Atmega + Temperaturdiode, optimale Schaltung?

@ Pöhli

> Die Genauigkeit und Auflösung sollte bei 0,5K liegen, Messbereich

Auflösung ist kein Problem, GENAUIGKEIT schon eher. Ohne Kalibrierung 
wird das kaum was.

Wenn es darum geht die Temperatur so genau zu messen -> digitaler 
Temperatursensor, den hat der Hersteller kalibriert.

Wenn es aber unbedingt diese Schaltung sein soll, dann würde ich Plan 1 
vorziehen. Geht mit einem (Präzisions) OPV.

MFG
Falk

das mit der Kalibrierung bekomme ich hin, PT100 4-Leiter als 
Referenzmessgerät ist vorhanden.

Ja, es muss die Schaltung mit der Diode sein, die Diode steckt in einem 
Sensormodul mit drin.

Hallo Pöhli,

ohne eine zusätzliche Analogschaltung wirst du wohl nicht auskommen. 
Wenn ich von deiner Temperaturänderung von 50K ausgehe, entspricht dies 
einer Spannunsgänderung von rund 100mV über den gesamten Bereich. Mit 
einem ADC-Eingang 0..5V und einer Auflösung von 10 Bit kommst du im 
Idealfall auf rund 5mV pro LSB, was bei deiner Sensor-Diode schon über 
2K pro LSB entspricht.

Deine Schaltung muss also die Flussspannung bei 5°C subtrahieren und 
dann etwa 50-fach verstärken, um den vollen Bereich des ADC ausnutzen zu 
können.

Gruß,
Alexander

@ Alexander

ja, das Problem ist mir bewußt. Deswegen hatte ich die Sache mit ADC - 
Differenzeingang und interner 10x gemacht.

Also einen Dual OPV nehmen, den ersten als Subtrahierer, den zweiten als 
Verstärker. Wobei 50-fach nicht so gut ist. Besser wäre wohl eine 
Verstärkung wo ich immer auf 2^n komme, wegen der Rechnerei. Also dann 
16Bits/K zB.
Ich kann halt nicht einschätzen ob ich durch das subtrahieren und 
verstärken  bei Temperaturänderung (Genauigkeit der Faktoren und 
Bauelemente) nicht im Endeffekt genauso ungenau bin wie bisher.

Ich hoffe das noch jemand mit Plan 3 kommt :-) und irgendeinen eleganten 
Trick in der Hinterhand hat. Derzeit geht das ganze ohne zusätzlichen 
IC, nur ein paar Wiederstände zu dem sowieso benötigten UREF IC.

Ich frag mich gerade, warum es unbedingt eine Diode sein muss-- es gibt 
doch auch diese billigen, näherungsweise linearen Temperaturfühler KTY 
oder so ähnlich.

Ist die Diode eine Photodiode, integriert in einer Laserdiode?
Na ob das funktioniert?

@Pöhli

> Also einen Dual OPV nehmen, den ersten als Subtrahierer, den zweiten als
> Verstärker. Wobei 50-fach nicht so gut ist. Besser wäre wohl eine

Naja, die klassische Addierschaltung arbeitet invertierend, d.h. der 
zweite OPV müsse wieder zurück invertieren. Braucht ggf. Dual supply :-0

> Verstärkung wo ich immer auf 2^n komme, wegen der Rechnerei. Also dann
>16Bits/K zB.

Kann mann machen. Kleiner Hinweis. Man speicht meist von LSB/K oder 
LSB/mV.
16bit/K ist irreführendund ungebräuchlich.

> Ich kann halt nicht einschätzen ob ich durch das subtrahieren und
> verstärken  bei Temperaturänderung (Genauigkeit der Faktoren und
> Bauelemente) nicht im Endeffekt genauso ungenau bin wie bisher.

Nun, die OPVs sollten was taugen. Geiz ist nicht geil. Für die 
Aussenbeschaltung kann man sich dahingehen trösten, dass die Widerstände 
ratiometrisch wirken. Wenn sie also den gleichen Temperaturkoeffizeinten 
haben und nah beieinader sind (gleiche Temperatur), sollte es schon 
passen.

MFG
Falk

Korrigiere mich, verstärkender Subtrahierer geht ja auch, also nur 1 OPV

Hallo Pöhli,

wenn ich äußere Problemchen in die MCU, sprich in die Software verlagern 
kann, dann beschreite ich diesen Weg. Da Du von einem ATMega sprichst, 
sollte es auf ein paar Byte nicht ankommen. Die Erfassung der T via 
Schwellspannung bei konstantem Strom verspricht eine sehr gute 
Linearität bei minimalen Kosten. Die großen Chiphersteller machen es 
auch nicht anders. Um Deinen Bereich zu überstreichen, muss Deine MCU 
etwas genauer wandeln, der Rest ist Mathematik. Um den Abgleich wirst Du 
nicht herumkommen, aber auch hier reichen zwei Punkte. Genauigkeiten bis 
16Bit erreichst Du mit Oversampling (Applikation Note AN121). Dir 
reichen sicher 12Bit, geht dann auch schneller, wobei es bei thermischen 
Prozessen nicht auf ein paar ms ankommt. Du kannst mit Uref auch weiter 
runter gehen, 1,023V sind ein Bit/mV bei 10Bit. So sparst Du den ganzen 
analogen Bereich, der ja auch wieder Fremdfaktoren (Drift, Offset..) 
mitbringt.

Grüße
Lothar

>1,97V/K Temperaturabhängigkeit mit
nem ATmega über den ADC zu messen.
Meinst du 1,97mV/K?

>Plan ist, in die Diode einen Konstantstrom einzuprägen (so wenige µA
>wegen Eigenerwärmung, mittels RefSpannungsquelle und
>Präzisionswiederstand)

Das brauchst du nicht.
Stattdessen würde ich so machen:

 AVCC          AVCC
  |             |
 ---           ---
  1             1
  0             0
  K             K
 ---           ---
  |-|8K|-.-|2K|-.--ADC1
  |      |      |
 __    A     ---
 \  /    D     |1| Poti
  \/     C     |K| Einstellbar
 ----    0     ---
   |            |
  AGND        AGND

Diode und Widerstände bilden eine Brückenschaltung.
Mit dem Einstellbaren Widerstand(Poti) ist  auch Nullpunkt einstellbar.
Einfach Diode ins Wasser mit Eis eingeben(0°C) und Brücke einstellen
dass der Spannung zwischen  Diode und Poti 0 ist.
Spannungsänderung ist dann  98,5mV bei Temperaturänderung
 von 50°C.
Ein 1 zu 5 Spannungsteiler zwischen Diode und Poti Einsetzen(z.B. 8K und 
2K).
Analogeingänge ADC0 und ADC1 an 2K Widerstand anschließen.
Differential Analogeingänge benutzen mit Gain 200.
Aref auf 4,026V einstellen.
Dann ist die Eingangs-Spannungsbereich +-20,13mV.
-20,13mV >ADCW=-512
0,0mV>ADCW=0 //0°C
+19,7mV>ADCW=500 //50°C
+20,13mV>ADCW=511

Auflösung beträgt dann 0,1°C.

Branko

Branko Golubovic schrieb am 14.12.2006 um 15:02 Uhr

> Differential Analogeingänge benutzen mit Gain 200

Ich fürchte "Differential Analogeingänge mit Gain 200"
wird extrem ungenau, Drift usw. Die Genauigkeit ist schon laut 
Datenblatt nicht toll.

Diode grundsätzlich: Soll denn jedes Gerät einzeln abgeglichen werden?
Wird ja wohl nötig sein.

Gruß

Stefan Salewski

@ Stefan: ja es muß die Diode sein weil sie nun mal in einem 
hochintegrierten Sensor drinsteckt.

@ Falk ... Addierschaltung? Ich hatte eigentlich eine nicht 
invertierende  verstärkende Subtrahierschaltung vor Augen, dachte sowas 
mal gesehen zu haben. (WIKIPEDIA?)

@ Lothar: ich höre und lerne... also wenn das mit 12bit Oversampling 
geht in Verbindung mit Absenkung der Uref wäre das schon toll.

Ohne das ich da Profi bin frage ich mich aber ob das nicht mit einem 
ähnlichen Verlust an Genauigkeit behaftet ist, denn ich löse einen 
kleineren Bereich höher auf, und das mit den gleichen Komponenten. Da 
muß es doch Grenzen geben wo das dann keinen Zugewinn an realer 
Genauigkeit mehr bringt...

Ich hatte auch schon mit dem Gedanken gespielt ADC-GND auf 0,4V und 
ADC-REF auf  0,6V zu setzen, da löse ich dann 0,2V mit 1000LSB auf . 
Glaub aber nicht  so recht das das brauchbare Ergebnisse liefert und bin 
nicht sicher das das möglich ist.

@Pöhli

>  Falk ... Addierschaltung? Ich hatte eigentlich eine nicht
> invertierende  verstärkende Subtrahierschaltung vor Augen, dachte sowas
> mal gesehen zu haben. (WIKIPEDIA?)

Addieren, subtrahieren. Ist alles das Gleiche. Wen kümmert schon das 
Vorzeichen? ;-)

> @ Lothar: ich höre und lerne... also wenn das mit 12bit Oversampling
> geht in Verbindung mit Absenkung der Uref wäre das schon toll.

Vorsicht, das hat alles Grenzen. Vor allem die versprochen 16 Bit halte 
ich für etwas optimistisch. 12, naja vielleicht.

> Ohne das ich da Profi bin frage ich mich aber ob das nicht mit einem
> ähnlichen Verlust an Genauigkeit behaftet ist, denn ich löse einen
> kleineren Bereich höher auf, und das mit den gleichen Komponenten. Da
> muß es doch Grenzen geben wo das dann keinen Zugewinn an realer
> Genauigkeit mehr bringt...

Genau, nennt sich Rauschen.

> Ich hatte auch schon mit dem Gedanken gespielt ADC-GND auf 0,4V und
> ADC-REF auf  0,6V zu setzen, da löse ich dann 0,2V mit 1000LSB auf .
> Glaub aber nicht  so recht das das brauchbare Ergebnisse liefert und bin
> nicht sicher das das möglich ist.

Ist viel Gefummel und bringt kaum was. Nimm nen Präzions-OPV und die 
Subtrahier-Verstärkerschaltung. Vref 5V (oder 3.3). Dann hat nämlich der 
ADC (der nun auch nicht zu den besten 10-Bittern der Welt gehört) mehr 
Luft und Spannungshub, und misst somit weniger sein eigenes Rauschen und 
Nichtlinearitäten.

MFG
Falk

boah, ich kann gar nicht so schnell durchdenken und antworten wie 
geschrieben wird.

@ Steffan: ja, Geräteeinzelabgleich ist akzeptabel

@Branco: also das muß ich mir erst mal in Ruhe durchdenken, morgens am 
besten :-), klingt auf den ersten Blick interessant. Wobei ich mit der 
Genauigkeit der internen Verstärkung bisher keine guten Erfahrungen 
gemacht habe, von der Runterstufung auf 8bit noch abgesehen.

@Stefan
>Ich fürchte "Differential Analogeingänge mit Gain 200"
>wird extrem ungenau, Drift usw. Die Genauigkeit ist schon laut
>Datenblatt nicht toll.
Laut Datenblatt ist die Genauigkeit 0,2%(Gain Error bei Gain=200)
und Offset Error Typ. 4,5LSB und lass sich kompensieren.

Branko Golubovic schrieb am 14.12.2006 um 16:07 Uhr:

> Laut Datenblatt ist die Genauigkeit 0,2%(Gain Error bei Gain=200)
> und Offset Error Typ. 4,5LSB und lass sich kompensieren.

Ich weiß jetzt nicht genau auf welches Datenblatt Du Dich beziehst -- 
ich hatte es mir mal bei dem ATtiny26 genauer angesehen und habe gerade 
das Datenblatt des AT90USB vor mir. Ich denke das ist im Prinzip alles 
sehr ähnlich, bloß das ältere AVRs Gain 200 und differentielle Messung 
nicht können.

Bei Resolution ist für "Single Ended Conversion" 10 Bit, bei 
"Differential Conversion, Gain 200x" 7 Bit angegeben. Das klingt schon 
mal nicht so gut. Die übrigen angegebenen Fehler sind wohl alle auf 
"Single Ended Conversion" bezogen. Über Drift schreiben sie nichts, das 
ist schon mal sehr verdächtig.

Ich habe als Kind mal so eine Schaltung wie Du sie vorschlägst mit 
einfachen OPs (741) aufgebaut, Abgleich Eiswasser und Wasserdampf. Durch 
(Temperatur)-drift haben die Messwerte um +- 2 Grad geschwankt, der 
tatsächliche Messfehler war wahrscheinlich noch größer wegen anderer 
Effekte. Besser als die 741 werden die internen Verstärker der AVRs kaum 
sein.

Gruß

Stefan Salewski

Peter Dannegger schrieb am 14.12.2006 um 17:07 Uhr:

>Wenn digitale Sensoren (DS18B20) preislich ausscheiden, nimm den LM335
>(Reichelt: 0,87€), das ist quasi ne Z-Diode mit 10mV/°K, einfach nen
>Vorwiderstand an VCC und gut is.

Danke für den Tipp. Sind die LM335 besser als die KTY?

Aber der ursprüngliche Fragesteller hatte auf meine Nachfrage ja schon 
geantwortet:

>ja es muß die Diode sein weil sie nun mal in einem
>hochintegrierten Sensor drinsteckt.

Hallo,
10mV/K wie es Peter vorschlägt, bringt einen wesentlich besseren 
Spannungshub. Wenn die Diode aber - weil intern - vorgegeben ist, musst 
Du wohl mit 100mV auskommen. Oversampling habe ich vorgeschlagen, weil 
sich die Hardware nur minimal vergrößert. 16Bit halte ich auch für sehr 
optimistisch, irgendwann teste ich das mal. Laut Abtasttheorem sind, 
wenn die Anzahl des Messwerte hoch genug ist, noch höhere Genauigkeiten 
möglich. Für 16Bit schon mal 4096. Schau Dir AVR121 mal an, die Software 
sieht gut aus, die Schaltung weniger. Uref muss eben mit einem Dreieck 
überlagert werden. Muss auch nicht vom PWM kommen. Wenn Hardware nicht 
das Problem ist, der LT2400 macht auch 24Bit, braucht fast keine Strom, 
ist mini (SO08), hat SPI, kostet halt knapp 10€.
Gruß Lothar

@Lothar

> 16Bit halte ich auch für sehr optimistisch, irgendwann teste ich das
> mal. Laut Abtasttheorem sind, wenn die Anzahl des Messwerte hoch genug
> ist, noch höhere Genauigkeiten möglich.

????
Das Abtasthteorem hat damit wohl weniger zu tun.

> Für 16Bit schon mal 4096. Schau Dir AVR121 mal an, die Software

???
16 Bit sind bei mir 65536 Werte. 4096 sind 12 Bit.

> sieht gut aus, die Schaltung weniger. Uref muss eben mit einem Dreieck
> überlagert werden. Muss auch nicht vom PWM kommen. Wenn Hardware nicht
> das Problem ist, der LT2400 macht auch 24Bit, braucht fast keine Strom,
> ist mini (SO08), hat SPI, kostet halt knapp 10€.

Halte ich für maximalen Overkill. Selbst "lausige" 10 Bit Auflösung bei 
0-55C sind immerhin 0,053 C Auflösung. Das ist mehr als genug. Noch 
bissel Mittelwertbildung um das Rauschen zu dämpfen und gut ist. Man 
sollte nicht immer eierlegende Wollmilchsäue erschaffen.

MFG
Falk

Hallo Falk,

das die 10Bit ohne zusätzlichen Aufwand nicht reichen ist ja Pölis 
Problem. Der Spannungshub, den die Diode liefert liegt bei ca. 100mV. Es 
gibt also nur die Möglichkeit analog verschieben und verstärken, oder 
die Stufen im Fenster feiner zu machen. Was unterscheidet 
Mittelwertbildung von Oversampling??
Samples und Auflösung sind zwei paar Schuhe. Wenn wir darüber 
diskutieren, was 2^16 ist, dann bin ich im falschen Forum. Wenn ich 
einen 10Bit Wandler habe, und 16Bit brauche, muss ich nach 
(entschuldige) Nyquist-Shannon Abtasttheorem aus 4^n Messwerten den 
Mittelwert bilden. N=6 (16Bit-10Bit) --> 4^6=4096  bei 12Bit noch 16. 
Wir wollen Pöhli aber nicht mit Signaltheorie zutexten, sondern ein paar 
Möglichkeiten aufzeigen. Der LT2400 war halt das andere Extrem, wie 
man's übertreiben kann. Ich habe - durch einen Tip aus dem Forum - einen 
"Christmas Tree" am PC, gesteuert von einem ARM7.... Overkill vom 
Feinsten, aber Online. Embeddet Artists macht möglich ... für Euro 14,99 
+ Shipping + Tax.

Grüßle
Lothar

@Lothar

> Samples und Auflösung sind zwei paar Schuhe. Wenn wir darüber
> diskutieren, was 2^16 ist, dann bin ich im falschen Forum. Wenn ich

Wohl wahr. Aber ich versteh deine Aussgae immer noch nicht.

> einen 10Bit Wandler habe, und 16Bit brauche, muss ich nach

Braucht er den? Ach so, ohne Vorverstärker.

> (entschuldige) Nyquist-Shannon Abtasttheorem aus 4^n Messwerten den
> Mittelwert bilden. N=6 (16Bit-10Bit) --> 4^6=4096  bei 12Bit noch 16.

????
Das wäre mir ganz neu. Das Abtasttheorem von Shannon sagt was über die 
Abtastfrequenz und Signalfrequenz aus (f_Sample >= 2* f_signal), aber 
praktisch nichts über die Quantisierung der Amplitude (10/16 Bit 
AD-Wandler)

MFG
Falk

Dann nenn es eben Abtasttheorie. Die als Nyquist-Frequenz bekannt 
gewordene Formel ist ein kleiner Teil einer Theorie und beschreibt f_min 
einer Abtastung. Die komplexe Theorie beschreibt aber viel mehr, auch 
das Oversampling, Quantisierungsfehler, Quantisierungsrauschen...
Die Formel exakt 2^2^n kommt auch aus der Ecke.
Das ich 16Bit angenommen habe war als Beispiel und wie die erreicht 
werden können. Das andere Beispiel waren 12Bit, die für das dargestellt 
Problem vielleicht ausreichen. Da die im AVR angewandte sukzessive 
Approximation schon verfahrensbedingt Grenzen hat, würde ich, wenn Zeit 
da ist, das für die gewünschte Genauigkeit erforderliche Oversampling 
ausprobieren. Atmel gibt 0,5LSB Linearitätsfehler und 2LSB Absolutfehler 
an, unter optimalen Bedingungen.

Ich glaube ich muss mich hier doch noch ein (letztes) mal zu Wort 
melden, weil hier einige Leute extrem digital denken.
Was nützt denn eine noch so feine digitale Auflösung, wenn einem der 
Temperaturdrift des zu messenden (Analog)-Signals alles kaputt macht?
Selbst wenn man ganz auf Vorverstärker verzichtet (auch auf die internen 
der AVRs) hat man noch zwei Driftquellen: Referenzspannung und den in 
die Diode eingeprägten Konstantstrom. Beide können merklich 
temperaturabhängig sein.
Und die AD-Wandler der AVRs sind wahrscheinlich auch bei Gain=1 
temperatursensitiv, zudem kann alles noch von der Versorgungspannung 
abhängen.
Ich denke, wenn man einen Fehler von weniger als 1% will (0,5 Kelvin im 
Bereich 0 bis 50 Grad Celsius), und nur das kleine Diodensignal von 
2mV/K hat, dann braucht man sehr präzize Analgteile. Prazions-OPs bzw. 
Instrumentenverstärker usw.

Gruß

Stefan Salewski

Ah, na ich hatte ja geahnt das zu dem Beitrag einige was beitragen :-)

Ich bin weder echter Digitaltechniker noch Analoger, aber die 
Meinungsverschiedenheit der beiden Lager spiegelt im wesentlichen ja 
auch meine Überlegungen wieder bezüglich das praktisch ( und halt nicht 
nur theoretisch) erfolgreicheren Wegs.

AD8555 sagt mir im Moment nix, nehm ich mir am Mo mal zur Brust.

Ich stell am Mo mal eine Variante mit analoger Vorverstärkung online, so 
von wegen Dimensionierung der Widerstände und Eingangswiderstand der 
Schaltung und so...vieleicht hilft das noch etwas zur Bewertung.
Bis dahin danke für die zahlreichen konstruktiven Kommentare bisher 
(..und die hoffentlich noch folgenden)

Pö

So, ich hatte noch was gefunden  - ein App Note von BB  ( AB-036: 
Diode-Based Temperature Measurment, Figure 4). Kann ja nicht so schlecht 
sein wenns von BB kommt...., also hab ich mal einen dementsprechenden 
Entwurf gemacht. Die Anforderungen an die Trimpotis sind aber reichlich 
hoch. 6,372K und 441,5k einzustellen wird mit einem Poti kaum klappen...

Damit ist die Theorie:

50 °C = 5,0V = 1000LSB
1000LSB/2 = 500LSB = 50,0°C

Naja, sieht ganz brauchbar aus. Allerdings würde ich das "analoge" 
Kalibrieren sein lassen und einfach präzise (1%) Festwiderstände 
einbauen. Kalibriert wird dann mittels Zweipunktmessung (0/50C) und 
digitaler Korrektur.

MFG
Falk

Ach so, beim nächste Mal bitte als GIF oder PNG speichern. Auch im DSL 
Zeitalter sollte man eine gewisse Bandbreitendisziplin beherzigen.

MFG
Falk

Naja, 2mV/K x 20 sind bei mir 40 mV/K.

Kritsch sehe ich die Verwendung von R5 als Offset-Generator. In welchen 
Temperaturbereich arbeitet denn die Schaltung? Im gleichen wie der 
Sensor? D-h. dann aber auch, dass die Temperaturdrift von R5 eine Drift 
dess Offsets hervorruft. Besser wäre hier eine (driftarme) 
Konstantspannungsquelle und ein Spannungsteiler. Der ist nämlich 
prinzipbedingt wesentlich unanfälliger, wenn beide Widerstände den 
gleichen Temperaturkoeffizienten haben und die gleiche Temperatur 
aufweisen. Dieses Prinzip greift bei R1 und R4.

Ansonsten kann ich mich nur der Aussage von Stefan Salewski 
anschliessen.

MfG
Falk

> Die Probleme mit R5 sehe ich eigentlich nicht so kritisch, REF200 ist
> eine Konstantstromquelle, und wenn ich für R5 einen 0,1% mit geringer
> T-Drift nehme sollte sich das ganze in Grenzen halten.

Nun, welchen TK hat die Konstantstromquelle? Welchen TK hat R5? Der 
Absoltwert von R5 ist zweitrangig.
Zahlen, Zahlen, Zahlen.

MfG
Falk

P.S. Mal so ein Schuss ins Blau. Ein TK von 50ppm/K macht bei 50K dT 
schon mal 2500 ppm = 0,25%! Damit ist deine 10Bit Genauigkeit locker im 
A*****