Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik ADC Eingang - Signalaufbereitung


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von Dietmar B. (theq)


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Hallo,

ich suche eine (OPV?) Schaltung, die mir die Spannung für den ADC 
Eingang begrenzt. Der ADC verträgt nur 0...3,3V. Das Signal liegt 
zwischen -5V ... +5V. Ich bin aber auch nur an dem Spannungsanteil 
zwischen 0...3,3V interessiert.
Gibt es da eine "Standardschaltung" für so was? Z.B. single supply OPV?
Oder denke ich da zu kompliziert und man nimmt einfach 2 Zernerdioden 
und ggf. noch einen Impedanzwandler dahinter?

Vielen Dank fuer die Tips!

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von A. S. (achs)


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Klemmdioden, die von GND und zu VCC gehen

von H. B. (communicator9)


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Wenn du das ganze Signal erfassen willst (siehe Schaltung).
Brauchst aber gute Rail to Rail OP´s.

von M. K. (sylaina)


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Dietmar B. schrieb:
> Gibt es da eine "Standardschaltung" für so was?

Ja, nennt sich Clamping. Dioden von GND zum ADC-Pin und vom ADC-Pin zu 
den 3.3V klemmen würde die Spannung auf Vcc+Uf und GND-Uf begrenzen. In 
modernen ADCs sind diese Dioden idR schon im Chip integriert und du 
musst da nichts zu machen bzw. "schlimmstenfalls" einen Widerstand vor 
schalten.

In deinem obigen, ersten Bild, könnte man es auch so realisieren, dass 
der OPV ansich schon kein Signal außerhalb des zulässigen Bereiches 
generieren kann.

Welchen ADC genau willst du denn einsetzen? Was empfiehlt dessen 
Datenblatt? Nicht selten enthalten die Datenblätter diesbezüglich auch 
Vorschläge ;)

von MaWin (Gast)


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Dietmar B. schrieb:
> Gibt es da eine "Standardschaltung" für so was

Man verwendet jedenfalls keine Z-Dioden wie in

> Unbenannt2.png

die sind viel zu schlecht und die besseren Bandgaps wie TL431 zu 
langsam.

Normalerweise reicht ein Vorwiderstand, das clamping übernehmen die 
Eingangsschutzdioden des Bauteils.
1
Analog--10k--A/D-Wandler-Eingang.
Die genaue Dimensionierung muss man dem Datenblat entnehmen, da du aber 
NATÜRLICH nicht geschrieben hast welcher IC, darfst du das selber 
nachgucken.

von Olaf (Gast)


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> Normalerweise reicht ein Vorwiderstand, das clamping übernehmen die
> Eingangsschutzdioden des Bauteils.

Das sehe ich auch so. Allerdings sollte man natuerlich beruecksichtigen
welchen Ausgangswiderstand der ADC erwartet um sinnvoll messen zu 
koennen. Nicht das man da ploetzlich Leistungsanpassung hat. .-)

Olaf

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Dietmar B. schrieb:
> Der ADC verträgt nur 0...3,3V.

Schau nochmal ins Datenblatt. Ich wette, er verträgt -0,5 bis +3,8V. Und 
das kannst du bequem mit einem Widerstand und einer 3,9V Zenerdiode 
abdecken.

Bedenke aber, dass Zenerdionden einen relativ weichen "Knick" in ihrer 
Kennlinie haben. Spannungen über 3V bringen sie schon ein bisschen zum 
leiten, dein Signal wird also verfälscht.

Je nach ADC kann die Zenerdiode auch entfallen, indem man die internen 
ESD Schutzdioden ausnutzt.

: Bearbeitet durch User
von Stefan S. (chiefeinherjar)


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Stefan ⛄ F. schrieb:
> Ich wette, er verträgt -0,5 bis +3,8V

"Vertragen" ist ein weites Feld. Das beinhaltet für gewöhnlich schon die 
internen Clamping-Dioden, die bereits angesprochen worden sind. Zumal 
wir hier schon im Bereich der Absolute Maximum Ratings sind.

Die Z-Dioden kann er sich sparen - einfach einen unter Berücksichtigung 
von maximaler Quellimpedanz und maximalen Strom über die Clamping-Dioden 
dimensionierten Widerstand vor den ADC schalten.
Meinenwegen auch das Clamping gegen die 3,3V schon mit einem OPV machen, 
dann mit einem zweiten OPV einen Spannungsfolger, wenn man wirklich die 
niedrige Quellimpedanz braucht.
Z-Dioden - gerade im niedrigen Bereich - haben eine ziemlich flache 
Kennlinie. Das beeinträchtigt zum einen die Schutzwirkung und zum 
anderen verfälscht es das Signal.

von sdgsdahsd (Gast)


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yep, wollte ich auch gerade sagen. Wenn es nicht um hohe 
Messgeschwindikeit ankommt, einfach einen entsprechend großen 
Vorwiderstand..fertig:-)=

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Möglicherweise geht es hier um AVR Mikrocontroller. Für deren 
Clamping-Dioden ist im Gegensatz zu den meisten anderen Mikrocontrollern 
kein maximaler Strom spezifiziert. Das muss einen Grund haben.

Andererseits gibt es diese uralte Application Note AVR182 von 2004 (!), 
wo die Clamping Dioden genutzt werden.

Dieser Widerspruch macht es einem schwer, eine fundierte unanfechtbare 
Empfehlung zu geben.

: Bearbeitet durch User
von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Damit die flache Kennlinie der Zenerdiode nicht stört, kenne ich diese 
Schaltung:
1
       1kΩ        Zener 4,3V
2
In o---[===]---+----|<|----|
3
               |
4
               +----------------[===]--------o ADC in
5
                                 8,2kΩ

Hier wird die Spannung auf etwa -0,7 bis +4,3V begrenzt. Den Rest 
erledigt der 4,7kΩ Widerstand zusammen mit den ESD Schutzdioden im ADC.

: Bearbeitet durch User
von MaWin (Gast)


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Stefan ⛄ F. schrieb:
> Und das kannst du bequem mit einem Widerstand und einer 3,9V Zenerdiode
> abdecken.

Nein, natürlich ist das Murks.

> Bedenke aber, dass Zenerdionden einen relativ weichen "Knick" in ihrer
> Kennlinie haben. Spannungen über 3V bringen sie schon ein bisschen zum
> leiten, dein Signal wird also verfälscht.

Eben.

von Dietmar B. (theq)


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Hallo,

vielen Dank schon mal.
Der ADC ist im STM32F303K8Tx (nucleo-f303k8) integriert.

Laut HW Manual "absolute max ratings"
/Input voltage on TTa pins: VSS − 0.3 ... 4.0V/
und für den ADC
/ADC input range: VREF– ≤ VIN ≤ VREF+/

Habe das mit den 2 clamping Dioden (1N5818) und 1kOhm davor ausprobiert. 
Signal am ADC Eingang leigt jetzt zwischen -0,3 ... 3,8V. Bisher steigt 
kein Rauch auf :-)

Die Verfälschung durch eine (Zener-)Diodenkennlinie wäre für mich nicht 
so wichtig. Ich bin eh nicht am Absolutwert interessiert sondern nur am 
Delta zwischen zwei Abtastungen.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Dietmar B. schrieb:
> Habe das mit den 2 clamping Dioden (1N5818) und 1kOhm davor ausprobiert.
> Signal am ADC Eingang leigt jetzt zwischen -0,3 ... 3,8V. Bisher steigt
> kein Rauch auf :-)

Schön. Du darfst die internen Clamping Dioden mit bis zu 5mA belasten. 
Externe sind nicht nötig. Mit 10kΩ Vorwiderstand hättest du Schutz bis 
50V!

: Bearbeitet durch User
von my2ct (Gast)


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Dietmar B. schrieb:
> Unbenannt.png

Da fehlt eine Zeitskala. Es ist ein Unterschied, ob du damit Signale im 
100mHz oder 100MHz-Bereich begrenzen möchtest.

von dummschwaetzer (Gast)


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>/ADC input range: VREF– ≤ VIN ≤ VREF+/
solltest du dich dran halten, sonst misst dein ADC auf allen Kanälen 
Mist!

von Dietmar B. (theq)


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my2ct schrieb:
> Dietmar B. schrieb:
>> Unbenannt.png
>
> Da fehlt eine Zeitskala. Es ist ein Unterschied, ob du damit Signale im
> 100mHz oder 100MHz-Bereich begrenzen möchtest.

Die Frequenz liegt so bei 0,5-1MHz.

von Manfred (Gast)


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Stefan ⛄ F. schrieb:
> Schau nochmal ins Datenblatt. Ich wette, er verträgt -0,5 bis +3,8V. Und
> das kannst du bequem mit einem Widerstand und einer 3,9V Zenerdiode
> abdecken.

Wozu eine Z-Diode? Wenn ich xx-Volt habe, teile ich die mit zwei 
Widerständen runter und fertig. Den Negativanteil klemmt eine Schottky 
hinreichend weg.

Kennt man die Randbedingungen genauer, die Quellimpedanz, könnte der 
Spannungsteiler vielleicht aus drei Widerständen bestehen, wo man in der 
Mitte den negativen Anteil klemmt.

Stefan ⛄ F. schrieb:
> Schön. Du darfst die internen Clamping Dioden mit bis zu 5mA belasten.

Die Nutzung der internen Dioden halte ich generell für eine Scheißidee, 
ich würde sie sogar als vorsätzlichen Pfusch bezeichnen. Von mir aus 
mögen die 5mA können, aber ab wann hebt die nach Plus die 
Betriebsspannung ungewollt an? Ab wann gibt es keinen definierten Reset 
mehr, weil eine windig parasitäre Speisung auftritt?

von H. B. (communicator9)


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Das Verwenden der Clamping Dioden (egal ob jetzt extern oder intern) ist 
Pfusch.
Erfasse lieber das ganze Signal (z.B. mit der Schaltung die ich weiter 
oben schon gepostet habe) und die "Begrenzung" machst du in der 
Software.

von Olaf (Gast)


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> Die Frequenz liegt so bei 0,5-1MHz.

Und? Hast du schonmal gekuckt was dein ADC dann fuer einen dynamischen 
Eingangswiderstand hat? Oder glaubst du das wird einfach so gehen?

Olaf

von M. K. (sylaina)


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Dietmar B. schrieb:
> Die Frequenz liegt so bei 0,5-1MHz.

Ich glaube nicht, dass der im STM integrierte ADC dafür noch reicht. er 
müsste, so spontan überlegt, locker 10 MSPS haben und ich mein der STM32 
auf dem Nucleo-Board hat nur 5 MSPS. Oder hast du dich vertippt und 
meintest 0,5-1,0 kHz?

von Dietmar B. (theq)


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M. K. schrieb:
> Dietmar B. schrieb:
>> Die Frequenz liegt so bei 0,5-1MHz.
>
> Ich glaube nicht, dass der im STM integrierte ADC dafür noch reicht. er
> müsste, so spontan überlegt, locker 10 MSPS haben und ich mein der STM32
> auf dem Nucleo-Board hat nur 5 MSPS. Oder hast du dich vertippt und
> meintest 0,5-1,0 kHz?

Nein, passt schon. Es sind 0,5MHz ... 1MHz. Das ist vermutlich etwas 
misverständlich ... mit 1MHz hatte ich den Sinusanteil des Signals 
gemeint.
Das Signal selber ist ein abklingender Sinus mit e-Funktion als 
Hüllkurve. Der Sins kommt nur mit 200Hz.

von Dietmar B. (theq)


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Olaf schrieb:
>> Die Frequenz liegt so bei 0,5-1MHz.
>
> Und? Hast du schonmal gekuckt was dein ADC dann fuer einen dynamischen
> Eingangswiderstand hat? Oder glaubst du das wird einfach so gehen?
>
> Olaf

Ja, der Eingangswiderstand ist bei den vollen 5Msps@12bit nur noch 18Ohm
... aber wie gesagt, die Messfehler sind nicht so dramtisch. Mir geht es 
nur um Änderungen zwischen den Abtastungen des gleichen Signals.

von Msd (Gast)


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Interne Schutzdioden als Spannungsbegrenzung einsetzen.... Ich fass es 
nicht.

Mit oder ohne Strombegrenzung,... ist das Murks. Man nutzt doch nicht 
gewollt die absolut maximum ratings eines Bauteils als funktionalen 
Bereich aus. LEUTE!!!

von M. K. (sylaina)


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Dietmar B. schrieb:
> Nein, passt schon. Es sind 0,5MHz ... 1MHz. Das ist vermutlich etwas
> misverständlich ... mit 1MHz hatte ich den Sinusanteil des Signals
> gemeint.
> Das Signal selber ist ein abklingender Sinus mit e-Funktion als
> Hüllkurve. Der Sins kommt nur mit 200Hz.

Versteh ich zwar noch immer nicht so ganz aber wenns nur 200 Hz sind die 
primär interessieren dann reichen die 5 MSPS in der Tat. ;)

von Dietmar B. (theq)


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M. K. schrieb:
> Dietmar B. schrieb:
>> Nein, passt schon. Es sind 0,5MHz ... 1MHz. Das ist vermutlich etwas
>> misverständlich ... mit 1MHz hatte ich den Sinusanteil des Signals
>> gemeint.
>> Das Signal selber ist ein abklingender Sinus mit e-Funktion als
>> Hüllkurve. Der Sins kommt nur mit 200Hz.
>
> Versteh ich zwar noch immer nicht so ganz aber wenns nur 200 Hz sind die
> primär interessieren dann reichen die 5 MSPS in der Tat. ;)

Mich interessiert das Delta zwischen den Abtastzyklen, also

Abtastzyklus 1:
  ΔU0 = U00 - U10
  ΔU1 = U01 - U11
  ΔU2 = U02 - U12
  usw.

Abtastzyklus 2:
  ΔU0 = U10 - U20
  ΔU1 = U11 - U21
  ΔU2 = U12 - U22
  usw.

usw.

: Bearbeitet durch User
von lest mal Datenblätter, bitte (Gast)


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Msd schrieb:
> Interne Schutzdioden als Spannungsbegrenzung einsetzen.... Ich fass es
> nicht.
>
> Mit oder ohne Strombegrenzung,... ist das Murks. Man nutzt doch nicht
> gewollt die absolut maximum ratings eines Bauteils als funktionalen
> Bereich aus. LEUTE!!!

Richtig, die recommended operating conditions sind maßgeblich. Warum man 
das nicht tut, hat aber nichts mit Moral zu tun.

Einige ADC bekommen da nämlich erhebliche Probleme, ich hatte z.B: schon 
solche, die dann einen "Überlauf" produzierten und für Spannungen 
>Versorgung (nur 100mV) 0 geliefert haben. Und dergleichen mehr.
Jeder Hersteller schreibt auch ins Datenblatt, was maximum Ratings 
wirklich sind.

Ich würde das Signal herunterteilen, so dass es in den Messbereich 
passt.
Man kann das Signal auch erst clampen, und dann herunterteilen wenn man 
will, so dass 0V nicht unterschritten und 3V3 nicht überschritten 
werden.

Beispiel, wie das aussehen kann im Datenblatt:
https://www.ti.com/lit/ds/symlink/adc12j4000.pdf?ts=1606800553498&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com%252Fproduct%252FADC12J4000

"...functional operation of the devic eat these or any other conditions 
beyond those indicated under Recommended Operating Conditions is not 
implied..." (das lesen wir auf S8.
Heißt: Nur für den Bereich innerhalb der recommended ist die Funktion 
garantiert. Zurecht, meistens.

von 900ss D. (900ss)


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Msd schrieb:
> Interne Schutzdioden als Spannungsbegrenzung einsetzen.... Ich fass es
> nicht.

Finde ich auch sehr zweifelhaft um es freundlich auszudrücken :)
Für ein ernsthaftes Design sollte man das anders lösen. Vorschläge 
wurden ja schon gemacht.

von M. K. (sylaina)


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900ss D. schrieb:
> Finde ich auch sehr zweifelhaft um es freundlich auszudrücken :)

Warum sollte man die Diode denn nicht nutzen eurer Meinung nach?

von dummschwaetzer (Gast)


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>Warum sollte man die Diode denn nicht nutzen eurer Meinung nach?
weil die VCCA/VREF+, und noch andere Dinge versaut und damit der ADC ein 
ganz grobes 4Bit Schätzeisen wird

von M. H. (bambel2)


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A. S. schrieb:
> Klemmdioden, die von GND und zu VCC gehen

Diese kann ich, je nach Anforderungen an Genauigkeit nicht 
uneingeschränkt empfehlen. Hatte neulich das Problem, dass die Clamping 
Diode über Temperatur einen Leckstrom von einigen 10 uA hatte. Bei einem 
Serien-Widerstand von 100 Ohm hat mir das den Messwert zu stark 
verfälscht. Das sollte man im Blick haben.

von M. K. (sylaina)


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dummschwaetzer schrieb:
> weil die VCCA/VREF+, und noch andere Dinge versaut und damit der ADC ein
> ganz grobes 4Bit Schätzeisen wird

Wenn man sie falsch nutzt: Richtig, dann passiert das. ;)

von 900ss D. (900ss)


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M. K. schrieb:
> Warum sollte man die Diode denn nicht nutzen eurer Meinung nach?

Weil sie als reine Schutzdiode gedacht ist damit der ADC nicht gleich 
stirbt bei einer Überspannung. Diese per Design anzulegen halte ich für 
groben Murks und hat mit solidem Design nichts zu tun.

von lest mal Datenblätter, bitte (Gast)


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dummschwaetzer schrieb:
>>Warum sollte man die Diode denn nicht nutzen eurer Meinung nach?
> weil die VCCA/VREF+, und noch andere Dinge versaut und damit der ADC ein
> ganz grobes 4Bit Schätzeisen wird

So ungefähr kann ich das bestätigen.
Interessante Fehlersuche, die im Nachhinein eine Zeitverschwendung ist.

Man muss eben unterscheiden:
Will man mit den Clampingdioden verhindern, dass der Kram bei einm 
ESD-Impuls oder Fehler (Überspannung) komplett in Rauch aufgeht? Gut, 
denn genau dafür sind sie da.

Nur sollte man im Normalbetrieb eben nicht die volle Funktion mit allen 
Features erwarten, wenn Strom über die Clampingdioden drüberfließt.

Gute Elektronik nutzt die Maximum Ratings für "survival" und 
Fehlertoleranz, bewegt sich im Normalbetrieb aber immer in den 
"recommended" Ratings.

von HildeK (Gast)


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900ss D. schrieb:
> Weil sie als reine Schutzdiode gedacht ist damit der ADC nicht gleich
> stirbt bei einer Überspannung. Diese per Design anzulegen halte ich für
> groben Murks und hat mit solidem Design nichts zu tun.

Nun, das kann im Datenblatt oder in einer Applikationsschrift auch davon 
abweichen. Selber erlebt: Xilinx, FPGA, irgend ein Konfig-Pin war in 
einer Serie für ein 1V8-Interface ausgelegt, obwohl die typischen 
µC-Interface mit 3.3V liefen. Xilinx hat das in einer App-Note einfach 
mit einem R gelöst zur Strombegrenzung auf 10mA - und auf Rückfrage 
bestätigt, dass die internen Dioden das können und dürfen.

M. H. schrieb:
> Hatte neulich das Problem, dass die Clamping
> Diode über Temperatur einen Leckstrom von einigen 10 uA hatte. Bei einem
> Serien-Widerstand von 100 Ohm hat mir das den Messwert zu stark
> verfälscht.

Dann hat doch das IC ein Problem - oder meinst du extern zugeschaltete 
Clamping-Dioden in Schottky-Ausführung? Intern sind die ja eh immer da 
und sollten nicht mit einem Leckstrom eine Messung verfälschen.

von M. H. (bambel2)


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HildeK schrieb:
> Dann hat doch das IC ein Problem - oder meinst du extern zugeschaltete
> Clamping-Dioden in Schottky-Ausführung? Intern sind die ja eh immer da
> und sollten nicht mit einem Leckstrom eine Messung verfälschen.

Ja, interne Dioden. Die Dioden sind zwar immer da, allerding 
spezifiziert der Hersteller für seinen analog Eingang ja einen gewissen 
Quellwiderstand. Wenn man da jetzt den Serienwiderstand einbaut, ist der 
meist zu hoch. Die Dioden sind sowieso der letzte Sch***. Die werden 
weder vermessen, noch richtig charakterisiert. Teilweise fehlen da auch 
im Process-Design-Kit des Halbleiterherstellers Modelle dafür. Die sind 
halt "da". Aber darauf verlassen, dass die irgendwas halbwegs 
Reporduzierbares tun, würde ich mich nicht.

Wir haben mal ein Gerät mit open-Drain PWM Ausgangstufe gebaut. In den 
abgeschaltenen Phasen der PWM haben wir einen Strom rückwärts durch die 
Clamping Dioden der Ausgangsstufe gezogen, um die Temperatur der 
Endstufe im Asic zu überwachen. Das Ganze ist dann im Sand verlaufen, da 
die Dioden in allen Parametern dermaßen gestreut haben, dass da für jede 
Endstufe eine Kalibrierung notwendig geworden wäre. Und bei einem Asic 
mit > 12 Endstufen hatte da keiner Lust drauf.

: Bearbeitet durch User
von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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M. H. schrieb:
> Die Dioden sind sowieso der letzte Sch***. Die werden
> weder vermessen, noch richtig charakterisiert.

Für die Eingänge der gängigen Mikrochips (ganz besonders ADC) ist der 
maximal zulässige Leckstrom spezifiziert und eine Spannung bei der die 
Dioden garantiert noch nicht leiten/stören. Bei fast allen IC's (außer 
AVR) ist außerdem spezifiziert, wie viel Strom diese Dioden vertragen.

Mit einem 10kΩ Vorwiderstand bist du bei den meisten ADC im grünen 
Bereich. Im Falle von STM32F3 hast du damit Schutz bis zu 50 Volt, da 
die Dioden mindestens 5mA vertragen. Allerdings empfiehlt sich, diese 
beim ADC nicht so stark zu nutzen, weil dies die interne 
Spannungsversorgung des ADC stören kann. Lieber weit darunter bleiben. 
In irgendeiner Application note empfiehlt ST maximal 1mA (für alle ADC 
Eingänge zusammen).

Du hast geschrieben, dass dir ihre Reaktion auf Temperatur im Detail 
wichtig war. Dazu fällt mir nur ein, dass dieser Anwendungsfall für die 
Dioden schlicht nicht vorgesehen ist. Manche Mikrochips enthalten intern 
offiziell einen Temperatursensor, auch der ist typischerweise 
erheblichen Streuungen ausgesetzt. Es wird seinen Grund haben, warum der 
selbst der recht einfache DS1820 schon mehr kostet als ein kleiner 
Mikrocontroller.

Ich weiß nicht wie alt du bist. Als ich Elektronik kennenlernte, hatten 
viele Mikrochips noch keine ESD Dioden. Die konnten schon beim auspacken 
oder auf dem Versand kaputt gehen. Heute sind bei den allermeisten Chips 
keine besonderen Verpackungen mehr erforderlich und man kann sie (im 
Gegensatz zu den kleinen MOSFET Transistoren) bedenkenlos anfassen. Ich 
sage dir, diese Clamping Dioden sind nicht "der letzte Sch***" sondern 
ein Segen.

: Bearbeitet durch User
von M. K. (sylaina)


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900ss D. schrieb:
> Weil sie als reine Schutzdiode gedacht ist damit der ADC nicht gleich
> stirbt bei einer Überspannung.

Aber genau das ist doch die Frage: Warum soll man denn die internen 
Dioden nicht als Schutzdioden verwenden wenn sie doch genau deswegen da 
drin sind? Ih sehe da weder Murks noch ein Problem mit. Natürlich sollte 
man sie nicht blind benutzen getreu dem Motto "das klappt schon", wer so 
vor geht macht immer Murks, da hilft dann auch keine externe Maßnahme 
dazu. ;)

von dummschwaetzer (Gast)


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>Warum soll man denn die internen
>Dioden nicht als Schutzdioden verwenden
weil du ausserhalb der Betriebsparameter bist

von M. K. (sylaina)


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dummschwaetzer schrieb:
> weil du ausserhalb der Betriebsparameter bist

Öhm, das ist ja wohl eine Frage des Designs wie man die Schutzdioden 
verwendet. Daher ist diese pauschale Aussage Quatsch

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