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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik 16 bit ADC MSP430F2013 Genauigkeit


Autor: Steven J. (jodziste)
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Hallo,
ich möchte mit einem MSP430F2013 mit dem eingebauten Sigma-Delta 16 bit 
ADC eine Spannung von 0V-ca. 500 mV DC ein paar mal pro Sekunde messen. 
Dafür möchte ich eine externe Spannungsreferenz mit ca. 1,2 V - 1,25 V 
benutzen. Die Spannungsreferenz sollte nicht mehr als 10€ kosten.
Die Referenz sollte um unter 1 LSB Ungenauigkeit zu verursachen 0,0015% 
Genauigkeit besitzen (100%/2^16=0,0015%)
Fragen:
Wie genau ist der ADC bei optimaler Spannungsreferenz?
Wie genau lässt sich das in Realität aufbauen? Wie viele nutzbare Bits?
Welche Spannungsreferenz würdet ihr empfehlen?
MfG,
Steven

Autor: Klaus Ra. (klara)
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Hallo Steven,
Du mußt das Datenblatt des MSP430F2013 durcharbeiten. Stichwort: SD16. 
Das Signal läuft zudem auch über einen internen Verstärker, der auch 
einen gewissen Offset hat. Wenn man es genau nimmt, dann muß man so 
einiges betrachten.
mfg Klaus

Autor: Armin X. (werweiswas)
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Hi

Du verwechselst Genauigkeit mit Auflösung!
Was ich mir aus anderen Threads dieser Art gemerkt habe:
Streiche die letzten beiden Bits. Dann weisst Du die zu erwartende 
Genauigkeit.

Autor: Anja (Gast)
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Steven J. schrieb:
> Die Referenz sollte um unter 1 LSB Ungenauigkeit zu verursachen 0,0015%
> Genauigkeit besitzen (100%/2^16=0,0015%)

Du willst also eine Genauigkeit von 15 ppm also das was 7,5 stellige 
Multimeter für 3-4000 Eur innerhalb 18-28°C bieten mit einer Schaltung 
für 10 Eur aufbauen.

Steven J. schrieb:
> Wie genau ist der ADC bei optimaler Spannungsreferenz?
Laut Datenblatt +2/-3%.
Da kannst Du ohne Genauigkeitsverlust die interne Referenz verwenden.

Ansonsten würde ich für eine 1.25V Referenz eine LTC6655B verwenden.

Es gibt bessere ADCs z.B. den LTC2400.
Wenn man dann noch über den Prozessor den Temperaturgang der Referenz 
kompensiert kann man in die von Dir angestrebte Größenordnung für die 
Genauigkeit vordringen. (wenn der Abgleich nach einer Vor-Alterung von 
einem halben Jahr durchgeführt wird).

Steven J. schrieb:
> eine Spannung von 0V-ca. 500 mV DC ein paar mal pro Sekunde messen.
woher kommen die 500mV? von einem Spannungsteiler? wie genau ist dieser?
Brauchst du den Differenzeingang?

Gruß Anja

Autor: Steven J. (jodziste)
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Danke für die Antworten.
Bei den 15ppm war mir bewusst, dass das unrealistisch ist.

Anja schrieb:
> Laut Datenblatt +2/-3%.
> Da kannst Du ohne Genauigkeitsverlust die interne Referenz verwenden.

Wo findest du das im Datenblatt? Ich finde nur Offset Error und der 
Tempco. dazu. Woraus setzt sich dieser Error zusammen?

Der LTC6555B sieht ganz gut aus.

Die interne Referenz hat +-5%. (min: 1,14; typ: 1,2; max: 1,26)

Das Signal kommt von einem Keramik Spannungsteiler (0,1%) mit mehreren 
Anschlüssen. Das geht dann durch einen Analogschalter und einen Opv als 
Impedanzwandler. Der Differentialeingang ist nicht so wichtig. Ich hatte 
vor den - Eingang vom ADC an den Gnd vom Spannungsteiler zu klemmen, um 
eventuelle Offsets durch Ströme in GND auszuschließen.

der hier: 1776-C681
http://www.caddock.com/Online_catalog/Mrktg_Lit/Type1776.pdf

Klaus R. schrieb:
> Das Signal läuft zudem auch über einen internen Verstärker, der auch
> einen gewissen Offset hat.
Um den Offset des PGA mach ich mir eher weniger sorgen, da es auch im 
Datenblatt erklärt wird wie man den misst.


Das ganze soll ein kostengünstiges 5 Stellen Multimeter werden. Da 
schien mir der MSP430F2013 geeignet zu sein.

Autor: Anja (Gast)
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Steven J. schrieb:
> Wo findest du das im Datenblatt?

ich betrachte den "nominal Gain" der geht von 0.97 bis 1.02 bei 
Verstärkung = 1.
Natürlich kommt da noch der Offset die Gain Drift und die offset Drift 
zusätzlich dazu.
Außerdem die PSR von 0.35%/V -> du brauchst eine sehr stabile 
Versorgungsspannung.
Referenzen haben normalerweise eine PSR im Bereich unter 0.001%/V

Gruß Anja

Autor: Steven J. (jodziste)
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Der Nominal Gain ist ein Problem.
Lässt sich das weg kalibrieren?
oder sollte ich einen anderen ADC nehmen?
MfG,
Steven

Autor: Anja (Gast)
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Steven J. schrieb:
> Lässt sich das weg kalibrieren?

Bis zu einem gewissen Grad auf jeden Fall.
Ich kenne die Stabilität des Bausteins nicht.
Was sagen denn die Application Notes dazu?

Steven J. schrieb:
> Das geht dann durch einen Analogschalter
Wenn ich das richtig verstehe muß der Analogschalter im empfindlichsten 
Messbereich dann die vollen 500V des 1:1 Maximalbereichs aushalten und 
sperren. (ohne daß die ESD-Schutzdioden das auf die 3.3V ableiten).

Gruß Anja

Autor: Steven J. (jodziste)
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Hallo,
Application Notes finde ich nicht dazu.
ich hab hier geschaut: 
http://www.ti.com/product/MSP430F2013/technicaldocuments
Wie würde man das Messen um den Gain Error weg zu kalibrieren ?
Zweite Referenzspannung?

Bei dem 1:1 Messbereich nehme ich ein HV Reed Relais.

MfG,
Steven

Autor: Peter M. (r2d3)
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Steven J. schrieb:
> Das ganze soll ein kostengünstiges 5 Stellen Multimeter werden. Da
> schien mir der MSP430F2013 geeignet zu sein.

Du musst das Rad nicht unbedingt neu erfinden.

Hast Du Dir schon einmal die Multimeterkomponente DIV aus der 
c't-lab-Projektreihe angeguckt?

https://www.heise.de/ct/projekte/machmit/ctlab/wiki

Diese Lösung ist aber teurer als €10,-.  :)

Autor: Steven J. (jodziste)
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Peter M. schrieb:
> Hast Du Dir schon einmal die Multimeterkomponente DIV aus der
> c't-lab-Projektreihe angeguckt?

sieht interessant aus, ist aber außerhalb von meinen Budget. Vielleicht 
wenn ich mal was Präzises brauche.

Peter M. schrieb:
> Du musst das Rad nicht unbedingt neu erfinden.

Bei den Preisen für Tischmultimeter neu oder gebraucht ist Selbstbau 
schon interessant. Lernen tut man auch was dabei :)

Die Spannungsreferenz REF3212 von Ti scheint mit eine alternative Wahl 
zu sein. (0,01% und 4ppm/°C) Da ist mir aber die Genauigkeitsangabe 
nicht ganz klar. Ist der IC für meinen zweck sinnvoll?
MfG,
Steven

Autor: Christian L. (cyan)
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Steven J. schrieb:
> Die Spannungsreferenz REF3212 von Ti scheint mit eine alternative Wahl
> zu sein. (0,01% und 4ppm/°C) Da ist mir aber die Genauigkeitsangabe
> nicht ganz klar. Ist der IC für meinen zweck sinnvoll?

Naja, 0,01% typisch. Maximal aber +-0,2%.

Wie genau soll es denn am Ende wirklich werden? Wie sieht der Rest der 
Eingangsbeschaltung aus? Welche Fehler kommen noch hinzu? Ich denke mit 
einem externen ADC bist du besser beraten. Auch bei den Referenzen gibt 
es bessere.

> Bei den Preisen für Tischmultimeter neu oder gebraucht ist Selbstbau
> schon interessant.

Eigentlich nicht. Wenn du auch die vielfältigen Messfunktionen, wie 
Widerstandsmessung, Strommessung usw. ebenfalls haben willst, und das 
alles noch einigermaßen präzise, dann wird auch der Eigenbau schnell 
recht teurer. Wo liegt denn dein Preislimit? Vielleicht gibt es ja was 
fertiges, was dir reicht.

Autor: Anja (Gast)
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Steven J. schrieb:
> Ist der IC für meinen zweck sinnvoll?
Um Faktoren schlechter im Rauschen wie der LTC6655. Aber:
Für den internen ADC ist der immer noch viel zu gut.

Würde eventuell besser zu einem externen MCP3551 passen.

Billige China-Module scheinen den MCP3421 zu verwenden:
http://www.eevblog.com/forum/beginners/how-can-thi...

Steven J. schrieb:
> Vielleicht wenn ich mal was Präzises brauche.
Leider hat das DIV einige Design-Schwächen:

Als Eingangsspannungsteiler hätte man besser einen fertigen 
Spannungsteiler (z.B. Caddock) anstelle der "normalen" 
Metallfilm-Widerständen verwendet.

Die Referenz-Schaltung mit LT1019 ist allerdings auch nicht viel besser.
Die Alternative mit LM399 ist ein Witz: Die hohe Präzision von <1 ppm/K 
wird mit einem Trimmer mit >100 ppm/K zerstört. Ein 3:1 kapazitiver 
Spannungsteiler mit LTC1043 wäre besser gewesen.

Steven J. schrieb:
> Lernen tut man auch was dabei :)
Das auf jeden Fall.
Bau auf jeden Fall mindestens 2 Muster auf damit Du Vergleichsmessungen 
machen kannst.

Steven J. schrieb:
> Bei den Preisen für Tischmultimeter neu oder gebraucht ist Selbstbau
> schon interessant
Wenn ich alles zusammenrechne was ich schon ausgegeben habe hätte das 
sicher schon ein 8,5stelliges Multimeter (gebraucht) gereicht.

Gruß Anja

Autor: Steven J. (jodziste)
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Christian L. schrieb:
> Vielleicht gibt es ja was fertiges, was dir reicht.

Ich schau mich mal genauer nach gebrauchten DMM's um, vielleicht findet 
sich ja ein Schnäppchen.

Dann sehe ich weiter ob ich ein DMM mit ordentlichem ADC etc. baue.

Danke für die Hilfe
MfG,
Steven

Autor: Arc Net (arc)
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Hier gab's mal einen aussagekräftigen Thread zum Thema SD16...
Beitrag "MSP SD_16 nur ein Marketing GAG ??"
Zusammenfassung: Anderen ADC nehmen

Autor: Peter M. (r2d3)
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Steven J. schrieb:
> Peter M. schrieb:
>> Hast Du Dir schon einmal die Multimeterkomponente DIV aus der
>> c't-lab-Projektreihe angeguckt?
>
> sieht interessant aus, ist aber außerhalb von meinen Budget. Vielleicht
> wenn ich mal was Präzises brauche.

Dann solltest Du allerdings auch einen teuren (€25,-) dekadischen 
Spannungsteiler von Vishay oder Caddock einplanen (wie im ct-lab-Forum 
und von Anja erwähnt). Den Grund dafür hat ein DIV-Nutzer detailliert im 
ct-lab-Forum beschrieben.

Steven J. schrieb:
> Bei den Preisen für Tischmultimeter neu oder gebraucht ist Selbstbau
> schon interessant. Lernen tut man auch was dabei :)

Dass der Selbstbau von Multimetern angesichts der Preise von 
Tischmultimetern interessant sein soll, wage ich zu bezweifeln.
Auch wenn die Summe der Komponenten für ein Selbstbaumultimeter billiger 
ist als ein gebrauchtes Tischmultimeter, solltest Du auch bedenken, 
welchen Wert Deine verbrauchte Bastelzeit hat.

Wenn es um's Lernen geht, ist der Selbstbau allerdings eine tolle Sache.

> Die Spannungsreferenz REF3212 von Ti scheint mit eine alternative Wahl
> zu sein. (0,01% und 4ppm/°C) Da ist mir aber die Genauigkeitsangabe
> nicht ganz klar. Ist der IC für meinen zweck sinnvoll?

Kein kommerziell erhältliches IC kriegst Du auf 15ppm genau geliefert.
Du kommst also nicht daran vorbei, irgendein Referenz-IC zu nehmen und 
dieses irgendwo messen zu lassen.

In Hannover und Bremen gibt es definitiv Menschen, die Deine Ambitionen 
unterstützen und Dein IC messen würden, so daß Du nicht den teuren Weg 
in's Kalibrationslabor gehen musst.

Mit Deinen 4ppm/°C hast Du bei 4 Grad Temperaturänderung aber auch Deine 
selbst gesetzte Genauigkeitsgrenze schon überschritten.

Es führt daher bei Deinen Ansprüchen kein Weg an einer beheizten 
Referenz vorbei, in Deinem Fall empfiehlt sich eine LM399.

Für einen ersten Ausflug in die Welt der Messtechnik jedoch ist die 
REF3212 für Dich absolut ausreichend, obwohl sie maximal 7 Grad/ Grad 
Celsius driftet und eine Langzeitdrift von typisch 55ppm in den ersten 
1000 Betriebsstunden aufweist.

Lass' Dich von Anjas Maximalforderungen an das "Baumaterial" und ihrem 
Metrologie-Voodoo in anderen Diskussionsfäden und -foren nicht 
abschrecken. Es geht alles viel billiger.
Mit einem bisschen Gehirnschmalz lässt sich viel sparen - nicht gleich 
die Bauteile für die dicke Bertha kaufen.

Viel Erfolg!

: Bearbeitet durch User
Autor: Tany (Gast)
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Ich habe vor kurzem mit AD7799 von AD experimentiert, komischerweise 
spielt dabei der absolute Wert von Referenz keine große Rolle. Eher mehr 
das Rauschen von Referenz.
Ich kann mit meinem Laie Kenntnis auf dem Gebiet nur so begründen, dass 
der absolute Wert der Referenz bei Sigma-Delta ADC egal ist, schließlich 
misst man hier "Differenz", also anders wie bei Single-Ended.

Ist es eine falsche Schlussfolgerung von mir?

Autor: Christian L. (cyan)
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Tany schrieb:
> Ich habe vor kurzem mit AD7799 von AD experimentiert, komischerweise
> spielt dabei der absolute Wert von Referenz keine große Rolle.

Und was hast du konkret gemessen? Auf welchen Parameter soll die Höhe 
der Referenzspannung keinen Einfluss haben? Wie sah der Aufbau aus?

Autor: Tany (Gast)
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Angehängte Dateien:

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Christian L. schrieb:
> Wie sah der Aufbau aus?

Naja, die erste Version hat ein MA6126_50 als Referenz, misst grad 
Spannung am REF02.
In der 2. Version dient ebenfalls ein Max6126_25 als Referenz. Zuvor 
habe ich 5V Betriebsspannung halbiert und als Referenz benutzt. Die 
Anzeige schwankt zw. 0 und +-1 (letzte Digit). Mindesten 16 bits 
Genauigkeit habe ich damit schon erreich oder habe ich mich wieder 
getäuscht?

Autor: Christian L. (cyan)
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Tany schrieb:
> Mindesten 16 bits
> Genauigkeit habe ich damit schon erreich oder habe ich mich wieder
> getäuscht?

Nein, 16 Bit Genauigkeit sind das nicht. Die Genauigkeit kannst du so 
auch nicht ermitteln. 16 Bit Genauigkeit wären, wie oben bereits genannt 
0,0015%. Du siehst ja selbst, dass du 5,5mV Abweichung bei 5V hast. Das 
sind 0,11%. Du weißt aber nicht, wie groß der Anteil der 
Referenzspannung und wie groß der Anteil der gemessenen Spannung an 
diesem Wert ist. Die MAX6126-50 Referenz kann selbst, je nach Version 
und Gehäuse, bis zu 0,1% Abweichen. Bei der REF02 ist es noch schlimmer. 
Auch ist der Wandler nicht 100% Genau und fügt einen Fehler mit hinzu. 
Du hast also mehrere unbekannte in deinem System.
Du bräuchtest also eine Möglichkeit entweder die Referenz zu messen oder 
du müsstest eine Referenz zur Verfügung zu stellen, welche mindestens 
die 0,0015% ermöglicht.

Das die Messung der geteilten Referenzspannung stabil steht, sagt 
ebenfalls nichts über die Genauigkeit aus. Ein Thermometer kann auch 
immer wieder den gleichen Wert mit 0,1°C reproduzierbar anzeigen bei 
gleichen Bedingungen. Wenn der angezeigte Wert aber immer um 10°C zum 
realen Wert daneben liegt, dann hast du trotzdem nur 10°C Genauigkeit.

Autor: Tany (Gast)
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Danke Christian für deine umfassende Erklärung.
Mir ist es einiges klar geworden.
Zugegeben, ich habe die ganze Zeit verstanden, es geht hier um die 
Referenz für den ADC und nicht um die Referenz zur Kalibrierung des ADC.
Dann muß ich irgendwie solche Referenz besorgen müssen, wenn ich kein 
Zugang zum Labor habe.
Wie grob reicht so ein Modul von Chinesen?
Ebay-Artikel Nr. 271902767615

Autor: Christian L. (cyan)
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Tany schrieb:
> Wie grob reicht so ein Modul von Chinesen?
> Ebay-Artikel Nr. 271902767615

Es gibt im EEV Blog Forum einige Beiträge zu diesen Modulen. Da könntest 
du mal schauen, was diese Boards wirklich können.

Ansonsten wäre wohl die AD588 Referenz das genauste, was man ab Werk 
bekommen kann. (Sollte es nicht mittlerweile auch noch eine andere 
Referenz mit ähnlichen Daten geben.) Die hat allerdings auch ihren 
Preis. Aber immerhin schafft sie 0,01% in der besten Version im +-10V 
Bereich.

Gibt es in deiner nähe vielleicht eine Hochschule mit Elektrotechnik 
Bereich? Eventuell kannst du dort Zugang zu entsprechenden Messgeräten 
bekommen.

Autor: Tany (Gast)
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Christian L. schrieb:
> Ansonsten wäre wohl die AD588 Referenz das genauste, was man ab Werk
> bekommen kann. (Sollte es nicht mittlerweile auch noch eine andere
> Referenz mit ähnlichen Daten geben.) Die hat allerdings auch ihren
> Preis. Aber immerhin schafft sie 0,01% in der besten Version im +-10V
> Bereich.

Danke für den Tipp.
Hab 2 AD588BQ bestellt. 0.01% reicht mir erstmal.

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