Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik ADC Eingangsimpedanz Xmega E


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von Christoph M. (chrito)


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Moin,

hab hier nen Xmega 8e5, der mit 300ksps abtastet, also am Maximum. Die 
Verstärkung (gain stage) steht auf 1x.

Da der ADC eine vorgeschaltete Verstärkerstufe hat, hab ich direkt einen 
Spannungsteiler 100kOhm - 10kOhm davor geschaltet, ohne weiteren OPV.

Doch das geht ordentlich schief: Es rauscht wie verrückt, und je 
schneller man abtastet, desto stärker wird das Signal verfälscht. In der 
Atmel application note AN2535 "using XMEGA ADC" finde ich:
1
1.4.2 The gain stage does not load the input; hence external signal sources will see very high input impedance for channels that use the gain stage. This is useful for measuring weak signal sources.
[[http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00002535A.pdf]]

Im Datenblatt des 8e5 wird jedoch in Tabelle 36-10 der 
Eingangswiderstand der gain stage mit 4kOhm beziffert und ein 
Abtast-Kondensator mit Csample = 4.4pF angegeben.
[[http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/Atmel-8153-8-and-16-bit-AVR-Microcontroller-XMEGA-E-ATxmega8E5-ATxmega16E5-ATxmega32E5_Datasheet.pdf]

Eine Verstärkerstufe mit niederohmigem und abtastendem Eingang? Muss 
wohl was anderes sein als ein OPV. Jedenfalls hat mich Atmel mit "very 
high input impedance" auf's Glatteis geführt und mein Layout ist jetzt 
für die Katz :(

Hoffe ich interpretier das hier richtig. Also für den XMEGA E kann man 
das mit hoher Eingangsimpedanz wohl knicken. Ob das bei XMEGA A-D anders 
ist, weiß ich nicht.

Eure Kommentare würden mich interessieren!
Danke!
Christoph

: Bearbeitet durch User
von Jim M. (turboj)


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Ich hätte da versuchsweise auf den 10K einen 1nF Kondensator als 
"Bügeleisen" oben drauf gepackt. Das sollte auch die Störungen durch das 
Sampling selbst etwas reduzieren.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Ich glaube da hat Atmel übertrieben, so wie es viele andere Chip 
Hersteller auch tun. Traue nur den Zahlen!

von Christoph M. (chrito)


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Jim M. schrieb:
> Ich hätte da versuchsweise auf den 10K einen 1nF Kondensator als
> "Bügeleisen" oben drauf gepackt. Das sollte auch die Störungen durch das
> Sampling selbst etwas reduzieren.

Ja, hab ich probiert. Das geht. Allerdings hab ich dann ein krasses 
Tiefpassfilter...

von Robert M. (r0bm)


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Christoph M. schrieb:

> Da der ADC eine vorgeschaltete Verstärkerstufe hat, hab ich direkt einen
> Spannungsteiler 100kOhm - 10kOhm davor geschaltet, ohne weiteren OPV.
>
> Doch das geht ordentlich schief: Es rauscht wie verrückt, und je
> schneller man abtastet, desto stärker wird das Signal verfälscht. In der
> Atmel application note AN2535 "using XMEGA ADC" finde ich:

> Im Datenblatt des 8e5 wird jedoch in Tabelle 36-10 der
> Eingangswiderstand der gain stage mit 4kOhm beziffert und ein
> Abtast-Kondensator mit Csample = 4.4pF angegeben.

Der 4kOhm R ist nicht als Eingangswiderstand zu verstehen, sondern als 
Widerstand der in Reihe zum Haltekondensator liegt. Die Eingangsimpedanz 
ist daher ein sehr großer Widerstand der parallel zu 4...5pF sitzt. 
Mit steigender Eingangsfrequenz sinkt der Realteil schnell ab. Das gilt 
natürlich nur für die kurze Zeit wenn gerade abgetastet wird. Während 
der restlichen Zeit ist der Eingangswiderstand immer noch sehr hochohmig 
(Abtastschalter offen), hat aber einen unterschiedlichen Wert.

Dein hochohmiger Quellwiderstand (Spannungsteiler) sitzt in Reihe zu den 
4kOhm, wodurch anscheinend nicht genug Strom fließt um den 
Haltekondensator bei der hohen Abtastfrequenz, innerhalb der sehr kurzen 
Abtastzeit, auf den korrekten Spannungswert zu laden. Laut der 
verlinkten AppNote sollte das aber noch OK sein. Versuche mal testweise 
einen 10k+1k Spannungsteiler. Verbessern sich die ADC-Werte bzw. das 
Rauschen?

von Possetitjel (Gast)


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Robert M. schrieb:

> Der 4kOhm R ist nicht als Eingangswiderstand zu verstehen,
> sondern als Widerstand der in Reihe zum Haltekondensator
> liegt.

Das gibt aber für meinen schwachen Verstand trotzdem keinen
Sinn.
Wir reden ja nicht vom Eingangswiderstand des ADC-Blocks,
sondern vom R_ein der "gain stage" VOR dem ADC. (Zumindest
habe ich das DaBla so verstanden.)

von Robert M. (r0bm)


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Possetitjel schrieb:
> Wir reden ja nicht vom Eingangswiderstand des ADC-Blocks,
> sondern vom R_ein der "gain stage" VOR dem ADC. (Zumindest
> habe ich das DaBla so verstanden.)

Die exakte Schaltung kenne ich leider nicht, doch scheint der 
Eingangsverstärker nicht das zu sein was man sich allgemein unter einem 
"Verstärker" (z.B. mittels OPV o.ä.) vorstellt.

Ich nehme an, die Verstärkerstufe enthält eine weitere S&H-Stufe. Erst 
nachdem die Eingangsspannung abgetastet und im Haltekondensator 
zwischengespeicherte wurde, folgt die tatsächliche analoge Verstärkung 
dieses diskreten Wertes, der schlußendlich dem eigentlichen S&H-Glied 
des ADC weitergereicht wird.

Dies würde erklären, warum laut Datenblatt, die ADC-Eingänge (ob mit 
oder ohne "Gain Stage"), als eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 
mittleren Wertes und einem sehr kleinen Haltekondensator angegeben 
werden.

von Christoph M. (chrito)


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Robert M. schrieb:
> Versuche mal testweise
> einen 10k+1k Spannungsteiler. Verbessern sich die ADC-Werte bzw. das
> Rauschen?

Ja, versuch ich mal. Eigentlich brauche ich die hohe Eingangsimpedanz, 
da es ein Messinstrument werden soll. Ich versuche mal den Kondi vorm 
ADC so zu dimensionieren, dass es ein Kompromiss aus TP und Puffer ist.

von Christoph M. (chrito)


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Im Anhang mal der Vergleich von
XMEGA A  <=>   XMEGA E

Im DB gibt's beim A keine Angaben zu Csample oder Rin.
Also ne andere Eingangsstufe? Hat das Vieh vielleicht den Eingang mit 
hoher Impedanz, auf die AN2535 "using XMEGA ADC" Bezug nimmt?

Jemand, der den ADC vom XMEGA A gut kennt?

Grüße :)

von Robert M. (r0bm)


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Christoph M. schrieb:

> Im DB gibt's beim A keine Angaben zu Csample oder Rin.
> Also ne andere Eingangsstufe? Hat das Vieh vielleicht den Eingang mit
> hoher Impedanz, auf die AN2535 "using XMEGA ADC" Bezug nimmt?

Unwahrscheinlich dass es ein gänzlich anderer Verstärkertyp sein soll. 
Wozu benötigt ein Verstärker eine "Clockrate"? Die Angabe sollte 
zumindest stutzig machen, auch wenn bei der A Version die Angaben zu 
R_ein und C_sample (im Switched Modus) fehlen.

von Christoph M. (chrito)


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Robert M. schrieb:
> Unwahrscheinlich dass es ein gänzlich anderer Verstärkertyp sein soll.
> Wozu benötigt ein Verstärker eine "Clockrate"? Die Angabe sollte
> zumindest stutzig machen, auch wenn bei der A Version die Angaben zu
> R_ein und C_sample (im Switched Modus) fehlen.

Naja, der ADC vom XMEGA A hat an vielen Stellen andere Paramter, z.B. 
auch 2MSps statt 300kSps, da liegt die Vermutung nah, dass etwas anderes 
implementiert wurde.

von Christoph M. (chrito)


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Robert M. schrieb:
> Dein hochohmiger Quellwiderstand (Spannungsteiler) sitzt in Reihe zu den
> 4kOhm, wodurch anscheinend nicht genug Strom fließt um den
> Haltekondensator bei der hohen Abtastfrequenz, innerhalb der sehr kurzen
> Abtastzeit, auf den korrekten Spannungswert zu laden. Laut der
> verlinkten AppNote sollte das aber noch OK sein. Versuche mal testweise
> einen 10k+1k Spannungsteiler. Verbessern sich die ADC-Werte bzw. das
> Rauschen?

Danke für die Vorschläge!

Hab jetzt parallel zum Eingang 10K || 100pF ausprobiert, und oben im 
Spannungsteiler 90K. (also Spannungsteiler 1:10). Grenzfrequenz ist 
damit bei ca. 160 kHz.

Das Rauschen wurde mit 100pF-Kondi deutlich geringer, aber immer noch 
nicht zufriedenstellend. Dann habe ich den Wert SAMPCTRL von 0 auf 15 
gestellt, der regelt die Abtastdauer. Damit wurde es sauber. Mit 15 
tastet das Teil den Eingang 4µSek lang ab, wohl die Aufladezeit für den 
Tastkondi. Es entsteht mit Konvertierung circa 8µSek Latenz.

Der ADC erzeugt an den 10kOhm 19mV Spannungsabfall, d.h. er speist 1,9µA 
durch das Abtasten in den Spannuungsteiler ein. Dieser Strom ist 
scheinbar umgekehrt proportional zu SAMPCTRL, das sehe ich durch ein 
paar ausgetestete Werte.

Ist schon mal ok für's erste. Traum wäre, mehr Impedanz am Eingang 
zulassen zu können, dann kann man sich dort den OPV schenken.

Danke für eure Tipps und schönen Abend! :)

von Robert M. (r0bm)


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Christoph M. schrieb:

> Naja, der ADC vom XMEGA A hat an vielen Stellen andere Paramter, z.B.
> auch 2MSps statt 300kSps, da liegt die Vermutung nah, dass etwas anderes
> implementiert wurde.

Das fällt eher unter Wunschvorstellung, es wird sich auch nur um einen 
weiteren Verstärker mit geschalteten Kapazitäten handeln. Macht keinen 
Sinn fürs A-Modell den Aufbau bzw. die Arbeitsweise der Verstärkerstufe 
auf den Kopf zu stellen.

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