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Forum: Digitale Signalverarbeitung / DSP Externer 16bit-ADC mit Sample and Hold für 3 Signale


Autor: Christian Kito (cateye030)
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Hallo Leute,
ich hab mir verschiedene 16-bit ADC's mit mehreren Eingängen (mind. 3 
Eingänge) bei Maxim, Analog Devices, TI u.a. angeschaut. Dort ist aber 
immer nur die Rede von Multiplexern. Ich habe nix davon gelesen das die 
alle Kanäle gleichzeit samplen können. Kann ich vergessen einen ADC zu 
finden der sowas kann?
Die Sample-Rate sollte nicht kleiner als 5 kSPS pro Kanal sein und er 
sollte auch eine SPI-Schnittstelle haben.

Autor: Bastian (Gast)
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Hallo,

ich würde mir mal überlegen, ob nicht einfach ein schneller AD-Wandler 
ausreicht. Wie sehen denn die drei Signale aus und vorallem wie schnell 
ändern die sich. Ist es nicht vielleicht egal, dass ein kleiner Versatz 
von ca. 100ns zwischen den Kanälen auftritt und man somit ohne S&H 
auskommt? Denn 5kSPS klingt ja nicht gerade schnell...

Grüße Bastian

Autor: Christian Kito (cateye030)
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Hallo Bastian,
ich möchte die 3 Phasenströme eines Motor mittels 3 Rogowskispulen 
messen.
Anhand des Summenstroms will ich erkennen ob ein Erdschluss- Fehlerstrom 
vorliegt. Dafür wäre es eben optimal 3 Samples gleichzeitig zu nehmen um 
nicht durch den Versatz der Messungen einen Fehlerstrom zu berechnen der 
gar nicht existiert. Es ist nicht so einfach die max. 
Änderungsgeschwindigkeit vorauszusagen da es bei einem Motor ja auch 
recht hohe Anlaufströme (max. 7-facher Nennstrom) gibt.
Ich werde mal den Taschenrechner bemühen.
Danke nochmal für Deine schnelle Antwort.

Autor: Detlef _a (detlef_a)
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>>Dafür wäre es eben optimal 3 Samples gleichzeitig zu nehmen um
nicht durch den Versatz der Messungen einen Fehlerstrom zu berechnen der
gar nicht existiert. <<

5ks/s ist Faktor 100 von den 50Hz Wechselspannung weg, da solltest Du 
locker einen gemultiplexten Wandler nehmen können. Wenn Dein 
Fehlerstrom-Algorithmus solchen Fehler nicht abkann, kommt er auch mit 
anderen Störungen nicht zurecht. Bißchen robust muß sowas schon sein, Du 
wirst mit Deinen Spulen jede Menge Dreck mitmessen.

Cheeers
Detlef

Autor: Bastian (Gast)
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Hallo Christian,

über die gleiche Methode habe ich in meiner Diplomarbeit Lagerströme 
diagnostiziert, allerdings liegen deren Frequenzen im Bereich von 100kHz 
bis einigen MHz. Um eben das Problem eine wirklich gleichzeitigen 
Erfassung der drei Phasenströme zu gewährleisten, hab ich einfach eine 
hochwertige Stromzange (bis 50MHz) um alle drei Leitungen gelegt. Somit 
wurde die Summe der drei Ströme schon "analog" gelöst.

Bedenke das ein Motor einen induktiven Charakter hat, somit kann sich 
der Strom einfach nicht schnell ändern ;-)

Gruß Bastian

Autor: Christian Kito (cateye030)
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@Bastian:
Eine Summenstromspule wäre sicher die einfachste Lösung. Die habe ich 
aber leider nicht zur Verfügung, bin also auf eine Berechnung aus den 
Phasenströmen angewiesen.

@Detlef:
Zitat:
>>5ks/s ist Faktor 100 von den 50Hz Wechselspannung weg, da solltest Du
>>locker einen gemultiplexten Wandler nehmen können
Wenn ich einen Nennstrom von 320A annehme und einen 7-fachen maximalen 
Anlaufstrom dann habe ich eine Änderung von
ca. 140 A in 0,2 ms (5 kSPS),
ca. 14 A in 0,02ms (50 kSPS).
Wenn ich mir das nur für den Nennstrom von 320A anschaue komme ich auf:
ca. 20 A in 0,2 ms (5 kSPS),
ca. 2 A in 0,02ms (50 kSPS).
Da ich aber auf mind. 1 A genau messen will reicht ein Multiplex-Wandler 
mit einer Summenabtastrate 3*50KSPS=150 kSPS nicht aus. Oder hat sich 
bei mir ein Denkfehler eingeschlichen?
Die Fehler des ADC's, der Verstärker und Referenzspannung werden mir 
sicherlich auch noch Probleme bereiten. Rauschen will ich mittels 
digitaler Filter (FIR) beseitigen.

Ich denke gerade darüber nach ob ich evtl. 3 externe ADC's nehmen sollte 
und diese dann gleichzeitig anstosse (über einen digitalen Eingang oder 
SPI).

Autor: Bastian (Gast)
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Ich glaube der Denkfehler liegt beim Verständnis des AD-Wandlers.

Wenn ich dich richtig verstanden habe, dann brauchst du 5k Werte pro 
Sekunde pro Kanal. Wenn du nun einen AD-Wandler nimmst, der genau 15k 
Werte pro Sekunde wandlen kann, ist natürlich klar, dass zwischen den 
Wandlungen ein Zeitraum von ca. 66µs liegt (1/15000). In diesem Zeitraum 
haben sich die Ströme in den einzelnen Phasen stark verändert.
Wenn du nun einen AD-Wandler nimmst, der sagen wir mal 1MSPS schafft, 
dann liegen zwischen den Werten nur noch 1µs.
Jetzt rechne mal aus, wie stark sich der Strom in dieser Zeit geändert 
haben könnte. Dazu sind noch einige Parameter deiner Versuchsanlage 
interessant (Maschine, Netzspeisung, Umrichter...).
Als Beispiel einfach mal ein paar Werte (11kW ASM):
Zwischenkreisspannung: 560V
Statorinduktivität: 300mH
delta_t: 1µs (für AD-Wandler mit 1MSPS)

delta_i = 560V  1µs  1/300mH = 1.866mA

Also ändert sich der Strom maximal um knapp 2mA zwischen zwei Messungen. 
Ich denke, dass ist ein akzeptabler Wert ;-)


Deine Rechnung verstehe ich allerdings nicht. Wenn ich einfach mal davon 
ausgehe, die Maschine hängt direkt am Netz und der Phasenstrom ist 
sinusförmig (Amplitude 20A), dann kann ich damit genau den Strom zum 
nächsten Abtastzeitpunkt (delta_t) berechnen (ausgehend vom 
Nulldurchgang).

delta_i = 20A * sin(2*pi*50Hz * delta_t)

Für ein delta_t von 20µs (also 50kSPS) ergibt sich ein delta_i = 126mA.
Nimmst du nun den schnellere AD-Wandler (1MSPS) sinkt die Stromänderung 
auf 6.2mA.  Ich denke mit diesen Werten kann man gut leben.


Ich hoffe, es ist ein wenig deutlicher geworden.



Autor: Detlef _a (detlef_a)
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Hallo Christian
>>Oder hat sich bei mir ein Denkfehler eingeschlichen?

ne, ich komme auf Deine Werte (Bastians Rechnung verstehe ich dafür 
nicht). Wenn Du so genau messen willst muß Du die Abtastzeitpunkte 
betrachten. Wenn der Zeitversatz Deiner multiplexten ADs genau ist, 
sollte man das allerdings rückrechnen können. Ansonsten externen, 
synchronen Sample/Hold und dahinter gemultiplexten Wandler. 7*300A ist 
4000A peak/peak, 1A ist davon 1/4 Promille, das ist ne 
Ultrapräzisionsgerät.

Cheers
Detlef

Autor: Christian Kito (cateye030)
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Danke erstmal für Eure Antworten:

@ Detlef:
von der Vorstellung den Strom bei 4000A auf 1A genau zu messen habe ich 
mich schon verabschiedet ;). Ich werde wahrscheinlich 3 externe ADC's 
einsetzen, da es nur 6-kanälige ADC's mit jeweils einem Sample & Hold 
pro Kanal gibt und diese wahrscheinlich unbezahlbar sind (jenseits von 
50 EUR). Bei den Einzelnen ADC's ergibt sich aber das Problem diese 
genau zu sychonisieren...

@ Bastian:
bei 320A Nennstrom habe ich aber bei 50kSPS Abtastrate schon 2A 
Stromanstieg. Ich will aber mindestens auf 1 A genau messen.
Mit der oberen Rechnung in welche die Induktivität eingeht komme ich 
nicht klar. Wie kann ich mir die herleiten?

Gruß Christian

Autor: Bastian (Gast)
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Ausgang der Rechnung - Differentialgleichung
u = L * di/dt
Überführung in Differenzengleichung und Werte eingesetzt. Der Sprung der 
Spannung ist durch den Einsatz eines Wechselrichters gegeben, bei dem 
die Phasenspannungen ja z.B. von -U_zwk/2 auf + U_zwk/2 springen (je 
nach Pulsmuster, U_zwk = Zwischenkreisspannung).

Hast du auch nach dem Stichwort "Track & Hold" gesucht? Ich glaube nicht 
alle Hersteller nennen das Sample&Hold...

Ansonsten kannst du j auch selber eine S&H-Stufe vor den AD-Wandler 
bauen. Es gibt bereits fertige ICs dafür, oder du baust die Stufe aus 
einem OP und Kondensator selber auf. Die kannst du dann alle definitiv 
zur gleichen Zeit samplen lassen.

Gruß Bastian

Autor: Christian Kito (cateye030)
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Hallo Bastian,
peinlich- peinlich, die Differentialgleichung hätte ich in der Formel 
sehen müssen :). Wobei ja aber der Punkt interessant ist wenn der 
Wechselstrom maximal ist - dann reicht ein sequentielles Samplen mit 50 
kSPS bei geforderter Genauigkeit von 1 A nicht aus. Mit dem externen 
Track&Hold werde ich weiter verfolgen.

Ich wünsche Euch nen netten Tag (trotz des miesen Wetters)

Grüße Christian

Autor: Thomas S. (Gast)
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Nimm z.B. den ADS8364 von TI, 6 Kanäle parallel abgestastet. Braucht 
zwar ein bischen Strom das Ding, aber tut ansonsten sehr ordentlich.

Thomas

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