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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Sensorauflösung durch Oversamplen erhöhen


Autor: Tho So (thoso805)
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Hallo,

ich habe mir schon mehrfach das Datenblatt AVR121 zum ADC-Oversamplen 
durchgelesen.

Ich möchte die Auflösung meiner Messung mit einem analogen Sensor, der 
ein Ausgangssignal von 4-20mA liefert, erhöhen. Die Auflösung des 
Sensors liegt bei 0,1% bei einem Messbereich von 0-40Bar. Ich möchte 
eine Auflösung von 0,1Bar erreichen. Die Auflösung muss also möglichst 
von 0,4Bar auf 0,1Bar (künstlich) erhöht werden.
Mir ist bewusst, dass die Genauigkeit niemals steigt.

Ich benutze einen schnellen ADC ( 2MSPS ), der die Messwerte mit 11 Bit 
auflöst.

Der Sensor tastet mit einer Frequenz von ca 1kHz ab.

Es geht darum Pulsationen im Bereich von <10Hz zu messen. Die 1kHz 
Abtastfrequenz des Sensors reicht also aus das Signal mit über 100 
Punkten abzutasten.

Es ist wichtig die Amplitude des Signals zu detektieren.

In den meisten Fällen reicht die Auflösung des ADC's nicht aus. In 
meinem Fall reicht aber die Auflösung des Sensors nicht ganz aus.

Ist oversampling überhaupt eine sinnvolle Methode in meiner Situation?
Eigentlich darf ich meine Messung ja nicht träger machen.
Ich verstehe noch nicht ganz wie sich das Oversampling auf die dynamik 
der Messung auswirkt. Durch Oversampling beeinflusse ich ja lediglich 
die Samplerate des ADC's und nicht die des Sensors richtig?
Oder muss ich die Messung im Gesamten betrachten und pro gewonnenem Bit 
die Geschwindigkeit vierteln?


Zuerst einmal soll die Hardware so genutzt werden und die maximale 
Auflösung herausgekitzelt werden. Die Genauigkeit soll ersteinmal 
vernachlässigt werden

Ich bitte um Antworten :)

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Autor: Joe F. (easylife)
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Tho S. schrieb:
> Ich benutze einen schnellen ADC ( 2MSPS ), der die Messwerte mit 11 Bit
> auflöst.
>
> Der Sensor tastet mit einer Frequenz von ca 1kHz ab.

Um was für einen Sensor geht es dabei genau?
Wenn der Sensor selbst eine ADC Wandlung macht, und das Signal lediglich 
als Analogwert wieder ausgibt, dann bringt Oversampling nicht viel (du 
kannst höchstens das Rauschen deines ADCs und der Messchaltung mindern).

Falls der Sensor ein rein analoger Sensor wäre, erhöhst du durch 
Oversampling den Dynamikbereich insofern, dass du aus den unteren, 
verrauschten Bits noch einigermaßen stabile Werte herauskitzelst.

Warum verwendest du einen 2 MSPS Wandler, wenn du nur 1 KHz brauchst?
Bessere Alternative wäre ein Wandler mit geringerer Geschwindigkeit, 
dafür aber höherer Auflösung (16 Bit oder mehr).

Ausserdem: benötigst du den gesamten Sensor-Messbereich von 0..40 Bar?
Ansonsten könntest du mit entsprechender Vorverstärkung den Messbereich 
auf z.B. 0..10 Bar einschränken, und hast in diesem Bereich dann die 
4-fache Auflösung.

: Bearbeitet durch User
Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Tho S. schrieb:
> Ist oversampling überhaupt eine sinnvolle Methode in meiner Situation?
Nein. Da drehst du an der falschen Schraube.

> Die Auflösung muss also möglichst von 0,4Bar auf 0,1Bar (künstlich)
> erhöht werden.
Das kann doch der Sensor schon prinzipiell gar nicht. Da hilft es dann 
auch nichts mehr,  am Wandler zu schrauben.
Mit Oversampling kann man nur den ADC "verbessern"...

: Bearbeitet durch Moderator
Autor: Rufus Τ. Firefly (rufus) (Moderator) Benutzerseite
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0 bis 40 Bar mit 0.1 Bar Auflösung sind gerade mal 400 Schritte. Dein 
11-Bit-ADC aber hat 2048 Schritte, liefert also eine deutlich höhere 
Auflösung, nämlich 0.02 Bar (vorausgesetzt, daß die analoge 
Eingangsbeschaltung und die Spannungsversorgung etc. das alles 
erlauben).

Du musst also am ADC überhaupt nichts ändern, dessen Auflösung ist 
deutlich höher als das, was Du als "Sensorauflösung" bezeichnest 
(könntest Du damit dessen Genauigkeit gemeint haben?).

Autor: Stefan Schmidt (chiefeinherjar)
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Tho S. schrieb:
> . Die Genauigkeit soll ersteinmal vernachlässigt werden

Tho S. schrieb:
> Mir ist bewusst, dass die Genauigkeit niemals steigt.

Rufus Τ. F. schrieb:
> Du als "Sensorauflösung" bezeichnest (könntest Du damit dessen
> Genauigkeit gemeint haben?).

Offensichtlich kennt er den Unterschied...

Autor: Tho So (thoso805)
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Hallo,

Hoppla mir ist selber ein Fehler unterlaufen. ich meine natürlich dass 
der Sensor auf 0,04 Bar auflöst. 0,001*40=0,04
Geforderte Auflösung 0,01! Ich möchte nämlich auf 0,1 Bar genau anzeigen 
lassen.

Joe F. schrieb:
> Warum verwendest du einen 2 MSPS Wandler, wenn du nur 1 KHz brauchst?
> Bessere Alternative wäre ein Wandler mit geringerer Geschwindigkeit,
> dafür aber höherer Auflösung (16 Bit oder mehr).
>
> Ausserdem: benötigst du den gesamten Sensor-Messbereich von 0..40 Bar?
> Ansonsten könntest du mit entsprechender Vorverstärkung den Messbereich
> auf z.B. 0..10 Bar einschränken, und hast in diesem Bereich dann die
> 4-fache Auflösung.

Mein AD-Wandler reicht aus um 400 Schritte darzustellen.
Ja ich benötige den gesamten Messbereich von 0-40 Bar.

Joe F. schrieb:
> Um was für einen Sensor geht es dabei genau?

Drucktransmitter mit keramischen Element. Keine Angabe von der 
Herstellerseite zur Elektronik.
Durch oszilloskopieren lassen sich aber Digitalisierungsschritte von 1ms 
erkennen. ---> 1kHz Abtastrate

Stefan S. schrieb:
> Rufus Τ. F. schrieb:
>> Du als "Sensorauflösung" bezeichnest (könntest Du damit dessen
>> Genauigkeit gemeint haben?).
>
> Offensichtlich kennt er den Unterschied...

Ich kenne den Unterschied. Genauigkeit spielt erstmal keine Rolle.

Autor: batman (Gast)
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Tho S. schrieb:
> Die Auflösung des
> Sensors liegt bei 0,1% bei einem Messbereich von 0-40Bar. Ich möchte
> eine Auflösung von 0,1Bar erreichen. Die Auflösung muss also möglichst
> von 0,4Bar auf 0,1Bar (künstlich) erhöht werden.

Also erstmal zu diesem Fehler. 0,1% von 40bar sind 0,04bar. Die 
Sensorauflösung reicht also.

Tho S. schrieb:
> Ist oversampling überhaupt eine sinnvolle Methode in meiner Situation?

Im Prinzip immer, nur müßtest du hier das "magische Rauschen" (vmtl. in 
der Appnote genauer erklärt) schon vor dem Sensor einspeisen, also als 
Druckschwankung. Dahinter nützt es nichts mehr.

Autor: Tho So (thoso805)
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Hallo,

Hoppla mir ist selber ein Fehler unterlaufen. ich meine natürlich dass 
der Sensor auf 0,04 Bar auflöst. 0,001*40=0,04
Geforderte Auflösung 0,01! Ich möchte nämlich auf 0,1 Bar genau anzeigen 
lassen.

Joe F. schrieb:
> Warum verwendest du einen 2 MSPS Wandler, wenn du nur 1 KHz brauchst?
> Bessere Alternative wäre ein Wandler mit geringerer Geschwindigkeit,
> dafür aber höherer Auflösung (16 Bit oder mehr).
>
> Ausserdem: benötigst du den gesamten Sensor-Messbereich von 0..40 Bar?
> Ansonsten könntest du mit entsprechender Vorverstärkung den Messbereich
> auf z.B. 0..10 Bar einschränken, und hast in diesem Bereich dann die
> 4-fache Auflösung.

Mein AD-Wandler reicht aus um 2047 Schritte darzustellen.
Ja ich benötige den gesamten Messbereich von 0-40 Bar.

Joe F. schrieb:
> Um was für einen Sensor geht es dabei genau?

Drucktransmitter mit keramischen Element. Keine Angabe von der 
Herstellerseite zur Elektronik.
Durch oszilloskopieren lassen sich aber Digitalisierungsschritte von 1ms 
erkennen. ---> 1kHz Abtastrate

Stefan S. schrieb:
> Rufus Τ. F. schrieb:
>> Du als "Sensorauflösung" bezeichnest (könntest Du damit dessen
>> Genauigkeit gemeint haben?).
>
> Offensichtlich kennt er den Unterschied...

Ich kenne den Unterschied. Genauigkeit spielt erstmal keine Rolle.




Mir fällt grade auf, dass ich bei einer Auflösung von 0,01Bar eine 
ADC-Auflösung von 12Bit benötigen würde. Das könnte man über Oversamplen 
lösen. Das Problem also erstmal beiseitegestellt.

Lothar M. schrieb:
> Tho S. schrieb:
>> Ist oversampling überhaupt eine sinnvolle Methode in meiner Situation?
> Nein. Da drehst du an der falschen Schraube.

Das Bilden des Zwischenwertes passiert doch aber in der Software.
Da ist es doch eigentlich egal woher der Wert kommt. (Ob vom Sensor oder 
vom ADC) Der Zwischenwert wird doch trotzdem gebildet ?
Angenommen ich möchte meine Auflösung nur verdoppeln...

Autor: batman (Gast)
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Tho S. schrieb:
> Mir fällt grade auf, dass ich bei einer Auflösung von 0,01Bar eine
> ADC-Auflösung von 12Bit benötigen würde. Das könnte man über Oversamplen
> lösen. Das Problem also erstmal beiseitegestellt.

Was rechnest du eigentlich fürn Käse. 1%% (=0,1%) Auflösung bedeutet 
genau 1000 unterscheidbare Werte. Mit 11 bit kannst du schon 2048 
darstellen.

Tho S. schrieb:
> Das Bilden des Zwischenwertes passiert doch aber in der Software.
> Da ist es doch eigentlich egal woher der Wert kommt. (Ob vom Sensor oder
> vom ADC) Der Zwischenwert wird doch trotzdem gebildet ?
> Angenommen ich möchte meine Auflösung nur verdoppeln...

Nein. Du kannst den Sensor so nicht dazu bringen, mehr Werte zu 
unterscheiden. Stell es dir mit einem Sensor vor, der nur 2 Werte 1/0 
unterscheiden kann. Wo kann man da durch oversampeln was erreichen?

Autor: Jürgen Schuhmacher (engineer) Benutzerseite
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batman schrieb:
> Im Prinzip immer, nur müßtest du hier das "magische Rauschen" (vmtl. in
> der Appnote genauer erklärt) schon vor dem Sensor einspeisen, also als
> Druckschwankung. Dahinter nützt es nichts mehr.

Dieses "magische Rauschen" erledigen die Sensoren oft von ganz alleine, 
bzw die Natur. Besonders die Druckmessungen unterliegen oftmals 
Störschall von daher ist ein Oversampeln gerade bei dieser Form der 
Sensorik durchaus sinnvoll und nützlich. Aber:

1) Kompakte Sensoren mit digitalem Ausgang tun das bereits, d.h, sie 
Tasten den analogen Geber genügend gut ab und geben ein gefiltertes 
Signal aus. Geht man davon aus, dass der Designer richtig gerechnet hat, 
sollten Überabtastung und Auflösung zusammenpassen.

2) Das Gesagte gilt auch dann, wenn sie es für die 4-20mA Schnittstelle 
tun. Ich habe mehrere solcher Systeme entwickelt und oftmals war es so, 
dass analoge Werte aufbereitet-, entzerrt- und dann wieder analog für 
diese Schnittstelle verfügbar gemacht wurden.

3) Die Sensoren und ADCs haben Lagefehler, die genügend klein sind oder 
wegkalibiert wurden. Auch dies ist auf den Anwendungsfall zugeschnitten 
und limitieren letztlich jegliche Form der "Informationsverbesserung".

Die Sensoren werden also durch das Überabtasten von Außen erst einmal 
nicht genauer!

Will man da ran, muss der Anwendungsfall betrachtet werden, d.h. man 
muss schauen, in welchem Genauigkeitsfenster man arbeitet, mit sehr 
starker Überabtastung und Prozessierung arbeiten und das Rauschen 
erzeugen und abziehen. Also z.B. nur 1 statt 10 Messungen pro Sekunde, 
ein Rauschen im Bereich von 0,3 ... 3 Hz drauf und dann Filtern und mit 
dem 1HZ-Wert zufrieden sein.

Dann hat man statistisch eine um etwa den Faktor 3 höhere Auflösung. Um 
diese nutzen zu können, muss man den Sensor aber auch entsprechend 
genauer kalibrieren.

Einfach nur den Wert schön lange zu filtern, würde nur die dynamischen 
Fehler reduzieren, aber den Lagefehler unerkannt durchlassen.

Autor: batman (Gast)
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batman schrieb:
> Was rechnest du eigentlich fürn Käse. 1%% (=0,1%) Auflösung bedeutet
> genau 1000 unterscheidbare Werte. Mit 11 bit kannst du schon 2048
> darstellen.

Ach sorry, du wolltest jetzt ja 0,25%% Auflösung. Ja das sind dann 4096 
(12bit).

Jürgen S. schrieb:
> Dieses "magische Rauschen" erledigen die Sensoren oft von ganz alleine,

Ja, "oft" funktionierts, manchmal nicht.

Autor: Joe F. (easylife)
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Tho S. schrieb:
> Durch oszilloskopieren lassen sich aber Digitalisierungsschritte von 1ms
> erkennen. ---> 1kHz Abtastrate

Wie erkennst du das? Siehst du "Treppenstufen" oder gibt der Sensor ein 
1 KHz PWM/PDM Signal aus, das über einen Tiefpass in ein Analogsignal 
gewandelt werden muss?

: Bearbeitet durch User
Autor: Wolfgang (Gast)
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Tho S. schrieb:
> Die Auflösung des Sensors liegt bei 0,1% bei einem Messbereich von 0-40Bar.

Dann hast du vermutlich einen 10-Bit Sensor, dessen Wert als 
Analogsignal ausgegeben wird. Ein reiner Analogsensor hätte eine 
beliebig hohe Auflösung oder ist mit der Angabe irgend eine Art von SNR 
gemeint?

Autor: batman (Gast)
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Wolfgang schrieb:
> Ein reiner Analogsensor hätte eine
> beliebig hohe Auflösung

Wie kommst man denn auf die Idee? :)

Autor: Harald Wilhelms (wilhelms)
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batman schrieb:

> Nein. Du kannst den Sensor so nicht dazu bringen, mehr Werte zu
> unterscheiden. Stell es dir mit einem Sensor vor, der nur 2 Werte 1/0
> unterscheiden kann. Wo kann man da durch oversampeln was erreichen?

Z.B. in CD-Spielern, die mit 1 Bit Wandlern 18 Bit Auflösung
erreichen. :-)

Autor: Peter (Gast)
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batman schrieb:
> Wolfgang schrieb:
>> Ein reiner Analogsensor hätte eine
>> beliebig hohe Auflösung
>
> Wie kommst man denn auf die Idee? :)

Er hat eine unendliche hohe Auflösung. Das ist die Definition von analog 
(entgegen digital, bei dem es nur diskrete Werte gibt). Die Probleme 
beim analogen Sensor ist das Rauschen, Offsets und Nichtlinearitäten.

Autor: Wolfgang (Gast)
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batman schrieb:
> Wie kommst man denn auf die Idee? :)

Weil ich mir unter einem analogen Sensor einen Sensor vorstelle, der 
primär ein Analogsignal liefert.
https://de.wikipedia.org/wiki/Analogsignal

Autor: batman (Gast)
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Peter schrieb:
> Er hat eine unendliche hohe Auflösung. Das ist die Definition von analog

Schön, es geht nur nicht um die Definition von "analog", sondern um 
einen analogen Sensor mit einer definierten Auflösung von 0,1%. Das 
bedeutet, sie ist nicht unendlich, oder?

Die Empfindlichkeit eines analogen Sensors ist i.a. nicht unbegrenzt.

Autor: Peter (Gast)
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batman schrieb:
> Peter schrieb:
>> Er hat eine unendliche hohe Auflösung. Das ist die Definition von analog
>
> Schön, es geht nur nicht um die Definition von "analog", sondern um
> einen analogen Sensor mit einer definierten Auflösung von 0,1%. Das
> bedeutet, sie ist nicht unendlich, oder?

Bei einem echten analogen Sensor wie zum Beispiel einem Temperatursensor 
PT1000 ist die Auflösung unendlich. Jede noch so kleine 
Temperaturänderung hat eine Änderung des Widerstands zur Folge.
Die 0,1% beziehen sich entweder auf die Genauigkeit, die bei analogen 
Sensoren durchaus endlich ist oder der analoge Messwert wird 
zwischendurch digitalisiert. Dann ist das Ausgangssignal aber nicht mehr 
"echt" analog, da es nur diskrete Werte annehmen kann.

Autor: batman (Gast)
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Also nochmal, es geht nicht um die Genauigkeit, sondern die Auflösung 
beträgt 0,1%. Das scheint wohl sehr schwer auseinanderzuhalten.

Warum auch immer der Sensor diese Auflösungsgrenze hat, ob es ein Piezo 
oder ein Poti ist, der nicht auf beliebig kleine Druckänderungen 
reagieren will, sie ist eben physikalisch begrenzt, so wie praktisch 
alles in der realen Physik. Es gibt praktisch immer eine Grenze der 
Ansprechempfindlichkeit. Das macht aus realen Analogsensoren aber noch 
keine Digitalsensoren.

Autor: Tho So (thoso805)
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Beim Oszilloskopieren des Sensorsignals waren Treppen sichtbar.
Die Treppen waren 1ms lang.
Im Inneren des Sensors befindet sich ein oder mehrere Keramik-DMS.
Übliche Auswerteschaltung ist ja die Wheatston*sche Messbrücke um 
Widerstandsänderungen in Spannungsänderungen zu transformieren. Daher 
ist für mich klar im Inneren sitzt entweder ein analoger Messverstärker 
oder eine digitale Auswertelektronik die am Ausgang ein analoges Signal 
bereitstellt.

Fazit: Der vorliegende Sensor digitalisiert und gibt am Ausgang ein 
analoges Signal aus. --> kein rein analoger Sensor

Autor: batman (Gast)
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Ok, meinetewegen ists dann ein "unreiner" analoger Sensor, wenns 
irgendwie hilft. :)

Autor: Wolfgang (Gast)
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batman schrieb:
> Also nochmal, es geht nicht um die Genauigkeit, sondern die Auflösung
> beträgt 0,1%.

Dann ist es wohl, wie vermutet, kein analoger Sensor, sondern einer, der 
nur diskrete Werte liefert.

Autor: H. K. (spearfish)
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Meine Einschätzung: Du bist am völlig falschen Weg, für das, was du 
höchstwahrscheinlich machen willst. Hardware ist hier nicht die richitge 
Stellschraube.
Beschäftige dich doch mal mit Zustandsschätzer (z.B. Kalman-Filter). 
Damit kannst du deinen Sensor vollkommen ausreizen.

Autor: Joe F. (easylife)
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Tho S. schrieb:
> Daher
> ist für mich klar im Inneren sitzt entweder ein analoger Messverstärker
> oder eine digitale Auswertelektronik die am Ausgang ein analoges Signal
> bereitstellt.
>
> Fazit: Der vorliegende Sensor digitalisiert und gibt am Ausgang ein
> analoges Signal aus. --> kein rein analoger Sensor

Also ist das Signal schon mal zeitdiskret.
Ob es auch wertediskret ist hängt davon ab, ob im Sensor ein ADC/DAC 
sitzt, oder evtl. eine analoge Sample&Hold Stufe, die eben alle 1ms 
einen neuen analogen Wert bereitstellt.
Nur in diesem Fall nützt dir eine höhere Auflösung des eigenen ADC.

Im ersteren Fall (ADC/DAC im Sensor) ist die Auflösung schlicht und 
einfach dort begrenzt. Mit noch so aufwändiger Filterung hinterher holst 
du in diesem Fall keine weiteren Informationen heraus. Der Sensor 
liefert einfach nichts unterhalb seines internen LSB.

Mit welchem dieser Fälle du es zu tun hast, kann dir nur das Datenblatt 
bzw. der Hersteller des Sensors sagen.

: Bearbeitet durch User
Autor: batman (Gast)
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Im Datenblatt steht 0,1% Auflösung. Wieso, ist für den Anwender 
irrelevant.

Autor: Peter Dannegger (peda)
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Die AVR121 ist von 2005, also schon recht veraltet.
Heutzutage gibt es reichlich ADCs mit hoher Auflösung (16Bit und höher) 
zu kaufen, da braucht es keine Schummeltricks mehr.

Das Oversampling funktioniert auch nur dann, wenn der ADC noch im 
Subbitbereich monoton ist, das ist er aber in der Regel nicht. Man 
gewinnt also durch Oversampling nur noch Lottozahlen.

Autor: Wolfgang (Gast)
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batman schrieb:
> Im Datenblatt steht 0,1% Auflösung. Wieso, ist für den Anwender
> irrelevant.

Solange nicht klar ist, wie diese Angabe bei einem "analogen" Sensor zu 
Stande kommt, ist es müßig, über weitere Maßnahmen zur 
Auflösungssteigerung zu diskutieren.

Autor: batman (Gast)
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Von irgendwelchen vom Support erfragten "Spezialinfos" außerhalb des 
Datenblattes macht man sich beim Design besser nicht abhängig.

Da gibt es professionelle Lösungen, wie u.a.z.B. unter "Jürgen 
Schuhmacher" s.o.

Autor: Rufus Τ. Firefly (rufus) (Moderator) Benutzerseite
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batman schrieb:
> Von irgendwelchen vom Support erfragten "Spezialinfos" außerhalb des
> Datenblattes macht man sich beim Design besser nicht abhängig.

Das sehen die Hersteller, die nicht ohne Grund application notes 
erstellen, und die Entwickler, die sie nutzen, durchaus anders.

Das sind nicht "irgendwelche erfragten Spezialinfos".

Autor: batman (Gast)
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Ja, Appnotes werden nicht irgendwo erfragt, das hast du richtig erkannt 
und ich habe nichts anderes geschrieben. Die offiziell rausgegebene 
Herstellerdokumentation enthält natürlich die verbindlichen 
Informationen. Dafür ist sie ja da.

Alles, was da NICHT drinsteht, wird i.a. nicht garantiert bzw. ist 
Glückssache. Wenn du da auf eine bestimmte interne Taktfrequenz, 
Treppenstruktur oder was auch immer nicht dokumentiertes Feature baust, 
ist deine Platine bei der nächsten Produktrevision für die Tonne, wenn 
davon nix mehr stimmt.

Autor: Tho So (thoso805)
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Danke für die Diskussion!
Ich werde ziemlich wahrscheinlich doch die Hardware ändern und keinen 
analogen/digitalen/analogen-Sensor verwenden (Drucktransmitter).
Eine Überlegung wäre ein analoger! Sensor, d.h. offene Wheatstone 
Brücke(Druckmesszelle) und bastel einen Instrumentenverstärker, der 
meinen Bedürfnissen genügt.
Alternative: digitaler Drucksensor

Jedenfalls muss ein anderer Sensor her. Oder hat jemand noch einen 
letzten rettenden Vorschlag, bevor die Hardware geändert wird.

Kalman Filter:

Ich habe mir ein paar Simulationen angeguckt und Einiges gelesen aber 
ich bin mir nicht sicher, wie ich damit meinem Ziel näher kommme.

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