Forum: Platinen Layoutvorschlag AD7793 - Überlegungen


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von M. W. (rallini94)


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Hallo Leute,

ich würde mich mal wieder über Hilfe der Layout Gurus freuen.

In meinem jetzigen Projekt sollen PT100 Elemente ausgewertet werden. Ds 
Prinzip ist wohl jedem bewusst: Konstanten Strom durchjagen und Spannung 
messen. Weil der AD7793 nur max. 3 Eingänge hat, ich aber 4 Stellen (3x 
PT100 und 1x Ref-Widerstand) messen möchte, sitzt vor dem AD7793 noch 
ein Analog Multiplexer.

Nun möchte ich natürlich die 24 Bit Auflösung nicht unnötig durch ein 
schlechtes Layout reduzieren, bin mir aber nicht ganz sicher, was beim 
Layout am klügsten ist, da ich mit einem so genauen ADC noch nicht 
gearbeitet habe. Deswegen meine Gedanken/die Vorausetzungen 
(momentaniger Stand ist im Anhang zu sehen)

Allgemein:
- Platine wird in einem geerdeten Stahlschrank untergebracht
- Leitungen zu den PT100 Elementen sind geschirmt, aber ziemlich lang 
(max 5 Meter etwa)
- Versorgung der Platine über Ringkerntrafo und Linearregler

Layout:
- eine Platinenseite (top, im Bild nicht dargstellt) komplett als 
GND-Plane (zumindest so weit wie möglich)
- um den Schaltungsteil mit dem AD7793 eine lokale GND-Plane, die an den 
Rändern mit Durchkontaktierungen (momentan noch zu wenige ???) mit der 
kompletten GND-Plane verbunden ist
- SPI und andere digitale Leitungen möglichst weit weg von den Eingängen 
des AD7793 bzw zumindest eine Masseleitung zwischen diesen Signalen

Was haltet ihr von meinen bisherigem Layout? Es ist noch die 
Versorgungsleitungen und die Kommunikationsleitungen, aber ich wollte 
schonmal sehen, ob ich auf dem richtigen Weg bin oder komplett auf dem 
Holzweg.

Vielen Dank,
M.W.

von Hp M. (nachtmix)


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Wenn der Platz nicht zu knapp ist, könntest du die RC-Glieder vor den 
Mux setzen.
Das bewirkt einen gewissen ESD-Schutz, und du brauchst nach dem 
Umschalten nicht eine Ewigkeit zu warten, bis sich der neue Wert am ADC 
eingestellt hat.
Bei deiner Konstruktion bewirken Unsymmetrien der 1nF-Kondensatoren beim 
Umschalten nämlich zusätzliche Spannungssprünge des Meßsignals..

: Bearbeitet durch User
von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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M. W. schrieb:
> Layout:
Den Analogteil nicht so legen, dass digitale Ströme oder gar Lastströme 
quer über die liebevoll angelegten Masseflächen rauschen (müssen).

Der C27 ist irgendwie unnötig umständlich angeschlossen. Um 90° gedreht 
passt er quasi direkt auf die Versorgungspins des ICs. Warum da 
überhaupt ein bedrahteter und nicht ein SMD-Kondensator auf der 
Unterseite?

von M. W. (rallini94)


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Hp M. schrieb:
> Wenn der Platz nicht zu knapp ist, könntest du die RC-Glieder vor
> den Mux setzen.

Platz sollte eigentlich reichlich da sein. Du meinst also für jede 
Messstelle ein Filter, somit insgesmat 4x Filter

> Das bewirkt einen gewissen ESD-Schutz, und du brauchst nach dem
> Umschalten nicht eine Ewigkeit zu warten, bis sich der neue Wert am ADC
> eingestellt hat.

Auf Geschwindigkeit kommt es hier nicht an, der Wandler soll eh nur mit 
4 Hz laufen.

> Bei deiner Konstruktion bewirken Unsymmetrien der 1nF-Kondensatoren beim
> Umschalten nämlich zusätzliche Spannungssprünge des Meßsignals..

Ok. Sind die außer für die Messdauer schlimm? Also ist der Wandler für 
diese Sprünge zu empfindlich?

Lothar M. schrieb:
> M. W. schrieb:
>> Layout:
> Den Analogteil nicht so legen, dass digitale Ströme oder gar Lastströme
> quer über die liebevoll angelegten Masseflächen rauschen (müssen).

Ja, dass habe ich schon mehrfach gelesen. Ich werde denn Lastteil erst 
noch layouten (unter anderem Motorenstecker mit 1,5 A Laststrom - wobei 
dieser vermutlich nie angeschaltet sein wird, während bei AD7793 eine 
Messung läuft). Werde versuchen diese möglichst weit weg vom AD7793 zu 
halten und die Versorgungsspannungen Sternförmig zu verteilen. Wenn ich 
fertig bin, werde ich das Layout nochmal hochstellen. Mehr Augen sehen 
einfach mehr und meine sind einfach noch nicht so erfahren.

> Der C27 ist irgendwie unnötig umständlich angeschlossen. Um 90° gedreht
> passt er quasi direkt auf die Versorgungspins des ICs. Warum da
> überhaupt ein bedrahteter und nicht ein SMD-Kondensator auf der
> Unterseite?

Das war mir noch dem Hochladen auch schon aufgefallen und habe ich schon 
geändert.
Das der bedrahtet ist... nun, mein Betreuer/Auftraggeber steht nicht so 
auf SMD. Das hat sich bei dem ein oder anderen Bauteil bei mir 
niedergeschlagen. Werde denn aber mal ersetzen, denn ohne SMD komm ich 
eh nicht aus (AD7793 gibt's nur als SMD und der Kontroller ist auch im 
TQFP64 Gehäuse)

: Bearbeitet durch User
von U. M. (oeletronika)


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Hallo,
> M. W. schrieb:
> Hallo Leute,
> PT100 Elemente ausgewertet werden.
> Das Prinzip .....: Konstanten Strom durchjagen und Spannung messen.
Über den Referenzwiderstand (neidriger TK) kannst ja auch den Strom 
messen.
Damit muß der Konstantstrom nicht mehr so genau sein.
Auch Drift wird so kompensiert.


> Weil der AD7793 nur max. 3 Eingänge hat, ich aber 4 Stellen (3x
> PT100 und 1x Ref-Widerstand) messen möchte, sitzt vor dem AD7793 noch
> ein Analog Multiplexer.
Im Prinzip ok, nur sollte dir bewußt sein, dass solche Analog-Muxer 
keine idealen Schalter sind. Der Sperrwiderstand ist nicht unendlich und 
der Durchlasswiderstand nicht Null. Es gibt auch elektrisches 
Übersprechen.
Bei 10...12 Bit Auflösung wäre das nicht so kritisch aber bei 24Bit?
Aber die Genauigkeit wird eh nicht im Bereich der Auflösung liegen.

Der DG409 ist ein 0815-Muxer. Bei Maxim gibt es auch kompatible Typen 
mit deutlich besseren Parametern.

Bist du dir sicher, dass du diese Reihenschaltung der PT100 so haben 
willst? Wenn da in einer Leitung der Wurm ist, sind alle 3 Sensoren tot.

> Nun möchte ich natürlich die 24 Bit Auflösung nicht unnötig durch ein
> schlechtes Layout reduzieren, bin mir aber nicht ganz sicher, was beim
> Layout am klügsten ist, da ich mit einem so genauen ADC noch nicht
> gearbeitet habe.
Verwechsle nicht Auflösung mit Genauigkeit.

> Allgemein:
> - Platine wird in einem geerdeten Stahlschrank untergebracht
> - Leitungen zu den PT100 Elementen sind geschirmt, aber ziemlich lang
> (max 5 Meter etwa)
> - Versorgung der Platine über Ringkerntrafo und Linearregler
Je nach Umgebung kann es bei längeren Leitungen trotzdem zu 
Störeinflüssen und Überspannung kommen. Evtl. ist eine Schutzbeschaltung 
sinnvoll, z.B. mit BAV199 (gegen Masse und +Ub).

In die Zuleitung der SV für den Muxer könnten auch ein Tiefpass sinnvoll 
sein, um digitale Störungen zu befiltern. Da bnicht nur die 
obligatorischen 100nF, sondern auch einige 10uF zum Abblocken einsetzen.

> Was haltet ihr von meinen bisherigem Layout? Es ist noch die
> Versorgungsleitungen und die Kommunikationsleitungen, aber ich wollte
> schonmal sehen, ob ich auf dem richtigen Weg bin oder komplett auf dem
> Holzweg.
Die sache mit C27 wurde schon genannt.
Im Prinzip wird es aber so funktionieren.
Ich würde auch gleich zu SMD-BE greifen.
Gruß Öletronika

von M. W. (rallini94)


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U. M. schrieb:
>> Weil der AD7793 nur max. 3 Eingänge hat, ich aber 4 Stellen (3x
>> PT100 und 1x Ref-Widerstand) messen möchte, sitzt vor dem AD7793 noch
>> ein Analog Multiplexer.
> Im Prinzip ok, nur sollte dir bewußt sein, dass solche Analog-Muxer
> keine idealen Schalter sind. Der Sperrwiderstand ist nicht unendlich und
> der Durchlasswiderstand nicht Null. Es gibt auch elektrisches
> Übersprechen.
> Bei 10...12 Bit Auflösung wäre das nicht so kritisch aber bei 24Bit?
> Aber die Genauigkeit wird eh nicht im Bereich der Auflösung liegen.

Dass der Multiplexer natürlich (leider) keine idealen Eigenschaften hat, 
ist mir klar. Und ich hatte auch schon bedenken, wie sehr sich das auf 
das Ergebnis ausschlagen könnte.

> Der DG409 ist ein 0815-Muxer. Bei Maxim gibt es auch kompatible Typen
> mit deutlich besseren Parametern.

Das ist schön zu wissen. Dann kann ich gegenfalls den Mux ja einfach mal 
tauschen. Danke

> Bist du dir sicher, dass du diese Reihenschaltung der PT100 so haben
> willst? Wenn da in einer Leitung der Wurm ist, sind alle 3 Sensoren tot.

Das finde ich gar nicht schlimm. So weiß man wenigstens, dass was nicht 
stimmt und muss nicht immer alle Messstellen auf Pausibilität prüfen.

>> Nun möchte ich natürlich die 24 Bit Auflösung nicht unnötig durch ein
>> schlechtes Layout reduzieren, bin mir aber nicht ganz sicher, was beim
>> Layout am klügsten ist, da ich mit einem so genauen ADC noch nicht
>> gearbeitet habe.
> Verwechsle nicht Auflösung mit Genauigkeit.

Sorry, der Unterschied ist mir bewusst, hab ich wohl zu schnell getippt 
;)


Ich hab den Teil der Schaltung erstmal so gelassen und die Platine 
gefertigt. Wenn die Genauigkeit doch nicht so hoch ist wie angedacht, 
ist es nicht schlimm. Es ist nur ein Teil meiner (Bachelor)Arbeit und 
die von mir angestrebte Genauigkeit ist eh höher als von meinem Betreuer 
vorgegeben. Und falls es nichts wird, kann man das mit 
Verbesserungsvorschlägen ja auch wunderbar in die Arbeit schreiben.

Danke an alle

P.S.: Achso, falls gewünscht, kann ich natürlich dann Messergbenisse 
hier präsentieren, wenn ich welche habe (kann noch ein Weilchen dauern)

: Bearbeitet durch User
von Max G. (l0wside) Benutzerseite


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Für den Multiplexer könntest du auch ADGM1304 nehmen, ist gerade auf der 
Electronica zu sehen. Ein MEMS-basiertes mechanisches Relais. Habe 
vorsichtshalber aber nicht nach dem Preis gefragt...

von Hp M. (nachtmix)


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M. W. schrieb:
> Nun möchte ich natürlich die 24 Bit Auflösung nicht unnötig durch ein
> schlechtes Layout reduzieren,

Sei froh, wenn du 18 stabile Bits bekommst. Der Rest ist Rauschen.

von jo (Gast)


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>wenn du 18 stabile Bits bekommst

Ich tippe auf 14 bis 15

von Tany (Gast)


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Hp M. schrieb:
> Sei froh, wenn du 18 stabile Bits bekommst. Der Rest ist Rauschen.

bekommt der, ohne großer Aufwand.

von Tany (Gast)


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Max G. schrieb:
> Für den Multiplexer könntest du auch ADGM1304 nehmen

ist doch alles wurst welcher Selbst der Schalter 1k widerstand hat.

von M. W. (rallini94)


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Ah, jetzt wird hier langsam gewettet ;D
Wir können ja auch ruhig etwas spaßig an die Sache gehen, also fasse ich 
mal zusammen:

Hp M. (nachtmix):  max. 18 stabile Bits
jo (Gast):         14-15 Bits
Tany (Gast):       klingt nach > 18 Bits
Ich selbst:        hoffe auf > 16 Bits (sonst hätte ich auch ein AD7792 
nehmen können). Würde mich sehr über 18 - 20 Bits freuen


So weitere Leute, die mit einsteigen wollen???

Oder Vorgaben, wie ich die Stabilität (wenn die Schaltung soweit ist) 
testen soll?

von Pete K. (pete77)


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Also 18 bits entsprechen 262143 Schritten. Der A/D Wandler hat ca. 10V 
differentiell am Eingang, also kann man mit den 18 bits ca. 0,038mV (10V 
/ 262143) Auflösung detektieren. Oder anders, die 18bit entsprechen 
0,0038% der Eingangsbandbreite.

Angenommen, der PT100 hat eine Genauigkeitsklasse von AA, dann wären das 
bei 200°C etwa (+-) 0,44° erlaubte Abweichung. 
(http://www.fuehlersysteme.de/wiki/genauigkeitsklasse)

0,44 von 200 sind ca. 0,22% Fehler beim Fühler.

Braucht man so eine hohe Auflösung des A/D Wandlers bei einem Sensor mit 
so einem Fehler?

von Tany (Gast)


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M. W. schrieb:
> Tany (Gast):       klingt nach > 18 Bits
Kommt doch drauf an, welche Referenz du hast.
Ich habe mit einem AD7799 (noch frei verdrahtet) und MAX6126 ein stabile 
19-20 Bits bei 4,17 Hz erzielen können.

von jo (Gast)


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>stabile 19 bis 20?

Sowie, ich bin genau 32-33 Jahre alt?

Gruß J

von M. W. (rallini94)


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Pete K. schrieb:
> Der A/D Wandler hat ca. 10V
> differentiell am Eingang, also kann man mit den 18 bits ca. 0,038mV (10V
> / 262143) Auflösung detektieren. Oder anders, die 18bit entsprechen
> 0,0038% der Eingangsbandbreite.

Wie kommst du den bitte auf 10 V am Eingang???
Der AD7793 wird nur mit 5 V betrieben. 10 V an den Eingägen würde ihn 
töten

von Marcus H. (Firma: www.harerod.de) (lungfish) Benutzerseite


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M. W. schrieb:
> Das der bedrahtet ist... nun, mein Betreuer/Auftraggeber steht nicht so
> auf SMD. Das hat sich bei dem ein oder anderen Bauteil bei mir
> niedergeschlagen. Werde denn aber mal ersetzen, denn ohne SMD komm ich
> eh nicht aus (AD7793 gibt's nur als SMD und der Kontroller ist auch im
> TQFP64 Gehäuse)

Da Du sowieso schon SMD drauf hast, können nun auch alle THT 
verschwinden. Einzige Ausnahme - Stecker.

Ich bin mir nicht sicher, ob Dein Ansatz optimal ist. ADI hat sicher 
einen Baustein im Portfolio, der alle notwendigen Eigenschaften für 
Deine Aufgabe in einem IC verbindet:
http://www.analog.com/en/products/analog-to-digital-converters/ad-converters.html

Mein Vorschlag wäre: such Dir die passende Kanalzahl aus, les die 
Appnotes (nicht nur das Datasheet) und freu Dich über eine einfache 
Lösung.

Es fehlen jegliche EMI-Maßnahmen. Im Zusammenhang mit "Schaltschrank" 
und "langen Leitungen" macht mir das Sorgen. Was für eine Zulassung ist 
geplant?

von Pete K. (pete77)


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M. W. schrieb:
> Wie kommst du den bitte auf 10 V am Eingang???
> Der AD7793 wird nur mit 5 V betrieben. 10 V an den Eingägen würde ihn
> töten

Ich war von -5V bis +5V ausgegangen (differentiell), gibt in Summe 10V 
"Messbereich".

von M. W. (rallini94)


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Marcus H. schrieb:
> Mein Vorschlag wäre: such Dir die passende Kanalzahl aus, les die
> Appnotes (nicht nur das Datasheet) und freu Dich über eine einfache
> Lösung.

Wie gesagt, die Platine ist bereits hergestellt, wird gerade bestückt 
und wird nun erstmal so getestet. Wenn es vollkommen daneben geht, werde 
ich deinen Ratschlag beherzigen und mich bei AD mal genauer umsehen. Als 
ich die Teile bestellt habe hieß es jedoch "Bestell schnell, solange 
noch Geld da ist", kam also etwas plötzlich für mich.

> Es fehlen jegliche EMI-Maßnahmen. Im Zusammenhang mit "Schaltschrank"
> und "langen Leitungen" macht mir das Sorgen. Was für eine Zulassung ist
> geplant?

Keine Zulassung. Ist ein "Einzelstück" für unsere Labore (max. vier 
Ausführungen also). Gibt deshalb keine offizielle Zulassung

von Marcus H. (Firma: www.harerod.de) (lungfish) Benutzerseite


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M. W. schrieb:
> Marcus H. schrieb:
>> Mein Vorschlag wäre: such Dir die passende Kanalzahl aus, les die
>> Appnotes (nicht nur das Datasheet) und freu Dich über eine einfache
>> Lösung.
>
> Wie gesagt, die Platine ist bereits hergestellt, wird gerade bestückt
> und wird nun erstmal so getestet. Wenn es vollkommen daneben geht, werde
> ich deinen Ratschlag beherzigen und mich bei AD mal genauer umsehen. Als
> ich die Teile bestellt habe hieß es jedoch "Bestell schnell, solange
> noch Geld da ist", kam also etwas plötzlich für mich.
Ooops, den Satz hatte ich tatsächlich übersehen.
Na dann sind wir mal auf Deine Messergebnisse gespannt.

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