregler.
Das Signal der Photodiode ist weitgehend unabhängig von der Spannung ein kleiner Strom. Je nach Diode / Geschwindigkeit hilft es da aber sehr, wenn man eine höhere Vorspannung hat, um die Kapazität zu reduzieren. Das dürfte so ziemlich der einzige Punkt sein, wo man eventuell wirklich mehr als 2,5 V braucht - wirklich stabil muss die Spannung aber nicht mal sein. Bei nur 4 kHz für die LED geht es ggf. auch auch noch ohne große Vorspannung. Alles andere könnte vermutlich direkt vom Akku oder ggf. mit LDO auf mit z.B 1,8-2,5 V laufen lassen. Gerade wenn es sparsam sein soll hilft wenig Spannung. Ein möglicher Störer wäre noch die IR LED. Bleibt noch die Frage wofür die benötigt wird und entsprechend was für Strom und Tastverhältnis passt - 50% Tastverhältnis sind eher nicht optimal.
Einige Komponenten, die ich verwenden möchte, haben halt folgende Specs: SiPhotodiode (mit integriertem TIA): VCC >2.7V Bluetooth Modul: VCC=3.3V OpAmp für Stromregler: VCC >3V. Der Rest der digitalen Komponenten (wie zB der SAM4E ARM Prozessor) geht auch mit weniger bis runter zu 1.8V. Wenn meine Li+ Zelle jetzt maximal 3.7V hat und mein LDO max. 300mV dropout (oder besser), kann ich die doch nur sehr kurz betreiben! Vorallem wegen dem BT Modul wäre das ja nur bis 3.6V, aber auch sonst nur bis 3.3V - und das ist nicht allzu lange, oder? Mir fehlt aber die Erfahrung mit dem Betriebsbereich von Li+/Lipos! Der Buck/Boost ist nur dabei, weil ich dachte er wäre nötig. Ich lasse mich gerne eines besseren überzeugen! Ulrich H. schrieb: > Ein möglicher Störer wäre noch die IR LED. Bleibt noch die Frage wofür > die benötigt wird und entsprechend was für Strom und Tastverhältnis > passt - 50% Tastverhältnis sind eher nicht optimal. Genau vor dieser Störung habe ich die meiste Sorge. Tatsache ist aber, dass sich weder am maximalstrom (wird evtl dann auch mit weniger betrieben) noch am Tastverhältnis etwas ändern lässt. Wie ich den LED Teil vom Rest entkoppeln kann, das treibt mich schon länger um: Im Prinzip ja vorallem durch sehr niedrige LC Filter (fR<<1kHz) der anderen Supply zweige...?
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Du könntest in einem ersten Konzeptaufbau das ganze modular machen: also ein Analog-Modul, ein µC-Modul mit BT und ein Power-Modul. Für µC und Bluetooth kannst Du vielleicht schon auf fertige Demoboards der Hersteller zurückgreifen. Jetzt kannst Du erst mal mit dedizierten Batterien und Keksdose schauen, ob das Analogfrontend und das gesamte Messkonzept überhaupt an sich (und ohne Einflüsse von der Stromversorgung) sinnvoll funktioniert ohne Dich an der Stromversorgung zu verausgaben. Wenn Du dann verschiedene Power-Module ausprobierst, kannst Du direkt anhand von Messwerten die Auswirkungen eines bestimmten Schaltreglers etc. beobachten. Natürlich muss man bei so einem Modul-Aufbau etwas auf die Verdrahtung und Masseführung achten, keine Breadboards mit langen Drähten verwenden.
Alex v. L. schrieb: > möglichst effizient und klein sein. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps65720.pdf
Das sieht mir nach unnötiger Überregulierung aus. Für den Digitalteil reicht jeder 3,3V Regler. Für den Analogteil reichen LC-Filter. Ja nach gewünschter Auflösung und Genauigkeit muß nur die Referenz für den ADC entsprechend stabil sein.
Vielleicht duerfen wir erfahren, was die LED mit ihrem sehr hohen Strom soll ? Eine Absorptionsmessung ? Dafuer nimmt man eh einen Lockin...
Siebzehn Für Fuenfzehn schrieb: > Vielleicht duerfen wir erfahren, was die LED mit ihrem sehr hohen Strom > soll ? Eine Absorptionsmessung ? Korrekt. > Dafuer nimmt man eh einen Lockin... Korrekt, ist ja auch drin. Deshalb die Modulation. Demodulation erfolgt digital.
MaWin schrieb: > http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps65720.pdf sehr cool, das würde schonmal 3:1 reduzieren. Aber immernoch das selbe Problem: Auch in dem PMU oben wird auf ca 2Vout Step down geregelt. Wenn ich den DCDC auf 3V einstelle: Wie lange kann man denn eine 3.7V Li+ damit betreiben, bis schicht (3V) erreicht sind? Ich brauche aber für mehrere Bauteile >3V, wenn ich BT Modul bereits austausche (das SPBT2932DM zB kann ja mit weniger als das AMB2300 (das auch leider größer ist, damit habe ich nur wenigstens schon Erfahrung und Code). Mit anderem BT Modul (SPBT2932DM kann mit 2.5) habe ich immernoch das Problem meines Stromregler Opamps (AD824A >3V). Ich habe bereits viele Teile für das Power Supply ausgetauscht. Bevor von meinem alten (und sich als funktionierend erwiesenen) messkonzept aber dann nichts mehr übrig bleibt, nehme ich doch lieber einen Step up zu viel?
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Der OP für den Stromregler sollte leicht austauschbar sein. Mehr als 3 V braucht dann eigentlich nur noch das BT Modul. Da würde es sich ggf. lohnen eines für 2,7 V oder so zu finden. So wirklich schlimm wäre aber auch der Schaltregler nicht. Wenn man den Li Akku bis 3 V runter nutzt, sollte das schon den Großteil der Kapazität ausmachen. Unter 3 V ist eher nur noch ein kleiner Rest. Solange keine großen Ströme gefragt sind, kann der Dropout der LDOs auch recht klein sein. Die Entkopplung des LED geht vor allem durch eine große Kapazität als Puffer. Zum Nachladen hat man die Wahl Induktivität, Widerstand oder ggf. auch was aktives als eine Art Konstantstromquelle. Soweit es der Verstärker zu Fotodiode mit macht könnte man ggf. mit der Frequenz hoch gehen, um etwas Abstand zum Biosignal zu bekommen.
Ulrich H. schrieb: > mit der Frequenz hoch > gehen, um etwas Abstand zum Biosignal zu bekommen ja, das Problem dabei ist, dass meine digitale Lock-in Demodulierung am besten mit möglichst niedriger Samplerate fs auskommen muss.. und die habe ich momentan auf fs=2 x fmod gesetzt. Der Lock In Zweig funktioniert aber ja auch bereits schon :)
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Dank MaWins Tip habe ich mal weiter nach PMICs geschaut... und ziehe den LTC3553 in betracht (der I²C vom TPS65000 ist mir schon ein bisschen zu viel). Das hier wäre konzept v1.1 Mit LED Current direkt von der Batterie und dem LDO aus dem PMIC für die +3V Versorgung der Digitalelektronik.
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Der LED-Strom sollte um den Faktor 10 runter. Weswegen kann die Empfindlichkeit des Lock-in nicht um den Faktor 10 hochgesetzt werden ? Schichtdicke erhoehen ? Bessere Absorptionswellenlaenge suchen? Multipath ?
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Alex v. L. schrieb: > MaWin schrieb: >> http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps65720.pdf > > sehr cool, das würde schonmal 3:1 reduzieren. Aber immernoch das selbe > Problem: Auch in dem PMU oben wird auf ca 2Vout Step down geregelt. > > Wenn ich den DCDC auf 3V einstelle: Wie lange kann man denn eine 3.7V > Li+ damit betreiben, bis schicht (3V) erreicht sind? Niemand weiß bislang welcher Akku das werden wird... Ansonsten http://www.sony.com Punkt cn/products/ed/battery/download.pdf http://na.industrial.panasonic.com/sites/default/pidsa/files/panasonic_liion_overview.pdf Oder spezieller hier mal anhand von zwei 18650-Zellen http://industrial.panasonic.com/www-data/pdf2/ACA4000/ACA4000CE240.pdf http://www.powerstream.com/p/LG%2018650HE2%20Technical%20Information.pdf oder abschätzen http://de.wikipedia.org/wiki/Peukert-Gleichung > Ich brauche aber für mehrere Bauteile >3V, wenn ich BT Modul bereits > austausche (das SPBT2932DM zB kann ja mit weniger als das AMB2300 (das > auch leider größer ist, damit habe ich nur wenigstens schon Erfahrung > und Code). Das AMB2300 kann laut Hersteller ab 2.9V betrieben werden http://amber-wireless.de/files/amb2300_db.pdf
Alex v. L. schrieb: > Ich habe bei der Auswahl vor allem darauf geachtet, dass alle > verwendeten Bauteile low-noise und high PSRR sind. mein Vorschlag: Nimm 1-10 Farad Kondensatoren, für jede benötigte Spannung einen. Die lädst du vor der Messung auf die benötigten Spannungen. Dann schaltest du alles ab was schwingt und startest die Messung inkl. Sample and Hold. Von den geschalteten Teilen her ist das dann UltraUltraUltra low noise, nämlich gar keiner.
Siebzehn Für Fuenfzehn schrieb: > Der LED-Strom sollte um den Faktor 10 runter. Weswegen kann die > Empfindlichkeit des Lock-in nicht um den Faktor 10 hochgesetzt werden ? > Schichtdicke erhoehen ? Bessere Absorptionswellenlaenge suchen? > Multipath ? Die Absorptionswellenlänge(n) sind schon "optimal", mit der Schichtdicke ists nicht so einfach, weil keine feste Probe sondern lebendiges gewebe (am Körper ;)) durchleuchtet wird. Der LED Strom (/die Intensität) sollte möglichst hoch sein, weil eine höhere Intensität das SNR erhöht (schon gegenüber dem Photodiodenrauschen)... ABER: Der LED strom ist ja einstellbar am Stromregler (über einen DAC), ich muss die 100mA also nicht fließen lassen, nur wenn es nötig ist. Arc Net schrieb: > Niemand weiß bislang welcher Akku das werden wird... Richtig, ich auch noch nicht - danke für die Links! Ich bin selber noch am hadern, ob es möglich ist ein sehr kleines stand-alone modul zu bauen in dem auch die batterie schon dabei ist. In diesem Fall würde eine Knopfzelle o.Ä. noch besser sein, auch da habe ich aber noch keine Erfahrung. Arc Net schrieb: > Das AMB2300 kann laut Hersteller ab 2.9V betrieben werden Klasse, wenn man sein eigenes Datenblatt nicht ein zweites mal liest - du hast natürlich recht, ich bin von 3.3V ausgegangen weil das letzte design es so versorgt hat. Schön blöd - und umso besser, vielen Dank für den Hinweis!! Jens Martin schrieb: > mein Vorschlag: Nimm 1-10 Farad Kondensatoren, für jede benötigte > Spannung einen. Die lädst du vor der Messung auf die benötigten > Spannungen Klingt (ultraultra) low noise, ist mir aber für ein mobiles biosignalequipment etwas zu risky ;-) Kurzschluss über den Körper an einem 1Farad Kondensator mit mini-innenwiderstand mag ich mir nicht vorstellen. :p
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Was sind denn die Einstellungen fuer den Lock-in ?
Siebzehn Für Fuenfzehn schrieb: > Was sind denn die Einstellungen fuer den Lock-in ? Was genau meinst du? Modulation/Demodulation mit 1 oder 2kHz. Vorverstärkung über PGA: G= 1-12 Sampling mit 2/4ksps und 24 Bit. Demodulation mache ich digital im µC (wegen samplerate so niedrige modulationsfrequenz) LP Filter auch digital, mit Grenzfrequenz 1-2Hz
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Weshalb verstaerkt der Lock-in nicht mehr ? Der sollte doch sicher 40..60dB bringen.
Ich die Frage nicht so ganz, ehrlich gesagt. Woran erkennst du wie viel dB mein Lock-in tatsächlich bringt? Ich habe, was die evaluation genau davon angeht, nämlich schon probleme gehabt. Natürlich kann ich das Ausgangsrauschen des Lock in messen, aber die Signalstärke ist in meinem Fall (optisch, durch Probe), nicht eindeutig bekannt um das SNR zu berechnen!
Der Lock-in besteht aus einem AC Vorverstaerker, allenfalls einem Bandfilter, einem Synchrongleichrichter, und einem DC Verstaerker plus Lowpass filter. Auch wenn man gewisse Teile in einem Controller macht. Der AC Verstaerker ist insofern wichtig, als man damit den DC-Noise wegmacht. Dafuer sollte er auch nur AC verstaerken. Und er sollte auch nicht saettigen. Das kann man zB verbessern, indem man ein Bandfilter um die Modulationsfrequenz einsetzt. Wenn du nun Mikrovolt messen willst, so sollte der AC Verstaerker das Signal in den Millivoltbereich bringen, also einen Gain von ueber 1000, entsprechend 60dB bringen. Dh ein PGA mit einer Wahl von g=1-12 ist etwas mager. Ich wuerd bei eeiner Modulationsfrequenz von 1kHz mit einiges ueber 10kHz sampeln, sonst gibt's kein vernuenftiges Filter mehr.
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Siebzehn Für Fuenfzehn schrieb: > Wenn du nun Mikrovolt messen willst, so sollte der AC Verstaerker das > Signal in den Millivoltbereich bringen, also einen Gain von ueber 1000, > entsprechend 60dB bringen. > > Dh ein PGA mit einer Wahl von g=1-12 ist etwas mager. Sorry, das ist oben wohl nicht eindeutig gewesen: Das Analogfront-end für die (elektrischen) Biosignale muss µV verstärken - das Eingangssignal für den Lock-In aus der Photodiode liegt im bereich 10-100mV! > Ich wuerd bei eeiner Modulationsfrequenz von 1kHz mit einiges ueber > 10kHz sampeln, sonst gibt's kein vernuenftiges Filter mehr. Danke für deine Tips, du scheinst hier mehr Erfahrung zu haben! Gerade was den letzten Punkt angeht bin ich interessiert: Ich habe das Problem, dass ich mit dem selben ADC die elektrischen Biosignale sample wie auch die aus der Photodiode. Je niedriger die Samplerate, desto höher die ADC genauigkeit (ist Delta-Sigma und averaged intern). Die Genauigkeit für das elektrische signal sollte möglichst hoch sein - also versuche ich die niedrigste globale Samplerate als Kompromiss zu nehmen, mit der der Lock in noch kann. Und das sollte ja 2*fm (RECHTECK(PWM)!-modulationsfrequenz). Ich habe das paper hier gefunden http://physics.gu.se/~larsbn/Publikationer/pub4_2012.pdf bei dem das auch gemacht wird. Von meinem Verständnis spricht da ja auch nicht viel gegen: Solange ich pro half-cycle ein sample habe, kann ich ja immer Signal MINUS Non-Signal rechnen und darauf dann (bleibt ein 500-1kHz Stream) meinen 2HZ Tiefpass. Du meinst das geht nicht? LG Alex
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Wenn man keine sehr große Dynamik benötigt, braucht man für den Lockin Teil keine so hohe Auflösung beim ADC. Da sollten normal schon 10-12 Bit (also etwa ein µC interner ADC Ausreichen. Durch Oversampling/mitteln über viel Samples bekommt man auch damit eine hohe Auflösung. Wenn man wirklich so viel braucht, muss auch die LED noch einmal mit einem 2. Kanal mit messen, wegen Temperatureffekten und Alterung. Bei der Anwendung wird das aber eher nicht der Fall sein. Auch für das Biosignal (EEG ?) würde ich vermuten das es kaum lohnen wird einen 16 Bit ADC zu nutzen - da wird schon sehr viel mehr Rauschen drauf sein. Auch da wären ggf. 12 Bit ausreichend. Mit hoher Auflösung bei der Lockin Auswertung muss man die Verstärkung nicht mehr fein umstellen um noch 0.1-1 Bit mehr an Auflösung raus zu kitzeln. Eine Umschaltung in Stufen von etwa 1:4 oder 1:10 würde schon ausreichen - sofern man dann überhaupt noch eine Umschaltung braucht. Wenn es um Effizienz geht, dann wäre es besser die LEDs nur mit eher kurzen Pulsen (z.B. 10µs) und dafür relativ viel Strom zu betreiben, und das Signal nicht einfach nur per Sinus oder Rechteck Demodulation auszuwerten, sondern per Korrelation mit der Anregung, bzw. als Pulsfläche und Untergrund. Welche Zeit am besten passt, hängt vom Empfänger und dem ADC ab. 50% Tastverhältnis sind jedenfalls bei weitem nicht optimal, wenn die IR LED wesentlich zum Stromverbrauch beiträgt.
Hallo Ulrich, danke für deine Anmerkungen! Dass 24Bit viel zu viel erscheint kann ich absolut nachvollziehen, der einfache Grund ist aber, dass ich ein fertiges Analog-Frontend inkl PGA und ADC nehme - PGA Gain von 1-12 ist für µV Messungen ja eigentlich zu niedrig - mit 24Bit aber möglich. Das viel stärkere Photodiodensignal wird eben auch über dieses Frontend erfasst - deshalb habe ich luxuriös viel Auflösung dabei. Ulrich H. schrieb: > Wenn es um Effizienz geht, dann wäre es besser die LEDs nur mit eher > kurzen Pulsen (z.B. 10µs) und dafür relativ viel Strom zu betreiben, und > das Signal nicht einfach nur per Sinus oder Rechteck Demodulation > auszuwerten, sondern per Korrelation mit der Anregung, bzw. als > Pulsfläche und Untergrund. Danke, da hast du sicher recht. Das gute am derzeitigen Design ist: Alles ist einstellbar - LED Strom und PWM duty cycles - ich kann mich also prinzipiell auch um die Optimierung kümmern, wenn die Hardware schon steht - die ist momentan meine priorität. Ich habe mir deine Ideen aber für später vermerkt! Die generelle Frage, ob ich ein 50% PWM moduliertes Lock-In Signal mit (nur) doppelt so hoher Abtastung theoretisch korrekt demodulieren kann steht für mich noch im Raum: Keine Einwände?
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Um's richtig zu verstehen... Die Biosignale, die uV sind auch phasengelockt zur LED und Photodiode, also benoetigt man 2 Lock-in Kanaele.
Nein, beides unabhängig! Die Biosignale sind typische biopotenziale (EMG, EKG, EEG...) Tatsächlich habe ich aber 2 Photodioden, also auch zwei lock-in Kanäle (aber auch das tut hier nichts zur sache, weil es eben ein weiterer ADC Kanal ist, der digital demoduliert werden muss) ;-)
Die Demodulation mit nur 2 Abtastwerten je Periode kann man so machen,ist aber ggf. nicht optimal. Es hängt vom AD Wandler (Integrierend oder Sampling) und der analogen Filterung (Antialiasing) des Signals ab. Mit dem Sigma-delta AD gibt das schon eine etwa gleichmäßige Abtastung über je fast 50% der Zeit oder eine Rechteckförmige Demodulation. Für das 50% PWM Signal kommt das also ganz gut hin. Wenn zwischen den Samples noch was anders Abgetastet werden soll, also eine deutliche Pause entsteht, wäre eine analoge Filterung vor dem AD-Wandler als Anti-Aliasing Filter hilfreich. Da wären dann mehr Samples ggf. schon etwas besser.
Ulrich H. schrieb: > Wenn zwischen den > Samples noch was anders Abgetastet werden soll, also eine deutliche > Pause entsteht, wäre eine analoge Filterung vor dem AD-Wandler als > Anti-Aliasing Filter hilfreich. Da wären dann mehr Samples ggf. schon > etwas besser. Danke für deine Hilfe, da ich von analogem Lock-In auf digitalen umgestiegen bin, fehlt mir hier einfach noch die Erfahrung! Ich mache mal eine Rechnung, wie es bisher geplant ist, wenn da irgendwo noch Schwachstellen aufzufinden sind, bin ich dankbar für alle Anmerkungen! Bei 1kHz Modulation sampled der Sigma-Delta ADC mit 2 von 8 Kanälen simultan bei 2kHz und 24Bit die beiden Photodioden. Die jedoch bekommen abwechselnd (immer einige ms) das Signal von zwei verschiedenen Wellenlängen - das ganze also im Time Division Multiplex. Das system ist modular mit max 16 Kanäle à zwei Wellenlängen - sind 32 zu messende Wellenlängenkanäle pro sekunde. jeder soll mit 10Hz aufgelöst werden: also sind 320 aktive phasen zu durchlaufen mit je 1ms dwell time damit die diode(n) voll ausgestuert sind: Jeder Kanal wird also alle 30ms nach einer dwell time von 1ms für 2ms mit 2kHz gesampled - ergibt pro kanal 4 samples, dann eine Pause von ca. 30ms bis zu den nächsten 4 samples. Das signal ist mit 1khz Rechteck moduliert. Bei der Lock-In demodulation auf dem µC würde also bislang folgendes passieren: Pro zu demodulierenden kanal gibt es im µC in 30ms Abständen 4 samples (2kHz gesampled mit 24Bit), von denen zwei im LED-on state und zwei im LED-off state gesampled wurden. Schritt 1: Subtraktion LED-on Sample MINUS zeitl. folgendes LED-off Sample Schritt 2: das resultierende Signal (2 Subtrahierte samples alle 30ms) würde ich nun mitteln für besseres SNR - und das sich ergebende Signal mit festen Zeitabständen (33Hz) durch einen fc=2Hz FIR LP 3. Ordnung schicken. Nach der Filterung würde ich dann noch einmal averagen (3:1) um meine geforderte 10Hz Auflösung mit bestmöglichem SNR zu bekommen. Kann man das so machen - oder ist da was Quark?
Für ein gutes SNR ist das Verfahren nicht Optimal - da wäre ein schnellerer ADC (ggf. auch weniger Auflösung (z.B. 12-16 Bit)) besser. Für den gegeben ADC ist die Wahl nicht so schlecht - nur die 100 Hz (vermutlich die Wesentliche Störquelle) Unterdrückung ist wohl nicht gut. Eine große Wartezeit vor dem Umschalten des Kanals braucht man nicht unbedingt - es hängt aber vom ADC ab, ob die Samples wirklich unabhängig sind oder sich ggf. etwas Überschneiden (dann bräuchte man die unschöne Wartezeit, bzw. ein verworfenes Sample). 1 ms warten und 2 ms Messen verschenkt schon mal 1/3 der möglichen werte - das könnte besser gehen. Bei den nur 4 Samples mit 0,5 ms Abstand hat man im Mittel die Messung mit LED und ohne LED etwas verschoben. Da wäre es vermutlich besser 5 Samples zu nutzen, so dass der zeitliche Schwerpunkt zusammenfallen kann. Zur Auswerung könnte man dann etwa 0,5 * (Sample1+Sample5) + Sampel3 - Sample 2-Sample4 nutzen. Die Wiederholung nach 30 ms ist auch nicht unbedingt Optimal, weil man im Gleichen Teil der 100 Hz Störungen wäre - passender wäre 25 ms oder 35 ms, also so dass man gerade die andere Richtung der Störungen hätte. Besser wäre ggf. ein schnellerer ADC und dann getrennte Antialiasing Filter für die einzelnen Kanäle, so dass die Pause zwischen Samples damit überbrückt werden kann. Das bedeutet aber etwas zusätzlichen analogen Aufwand.
Bleib beim analogen Lock-in, fuer einen Digitalen muss man mit ganz anderem Geschuetz auffahren.
Ulrich H. schrieb: > Für ein gutes SNR ist das Verfahren nicht Optimal - da wäre ein > schnellerer ADC (ggf. auch weniger Auflösung (z.B. 12-16 Bit)) besser. Der ADC kann prinzipiell auch höher samplen (bis zu 16ksps), nur nimmt dann die ENOB ab (2ksps: 19.14, 4ksps: 18.64, 16ksps 16.83) und ich möchte das andere µV signal möglichst hochauflösend aufnehmen. Ich habe mir auch schon überlegt noch höher, z.B. mit 4ksps zu samplen und dann im µC das µV Biosignal zu averagen auf zB 500ksps, allerdings fehlt mir die Erfahrung, ob das die ENOB wieder äquivalent hochdreht oder nicht (im Prinzip macht der Delta-Sigma ja auch nichts anderes als averagen?)? Ulrich H. schrieb: > Die Wiederholung nach 30 ms ist auch > nicht unbedingt Optimal, weil man im Gleichen Teil der 100 Hz Störungen > wäre - passender wäre 25 ms oder 35 ms, also so dass man gerade die > andere Richtung der Störungen hätte. Danke, ich schaue mal inwiefern ich das beherzigen kann! Mit 100Hz Störungen meinst du die 2. harmonische vom 50Hz Brummen, korrekt? Ulrich H. schrieb: > getrennte Antialiasing > Filter für die einzelnen Kanäle, so dass die Pause zwischen Samples > damit überbrückt werden kann. die Sache mit den AA Filtern verstehe ich noch nicht so ganz. Ich mache die Pausen ja aufgrund der zeitgemultiplexten LED - Photodiodenkanäle - damit man sich nicht das Signal einer anderen Quelle einfährt. D.h. die Kanäle sind immer abwechselnd aktiv und Pausen damit nicht vermeidbar- oder meinst du die 1ms Wartezeit (die kann ich wohl noch herunterschrauben)? Wo fange ich mir denn Aliasing ein? Der ADC wandelt kontinuierlich (auch die 2 Photodiodenkanäle) - nur muss ich die Daten dann ja im µC den zu der Zeit aktiv gewesenen Quellen zuordnen (den Stream "zerschneiden") um die Stücke dann einzeln demodulieren und jeweils zu einem demodulierten, langsamen stream zusammenfügen zu können, der dann LP gefiltert wird.
Siebzehn Für Fuenfzehn schrieb: > Bleib beim analogen Lock-in, fuer einen Digitalen muss man mit ganz > anderem Geschuetz auffahren. dazu hätte ich gerne details ansonsten: Nein tue ich (ziemlich sicher) nicht ;-)
Alex v. L. schrieb: > Ulrich H. schrieb: >> Für ein gutes SNR ist das Verfahren nicht Optimal - da wäre ein >> schnellerer ADC (ggf. auch weniger Auflösung (z.B. 12-16 Bit)) besser. > > Der ADC kann prinzipiell auch höher samplen (bis zu 16ksps), nur nimmt > dann die ENOB ab (2ksps: 19.14, 4ksps: 18.64, 16ksps 16.83) und ich > möchte das andere µV signal möglichst hochauflösend aufnehmen. > Ich habe mir auch schon überlegt noch höher, z.B. mit 4ksps zu samplen > und dann im µC das µV Biosignal zu averagen auf zB 500ksps, allerdings > fehlt mir die Erfahrung, ob das die ENOB wieder äquivalent hochdreht > oder nicht (im Prinzip macht der Delta-Sigma ja auch nichts anderes als > averagen?)? Tut es solange das Rauschen nicht unterhalb der Messgrenze des ADCs liegt (dann kann u.U. mit Dithering nachgeholfen werden), das Rauschen normalverteilt und stationär ist. Von 4 kSPS auf 500 SPS würde das Rauschen dann um sqrt(2)^ld(8) = 2*sqrt(2) reduzieren also die ENOBs um 1.5 Bit erhöhen. > Wo fange ich mir denn Aliasing ein? Der ADC wandelt kontinuierlich (auch > die 2 Photodiodenkanäle) - nur muss ich die Daten dann ja im µC den zu > der Zeit aktiv gewesenen Quellen zuordnen (den Stream "zerschneiden") um > die Stücke dann einzeln demodulieren und jeweils zu einem demodulierten, > langsamen stream zusammenfügen zu können, der dann LP gefiltert wird. SD-ADCs können nicht alle hochfrequenten Störungen am Eingang stark genug unterdrücken bzw. bei Vielfachen der Abtastrate überhaupt nicht. http://www.analog.com/library/analogdialogue/anniversary/15.html
Arc Net schrieb: > Von 4 kSPS auf 500 SPS würde das Rauschen dann um sqrt(2)^ld(8) = > 2*sqrt(2) reduzieren also die ENOBs um 1.5 Bit erhöhen. Das würde sich treffen mit den Datenblattangaben, denen zufolge bei 500sps die ENOBs bei 20.14 (um 1.5 höher als die 18.64 bei 4ksps). A.k.a: Spricht ja dann erstmal nicht viel dagegen mit 4ksps zu samplen für den Lock in. Das wär ja schonmal was! Zurück zum Lock in: Ich habe ja nun zwei Möglichkeiten: Die einfachste (/effiziente) und die komplexere (und die dazwischen). - Einfach: Mit 2ksps abtasten. Pro Periode einmal LEDon - LEDoff abziehen. Das resultierende 33Hz Signal 3:1 auf 10sps mitteln. Kein weiterer Lowpass Komplexer: Mit 4ksps abtasten. Pro periode zweimal LEDon-LEDoff abziehen. Das resultierende Signal digital (IIR/FIR 3.ordung 2Hz LP) filtern. Dann mitteln auf 10sps. Wie schätzt man denn nun ab, ob die zweite Variante wirklich Vorteile (/besseres SNR) bringt?
Zwischen den beiden Varianten mit einmal on/off oder 2 mal mit der halben Zeit wird kein großer Unterschied sein. Einen komplizierteren Filter wird man auch mit den 2 Perioden nicht brauchen - auch da passt Aufsummieren mit Gewichten +-1. Es kann kleine Unterschiede im Detail geben wegen 1/f Rauschen, einer Drift nach dem umschalten des Kanals. Auch die Unterdrückung von 100 Hz Störungen (oft die Wesentliche Komponente im Kunstlicht) kann mit der schnellere Messung etwas besser werden. Wenn der Sensor nicht so schnell ist, kann man das aber auch wieder verlieren. Es ist zu überlegen nicht nur AN / Aus zu messen, sondern eher Aus/An/Aus , also mit einer Phase mehr ohne Licht, damit die Schwerpunkte Zeitlich zusammenfallen. Damit fällt auch eine lineare Drift des Untergrundes raus. Sofern die Kanäle optisch getrennt sind, könnte man auf die Idee kommen mit analogem Tiefpass-Filter zu arbeiten und schnell zwischen den Kanälen zu wechseln. Also etwa ein Filter bei 2 kHz und dann mit 16 ksps (oder auch mehr) mehrere Kanäle im schnellen Wechsel abzutasten. Damit könnte man effektiv mehr Daten aus der Zeit ohne LED bekommen, und damit etwas weniger Rauschen. Es ist aber ein Abwägen wegen der Einschwingzeit für den Filter, wenn die LED an ist. Wenn der Strom knapp ist, könnte es besser sein länger ohne LED und dafür kürzer mit LED zu messen, etwa 2 ms dunkel und 0,5 ms mit LED an und dafür ggf. mit mehr Intensität. Zumindest die Zeit ohne LED könnte man parallel für mehrere Kanäle nutzen - es macht ja keinen Unterschied wenn alle LEDs aus sind. So ganz klar ist mir da der Aufbau aber noch nicht, sind da Photodiode gemeinsam für mehrere LEDs ? Wie viele LEDs Empfänger ADCs sind es ? Auf einen analogen Lockin würde ich nicht zurückfallen - schon weil man Ausgangssignal dann auf den Offset achten muss. Auch hat man da nicht so einfach die Option das Tastverhältnis anzupassen.
Ulrich H. schrieb: > Wenn der Sensor nicht so schnell ist der Sensor hat eine Bandbreite von 14kHz. Ulrich H. schrieb: > Aus/An/Aus , also mit einer Phase mehr ohne Licht, damit > die Schwerpunkte Zeitlich zusammenfallen. Das klingt stimmig! Wie würde man das dann korrekt verrechnen? LockinSample1 = An/(0,5(Aus1+Aus2))? oder LockinSample1 = An/Aus1 LockinSample2 = An/Aus2? Ersteres klingt ja für mich richtiger... Ulrich H. schrieb: > So ganz klar ist mir da der Aufbau aber noch nicht, sind da Photodiode > gemeinsam für mehrere LEDs ? Wie viele LEDs Empfänger ADCs sind es ? Dann will ich es versuchen weiter zu klären. Das ganze wird modular- also im Folgenden alles erst einmal auf ein Modul beschränkt. Ich sage "modular" nur dazu, weil ich eingangs mit 32 Kanälen für den Time Divison Multiplex gerechnet habe (und da auch meine max. Zeitfenster herkommen)- damit das nicht für Verwirrung sorgt: - Es gibt vier (1kHz modulierte) LEDs und zwei Photodioden pro Modul. - Es gibt ein Analogfrontend mit integr. PGA und 8 parallelen 24 Bit 16ksps ADC wandlern Leuchtet eine LED auf, wird parallel mit zwei Photodioden gemessen und auf zwei Kanälen AD gewandelt. Jede LED ist einmal aktiv, bevor der Zyklus beginnt. Maximal 32 LEDs - damit 1/32 s pro Zyklus. Ulrich H. schrieb: > Sofern die Kanäle optisch getrennt sind, könnte man auf die Idee kommen > mit analogem Tiefpass-Filter zu arbeiten und schnell zwischen den > Kanälen zu wechseln. Also etwa ein Filter bei 2 kHz und dann mit 16 ksps > (oder auch mehr) mehrere Kanäle im schnellen Wechsel abzutasten. Damit > könnte man effektiv mehr Daten aus der Zeit ohne LED bekommen, und damit > etwas weniger Rauschen. Es ist aber ein Abwägen wegen der Einschwingzeit > für den Filter, wenn die LED an ist. Die Idee ist beeindruckt mich, aber wegen zwei Photodioden für eine Messung pro LED gleichzeitig und den 4 wechselnden LEDs wird das ja so nichts - wenn ich deine Idee richtig verstanden habe! Ulrich H. schrieb: > Wenn der Strom knapp ist, könnte es besser sein länger ohne LED und > dafür kürzer mit LED zu messen, etwa 2 ms dunkel und 0,5 ms mit LED an > und dafür ggf. mit mehr Intensität. Zumindest die Zeit ohne LED könnte > man parallel für mehrere Kanäle nutzen - es macht ja keinen Unterschied > wenn alle LEDs aus sind. Klingt auch sinnvoll - damit lässt sich das SNR der Off-Messnug natürlich noch verbessern!. Für mich verschwimmt dabei aber gerade immer mehr mein bisheriges Verständnis vom Unterschied zwischen Lock-In Verstärkung und einfacher Subtraktion des immer aktuell gemessenen Dunkelstroms vom ON-Signal. Gerade wenn der LP fehlt sind beide Verfahren (hier) ja das selbe..?
Die Lockin Messung und die Subtraktion des Dunkelstromes sind auch weitgehend das selbe, nur das man es beim Lockin-verstärker mehrfach wiederholt und in der analogen Umsetzung zum mitteln einen analogen Tiefpass als Näherung nimmt. In der Digitalen Form nutzt man beim Lockin meist den echten Mittelwert. Ein paar kleine Unterschiede gibt es wenn man eine anderes Tastverhältnis als 50% nutzt. Da ist es dann die Frage was man beim Lockin als Ref. Signal nutzt. Wenn man die Wahl hat (etwa in digitaler Form), ist das Mitteln von Hell- und Dunkelsignal und dann die Differenzbildung schon richtig.
Dankesehr!
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