mikrocontroller.net

Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Schaltung zur 16 bit AD-Wandlung


Autor: Philipp841 (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo zusammen,

sehr gerne würde ich hier meinen Plan darlegen, wie ich gedenke eine 
16-bit AD-Wandlung umzusetzen. Über Anmerkungen, Tipps, Ideen etc. würde 
ich mich sehr freuen.

Netzteil Friwo, PP8 Medizin, 12V / 700mA
dient zur Versorgung von
a) 1x Referenzspannungsquelle MAX 6350
und
b) 3x Operationsverstärker als Impedanzwandler TLC277CP

Am OP hängt dann jeweils ein Wegaufnehmer vom Typ
c) 1x burster 8712-50
d) 2x burster 8712-25

Jedes Messignal durchläuft erneut einen OP
e) 3x TLC277CP ebenfalls versorgt vom Friwo Netzteil

und wird letztendlich von einem differentiell geschaltetem Analogeingang 
einer National Instruments-Karte PCIe-6341 eingelesen (mit dummychannel 
zwischen den einzulesenden AI-Kanälen zur Minimierung von Crosstalk).

Konkrete Fragen die derzeit noch offen sind:

1) Wäre es empfehlenswert anstatt der Ref.Spannungsquelle
a) den +5V-Ausgang der PCIe-Karte zu nutzen?
b) einen auf 5+ eingestellten analogen Ausgang der PCIe-Karte zu nutzen?

2) Wäre es in Ordnung die Impedanzwandler NACH dem Wegaufnehmer 
wegzulassen und die Messignale direkt auf die analogen Eingänge zu 
geben?

Für jede Rückmeldung im Voraus vielen Dank!
Philipp

Autor: minifloat (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Philipp841 schrieb:
> 1) Wäre es empfehlenswert anstatt der Ref.Spannungsquelle
> a) den +5V-Ausgang der PCIe-Karte zu nutzen?
> b) einen auf 5+ eingestellten analogen Ausgang der PCIe-Karte zu nutzen?

Ich würde die Referenz mit der Karte messen, sofern die Wegaufnehmer 
ratiometrisch davon abhängen. Wenn der Wandler nur 0...5V kann, dann 
über Spannungsteiler messen.

Philipp841 schrieb:
> 2) Wäre es in Ordnung die Impedanzwandler NACH dem Wegaufnehmer
> wegzulassen und die Messignale direkt auf die analogen Eingänge zu
> geben?

Das hängt von der Ausgangsimpedanz der Wegaufnehmer und der 
Eingangsimpedanz der Wandler ab. Entweder großes Verhältnis oder 
Impedanzanpassung Ri=Ro

mfg mf

Autor: Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
Datum:

Bewertung
1 lesenswert
nicht lesenswert
Philipp841 schrieb:
> mit dummychannel zwischen den einzulesenden AI-Kanälen zur Minimierung
> von Crosstalk
Ich glaube, du jagst Geister. Oder empfiehlt das der Hersteller, um die 
Spec einhalten zu können?

> Netzteil Friwo, PP8 Medizin, 12V / 700mA dient zur Versorgung
Ein winziges Schaltnetzteil mit 300mV Ripple? Wieviele Bits von den 16 
brauchst du?

: Bearbeitet durch Moderator
Autor: Philipp841 (Gast)
Datum:
Angehängte Dateien:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Danke für Eure Beiträge.

Ich gehe der Reihe nach drauf ein:

minifloat schrieb:
> Ich würde die Referenz mit der Karte messen, sofern die Wegaufnehmer
> ratiometrisch davon abhängen. Wenn der Wandler nur 0...5V kann, dann
> über Spannungsteiler messen.

@minifloat: Das verstehe ich nicht ganz. Warum sollte ich für die 
Referenzspannung einen weiteren AI belegen? Ja, die Wegaufnehmer hängen 
linear von der Referenzspannung ab. Es handelt sich quasi um sehr genaue 
Linearpotentiometer (burster 8712). Der Wandlewr kann +/-10V.

minifloat schrieb:
> Das hängt von der Ausgangsimpedanz der Wegaufnehmer und der
> Eingangsimpedanz der Wandler ab. Entweder großes Verhältnis oder
> Impedanzanpassung Ri=Ro

@minifloat:
Ausgangsimpedanz Aufnehmer = Schleiferkreis-wiederstand 0-5kOhm
Eingangsimpedanz Wandler = Da es sich um den Eingang eines OPs handelt, 
würde ich sagen quasi unendlich hoch.
Was meinst du denn genau mit Impedanzanpassung Ri=Ro?
Ich dachte es wäre erstrebenswert die Impedanz des Messignals so gering 
wie möglich zu halten. Daher der Ansatz zwischen Messignal und AI 
Eingang nochmals mit einem OP zu arbeiten.

Lothar M. schrieb:
> Ich glaube, du jagst Geister. Oder empfiehlt das der Hersteller, um die
> Spec einhalten zu können?
@Lothar: Mir ist der Crosstalk an einer anderen NI-Schnittstellenkarte 
aufgefallen. Im Manual der Karte sind -75dB für benachbarte AI angegeben 
(bei 100kHz Samplserate). Dies korreliert mit dem was ich gemessen habe. 
Und ich will es eliminieren! Die Idee mit dem Dummychannel stammt von 
National Instruments selbst.

https://knowledge.ni.com/KnowledgeArticleDetails?id=kA00Z0000019KzzSAE&l=de-DE

Ich finde sie sehr simpel und sinnig. Denn: Ich benötige von den 16 bit 
min. 15!

Bzgl. des Netzteils: Ich habe dies nur gewählt, da es bei uns im Haus 
quasi der Standard ist. Vermutlich hast du aber recht und ich sollte 
hinterfragen ob es das Richtige ist. Im Datenblatt habe ich etwas 
gefunden von UBr2 = <250mVpp. Handelt es sich dabei um die 
Restwelligkeit? Meinst du dies könnte auswirkungen auf das Rauschen im 
Messignal haben?


Würdet ihr mit diesen Informationen nochmal auf folgende Fragen 
eingehen?

1) Ref.spannungsquelle (+5V) durch DIO oder AO ersetzen 
möglich/empfehlenswert /kritisch?
2) OPs zwischen Messignal und AI weglassen 
möglich/empfehlenswert/kritisch?
3) Was sagt ihr generell zum Schaltungsaufbau (Handskizze siehe Anhang)?
4) Sind die Komponenten MAX6350 und OPA TLC277 für mein vorhaben 
geeignet/empfehlenswert/kritisch?
5) Würdet ihr weitere Kondensatoren/Bauteile vorsehen?
6) Habt ihr einen Vorschlag für ein besser geeignetes Netzteil?

Danke & guten Tag,
Philipp

Autor: minifloat (Gast)
Datum:

Bewertung
-1 lesenswert
nicht lesenswert
Philipp841 schrieb:
> Warum sollte ich für die Referenzspannung einen weiteren AI belegen? Ja,
> die Wegaufnehmer hängen linear von der Referenzspannung ab.

Eben darum. Wenn die Referenz driftet kannst du das auskompensieren.

Philipp841 schrieb:
> Was meinst du denn genau mit Impedanzanpassung Ri=Ro?

Die Potis haben eine Schwankende Ausgangsimpedanz, 0...(R/2). Daher 
Impedanzwandler.

Autor: Udo S. (urschmitt)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Philipp841 schrieb:
> UBr2 = <250mVpp. Handelt es sich dabei um die
> Restwelligkeit? Meinst du dies könnte auswirkungen auf das Rauschen im
> Messignal haben?

Philipp841 schrieb:
> bei 100kHz Samplserate

Hier passt was nicht.

Autor: Achim S. (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Philipp841 schrieb:
> 4) Sind die Komponenten MAX6350 und OPA TLC277 für mein vorhaben
> geeignet/empfehlenswert/kritisch?

Schließt du die NI-Karte über eins der üblichen VHDCI-Kabel an 
(verdrillte, geschirmte Leitungspaare)? Dann sieht dein OPV eine 
ordentlich kapazitive Last. Zu den Kabeln finde ich grade keine 
konkreten Zahlen, die NI 6321 alleine ist aber schon mit einer 
Eingangskapazität von 100pF spezifiziert.

Das wird dein TLC277 nicht besonders mögen (siehe Fig. 41 von 
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tlc277.pdf) Ich würde zumindest einen 
kleinen "Isolaionswiderstand" in der Größenordnung 50-100 Ohm hinter den 
OPV-Ausgangs schalten. Damit erhöht sich zwar die Quellimpedanz etwas 
(und du brauchst evtl. etwas längere Samplezeiten). Dafür reagiert dein 
OPV dann nicht mehr giftig darauf, wenn der MUX umgeschaltet bzw. der 
Sample-Kondensator auf das Signal geschaltet wird.

Es gibt auch OPV, die als Anwendung für "ADC-Driver" beworben werden und 
besser mit den geschalteten Kapazitäten am Ausgang klar kommen.

Autor: Philipp841 (Gast)
Datum:
Angehängte Dateien:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Danke für Eure Antworten. (Auch wenn ich mir natürlich gewünscht hätte, 
dass jmd. auf meine nummerierten Fragen eingeht.)

Zu Euren Fragen:
@Udo: die Samplerate hat doch nichts mit der Restwelligkeit des 
Netzteils am Hut. Daher verstehe ich deine Anmerkung nicht ganz.

@Achim: Ja ich plane den Einsatz eines VHDCI Kabels. Demnach habe ich 
deinen Vorschlag mit den Isolationswiederständen nun auch 
berücksichtigt. (Auch NI empfielt diese an dieser Stelle: 
http://www.ni.com/white-paper/4494/en/
Bzgl. der OPs die speziell als "ADC Driver" gedacht sind. Hast du da mal 
einen konkreten Vorschlag für mich?

Basierend auf Euren Ideen habe ich eine neue Schalt-skizze entworfen und 
beigefügt.

Damit eventuelle Schwankungen im GND-Potenzial nicht meine 
Messergebnisse beeinflussen, bzw. um alle Vorzüge des "Differential 
Mode" ausnutzen zu können, habe ich noch eine galvanische Trennung 
eingebracht.
Siehe: http://www.ni.com/white-paper/4494/en/

Gerne hätte ich erneut euer Feedback dazu.

Gruß,
Philipp

Autor: Fritz (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
...und abermals: Wer "Widerstand" "Wiederstand" schreibt, dem fehlen 
elementare Grundlagen....Jede Mühe vergeblich.

Autor: Achim S. (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Philipp841 schrieb:
> Damit eventuelle Schwankungen im GND-Potenzial nicht meine
> Messergebnisse beeinflussen, bzw. um alle Vorzüge des "Differential
> Mode" ausnutzen zu können, habe ich noch eine galvanische Trennung
> eingebracht

Und dir dafür im Austausch diverse DCDC mit ihrem Spannungsrippel 
eingebaut. Der verschlechtert wahrscheinlich deutlich mehr, als durch 
die galvanische Trennung evtl. verbessert werden könnte. Die ist imho 
völlig unnötig. (Es wäre etwas anderes, wenn dein Sensor - z.B. durch 
die Gehäuseerdung - auf ein "schlechtes" GND-Potential festgelegt wäre. 
Aber das ist ja nicht der Fall.)

Wenn es möglichst genau werden soll würde ich
- auf ein stabiles Netzteil achten (ohne Ripple im >100kHz Bereich)
- die Referenz mitmessen
- den Sensor differentiell anschließen
- ggf. tastächlich den Dummy-Channel zwischen Messkanälen einbauen (die 
NI-Karten können tatsächlich unerwartete Kanalkopplungen bewirken, wenn 
der MUX zwischen Kanälen mit unterschiedlichen Spannungen umschaltet).

Ob ein Impedanzwandler wirklich was bringt würde ich ggf. ausprobieren. 
Unter Umständen ist es einfacher und besser, das Timing der 
Datenerfassung etwas runterzudrehen und direkt den Weggeber-Ausgang zu 
verwenden.

Wenn es denn ein Impedanzwandler sein soll:

Philipp841 schrieb:
> (Auch NI empfielt diese an dieser Stelle:
> http://www.ni.com/white-paper/4494/en/
> Bzgl. der OPs die speziell als "ADC Driver" gedacht sind. Hast du da mal
> einen konkreten Vorschlag für mich?

hier sind ein paar Exemplare von Analog Devices zur Auswahl. 
https://www.analog.com/en/products/amplifiers/adc-drivers.html
Bei anderen OPV-Herstellern findest du natürlich ebenfalls welche...

Antwort schreiben

Die Angabe einer E-Mail-Adresse ist freiwillig. Wenn Sie automatisch per E-Mail über Antworten auf Ihren Beitrag informiert werden möchten, melden Sie sich bitte an.

Wichtige Regeln - erst lesen, dann posten!

  • Groß- und Kleinschreibung verwenden
  • Längeren Sourcecode nicht im Text einfügen, sondern als Dateianhang

Formatierung (mehr Informationen...)

  • [c]C-Code[/c]
  • [avrasm]AVR-Assembler-Code[/avrasm]
  • [code]Code in anderen Sprachen, ASCII-Zeichnungen[/code]
  • [math]Formel in LaTeX-Syntax[/math]
  • [[Titel]] - Link zu Artikel
  • Verweis auf anderen Beitrag einfügen: Rechtsklick auf Beitragstitel,
    "Adresse kopieren", und in den Text einfügen




Bild automatisch verkleinern, falls nötig
Bitte das JPG-Format nur für Fotos und Scans verwenden!
Zeichnungen und Screenshots im PNG- oder
GIF-Format hochladen. Siehe Bildformate.

Mit dem Abschicken bestätigst du, die Nutzungsbedingungen anzuerkennen.