Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Fragen zur Signalkonditionierung für einen ADC


von Niklas M. (n1klas)


Angehängte Dateien:

Lesenswert?

Hey,

ich hatte die Schaltung vor einigen Tagen hier einmal angesprochen. 
Mittlerweile hat sich daran noch einiges getan und ich würde gerne eure 
Meinung dazu hören.

Es geht um eine Signalkonditionierung einer Spannung, welche an einer 
Spule anliegt. Die Spannung ist zwar periodisch, der Verlauf ist jedoch 
unbekannt und soll so gut es der ADC hergibt gesampelt werden.

Ich habe einen möglichen Spannungsverlauf einmal angehängt.

Folgende Daten sind Fix:
- ADC-Samplingrate liegt bei 500kSps, der Messbereich bei 0-5V.
- ADC wird vom Raspi ausgelesen.
- Der Systemteil in der Simulation soll von nur einer Spannungsquelle 
gespeist werden.
- Messbereich muss Signale von 50mV bis 50V verarbeiten können (Vp ist 
vor der Messung bekannt, wird also digital am Raspi eingestellt. Dieser 
ist an die analogen Demux angeschlossen). Das Signal hat eine 
Grundfrequenz von max. 25 kHz.

In der Simulation funktioniert das alles auch ganz gut, allerdings weiß 
ich nicht ob ich nicht irgendwo etwas übersehen habe oder irgendwo etwas 
optimiert werden könnte. Des Weiteren hätte ich noch die ein oder andere 
offene Frage:
- Wie stabil schätzt ihr die +/-15 V ein? Sollte es hier Probleme für 
die OPV geben? Bei R4 und R5 wird hier die Spannung als Referenz 
verwendet, um den Offset von +2.5V zu generieren. Wäre hier evtl. ein 
LM4040-5 sinnvoller?
- Um den ADC vor Über-/Unterspannung zu schützen habe ich 2 Dioden am 
Ausgang angeschlossen. Kann ich hier bei Überspannung über die 
jeweiligen Versorgungsrails ableiten?
- Wie würdet ihr den Analog und den Digitalteil trennen. Also sodass ich 
Störungen größtenteils vermeide?
- Gemäß der Samplingrate von 500kSps würde ich gerne ab 250kHz alles 
filtern. Meint ihr der angegebene LTC1069-7 würde sich gemäß dem 
Signalverlauf im Anhang geeignet sein? f_cut liegt hier bei 100kHz, 
filtere ich damit nicht deutlich zu früh? Bei 250kHz dämpft er schon um 
42dB. Für alternativen bin ich gerne offen.

Vielen Dank schon einmal im Voraus!
VG Niklas

von HildeK (Gast)


Lesenswert?

Niklas M. schrieb:
> offene Frage:
> - Wie stabil schätzt ihr die +/-15 V ein? Sollte es hier Probleme für
> die OPV geben? Bei R4 und R5 wird hier die Spannung als Referenz
> verwendet, um den Offset von +2.5V zu generieren. Wäre hier evtl. ein
> LM4040-5 sinnvoller?
Das hängt davon ab, wie stabil du den DC-Anteil deines Signals haben 
willst.
Die beiden Spannungsregler liefern vermutlich schon ein stabiles Signal, 
jedoch nicht über den vollen Temperaturbereich. Eine Referenzquelle wäre 
sicher sinnvoll.

> - Um den ADC vor Über-/Unterspannung zu schützen habe ich 2 Dioden am
> Ausgang angeschlossen. Kann ich hier bei Überspannung über die
> jeweiligen Versorgungsrails ableiten?
Tja, wenn die Dioden zu leiten beginnen, dann wird dein 4. OPA quasi im 
Kurzschluss nach GND oder 5V betrieben. Das wird dem nicht unbedingt 
gefallen. Du bräuchtest zumindest noch einen Widerstand am Ausgang, der 
den Strom auf ungefährliche Werte begrenzt.
Ob dann die 5V-Quelle den abgeleiteten Strom aufnehmen kann, hängt davon 
ab, wie viel die daran hängende Schaltung minimal Strom benötigt. Nur 
ein linearer Spannungsregler mit 5V kann nichts mehr regeln, wenn du 
quasi von hinten speist. Mit einem synchronen Schaltregler, der die 5V 
erzeugt, wäre es möglich.
Also: es geht, wenn der Strom vom OPA-Ausgang kleiner ist als der 
minimale Strom, den die 5V-Quelle an ihre versorgte Schaltung abgeben 
wird.

> - Wie würdet ihr den Analog und den Digitalteil trennen. Also sodass ich
> Störungen größtenteils vermeide?
Räumlich. Eine große Masse, Digitalteil auf der einen Seite, Analogteil 
auf der anderen. In der Mitte sitzt der ADC.

von Michael K. (Gast)


Lesenswert?

Niklas M. schrieb:
> - Wie stabil schätzt ihr die +/-15 V ein? Sollte es hier Probleme für
> die OPV geben?
Wie sollen wir das einschätzen ohne den Linear Regler zu kennen?
Der Einfluss der Versorgung ist aber eher gering.
Die OPVs unterdrücken das ganz gut.

> Bei R4 und R5 wird hier die Spannung als Referenz
> verwendet, um den Offset von +2.5V zu generieren. Wäre hier evtl. ein
> LM4040-5 sinnvoller?
Die ADC Wandlung kann nicht genauer sein als die Referenz.
Eine stabile Referenz ist die Grundlage einer guten Messung.
Warum nicht gleich eine 2,5V Refernzspannungsquelle benutzen?

> - Um den ADC vor Über-/Unterspannung zu schützen habe ich 2 Dioden am
> Ausgang angeschlossen. Kann ich hier bei Überspannung über die
> jeweiligen Versorgungsrails ableiten?
Im Prinzip schon.
Low VF Schottkys sind aber tricky.
Relativ hoher Strom in Sperrichtung und sehr Temperaturabhängig.

> - Wie würdet ihr den Analog und den Digitalteil trennen. Also sodass ich
> Störungen größtenteils vermeide?
Hängt davon ab.
Welche Genauigkeit / Auflösung willst Du überhaupt erreichen?
An sich gelten hier die gängigen Verhaltensweisen.
VCC LC entkoppelt, räumlich getrennter Aufbau, Sternmasse, EMV gerechtes 
Layout. Schnell runtergebetet, komplex in der Anwendung.

Es wird oft schnell von wahnwitzigen Auflösungen gesprochen, dann aber 
keine volle Kalibrierung durchgeführt, oder der TK der Widerstände nicht 
betrachtet. Sowas ist dann witzlos. Hohe Auflösung bringt Dir nix wenn 
die letzten 5Bit unzuverlässig sind.

Bei 50V max und geratenen 12bit Auflösung, entspricht 1 Bit bereits 
12mV.
Da kannst Du nicht mehr viel kaputtmachen.
Gehst Du allerdings auf z.B. 24bit, wird das ein Sigma Delta Wandler 
sein.
Da musst Du erstmal rausfinden was denn an ENOB übrig bleibt.
Um dann noch z.B. 18 nutzbare Bits rauszubekommen musst Du schon ganz 
schöne Klimmzüge unternehmen.

Definiere doch erstmal was Du real an Auflösung und Genauigkeit 
brauchst.
'So genau wie möglich' ist keine Aussage.
Entweder baust Du etwas das nicht bringt was Du brauchst, oder Du 
definierts etwas das nur noch mit brachialem Aufwand zu bauen ist ohne 
Dir einen Nutzen zu bringen.

Zur Kalibrierung brauchst Du dann eine Menge Zeug.
Nullpunkt, Steigung und Linearität des ADCs sind nur im Datenblatt 
schön.
Bei einem 8bit ADC kümmert mich das nicht, weil der schon so schlecht 
ist das eine Kalibrierung oft Perlen vor die Säue ist.
Je höher die Auflösung umso höher der Aufwand.

Im gesammten Signalweg driftet das über die Temperatur.
Da kann ein 1206 Widerstand mit TK0.1 schon mal 10€ kosten.
Wie hoch willst Du das also aufhängen?

Du solltest Dir übrigens ernsthaft überlegen einen Variable Gain 
Amplifier statt Deinem Widerstandsgrab zu verwenden.

von Niklas M. (n1klas)


Lesenswert?

Vielen Dank schon einmal für die ganzen Punkte !
Leider bin ich grad unterwegs und kann daher nicht so auf die Punkte 
eingehen wie ich gerne würde. Ich auf jeden Fall morgen in der Früh auf 
die beiden Antworten, antworten. Ich bin für weitere Tipps/Kritiken und 
Anmerkunden natürlich weiterhin dankbar!

VG Niklas

von Niklas M. (n1klas)


Lesenswert?

So, leider hatte ich die vergangenen Tage keine Zeit mich eher zurück zu 
melden.

HildeK schrieb:
> Das hängt davon ab, wie stabil du den DC-Anteil deines Signals haben
> willst.
> Die beiden Spannungsregler liefern vermutlich schon ein stabiles Signal,
> jedoch nicht über den vollen Temperaturbereich. Eine Referenzquelle wäre
> sicher sinnvoll.

Meinte natürlich die LM4040-2.5. Habe jetzt mal ein ähnliches Modell 
LT1389-2.5 angefügt, das funktioniert soweit ganz gut.

HildeK schrieb:
> Tja, wenn die Dioden zu leiten beginnen, dann wird dein 4. OPA quasi im
> Kurzschluss nach GND oder 5V betrieben. Das wird dem nicht unbedingt
> gefallen. Du bräuchtest zumindest noch einen Widerstand am Ausgang, der
> den Strom auf ungefährliche Werte begrenzt.
> Ob dann die 5V-Quelle den abgeleiteten Strom aufnehmen kann, hängt davon
> ab, wie viel die daran hängende Schaltung minimal Strom benötigt. Nur
> ein linearer Spannungsregler mit 5V kann nichts mehr regeln, wenn du
> quasi von hinten speist. Mit einem synchronen Schaltregler, der die 5V
> erzeugt, wäre es möglich.
> Also: es geht, wenn der Strom vom OPA-Ausgang kleiner ist als der
> minimale Strom, den die 5V-Quelle an ihre versorgte Schaltung abgeben
> wird.

Wie mache ich das denn am geschicktesten, ohne das Signal zu verändern? 
Überlege den Filter weg zu lassen bzw. diesen durch einen Filter 
1.Ordnung zu tauschen. Die Eingang Impedanz des ADC ist lt. Datenblatt 
frequenzabhägig (C_INA=20pF) interpretiere ich das richtig? Dadurch habe 
ich einen Variablen Widerstand, was das ganze bei 50-25.000hz relativ 
eklig macht (318kOhm bei 25kHz).

Michael K. schrieb:
> Wie sollen wir das einschätzen, ohne den Linear Regler zu kennen?

In der Schaltung hatte ich einen LM7915 und LM7815 vorgesehen. Hatte es 
nur im Text nicht erwähnt

Michael K. schrieb:
> Bei 50V max und geratenen 12bit Auflösung, entspricht 1 Bit bereits
> 12mV.
> Da kannst Du nicht mehr viel kaputtmachen.
> Gehst Du allerdings auf z.B. 24bit, wird das ein Sigma Delta Wandler
> sein.
> Da musst Du erstmal rausfinden was denn an ENOB übrig bleibt.
> Um dann noch z.B. 18 nutzbare Bits rauszubekommen musst Du schon ganz
> schöne Klimmzüge unternehmen.

Im Grunde geht es um einen möglichst (12Bit) genauen Signalverlauf im 
Verhältnis zur Eingangsspannung zu erfassen. Dass ich mit einem 12 Bit 
ADC keine höhere Auflösung als 12 mV bekomme ist absolut in Ordnung.


Viele Grüße,
Niklas

von Niklas M. (n1klas)


Lesenswert?

Ich hab da grad noch einen Einfall. Könnte ich denn nicht einfach dem 
OPA4 ersetzen und einen Rail2Rail OPA nehmen ? Somit bekomme ich am 
Ausgang doch erst gar keine neg. Spannungen.

Viele Grüße,
Niklas

Bitte melde dich an um einen Beitrag zu schreiben. Anmeldung ist kostenlos und dauert nur eine Minute.
Bestehender Account
Schon ein Account bei Google/GoogleMail? Keine Anmeldung erforderlich!
Mit Google-Account einloggen
Noch kein Account? Hier anmelden.