uV oder gar nV Messen ADC

FPGA schrieb im Beitrag #6598571:
> Ich möchte gerene sehr geringe Spannungen (nV...uV) messen (AD Wandeln).

Das ist VIEL zu allgemein formuliert. Bedenke einmal die Rauschspannung. 
Wenn ich mich recht erinnere, dann rauscht jeder Widerstand bei 
Raumtemperatur mit etwa -174dBm/Hz. Das ist eine Rausch-LEISTUNG und je 
hochohmiger dein ganzer analoger Trakt ist, desto größer ist auch die 
Rauschspannung. Dito auch je größer deine Bandbreite, desto mehr 
Rauschen.

Bevor du also mit solchen Fragen kommst, setze dir mal deine 
Randbedingungen:
1. wie groß ist der Innenwiderstand deiner Schaltung an der betreffenden 
Stelle, wo du messen willst
2. wie groß ist deine Bandbreite?

W.S.

32 Bit ADC und Stromversorgung über Schaltwandler ist gelinde gesagt 
eine fragwürdige Kombination.

Normale Bastler kommen mit 12 Bit so gerade eben noch klar. 16 Bit nutzt 
schon so gut keiner mehr.

Aber wenn du es schaffst, von den 32 Bit mehr als die Hälfte wirklich zu 
nutzen (nicht als Zufallsgenerator), dann zolle ich dir meinen Respeckt 
indem ich dich zum Essen einlade (sobald Corona vorbei ist).

>es einige 32bit ADCs gibt
Da purzeln halt erstmal nur 32bit Datenworte raus.
Der ADS1262 bspw. packt bei kurzgeschlossenem Eingang und 2,5SPS, Sinc4 
Filter angeblich 25 rauschfreie Bits.

Danke für die Antworten

Nun ja da alles passen muss am liebsten ein modul. Nun die chinesen 
haben module auf ebay, aber eben china halt inkl schaltregler :P....

Nun die Auflösung muss in den tiefen bereich kommen. dies kann mittels 
hovhauflösendem adc oder vorverstärker +nideriger auflösender adc 
erfolgen.

Anyway irgendwie habe ich das bauchgefühl: mit rein passiver 
vorschaltung und hochauflösend adc evtl intern amp kommts besser als mit 
extern precision opamp...

Die quelle ist niederimpedant. Stromverbrauch egal. Bandbreite DC- 10kHZ

Stefan ⛄ F. schrieb:

Hier ist ein interessanter Beitrag zum Thema: 
Beitrag "Re: Multicore embeddedsystem? Viele Fragen!"

Wozu werden diese 32 Bit ADCs eigentlich gebaut? Mir fällt nicht 
wirklich eine Anwendung ein bei der man die Auflösung benötigt, aber die 
Hersteller werden sowas ja nicht umsonst entwickeln. In den Datenblätter 
stehen meist Anwendungen wie "weigh scale, high resolution PLC, strain 
gauge digitizers"
Der Begriff PLC sagt mir nichts und wozu man für eine Waage 32 Bit 
Auflösung haben möchte wird mir auch nicht so wirklich klar. Kann mich 
jemand erleuchten?

FPGA schrieb im Beitrag #6598660:
> Bandbreite DC- 10kHZ

ergibt bei 60 Ohm Quellimpedanz 100nV (Effektivwert) an Rauschen also 
fast 1 uVpp. Und das ohne Vorverstärker und ohne ADC.

Gruß Anja

Der Klassiker für die Messung kleiner Spannungen stammt aus der Zeit vor 
der Elektronik - das Elektrometer, speziell das Kapillarelektrometer.

https://de.wikipedia.org/wiki/Kapillarelektrometer

Vielleicht besorgst Du dir ein solches, um damit eine ADC-Lösung zu 
vergleichen?

--
Mal ein Rechenbeispiel, wieviel Elementarladungen darf die Differenz 
zwischen den Ladungen auf den Elektroden eines 1 nF Kondensators 
höchstens betragen, um eine Spannung von nicht mehr als einem 1nV zu 
erzeugen?

C = Q/U -> Q = U*C = 1nV*1nF = 10^-18 Coulomb, also etwas mehr als sechs 
Elementarladungen.

Ein nV -Messgerät kommt also in den Bereich eines Elektronendetektors, 
sehr anspruchsvoll. Gut möglich, das normale elektrostatische Aufladung 
das Ergebnis signifikant verfälscht. Schaltungstipps könnte man sich aus 
der Medizintechnik, speziell von der Elektroenzephalografie abschauen, 
da misst man im Bereich von  5 bis 100 µV. Wäre zumindest ein Anfang, 
wenn auch noch Größenordnungen von nV entfernt.

Anja schrieb:
> FPGA schrieb:
>
>> Bandbreite DC- 10kHZ
>
> ergibt bei 60 Ohm Quellimpedanz 100nV (Effektivwert) an Rauschen also
> fast 1 uVpp. Und das ohne Vorverstärker und ohne ADC.
> Gruß Anja

quellimpedanz ist im mOhm bereich

FPGA schrieb im Beitrag #6598571:
> Kennt jemand eine passende Lösung?

Dir über die Sinnhaftigkeit deiner Anforderungen klar werden.

2uV also 2000nV ist schon die Thermospannung zwischen Zinn und Kupfer an 
den Lötanschlüssen wenn die nur 1GradC Temperaturunterschied haben.
Du brauchst eine Platine nur etwas zu biegen und die Anweichung wird 
grösser als 1uV.

Nanovolt sind Rauschen, das Rauschen eines Stücks Kupferleiterbahn.

Wenn du nicht gerade Physiker am CERN bist, bist du von solchen 
Messergebnissen so weit weg wie die Erde vom Mars.

Rainer V. schrieb:
> Und jetzt erzähl aber nicht, dass du über einem Shunt im
> mOhm-Bereich eine Spannung im uV oder gar nV-Bereich messen möchtest...
> Gruß Rainer

Doch sage ich nun shunt ist gar im uOhm bereich. Nun muss aber noch zum 
adc verbunden werden.

MaWin schrieb:
> FPGA schrieb:
>
>> Kennt jemand eine passende Lösung?
>
> Dir über die Sinnhaftigkeit deiner Anforderungen klar werden.
> 2uV also 2000nV ist schon die Thermospannung zwischen Zinn und Kupfer an
> den Lötanschlüssen wenn die nur 1GradC Temperaturunterschied haben.
> Du brauchst eine Platine nur etwas zu biegen und die Anweichung wird
> grösser als 1uV.
> Nanovolt sind Rauschen, das Rauschen eines Stücks Kupferleiterbahn.
> Wenn du nicht gerade Physiker am CERN bist, bist du von solchen
> Messergebnissen so weit weg wie die Erde vom Mars.

offset kann digital kompensiert werden, thermisches gleichgewicht 
vorganden

A. K. schrieb:
> FPGA schrieb:
>
>> Rainer V. schrieb:
>>> Und jetzt erzähl aber nicht, dass du über einem Shunt im
>>> mOhm-Bereich eine Spannung im uV oder gar nV-Bereich messen möchtest...
>>> Gruß Rainer
>>
>> Doch sage ich nun shunt ist gar im uOhm bereich. Nun muss aber noch zum
>> adc verbunden werden.
>
> Was ist das für eine Anwendung?
> Meistens, wenn man meint so etwas zu brauchen, liegt man falsch.

Nun den tipp dass es mit einem grösseren shunt einfacher gehen würde 
benötige ich nicht, das weis ich selbst auch. Anwendungsbedingt ist es 
aber nicht möglich einen grösseren shunt einzusetzen. Hal sensor etc 
wäre eine alternative aber eigentlich ebenfalls nicht bevorzugt.

Dir frage ist wie kann ein 32bit adc sinnvoll sein? sinnvoll eingesetzt 
werden? und was ist möglich?

FPGA schrieb im Beitrag #6598765:
> Dir frage ist wie kann ein 32bit adc sinnvoll sein? sinnvoll eingesetzt
> werden?

Gar nicht. Punkt.

FPGA schrieb im Beitrag #6598735:
> Doch sage ich nun shunt ist gar im uOhm bereich. Nun muss aber noch zum
> adc verbunden werden.

Das will jemand Strommessen, oder?
Bitte solche Sachen im Eingangspost angeben, denn da gibt es schon 
Lösungen.

Dafür gibt Verstärker-IC, z.B. bei Analog Devices. Die können das Signal 
so aufbereiten, dass man in einen normalen ADC hineinkann.
Alternativ hat Analog auch 24-Bit-Signa-Delta-Wandler für genau solche 
Zwecke, z.B. für Smartmeter die auf Shunts basieren.

Das hat seine eigenen Probleme, aber erleichtert die Sache ungemein, 
insbesonderes weil in den Datenblättern auch Hinweise zur Auslegung 
gegeben werden. Falls eine Strommessung gefragt ist: Bitte Eckdaten, da 
kann man etwas weiterhelfen.

Den hab ich schon mal benutzt:
https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ade7912_7913.pdf

Der Stromkanal hat 24Bit and +-25mV, was THEORETISCH eine Auflösung von 
1,49nV ist.

Allerdings erreicht man das natürlich nicht, und das IC hat diverse 
Eigenschaften wie einen gruseligen DC-Offset (der für Messungen am 
Stromnetz natürlich irrelevant ist), und die geforderte Bandbreite wird 
auch nicht erreicht.

-->Hängt also extrem davon ab, was das Ziel ist.

FPGA schrieb im Beitrag #6598765:
> Nun den tipp dass es mit einem grösseren shunt einfacher gehen würde
> benötige ich nicht, das weis ich selbst auch. Anwendungsbedingt ist es
> aber nicht möglich einen grösseren shunt einzusetzen. Hal sensor etc
> wäre eine alternative aber eigentlich ebenfalls nicht bevorzugt.

Troll.

Du hsst nicht den Hauch einer Ahnung.

Deine 'Anforderungen' sind Prinzessinnenwünsche.

MaWin schrieb:
> Du hsst nicht den Hauch einer Ahnung.
>
> Deine 'Anforderungen' sind Prinzessinnenwünsche.

https://www.youtube.com/watch?v=mXgtGPbP_5M

FPGA schrieb im Beitrag #6598765:

> Dir frage ist wie kann ein 32bit adc sinnvoll sein? sinnvoll eingesetzt
> werden? und was ist möglich?

Vielleicht sieht ja einer einen Sinn dahinter dass man statt, "der 
Rauschanteil durch den Aufbau liegt bei +/- 1%" nach Wechsel auf einen 
32bit ADC sagen kann "der Rauschanteil durch den Aufbau liegt bei +/- 
1,00001%".

Stefan ⛄ F. schrieb:
> Gar nicht. Punkt.

Auf diese Aussage hat die Welt gewartet, haben diesen Deppen von TI 
tatsächlich Millionen falsch investiert, hätten wohl vorher dich fragen 
sollen.
"Strong opinion" ist in den USA übrigens eher nicht gern gesehen.

Stefan ⛄ F. schrieb:
> Gar nicht. Punkt.

Ach, sieh es von der heiteren Seite.
Viele Themeneröffner machen es so, daß sie sich etwas Generelles 
ausdenken und dabei die Probleme der realen Welt dadurch beseitigen, 
indem sie diese einfach weg-abstrahieren. Und siehe da: schon ist das 
Problem auf dem papier gelöst. Wenn es ein 32 Bit ADC nicht schafft, 
nehmen wir eben einen 64 Bit ADC oder besser noch den 128 Bit ADC. 
Fertig ist die Laube.

Du kennst sicherlich die Lösung des Problems: "wie fängt man einen Löwen 
in der Wüste?"
Ganz einfach: man teilt die Wüste in 2 Teile. Den Teil, wo der Löwe 
nicht drin ist, läßt man weg. Dann wiederholt man das Ganze so oft, bis 
der Löwe nur noch Platz für seine 4 Pfoten hat und sich nicht mehr 
rühren kann. Siehste?

W.S.

W.S. schrieb:
> Du kennst sicherlich die Lösung des Problems: "wie fängt man einen Löwen
> in der Wüste?"

Kannte ich noch nicht, nur den:

Wie rettet man sich vor dem Löwen? Indem man mit jemandem läuft, der 
noch langsamer ist als ich. Den wird sich der Löwe schnappen.

W.S. schrieb:
> Ganz einfach: man teilt die Wüste in 2 Teile. Den Teil, wo der Löwe
> nicht drin ist, läßt man weg. Dann wiederholt man das Ganze so oft, bis
> der Löwe nur noch Platz für seine 4 Pfoten hat und sich nicht mehr
> rühren kann. Siehste?

Es ist aber schon bekannt, dass die Fragestellung in der Form recht 
häufig auftritt?
Nämlich beispielsweise bei den erwähnten Smartmetern und dort konkret 
bei der Strommessung (wie vom TE gewünscht). Dort muss die LED-Lampe mit 
2W ebenso korrekt erfasst werden wie das E-Auto mit 22kW.

Und das verlangt eben einen hohen Dynamikbereich. Darum sind Auflösungen 
von 24Bit durchaus gängig, und spezialisierte ADC mit Lösungen für 
Shunts sind vorhanden (ich habe oben einen genannt).
Der ist mitnichten teure Spezialtechnik, sondern kostet unter 10€.

Man kann nicht real existierende und in jedem Haushalt vorkommende 
Bauteile einfach als "technischen Unsinn" klassifizieren.

Ach Leute echt jetzt? Danke an alle die was konstruktives geschrieben 
haben. Kommentare bez us presidentenwahl etc. gehören leider nicht dazu.

Welche Spannung kann dann noch aufgelöst werden? 10uV, 1uV oder gar 
darunter?
Das TI einen Sinnlosen 32Bit adc entwickelt finde ich auch fragwürdig.

FPGA schrieb im Beitrag #6599833:
> Welche Spannung kann dann noch aufgelöst werden? 10uV, 1uV oder gar
> darunter?

Kommmt auf den Schaltungsaufwand an. Schau dir die technische 
Beschreibung der oben genannten Messgeräte an, die so viel wie ein 
Kleinwagen kosten. Das ist in etwas das Ende der Fahnenstange, hinter 
der es absurd wird.

FPGA schrieb im Beitrag #6599833:
> Das TI einen Sinnlosen 32Bit adc entwickelt finde ich auch fragwürdig.

Na dann schauen wir halt mal konkret hin. Auf der TI-Seite finde ich als 
32Bit-ADC den ADS1262/ADS1263:
https://www.ti.com/lit/ds/symlink/ads1263.pdf?ts=1614191587948&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com%252Fdata-converters%252Fadc-circuit%252Fproducts.html

Die liefern nominell 32 Bit. Aber eine entscheidende Frage ist, wie 
viele dieser Bits tatsächlich Information beinhalten und wie viele 
einfach nur rauschen.

Ein Maß dafür ist die effektive Auflösung (ENOB). Die hängt von den 
konkreten Einstellungen der Umsetzung ab. Im allerbesten Fall erreicht 
sie bei den ADS126x zwischen 26-27 Bit. Das ist ein extrem guter Wert. 
Aber es bedeutet eben auch, dass selbst im besten Fall die unteren 5-6 
Bit nur Rauschen beinhalten. (und bei weniger optimalen Einstellung 
gehen die ENOB bis auf 14 runter - mehr als die Hälfte der nominellen 
Bits zeigen dann nur Rauschen an).

Die Zahl von 32 Bit kommt wohl aus der Breite der Register im digitalen 
Filter dieses ADCs. Da sind die niederwertigsten Bits wichtig, damit 
sich Rundungsfehler nicht zu stark aufaddieren. Bei der Ausgabe des 
digitalisierten Werts könnten sie aber auch ohne Informationsverlust 
weggelassen werden. Dann wären wir bei einem bestenfalls 26Bit ADC, und 
in dieser Gegend (um 24 Bit) gibt es tatsächlich einige ADC-Kandidaten 
für ernsthafte Anwendungen.

Die 26-27 effektiven Bits erreicht der TI-ADC übrigens nur bei minimaler 
Signalverstärkung (ungünstig für deine kleinen Signale) und einer 
Sample-Rate unter 10 Samples/s (ungünstig für deine gewünschte 
Bandbreite). Weil der digitale Filter eben über sehr viele 
Überabtastungen mitteln muss um diese extreme Auflösung zu erreichen. 
Für deine gewünschte Bandbreite von 10kHz erreicht auch dieser 32Bit ADC 
effektiv nur noch 15 Bit Auflösung. (falls deine Schaltung optimal ist 
und nicht weitere Bits kostet). Das gibt dir vielleicht ein Gefühl 
dafür, was technisch tatsächlich möglich ist.

Danke Achim

24bit+ ohne vorverstärkung sind bereits ca 100-200nV, sehr gut, für 
meine anwendung mit wenigen S/s zu langsam.

Meine frage noch:
mit einigen kHz bandbreite bin ists grob vergleichbar zum Audiobereich. 
Existiert diesbezüglich etwas das evtl  ca 1uV effektiv auflösen 
(20+bit) könnte.

Oder wie würdest du es angehen wenn du ca 1uV Auflösung mit 10ksps 
abtasten möchtest? (evtl inkl. vorverstärkung).

Oder bleibt bei allen ADC/vorverstärkungslösungen ca 15 bit das limit, 
und ist somit die spezifikation nicht mit vernünftigem Aufwand 
erreichbar?

FPGA schrieb im Beitrag #6600037:
> Oder wie würdest du es angehen wenn du ca 1uV Auflösung mit 10ksps
> abtasten möchtest? (evtl inkl. vorverstärkung).

Wenn du dich UNBEDINGT 3mm außerhalb dessen bewegen musst, was für 
gängige Anwendungen wie Smartmeter von der Stange verfügbar ist ist, ist 
das möglich. Analog hat eine ganze Latte von passenden ADC, wie andere 
Hersteller auch. Hier gibts eine Liste:
https://www.analog.com/en/parametricsearch/11007#/p7=24|32

Beispiel:
https://www.analog.com/en/products/ad7765.html
Das wäre ein Sigma-Delta-Wandler mit 24Bit >100kSPS, Kostenpunkt 11€.

Aber da wirst du wohl einen Verstärker dranbauen müssen, denn der nimmt 
+-2,5V. Auch das ist kein Hexenwerk, Analog hat eine ganze Liste an 
differentiellen Verstärkern für sowas.

Ich würde keinen Audio-Wandler verwenden, weil die keinen Eingang für 
eine Referenz haben. Die wird man zum Strommessen aber brauchen.

Und ich an deiner Stelle würde erst noch mal suchen. Der genannte ADC 
kann die Anforderungen erfüllen, aber ideal ist er vielleicht nicht. 
Eventuell hat ein anderer Hersteller einen spzialisierten Strommess-ADC 
mit den nötigen Daten und integriertem Analog-Frontend für Shunts...

Das mit den Modulen wird nix mit 24Bit, aber das hat man dir ja deutlich 
gesagt.

FPGA schrieb im Beitrag #6600037:
> Oder bleibt bei allen ADC/vorverstärkungslösungen ca 15 bit das limit,
> und ist somit die spezifikation nicht mit vernünftigem Aufwand
> erreichbar?

ich kenne zumindest keinen ADC der das von sich aus (ohne entsprechende 
Vorkonditionierung der Signal) schafft. Der auch genannte AD7765 läge 
nach meiner überschlägigen Rechnung bei einem Effektivwert des Rauschens 
von ca. 20µV. Ob sich durch den eingebauten Diffamp die Situation 
merklich verbessern ließe, sehe ich dem Datenblatt auf die Schnelle 
nicht an. Da ist Fleißarbeit gefragt, ebenso bei der Recherche nach 
besseren Lösungen.

FPGA schrieb im Beitrag #6600037:
> Oder wie würdest du es angehen wenn du ca 1uV Auflösung mit 10ksps
> abtasten möchtest? (evtl inkl. vorverstärkung).

Ich würde zuallererst mal meine Anforderungen in Frage stellen und 
klären, was wirklich nötig ist. Ich hoffe du hast Verständnis dafür, 
dass es nicht gut ankommt, wenn schwer oder gar nicht erreichbare 
Ansprüche gestellt werden, aber nicht begründet wird, wodurch diese 
zustande kommen sollen. Es wirkt wie die Wünsche von jemanden, der von 
der Materie nicht zu viel Ahnung hat, und halt einfach mal was fordert, 
von dem er nicht weiß, was es wirklich bedeutet. Oben fiel mal das 
Stichwort "Prinzessinnenwünsche", das passt imho ganz gut.

Also, was von deinen Anforderungen sind wirklich Anforderungen und was 
nur unreflektierte Wünschträume? Brauchst du wirklich 10kHz Bandbreite? 
Oder musst du bei 10kHz messen, könntest aber auch mit einer geringeren 
Bandbreite messen? Wäre evtl. ein Lock-In Prinzip anwendbar (ein 
Standard-Weg, wenn man noch Signal aus dem Rauschen rausfischen will)?

Wie groß muss die Dynamik deiner Messung sein? Welchen Wert hat das 
maximale Signale, bei dem du noch 1µV auflösen willst?

Muss die Messung DC-genau sein oder kannst du evtl. AC-koppeln? Dann 
könntest du auf diesem Weg das 1/f-Rauschen vieler Komponenten 
vermeiden. Und der oben schon mal vorgeschlagene Breitband-Transformator 
zur Signalaufbereitung wäre ggf. eine Option. (Deine Quelle ist ja sehr 
niederohmig, dein ADC-Eingang eher hochohmig, da lässt sich mit 
entsprechendem Übersetzungsverhältnis was gewinnen).

Am zielführendsten wäre wie so oft, du würdest deine eigentliche 
Messaufgabe schildern statt den von dir vermuteten Lösungsansatz.

Eventuell erlaubt die Aufgabe eine Umschaltung des Messbereichs, wie es 
jedes Multimeter kann.

>Welche Spannung kann dann noch aufgelöst werden? 10uV, 1uV oder gar
darunter?

Aufloesung ist nicht gleich Genauigkeit. Und dann gibt's noch 
Technologien, um das Signal aus dem Rauschen zu holen.