Moin zusammen,
ich stehe vor einem Problem und würde gern etwas externen Input erhalten
:-).
Wir haben einen analogen Lock-In-Verstärker gebaut, mit dem wir eine
Messbrücke auslesen. Der Sinus für die Brückenversorgung hat eine
Frequenz von 10 kHz. Nach einem steilen Tiefpass werden am Ausgang des
Verstärkers noch (mechanisch erregte) 1 kHz ausgegeben. Die
Rauschunterdrückung funktioniert gut, wir können
Brückendiagonalspannungen in der Größenordnung von 10 nV auflösen. Das
Teil wurde in einem PSOC mit ein paar Teilen drumherum implementiert und
funktioniert so, wir wir das gerne hätten.
Nun stoßen wir allerdings an die Grenzen des Designs: Dummerweise gibt
es in einer der beiden Leitungen von der Messbrücke (die, über die die
Diagonalspannung abgegriffen wird) zum Verstärker eine Kapazität in der
Größenordnung von 30 nF, die wir aus technischen Gründen nicht weg
kriegen. Das bedeutet, dass wir nicht wie bisher die beiden Leitung an
einen Instrumentenverstärker legen können, weil die beiden Signale durch
die Kapazität in der einen Leitung phasenverschoben sind und das eine
Signal dazu auch noch eine kleinere Amplitude hat.
Das müssen wir also irgendwie kompensieren.
Möglichkeit 1: In die andere, bisher nicht von der Kapazität betroffene
Leitung eine Kondensator zur Kompensation hängen. Gefällt mir nicht,
weil die Störkapazität sich im Betrieb ändern kann. Zu unflexibel.
Möglichkeit 2:
Aus dem analogen Lock-In Verstärker einen digitalen machen. Dazu würden
wir die beiden Leitungen (ich nenne sie mal A und B) von der Brücke
kommend jeweils mit einem PGA etwas vorverstärken und anschließend
Tiefpassfiltern, damit schonmal die Frequenzanteile über 20 kHz (die
Brücke wird ja mit 10 kHz gespeist) raus sind damit wir kein Aliasing
bekommen. Dann AD-Wandlung der beiden Signale. Anschließend würde ein
Signal eine Phasenverschiebung verpasst bekommen, sodass beide Signale
wieder Phasengleich sind. Dann wird die Differenz der beiden Signale
(A-B) gebildet, also das was der Instrumentenverstärker bei der analogen
Schaltung gemacht hat). Zum Schluss der Lock-In-Kram, also
Multiplikation mit dem Referenzsignal und anschließende
Tiefpassfilterung.
Da ab der AD-Wandlung das ganze ja Software ist, lässt sich auch die
Phasenverschiebung entsprechend anpassen und somit die Störkapazität
ausgleichen.
Womit ich jetzt ein Problem habe, ist die Auflösung. Der PGA kann keine
große Verstärkung haben, weil ja beide Signale zunächst einzeln
verstärkt, dann digitalisiert und dann subtrahiert werden und nicht die
Differenz zuerst gebildet und dann Versärkt werden kann. Also muss der
AD-Wandler eine genügend hohe Auflösung mitbringen.
Mit einem 24-bit-ADC und einem max. Signalhub von 5V ließen sich
theoretisch etwa 300 nV auflösen. Wenn das Signal vorher um einen Faktor
2 Verstärkt wurde, bedeutet das eine Änderung der Brückenspannung von
150 nV. Das kommt dummerweise nicht an die 10 nV
Brückenspannungsänderung unserer jetzigen, analogen Lösung heran.
Eigentlich bräuchten wir 28 bit Auflösung aber ich mag schon gar nicht
an 24 bit echte Auflösung glauben, weil das PCB ja auch noch ein
Wörtchen mitzureden hat... Habt ihr einen Tipp, womit wir weiterkommen
könnten? Oversampling? Irgendeine andere Idee, wie man diese
Störkapazität flexibel ausgleichen kann?
Viele Grüße
Peter
Weshalb auf eine komplizierte Loesung ausweichen wenn es einfacher gehen
koennte ?
Leitungen neu legen ? Differentielle Leitungen sollten eh verdrillt
sein.
Eine verdrillte Leitung fuer die Anregung, eine verdrillte Leitung fuer
die Messstellen. Allenfalls einen Verstaerker bei der Bruecke
platzieren.
Wird die Brücke derzeit asymmetrisch versorgt? D.h. über die 30nF fällt
die vergleichsweise riesige Gleichtaktspannung ab (halbe
Versorgungsspannung)?
Dann würde dir eine symmetrische Brückenversorgung etwas weiter helfen.
Der Kondensator sieht dann nur noch die wahrscheinlich viel kleinere
Differenzspannung und verzieht die Brücke nicht ganz so sehr.
Trotzdem würde ich keine Widerstandsbrücke betreiben wollen, an deren
einem Ende 30nF hängen. Und ich glaube nicht, dass deine
Digitalisierungsideen dir weiter helfen. Wie Jetzt Nicht geschrieben
hat: das Problem an der Wurzel anpacken, ggf. direkt am Ausgang der
Brücke verstärken.
Woher kommen eigentlich diese 30nF.
Moin zusammen,
vielen Dank für die Antworten. Das mit den verdrillten Leitungen wissen
wir, nur funktioniert das in dieser Anwendung leider nicht, weil es sich
um ein mikrosystemtechnisches Bauteil in Dünnschichttechnik handelt, bei
dem dummerweise die Leitungen auch in Dünnschichttechnik aufgebaut sind.
Und zwischen der Leitung und dem (geerdeten) Substrat befinden sich nur
einige 10 nm Isolation. Mit Verdrillen is also nich...
Aus baulichen Gründen können wir auch mit der Elektronik nicht dichter
an die Messstelle heran. Die Kapazität bleibt also vorhanden, egal wie
wir uns drehen oder wenden :-(.
Mal ein Gedanke: Am meisten stört die Phasenverschiebung zwischen den
beiden Messleitungen der Diagonalspannung. Die Sache mit der Amplitude
lassen wir mal außen vor - da uns eh die Differenz der beiden Signal
interessiert, kann uns die absolute Höhe der Signale erst einmal egal
sein. Dann bräuchten wir in der einen Messleitung einen Phasenschieber,
der das Signal der anderen Leitung als Referenzsignal nutzt und so beide
Signale wieder phasengleich macht. Was ich bisher gefunden habe, wird
meist für Mikrowellen eingesetzt... Kennt sich damit jemand näher aus
und kann mich in die richtige Richtung stubsen?
Peter schrieb:> Und zwischen der Leitung und dem (geerdeten) Substrat> befinden sich nur einige 10 nm Isolation. Mit Verdrillen> is also nich...
Nun ja, wenn eine bestimmte Brückenleitung zwangsweise
kapazitiv geerdet ist, dann richtet Ihr die Speisung
eben so ein, dass diese Leitung TATSÄCHLICH Erdpotenzial
hat. Dann ist die Wirkung der Kapazität eliminiert.
Peter schrieb:> Am meisten stört die Phasenverschiebung zwischen den> beiden Messleitungen der Diagonalspannung. Die Sache mit der Amplitude> lassen wir mal außen vor - da uns eh die Differenz der beiden Signal> interessiert, kann uns die absolute Höhe der Signale erst einmal egal> sein.
Wenn der Kondensator die Phase verschiebt, dann hat die
Differenzspannung auch die falsche Amplitude (30nF bei 10kHz sind
~550Ohm). Und das kannst du einfach durch einen Phasenschieber nicht
ausgleichen.
Possetitjel schrieb:> Nun ja, wenn eine bestimmte Brückenleitung zwangsweise> kapazitiv geerdet ist, dann richtet Ihr die Speisung> eben so ein, dass diese Leitung TATSÄCHLICH Erdpotenzial> hat. Dann ist die Wirkung der Kapazität eliminiert.
das geht in die ähnliche Richtung wie mein Vorschlag:
Achim S. schrieb:> Dann würde dir eine symmetrische Brückenversorgung etwas weiter helfen.> Der Kondensator sieht dann nur noch die wahrscheinlich viel kleinere> Differenzspannung und verzieht die Brücke nicht ganz so sehr.
Wenn nicht ein Ende der Brückenversorgung auf Masse festgenagelt ist:
versorgt die Brücke über einen Übetrager und legt den kapazitiv
belasteten Brückenausgang auf Masse.
Achim S. schrieb:> Possetitjel schrieb: [...]>> das geht in die ähnliche Richtung wie mein Vorschlag:
Stimmt, in der Tat.
> Achim S. schrieb:>> Dann würde dir eine symmetrische Brückenversorgung etwas>> weiter helfen. Der Kondensator sieht dann nur noch die>> wahrscheinlich viel kleinere Differenzspannung und verzieht>> die Brücke nicht ganz so sehr.>> Wenn nicht ein Ende der Brückenversorgung auf Masse> festgenagelt ist: versorgt die Brücke über einen Übetrager> und legt den kapazitiv belasteten Brückenausgang auf Masse.
Kann man bei 10kHz sicher auch mit OPVs machen, mit Rückführung
der virtuellen Masse. Hmm, mir ist jetzt so, als hätte ich
solche Vorschläge schon von AD oder BB gesehen. - Nicht als
Widerspruch zu Deinem Beitrag gedacht, eher als Ergänzung.
Man koennte per Transformator (Uebertrager) speisen, und per Uebertrager
das Signal abgreifen. Mit etwas Glueck muss mich dann gar nichts
interessieren. Wenn das Sensorsignal eine Phasenverschiebung hat, kann
man mit der leben, oder sie ignorieren. Ueber alles muss man eh
kalibrieren.
Moin zusammen,
da habe ich ein Verständnisproblem: Bei einer Viertelbrücke steckt meine
Messinformation lediglich in einer der beiden Messleitungen. Die Leitung
(Leitung A), die die Seite mit dem DMS abgreift verändert sich durch
einen veränderten Widerstand des DMS, die andere Leitung (Leitung B)
sieht nur den Spannungsteiler, vorausgesetzt, die Speisespannung der
Brücke ist konstant.
Wenn ich nun, wie vorgeschlagen, Leitung A auf Masse lege (weil genau
diese Leitung kapazitiv verseucht ist), messe ich doch nichts mehr? Oder
habe ich da einen Denkfehler?
Wenn die Brücke einen weiteren Erdbezug hat (z.B. durch ein Ende der
Versorgung), dann hast du Recht: dann schließt du mit der
Masseverbindung am Ausgang das Signal kurz.
Aber wenn alle anderen Potentiale der Brück floaten, dann kannst du
einen beliebigen Knoten der Brücke Masse nennen (bzw. ihn mit Masse
verbinden). Das Signal wird dadurch nicht kurzgeschlossen, weil von
keinem anderen Punkt der Brücke Ströme nach Masse fließen können (außer
den gewünschten Strömen über die Brückenwiderstände).
Vielleicht ist es einfache, sich die Sache schrittweise verständlich zu
machen:
a) mal dir zunächst mal eine Viertelbrücke auf, die an einem Ende mit
einer Wechselspannung, am anderen Ende mit Masse versorgt wird. Wie groß
ist jetzt die Spannung an dem parasitären Kondensator?
b) jetzt betrachte die selbe Brücke mit symmetrischer Versorgung (oben
Wechselspannung, unten die invertierte Wechselspannung). Welche Spannung
sieht der Kondensator nun?
c) als drittes kannst du dir überlegen, wie sich die Versorgung der
Brücke einstellt, wenn sie potentialfrei über einen Übertrager zugeführt
wird.
Hallo Achim,
danke für deine Erklärung. Ich habs kapiert, stand vorhin auf dem
Schlauch. Ich hatte irgendwie noch den Erdbezug der Anregung ohne
Übertrager in meinen Gedanken drin.
Wir werden das mal ausprobieren. Mal sehen, was dabei herauskommt. Wir
haben noch ein paar andere Ideen und werden mal die Simulation bemühen
um zu sehen, was uns wie gut weiterbringt.
Vielen Dank schonmal an alle Antworter!
