Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Analogsignal mit zwei Controllern messen


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von GFunk (Gast)


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Hallo allerseits,
ich habe zwei voneinander unabhängige µC (jeweils mit eigenem ADC), und 
möchte damit nun ein Analogsignal messen. Also ein Signal, welches auf 
beide Controller geht. Da die Spannung etwas zu hoch ist, habe ich 
zuerst mal einen Spannungsteiler, und gehe dann von diesem auf die 
beiden µC. Die entsprechenden Pins der Controller (Analogeingänge) sind 
also miteinander verbunden. Hat hiermit irgendjemand eine Erfahrung? 
Kann das Probleme geben? Es ist so, dass wenn ich nur mit einem µC 
messe, ich ein sauberes Signal habe. Aber wenn beide µC dran sind, dann 
habe ich da in regelmäßigen Abständen kleine Spikes auf dem Signal. Mit 
dem Oszi kann ich die jedoch nicht sehen, sondern nur mit einer 
Visualisierung der gewandelten Analogwerte in der Entwicklungsumgebung. 
Ach ja, die µC sind zwei baugleiche STM32F103.

von Weltbester FPGA-Pongo (Gast)


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Vielleicht von der SH-Schaltung am Eingang? Die belasten das Signal 
pulsartig. Sollte nicht so arg sein, aber wer weiss.

Man geht bei solchen Aufgaben übrigens mit zwei parallelen R's auf die 
Controller, damit sie sich gegenseitig nicht beeinflussen. Das wissen 
sogar wir Digitalelektriker :-=

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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GFunk schrieb:
> Hat hiermit irgendjemand eine Erfahrung? Kann das Probleme geben?
Wenn du die Masse nicht verbindest, dann schon...

Weltbester FPGA-Pongo schrieb im Beitrag #5119184:
> Vielleicht von der SH-Schaltung am Eingang?
Gegen die Sample-Hold-Problematik hilft prinzipiell ein 
Pufferkondensator.

> Man geht bei solchen Aufgaben übrigens mit zwei parallelen R's auf die
> Controller
Mit anderen Worten: mit einem Spanungsteiler pro Controller. Sooo arg 
teuer sind die Widerstände ja nun nicht.

von GFunk (Gast)


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Also Vcc und GND sind verbunden. Es gibt nur eine gemeinsame Versorgung.
Anbei ein vereinfachter Schaltplan. Version 1 ist so wie es gerade ist, 
wobei vor dem Spannungsteiler noch ein paar Cs und ein Ferrit zur 
Filterung sind, aber nach dem Teiler ist nichts. Version 2 habe ich 
schon getestet, und das bringt eine deutliche Verbesserung! Version 3 
kostet zwar nicht viel Geld, aber Platz :-( Version 4 habe ich noch 
nicht getestet. Ließe sich ja aber mit allen Versionen kombinieren. Es 
deutet jedenfalls momentan alles darauf hin, dass sich die SH-Schaltung 
nicht mit Version 1, also einer Direktverbindung verträgt.

von GFunk (Gast)


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Wenn ich Platz hätte, welche Version wäre zu bevorzugen, 2 oder 3?
Das C aus Version 4 könnte jeweils noch optional dazu.

Danke euch schonmal!

von Dietrich L. (dietrichl)


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Ich halte die Version 4 in jedem Fall als die Beste.

Gründe:
- die wenigsten Bauteile
- die Werte an beiden Eingängen sind identisch (Widerstandstoleranzen!)
- der Kondensator ist in jedem Fall gut, auch wenn nur ein Eingag dran 
ist.

von Georg (Gast)


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GFunk schrieb:
> Version 3
> kostet zwar nicht viel Geld, aber Platz

Ganz sicher rückwirkungsfrei wäre es, 2 Operationsverstärker zu 
verwenden, so würde man das in der Industrie machen. Aber der Preis 
dafür ist natürlich absolut ruinös.

Georg

von M. K. (sylaina)


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Georg schrieb:
> Ganz sicher rückwirkungsfrei wäre es, 2 Operationsverstärker zu
> verwenden, so würde man das in der Industrie machen. Aber der Preis
> dafür ist natürlich absolut ruinös.

LM358 ist nich soo teuer und hat üblicher Weise gleich 2 OPVs im Gepäck.

GFunk schrieb:
> Version 3
> kostet zwar nicht viel Geld, aber Platz

Soso viel Platz ist das nun auch nicht. Ich würde diese Variante nehmen 
(aber mit höheren Widerstandswerten, keine 10k je Zweig empfinde ich als 
etwas wenig) oder halt mit OPVs arbeiten.

: Bearbeitet durch User
von GFunk (Gast)


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Vielen Dank an alle!

Variante 4 mit dem Kondensator teste ich noch und berichte dann. Die 
Sache mit dem OP wäre sicher gut, ist mir aber doch zu aufwändig.
Ok, höhere Widerstandwerte probiere ich auch noch ...

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Georg schrieb:
> Ganz sicher rückwirkungsfrei wäre es, 2 Operationsverstärker zu
> verwenden, so würde man das in der Industrie machen.
Ich habe seit vielen Jahren an keinem meiner Analogeingänge mehr einen 
OP. Das geht tadellos, wenn man definerte Sensoren hat, die entweder 
niederimpedant oder immer gleich sind.

> Aber der Preis dafür ist natürlich absolut ruinös.
Der ist nachrangig. Aber wenn ich 32 Analogeingänge habe, dann brauchen 
die dafür nötigen OPs einfach zu viel Platz. Die Variante 3 mit einem 
10nF Kondensator parallel zu den R8+R10 ist die problemloseste. Die 
Variante 4 funktioniert ebenso. Interessant ist nur, was man sich auf 
der Verbindungsleitung zwischen den µC alles einfangen könnte.

BTW: warum eigentlich 2 µC? Multiprozessorsysteme sind meist schlechter 
handhabbar und wartbar als 1 potenter µC, der alles macht.

von Peter D. (peda)


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Lothar M. schrieb:
> BTW: warum eigentlich 2 µC? Multiprozessorsysteme sind meist schlechter
> handhabbar und wartbar als 1 potenter µC, der alles macht.

Sehe ich auch so. Warum müssen 2 MCs, die direkt verbunden sind, das 
Signal separat messen?
Damit handelt man sich nur Probleme ein, da die Meßergebnisse selten 
gleich sind.
Falls wirklich mehrere MCs den gleichen Wert benötigen, macht einer die 
Messung und schickt es dem anderen, z.B. über I2C, SPI usw..

von R. M. (Gast)


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Wenn die Belastung des Spannungsteilers durch den S&H-Kondensator das 
Messergebnis spürbar verfälscht, würde Dies auch bei nur einem Empfänger 
passieren. Aus meiner Sicht, würde ich auch zur Variante 4 mit dem 
Pufferkondensator am Spannungsteiler am besten zielführend.

von Noch einer (Gast)


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Vielleicht einfach nur das klassische Problem. Masse der 
Versorgungsspannung und Analogmasse nicht sauber getrennt. Bei 2 MCs 
kannst du ja den Sternpunkt nicht an den Pin des ADC legen.

Wechselnde Stromaufnahme der MCs führen zu wechselndem Spannungsabfall 
auf den Masseleitungen. Das Bezugspotential des Analogsignals verschiebt 
sich.

von Ingo L. (corrtexx)


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GFunk schrieb:
> Ach ja, die µC sind zwei baugleiche STM32F103.
Gerade bei den STM32 habe ich die Erfahrung gemacht, dass das zu 
messende Signal sehr niederohmig sein muss, da die S&H Stufe es 
ordentlich belastet. Will man also eine hohe Abtastfrequenz und wenig 
S&H Zeit (ist ja einstellbar bei den Dingern) benötigt es einen 
Pufferverstärker.

von Jacko (Gast)


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Um was für ein Signal (Frequenz!) geht es denn?
Verträgt die Signalquelle 5 kOhm, oder gar 2,5 kOm
Belastung?

2k || 3k = 1,2k
1,2k // 10 nF sind ein Tiefpass, Fg = 13 kHz.

Übliche Werte eines Sample-Kondensators Cs sind 30 pF.
10 nF / 30 pF = 330

Um soviel müssten die Spikes abnehmen, wenn es wirklich an
der Belastung durch Cs liegen sollte.
Zumindest bei dem µC, der ganz dicht an den 10 nF liegt.
Der andere hat dann noch die Leitungslänge, um sich was
einzufangen. ;-)

Vielleicht fließen aber wirklich nur von Zeit zu Zeit größere
Ströme über das Board, die zu Potentialverschiebungen
führen.

Manchmal nützt es auch, wenn das Handy nicht so nah
daneben liegt.

von GFunk (Gast)


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Ich bin nach wie vor dran ;-)
und tendiere momentan zu Variante 3, mit noch je einem Kondensator nach 
dem Längswiderstand, wenn ich ihn denn nahe der Controller noch 
unterbringe.
Zwei Controller müssen leider sein, das ist eine Kundenanforderung. Dass 
dies Probleme mit sich bringt, merke ich gerade auch. Aber sie wollen da 
halt volle Redundanz. Sensoren sind auch immer zwei da, deren Ausgänge 
aber jeweils auf beide Controller gehen. Belastung mit ca. 2kOhm war 
bisher kein Problem. Frequenz ist langsam, also eigentlich DC.

Vielen Dank für eure wirklich guten Beiträge!

von Peter D. (peda)


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GFunk schrieb:
> Aber sie wollen da
> halt volle Redundanz.

Wenn man nur einfach 2 Bauteile parallel schaltet, vergrößert sich aber 
die Ausfallwahrscheinlichkeit.
Man braucht noch eine spezielle Instanz, die beide Bauteile überwacht 
und im Störungsfall dazwischen umschaltet. Diese muß natürlich weit 
zuverlässiger sein, als die zu überwachenden Bauteile.

Redundanz ist ein sehr komplexes Thema, wenn man es richtig machen will. 
Daher wird zuvor versucht, erstmal den MC möglichst ausfallsicher zu 
machen. Z.B. durch Schutzschaltungen und Entkopplung der Ein- und 
Ausgänge und der Versorgungsspannung.
Und nicht zu vergessen die Softwaresicherheit. Eine Todsünde wäre es, 
wenn auf beiden MCs die gleiche Software läuft.

: Bearbeitet durch User
von Georg (Gast)


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Peter D. schrieb:
> Man braucht noch eine spezielle Instanz, die beide Bauteile überwacht
> und im Störungsfall dazwischen umschaltet

Aber woher weiss diese Instanz, welcher Controller richtig arbeitet? Ein 
übliches Verfahren ist, 3 Systeme zu verwenden und als Ergebnis zu 
verwenden, was 2 davon übereinstimmend ausgeben.

Peter D. schrieb:
> Redundanz ist ein sehr komplexes Thema

Das ist stark untertrieben. Ich hatte mal ein medizinisches Gerät beim 
TÜV, da war eine Ausfallüberwachung drin. Der TÜV hat aber verlangt, 
dass die Überwachungsschaltung von einer unabhängigen Schaltung 
überwacht werden müsste. Auf meinen Einwand, dass man sich da in eine 
endlose Rekursion begibt, hat man sich gnädigerweise einverstanden 
erklärt, dass nur die Überwachung noch überwacht werden müsste, keine 
weiteren Stufen...

Ob sowas einen Sicherheitsgewinn bringt, ist ohnehin nicht gesagt, weil 
ja das Gesamtsystem dadurch immer komplexer wird.  Selbst beim 
Dual-System des TO müsste man konkret nachrechnen, ob es wirklich 
zuverlässiger ist als ein einzelnes, aber solche Berechnungen sind sehr 
schwierig und messen kann man das erst nach Jahren und mit grossen 
Stückzahlen.

Bisher hat der TO ja nur 2 Systeme, die vielleicht das gleiche ausgeben, 
vielleicht aber auch nicht - das hilft nicht weiter.

Georg

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