Signalkonditionierung und Störungen mit MCP3208

[Hannes B. (exitus537)]

Hallo zusammen.

Ich arbeite an einem Projekt mit einer AD-Wandlung bei der ich etwas 
Hilfe brauche.

*Zum Projekt:*
Ich habe eine schwingende Masse (Schwingfrequenz 120-200 Hz, Hub <2 mm). 
Der Ort der Masse wir mit einem optischen Sensor mit Ausgang 0-10 V 
bestimmt. Mein Ziel ist es die die Schwingung mit 10 kHz zu erfassen. 
Für erste Versuche habe ich mir den AD-Wandler MCP3208 besorgt. Dieser 
ist an einem Raspberry Pi 3 angeschlossen. Der Python Code für das 
Auslesen des MCP3208 ist fertig und ich speichere die Werte in einer CSV 
ab.
Soweit so gut.

Jetzt gibt es folgende "Baustellen": Signalkonditionierung und 
Störungen.

1) Signalkonditionierung

Das Signal des Sensors ist Analog 0-10 V.
Für einen ersten Test habe ich mir einfach ein 10 kOhm Potentiometer 
genommen und als Spannungsteiler verwendet. Angeschlossen habe ich
den einen Kontakt an GND von der AD-Wandlerschaltung und den "Ausgang 
des Spannungsteilers" an einen Eingang des MCP3208. (Siehe 
schaltung1.png)

Jetzt stellt sich mir die Frage, ob ich das überhaupt so machen kann. 
Schließlich hat der Sensor sein eigenes Netzteil und liefert ja nur eine 
"Spannungsdifferenz" zwischen
den beiden Ausgangskontakten.

Da die AD-Wandlerschaltung und der Sensor jeweils ein eigenes Netzteil 
benutzt sind die Bezugspotenziale doch nicht zwangsläufig gleich, oder?
Sprich das Verbinden des GND Kontaktes des Sensors mit dem GND der 
AD-Wandlerschaltung ist nicht richtig. Oder habe ich das falsch?
Wenn ich das richtig habe, wie kann ich das Problem lösen?


2) Störungen

In einem ersten Test, bei dem der Aufbau nur auf einem Breadboard 
gesteckt war habe ich die in störungen1.png und störungen2.png Verläufe 
erfasst. (Aufbau der Schaltung war wie in schaltung1.png)
In störungen1.png habe ich die Masse einfach ruhen lassen.
In störungen2.png hat sie mit 120 Hz geschwungen.

Die rot eingekreisten Stellen kommen mit einer Frequenz von 50 Hz vor 
(Annahme: Netzstörungen?). Jeweils dazwischen ist noch eine kleinere 
Störung zu sehen.

Als Refernzspannungsquelle habe ich ein günstiges Labornetzteil 
verwendet und nicht die Spannung des Raspberry Pi. Ich habe irgendwann 
mal aufgeschnappt, dass die Spannung für so Vergleichsmessungen nicht 
wirklich zu gebrauchen ist und ich das Labornetzteil eh noch hatte. Ich 
hab dann einfach mal angenommen dass ich es wenn nur besser und nicht 
schlechter mache.

Woher könnten die Störungen kommen und was kann ich gegen sie tun?


Mein Plan ist momentan folgender:

Weg vom Breadboard und das Ganze mal testweise auf einer kleinen Platine 
verlöten. Einen Tiefpassfilter zwischen Spannungsteiler und Eingang des 
AD-Wandlers setzen. Für die Referenzspannung den MCP1541 verwenden und 
dann alles über den Raspberry Pi, ohne externes Netzteil, betreiben. 
Meine geplante Schaltung ist in schaltung2.png zu sehen.

Gibt es irgendwelche Anmerkungen zu der Schaltung 2 oder Dinge, die ich 
übersehen habe? Sonst würde ich das so erstmal ausprobieren.

Vielen Dank schonmal im Voraus,

Grüße
eX

[Klaus R. (klara)]

Hannes B. schrieb:
> Das Signal des Sensors ist Analog 0-10 V.
> Für einen ersten Test habe ich mir einfach ein 10 kOhm Potentiometer
> genommen und als Spannungsteiler verwendet. Angeschlossen habe ich
> den einen Kontakt an GND von der AD-Wandlerschaltung und den "Ausgang
> des Spannungsteilers" an einen Eingang des MCP3208. (Siehe
> schaltung1.png)
>
> Jetzt stellt sich mir die Frage, ob ich das überhaupt so machen kann.
> Schließlich hat der Sensor sein eigenes Netzteil

Ist ja nicht ungewöhnlich.

> und liefert ja nur eine
> "Spannungsdifferenz" zwischen
> den beiden Ausgangskontakten.

Sollte so sein. Es wäre auch alles OK wenn Pin 2 des Sensor-Outputs GND 
wäre. Wenn nicht wird es etwas komplizierter.

>
> Da die AD-Wandlerschaltung und der Sensor jeweils ein eigenes Netzteil
> benutzt sind die Bezugspotenziale doch nicht zwangsläufig gleich, oder?

Das sind erst einmal zwei getrennte Stromkreise.

> Sprich das Verbinden des GND Kontaktes des Sensors mit dem GND der
> AD-Wandlerschaltung ist nicht richtig.

Ist richtig, wenn Pin 2 des Sensor-Outputs GND ist.

Beantworte bitte zuerst diese Fragen/Annahmen. Dann geht es zum Rest.
mfg klaus

[U. M. (oeletronika)]

Hallo,
> Hannes B. schrieb:
> *Zum Projekt:*
> Ich habe eine schwingende Masse (Schwingfrequenz 120-200 Hz, Hub <2 mm).
> Der Ort der Masse wir mit einem optischen Sensor mit Ausgang 0-10 V
> bestimmt.
Was ist es denn konkret für ein Sensor? Liefert der am Oszi saubere 
Signale, oder sind diese schon gestört.
Wie ist die Augangsbeschaltung des Sensors. Welche Last kann der 
treiben?
Welcher Art und wie lang ist die Signalleitung zu deiner 
Auswerteschaltung?

> Mein Ziel ist es die die Schwingung mit 10 kHz zu erfassen.
> Für erste Versuche habe ich mir den AD-Wandler MCP3208 besorgt.

> Jetzt gibt es folgende "Baustellen": Signalkonditionierung und
> Störungen.
> 1) Signalkonditionierung
> Das Signal des Sensors ist Analog 0-10 V.
> Für einen ersten Test habe ich mir einfach ein 10 kOhm Potentiometer
> genommen und als Spannungsteiler verwendet.
Ist schon recht hochohmig, wenn man gestörte Umgebung hat.
Außerdem fehlt da ein kleines C am Eingang (z.B. 1...10nF), um die 
impulsförmige kapazitive Belastung durch die S&H Schaltung zu puffern.

> Angeschlossen habe ich
> den einen Kontakt an GND von der AD-Wandlerschaltung und den "Ausgang
> des Spannungsteilers" an einen Eingang des MCP3208. (Siehe
> schaltung1.png)
Kann man so machen, wenn es denn funktioniert.

> Schließlich hat der Sensor sein eigenes Netzteil und liefert ja nur eine
> "Spannungsdifferenz" zwischen
> den beiden Ausgangskontakten.
Du hast keine verwertbaren Infos zum Sensor gegeben.
Klaus hat dazu auch schon die richtigen Rückfragen gestellt.

> Da die AD-Wandlerschaltung und der Sensor jeweils ein eigenes Netzteil
> benutzt sind die Bezugspotenziale doch nicht zwangsläufig gleich, oder?
Du hast am  Eingang eine verwertbare Differenzspannung. Soweit so gut.
Zum Gesamtkonzept fehlen relevante Infos.

> Sprich das Verbinden des GND Kontaktes des Sensors mit dem GND der
> AD-Wandlerschaltung ist nicht richtig. Oder habe ich das falsch?
> Wenn ich das richtig habe, wie kann ich das Problem lösen?
siehe Fragen von Klaus.

> 2) Störungen
> In einem ersten Test, bei dem der Aufbau nur auf einem Breadboard
> gesteckt war habe ich die in störungen1.png und störungen2.png Verläufe
> erfasst.
Ja, da hast du einen schöne Sensorschaltung gebastelt, welche dir jeden 
Dreck auch der Umgebung anzeigt. Zum konkrten Aufbau wissen wir nix 
(siehe Fragen oben).

 (Aufbau der Schaltung war wie in schaltung1.png)
> In störungen1.png habe ich die Masse einfach ruhen lassen.
> In störungen2.png hat sie mit 120 Hz geschwungen.
Nimm erst mal einen Oszi und prüfe die Rohsignale am Ausgang des 
Sensors.

> Woher könnten die Störungen kommen und was kann ich gegen sie tun?
Wahrscheinlich aus der Umgebung, wenn man annimmt, das der Sensor nicht 
spinnt.

Gruß Öletronika