24Bit AD-Wandler Spannungsmessgerät basteln

Der Eingangsspannungsbereich beträgt 5V. Schon ein 10-Bit-Wandler ist 
auf 5 mV genau. Ein 12-Bit-Wandler ist auf 1,22 mV genau. Auf einer 
Leiterplatte mit einigen Digitalbausteinen ist es schon schwierig, 
Rauschspannungen unter 10 mV zu halten. Und bei Spannungen unter 1 mV 
müssen schon Einflüsse durch Thermospannungen vom Aufbau her 
ausgeschlossen werden. Und die im Datenblatt genannte Nichtlinearität 
zeigt, dass man allein daraus bei Absolutmessungen das Ergebnis ohnehin 
nicht genauer als 16 Bit wird. Dass die genannte Referenz ADR03 nach 
Datenblatt des Herstellers nur eine "Initial accuracy ±0.1%" hat, will 
ich mal gnädigerweise, da wir sonst bei der absoluten Messgenauigkeit 
wieder bei der Auflösung eines 10-Bit-Wandlers landen.

Solche Wander benötigt man für Signalverarbeitung wo es auf den 
absoluten Wert nicht so genau ankommt, es aber sicher erkannt werden 
muss, ob das nächste Sample höher oder niedriger liegt und wie groß die 
(relative) Abweichung ist. Auch für eine logarithmische Kompression sind 
solche Wandler nötig.

Günni:
>Auf einer
>Leiterplatte mit einigen Digitalbausteinen ist es schon schwierig,
>Rauschspannungen unter 10 mV zu halten.

Wenn ich es richtig sehe, sollte man Rauschen mitteln können. Je nach 
Mittellungszeit wird das dann mehr oder weniger genau.

Wie wär's wenn man mit einem Relay eine Voltage Reference zum 
Kallibrieren kurz vorher an den ADC legt?

Habe neben mir ein "Multimeter" zur Spannungsmessung mit ADS1115 auf dem 
Steckbrett stehen. Das reicht völlig aus, 24bit sind einfach absolut 
unnötig.
Wenn ich Zeit habe wird daraus mal ein fertiges USB-DMM mit mehreren 
galvanisch getrennten Eingängen, die einzelnen Stufen werden per I2C 
Isolator (ISO1540) gesteuert/ausgelesen.

Die Eingangsstufe ist von echten DMMs abgeschaut. Per Analogmux (MAX328, 
1pA typ.) wird abwechselnd die Eingangsspannung (über 10MOhm), 0V oder 
ein LT1019 auf einen TS912 geschaltet, der das Signal aufbereitet und an 
den ADS1115 weiter reicht. Per zweitem Analogmux lassen sich noch 
diverse Teiler zuschalten.

Die Analogmuxe sind in etwa gleich teuer wie der ADC. In der Form lief 
das ganz ordentlich im Vergleich zu einem Voltcraft DMM. Die 10MOhm 
machen mir etwas Sorgen, vielleicht geh ich auf 1MOhm runter. Man muss 
sich da schon Gedanken um 50/60Hz rejection machen, vor allem wenn man 
die PGA vom ADS1115 verwendet.

Warum ich das schreibe? Die Bits von ADC sind noch das einfachste an der 
Sache. Ich denke auch nicht, dass ich die 16Bit vom ADS1115 wirklich 
ausreize mit der Schaltung. Der ist aber halt einfach billig, also nehm 
ich gern die 16 Bit.

von Johannes (Gast)
17.01.2021 18:11
>Man muss
>sich da schon Gedanken um 50/60Hz rejection machen, vor allem wenn man
>die PGA vom ADS1115 verwendet.

Für einen 50 Hz Filter musst Du einen MovingAverageFilter mit N x 20ms 
implementieren, dann sollte die Netzfrequenz gut unterdrückt werden.

Das weis ich doch, aber trotzdem danke ;-)

Man muss es halt auch umsetzen. Lässt man es weg, sieht man das sehr 
deutlich im Messergebnis. Deutlicher als ich es erwartet hätte.

Es macht auch Sinn ein wenig mit einem RC Tiefpass nachzuhelfen, damit 
der ADS1115 nicht alle noch so großen Spikes auf der Leitung sieht.

Ordentliche 24 bit Wandler kann man gleich mit 24.576 MHz bespassen.
Gut fuer die 50 Hz Filterung.

Eigentlich ist das Pferd von hinten aufgezäumt.

Wenn man ein Spgs-Messgerät bauen will, überlegt man sich, was man will 
(Bereiche, Genauigkeit, Drift) und sucht dann Komponenten dafür. Z.B 
einen langsamen ADC, der über 50 bis 500ms mittelt.

Wenn Du diesen ADC ausprobieren willst, nur zu. Aber dann eher ein 
fester Spannungsbereich und grafische Anzeige für Rauschen, 50 Hz 
Messungen, TRMS oder sowas.

Günni schrieb:
> Der Eingangsspannungsbereich beträgt 5V. Schon ein 10-Bit-Wandler ist
> auf 5 mV genau. Ein 12-Bit-Wandler ist auf 1,22 mV genau.

Nein, 12 Bit lösen die 5V auf 1,22mV auf, das sagt nichts über die 
Genauigkeit.

Bei 24 bit reicht ein Bereich bis 16.777215 V.

Fuer negative Spannungen einfach umpolen!

Gerd : gute Idee. Mach es, versuch es. Lern was dabei...
höre nicht auf die ganzen PHonies hier... 90% sind "Maker", haben aber 
noch nie wirklich was "gemacht".

Anbei ein link, wie sowas richtig geht. also vom Grundsatz her.

https://www.hpl.hp.com/hpjournal/pdfs/IssuePDFs/1989-04.pdf

Kann ich jedem ernsthaft Interessiertem und allen Laberbacken nur 
dringend empfehlen!

Grüße

Interessierten

Johannes schrieb
>Habe neben mir ein "Multimeter" zur Spannungsmessung mit ADS1115 auf dem
>Steckbrett stehen. Das reicht völlig aus, 24bit sind einfach absolut
>unnötig.
>Wenn ich Zeit habe wird daraus mal ein fertiges USB-DMM mit mehreren
>galvanisch getrennten Eingängen, die einzelnen Stufen werden per I2C
>Isolator (ISO1540) gesteuert/ausgelesen.

>Die Eingangsstufe ist von echten DMMs abgeschaut. Per Analogmux (MAX328,
>1pA typ.) wird abwechselnd die Eingangsspannung (über 10MOhm), 0V oder
>ein LT1019 auf einen TS912 geschaltet, der das Signal aufbereitet und an
>den ADS1115 weiter reicht. Per zweitem Analogmux lassen sich noch
>diverse Teiler zuschalten.

>Die Analogmuxe sind in etwa gleich teuer wie der ADC. In der Form lief
>das ganz ordentlich im Vergleich zu einem Voltcraft DMM. Die 10MOhm
>machen mir etwas Sorgen, vielleicht geh ich auf 1MOhm runter. Man muss
>sich da schon Gedanken um 50/60Hz rejection machen, vor allem wenn man
>die PGA vom ADS1115 verwendet.

Das klingt gut. Bei einem Tischmessgerät würde ich ein großes Problem in 
der Umsetzung der Potentialfreiheit sehen. Ich habe schon überlegt, 
Akkus einzubauen und diese dann immer wieder aufzuladen. Die Schaltung 
selbst dürfte auch eine nicht zu vernachlässigende Kapazität gegenüber 
dem Gehäuse haben.
Was die Vorverstärker anbelangt, klingt das nach einer eigenen Platine. 
Ich werde erst mal schauen, wie weit man mit Spannungsteilern und 
Schutzdioden kommt. Eine richtige Vorverstärkerplatine zu machen, wäre 
sicherlich besser. Aber der Aufwand dafür scheint mir zu groß.

Harald W. schrieb:
> Gustl B. schrieb:
>
>> Deshalb will er das Gerät ja auch nicht aus, sondern mit diesem ADC
>> bauen.
>
> Aha, also ein 7 1/2 stelliges Multimeter für 20 EUR.

Nein, ein Messgerät mit "7 1/2 Stellen - Aroma".
Weil liefern wird das 12 Bit und 2% Genauigkeit, wenn man es besonders 
gut macht. Was schon mehr als ausreichend für 99% des Alltags ist.

Für 20€ lohnt sich das natürlich, der Lerneffekt ist es definitiv wert.

Dietrich L. schrieb:
> Sebastian S. schrieb:
>> In den meisten Fällen fängt es schon damit an, dass man aus einem
>> bestehenden Aufbau, der zwar 24 Bit auflöst, noch lang keine 24 Bit
>> Genauigkeit herauskitzeln kann.
>
> Ja, da habe ich folgende Praxiserfahrung: 24-Bit-Wandler AD7710 auf
> einem original Demoboard von Analog Devices. Man konnte schon froh sein,
> wenn 16 Bits stabil waren...

Ging mir genauso. Von den 24 Bits habe ich erst einmal 6 weggeschmissen, 
und nur noch mit 18 gearbeitet. Dahinter war nur Rauschen.
So genau konnte man die Referenzspannung gar nicht regeln, als dass die 
Bits da noch Sinn machten.

Nimm ein 12 oder 16-Bitter und wunder dich darüber, dass selbst dort die 
Werte immer noch zappeln.

Gerd schrieb:
> Das klingt gut. Bei einem Tischmessgerät würde ich ein großes Problem in
> der Umsetzung der Potentialfreiheit sehen. Ich habe schon überlegt,
> Akkus einzubauen und diese dann immer wieder aufzuladen. Die Schaltung
> selbst dürfte auch eine nicht zu vernachlässigende Kapazität gegenüber
> dem Gehäuse haben.
> Was die Vorverstärker anbelangt, klingt das nach einer eigenen Platine.
> Ich werde erst mal schauen, wie weit man mit Spannungsteilern und
> Schutzdioden kommt. Eine richtige Vorverstärkerplatine zu machen, wäre
> sicherlich besser. Aber der Aufwand dafür scheint mir zu groß.

Die Kapazität zu GND seh ich nicht als Problem. Du musst halt ein paar 
Trafos mit getrennten Wicklungen wickeln, dann gibt es da wenig 
kapazitive Beeinflussung. Trafowickelsätze gibt es günstig auf 
Aliexpress.

Mit Spannungsteilern musst du extrem aufpassen. Die sind praktisch immer 
so völlig ungenau, dass du jeden einzelnen davon kalibrieren musst. Dann 
hast du natürlich noch Temperaturdrift und Alterung der Widerstände. 
(Und noch so hässliche Phänomene wie Thermospannungen - praktisch, dass 
der ADS1115 Low Power ist und alles mit sehr wenig Strom abläuft, also 
wenig Hitze und wenig Rauschen.)

Ein 0.1% Widerstand macht dir an 16Bit schon einen Fehler von grob 
überschlagen 65 LSB bei Vollausschlag.

https://archive.org/details/art-of-electronics-3e

Im Grunde genommen ist so ein Voltmeter recht einfach zu bauen ;-)

Open Source 8.5 Digit Voltmeter from CERN: Build and Test

https://www.youtube.com/watch?v=D28uSzCs7-k

Gerd schrieb:
> Was haltet Ihr davon, mit dem obigen AD-Wandler ein ziemlich präzises
> Spannungsmessgerät zu selber zu bauen?

19,- Euro?

Kauf es, und lerne. Besser kannst Du Dein Geld nicht investieren.

Hier hat Aduecho ein schönes Messgerät mit dem Wandler gebastelt:

Beitrag "Re: Zeigt her eure Kunstwerke (2021)"

Dietrich L. schrieb:
> Ja, da habe ich folgende Praxiserfahrung: 24-Bit-Wandler AD7710 auf
> einem original Demoboard von Analog Devices. Man konnte schon froh sein,
> wenn 16 Bits stabil waren...

Dann hast du die Dokumentation nicht wirklich gelesen und/oder etwas 
wirklich falsch gemacht. Ich benutze seit langem die AD7714 und bin 
damit sehr zufrieden: 21 gültige Bit sind allemal drin und wenn man per 
Software noch weiter filtert, werden das auch 22 gültige Bit. Obendrein 
hat der nen Impedanzwandler schon drin und er hat eine Auto-Kalibration 
bereits eingebaut - entweder nur intern oder quer über's System (wo man 
sich dann allerdings Gedanken über die geeignete Außenbeschaltung machen 
muß).

Bedenke mal die prinzipielle Wirkungsweise eines SigmaDelta-ADC. Der hat 
je nach programmierter Bandbreite im Ergebnis immer mehrere 
statistisch verteilte LSB. Wieviele das sind, hängt von der 
Programmierung des Filters ab. Im Grunde kann man sich so einen ADC 
vorstellen als einen digitalen Tiefpaß, der sein eigenes Choppernoise 
von +/- 1x Vollausschlag (aus dem 1 Bit Ladungsbalance-ADC) aus seinem 
Ergebnis heraus filtern muß.

Und nochwas: unter die Boltzmannsche Rausch-Grenze kommt man sowieso 
nicht. Das Einzige, was da hilft, ist geringe Bandbreite im Analogen 
vor dem ADC. Wer mehr als die berüchtigten -174dBm/Hz haben will, muß 
eben mit der Bandbreite runter. Dagegen hilft garnix.

Dem TO würde ich aber dringendst raten, solche doch eher gedankenlosen 
Leiterplatten nicht zu kaufen, sondern sich selbst eine LP für so ein 
Projekt zu machen. Dort beschränkt man sich dann auf einen oder zwei 
voll differentielle Kanäle und pfeift auf ein Dutzend Eingänge wie bei 
dem gezeigten Board. Obendrein wäre da auch eine 
Präzisions-Spannungsquelle nötig sowie wenigstens ein kalter Thermostat, 
also die LP elektrisch  zwar isoliert, aber thermisch mit weißer Pampe 
auf den Boden eines aus dem Vollen gefrästen Alu-Kästchen aufgesetzt. 
Das soll dann das Ganze thermisch ausgeglichen und träge machen. Und 
natürlich ein Massekonzept. Bei einem Tischvoltmeter erwartet man ja, 
daß man massefrei messen kann. Also braucht die eigentliche Meßschaltung 
eine massefreie Separatversorgung und Potentialtrennung für die Daten. 
Sowas kriegt man mit einer fertigen China-LP eher NICHT hin.

W.S.

>Sowas kriegt man mit einer fertigen China-LP eher NICHT hin.

Na dann hast du dir das obige Kunstwerk 2021 nicht angesehen.