Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Ultra low noise Li+ power Konzept für mobiles Biosignalmessequipment


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von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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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
_________________________________________________

von Purzel H. (hacky)


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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.

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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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!

: Bearbeitet durch User
von Purzel H. (hacky)


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1uVpp bei welcher Bandbreite und Frequenz ?

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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70Hz BW von 0-70 Hz ;)

von Ulrich H. (lurchi)


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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.

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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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!

von Purzel H. (hacky)


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Die Photodiode kann man mit einem LDO ab Akku speisen. Die zieht nicht 
so viel Strom. Noch kein Grund fuer einen Schaltregler.

von Ulrich H. (lurchi)


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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.

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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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...?

: Bearbeitet durch User
von Gerd E. (robberknight)


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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.

von MaWin (Gast)


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von Peter D. (peda)


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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.

von Purzel H. (hacky)


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Vielleicht duerfen wir erfahren, was die LED mit ihrem sehr hohen Strom 
soll ? Eine Absorptionsmessung ?
Dafuer nimmt man eh einen Lockin...

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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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.

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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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?

: Bearbeitet durch User
von Ulrich H. (lurchi)


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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.

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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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 :)

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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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.

: Bearbeitet durch User
von Purzel H. (hacky)


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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 ?

: Bearbeitet durch User
von Arc N. (arc)


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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

von Jens Martin (Gast)


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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.

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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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

: Bearbeitet durch User
von Purzel H. (hacky)


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Was sind denn die Einstellungen fuer den Lock-in ?

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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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

: Bearbeitet durch User
von Purzel H. (hacky)


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Weshalb verstaerkt der Lock-in nicht mehr ? Der sollte doch sicher 
40..60dB bringen.

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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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!

von Purzel H. (hacky)


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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.

: Bearbeitet durch User
von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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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

: Bearbeitet durch User
von Ulrich H. (lurchi)


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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.

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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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?

: Bearbeitet durch User
von Purzel H. (hacky)


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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.

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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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) ;-)

von Ulrich H. (lurchi)


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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.

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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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?

von Ulrich H. (lurchi)


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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.

von Purzel H. (hacky)


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Bleib beim analogen Lock-in, fuer einen Digitalen muss man mit ganz 
anderem Geschuetz auffahren.

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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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.

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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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 ;-)

von Arc N. (arc)


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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

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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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?

von Ulrich H. (lurchi)


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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.

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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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..?

von Ulrich H. (lurchi)


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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.

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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Dankesehr!

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