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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik DA-Wandler 26 Bit bei 10 kHz


Autor: Gunter (Gast)
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Liebes Forum,

irgendwie stehe ich wieder einmal im Wald und komme einfach ohne fremde 
Hilfe nicht weiter:

Ich bin auf der Suche nach einem präzisen und sehr rauscharmen 
DA-Wandler, der eine Auflösung von 26 Bit bei einer Ausgabefrequenz von 
bis zu 10 kHz liefert.

Hat jemand Erfahrungen, wie man so etwas sinnvoll realisieren kann? Eine 
Pulsweitenmodulation mit einem nachgeschalteten Filter erscheint aus 
meiner Sicht nicht sinnvoll. Hat jemand vielleicht schonmal so einen 
Schaltkreis gesehen oder gebastelt?

Vielen Dank und ein frohes Wochenende wünscht Euch


der Gunter

Autor: antworter (Gast)
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ui...26 Bit

Das ist eine Auflösung von 1uV bei 67V Peak-To-Peak

...da bin ich gespannt

Autor: Matthias (Gast)
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und ich vermute, das IC darf höchstens 50cent ksoten, bei einer 
Abnahmemenge von, ja EIN stück..
;-)

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (christoph_kessler)
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24 Bit AC-gekoppelt sind eher zu bekommen:
http://shop.elv.de/output/controller.aspx?cid=74&d...
"Der ADA 24 ist ein vollwertiger Stereo- Digital/Analog-Wandler, der 
digitale Audio-Daten mit einer Auflösung von 24 Bit und einer Abtastrate 
von bis zu 192 kHz verarbeiten kann."
Muß es auch DC-Signale liefen können?

Autor: Null (Gast)
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Man koennte sich eine R2R implementation vorstellen...  Wie propagiertt 
dort der Fehler durch den Schalter ?

Autor: Gunter (Gast)
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Jepp - die 26 ist eine sehr unschöne Zahl! Eine 16 wäre mir auch 
bedeutend lieber, aber es soll nunmal der "Beste DA-Wandler der Welt" 
werden. ;-)

Tja - vielleicht dann doch ein R2R-Netzwerk mit x-tausend Widerständen 
???

PS.: Die Ausgabespannung soll maximal 1,5 V betragen - das heißt also 
22nV-Schritte (Ob ich mir lieber heute, oder erst am Montag die Kugel 
geben? :-D )

Autor: Gunter (Gast)
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PPS.: Der Preis spielt keine Rolle. Nur DC sollte DA-Wandler können... 
:(

Autor: Jörg B. (manos)
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Vielleicht findest Du ja einen 32Bit DA-Wandler... dann wäre das der 
überbeste DA-Wandler der Welt :)

Ich meine ich hätte auch schon mal eine Bastelanleitung gesehen bei der 
über OP's 2 Spannungen zusammengeführt wurden und dadurch eine höhere 
Auflösung erzielbar war...

Autor: anonymous (Gast)
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@Gunter
wofür brauchst du denn 26Bit?

Ich habe aus den Beiträgen im Forum herausgelesen, dass so schon 
geringste Schwankungen in das Messergebnis hineinfließen.
Z.B. ein Mikrocontroller der getaktet ist.
Oder eine Spannungsversorgnung, die nicht auf 1nV genau ist.
Oder eine Leiterbahn die kein Supraleiter ist und damit für einen 
Spannungsabfall am IC sorgt, der größer als 1nV ist.
Oder ein Handy im Nebenraum.
Oder jemand hat an die Kontakte gepackt --> galvanisches Element.

Du könntest aber auf diese Weise einen schönen Zufallszahlengenerator 
herstellen.

Autor: MR (Gast)
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dazu muss man eine teflon beschichtete platine verwenden wegen der 
leckströme und das kriegt nur noch die industrie hin.

Autor: Unglaublich (Gast)
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Das wären bei einem unipolaren D/A-Wandler bei 1 V fullscale grade mal 
15 nV Fehler.

Wir sind hier nicht bei "Wünsch Dir was".

Autor: Mike (Gast)
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Hallo,
eine Auflösung von 26 bits bei einer Bandbreite halte ich schon aus
physikalischen Gründen für praktisch unrealisierbar. Denn dazu wären am
Wandler-Eingang ein Rauschabstand von 156 dB notwendig. Dies ist mit
klassischer Halbleitertechnik nicht erreichbar.
Ausserdem bezweifle ich, dass Du eine derartig hohe Auflösung überhaupt 
brauchst. Der AD-Wandler soll ja wohl das Signal irgendeines Sensors
verarbeiten. Nehmen wir einmal eine Vollaussteuerung von 5V an. Dann
wäre bei 26 bit ein Spannungsschritt von 74nV aufzulösen. Nach Nyquist 
beträgt aber bereits die Rauschspannung an einem 1Ohm Widerstand bei 
300K (27C) und einer Bandbreite Delta f = 10KhZ:

Urausch = Sqrt(4*Kb*T*R*Delta f) = 12.8nV

Das heisst, wenn Dein Sensor muss auf jeden Fall einen Innenwiderstand 
von weniger als ca. 33Ohm haben,sonst wäre dessen thermisches 
Eigenrauschen Rauschen höher als die geforderte Genauigkeit. Liefert der 
Sensor nicht direkt die geforderten 5V Vollaussteuerung, muss sein 
Signal vorverstärkt werden. Dadurch wird aber auch das Rauschen 
verstärkt, und die Verhältisse
werden noch schlechter. Die Eingangsstufe des Verstärkers müsste dann 
natürlich auch entsprechend niederohmig aufgebaut sein (alle Widerstände 
im Signalpfad im Ohm-Bereich), um nicht noch mehr Rauschen hinzuzufügen. 
Dies ist mit klassischer Halbleitertechnik aber kaum möglich.

Auch wenn diese Betrachtung etwas vereinfachend ist, hoffe ich doch, 
dass Dir das wesentliche Problem klar geworden ist. Die Physik ist 
leider ein Naturgesetz und lässt sich nicht so leicht austricksen.

Als einzige Lösungsmöglichkeit sehe ich daher, wenn wirklich eine so 
hohe Genauigkeit und Bandbreite gefordert werden, das Ganze mit 
flüssigem Stickstoff (oder gar Helium) zu kühlen. Tatsächlich verwendet 
man zur Detektion ganz kleiner elektrischer Ströme (z.B. 
Hirnstrommessungen) SQUIDS, d.h. supraleitende Sensoren.

Gruss
Mike




Auch der AD-Wandler


Autor: Christoph Kessler (db1uq) (christoph_kessler)
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Wo liegt denn das natürliche Rauschen bei 10 kHz Bandbreite?

Wir haben bei Raumtemperatur -174 dBm/Hz also -134 dBm bei 10kHz. das 
wären 10^(-13,4) mW (an 50 Ohm gemessen) oder 10^(-16,4) Watt
und die Effektivspannung ist sqrt(P/R)=8,9*10^-10V=0,89nV (an 50 Ohm) 
Mit den 22nV liegen wir also immer noch darüber, wenn ich mich nicht 
verrechnet habe.

Autor: Gunter (Gast)
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Liebes Forum,

wir sind nicht bei "Wünsch Dir was" - das ist richtig...

...allerdings sind wir/ich in der Forschung und Entwicklung bzw. in der 
Superhyperpräzisionsmesstechnik ;-) tätig.

Manchmal hilft auch ein kleiner Tipp weiter, deshalb möchte ich an 
dieser Stelle allen für die vielen konstruktiven Vorschäge danken. Was 
wären wir ohne euch! :-D

Also - weiter so und vielen Dank nochmal

der Gunter


PS.: Wenn es eine Lösung gibt, werde ich sie gerne mal posten. ;-)

Autor: Null (Gast)
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Gunter,
ein R2R netzwerk benotigt 2 identische Widerstaende pro bit. Ein 26bit 
DAC kann man somit mit 52 Widerstaenden zu je 10k Ohm machen. Das 
Argument, dass das Rauschen groesser ist sticht nicht, da das Rauschen 
sich ausmittelt. Man kann in der Tat Signal im Rauschen drin 
produzieren, wenn man sicher ist, das Rauschen in einem anderen Prozess 
spaeter wieder lozuwerden.

Autor: Matthias (Gast)
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...Man kann in der Tat Signal im Rauschen drin
produzieren...

Ja, nenn sich DSSS
direct sequence spread spectrum...
Da wird das (zu sendende) signal direkt im rauschen versteckt..
;-)

Autor: Kupfer Michi (Gast)
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Wenns bei Physikern mal wieder messtechnisch eng wird, drehen die ja das 
Problem solang hin und her bis zum Schluss eine einfache Zählung oder 
zumindestens Zeit/Frequenzmessung rauskommt, denn das ist das einzige 
was man wirklich genau machen kann.

Also Elektronen einzeln in ne Tüte abzählen, schauen dass ja keines 
dabei ausbüchst und die resultierende Spannung ist dann das 
Wandlungsergebniss. Genauer kann mans theoretisch ja auch nicht machen.

Bei 10pF und 1V hat man 1E-11 As was 6.28E7 Elektronen entspricht.
2^26 ist 6.7E7. Somit Entspricht 1LSB in etwa einem Elektron.

Wenn man Elektronen nicht zählen kann nimmt man halt einen Konstantstrom 
und stopt die Zeit. Bei 1ns Zeitauflösung benötigtman also für 2^26 
67ms.
Damit kommt man zwar nicht auf die 10KHz, aber immerhin.
Damit hängt das Wandlungsergebnis im Wesentlichen "nur" noch von der 
Stabilität des Kondesators und der KonstStromQuelle ab.

Als Kondensator müsste man einen Glas Vakuum Plattenkondensator nehmen, 
aber wie man für die Switches und die S&H Einheit die Leckströme in den 
Griff bekommt entzieht sich meiner Kentniss.

Hochpräzise A/D Wandler machen ja im Prinzip ein ähnliches Verfahren 
(Dual Slope), oder?

Autor: Thomas S. (Gast)
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"Echte" 26 Bit bei 10kHz halte ich nahezu für unmöglich mit dem heutigen 
Stand der Technik. Evtl. das Rauschen aufteilen durch Delta-Sigma 
Wandlung, aber auch da wird es bei der Auflösung mehr als kritisch. Wäre 
doch mal die Frage : Was willst du eigentlich damit anstellen ? Danach 
würde sich evtl. ein passender Ansatz finden lassen.

Autor: René Farak (stampfkern)
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und auch wenn es mit Stickstoffgekühlten Supraleitungen und co 
realisiert werden würde, das Meßgerät (eine Dekade besser) will ich mal 
sehen.

Arbeitest Du bei der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt?

Autor: René Farak (stampfkern)
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aber wir wollen mal nicht meckern.

vielleicht der der hier (audiobereich)

http://www.analog.com/en/prod/0%2C2877%2CAD1953%2C00.html

Autor: dkm (Gast)
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mal andersrum gefragt:

Was ist momentan das Beste, was es gibt?

Autor: katzeklo (Gast)
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>Hat jemand Erfahrungen, wie man so etwas sinnvoll realisieren kann?

Folgendes soll nicht abwertend gemeint sein, aber wer so eine Frage 
stellt, besitzt nicht das notwenige Hintergrundwissen. Eine so hohe 
Auflösung erfordert auch eine entsprechend gestaltete Schaltung und auch 
das Layout ist nicht trivial. Bei dir wird es so sein, dass du 
vermutlich die unteren 15 Bit eh in die Tonne treten kannst, also 
vergiss die Idee am besten wieder.

Autor: Peter Dannegger (peda)
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René Farak wrote:

> vielleicht der der hier (audiobereich)
>
> http://www.analog.com/en/prod/0%2C2877%2CAD1953%2C00.html


Im Audiobereich ist das keine Kunst, da es dort nur auf die 
Kurzzeitmonotonie (100ms) ankommt. Damit lassen sich dann auch leise 
Signale verzerrungsarm ausgeben und ein hoher Dynamikbereich erreichen.

Genauigkeit und Linearität spielen überhaupt keine Rolle, die dürften 
ruhig 8Bittig sein. Nur geschulte Musikerohren können Klirrfaktoren <1% 
gerade noch raushören.


Ich hatte mal testweise nen 24Bit Audio-DAC versucht für DC-Anwendungen 
zu benutzen.
Schon bloßes Anpusten lies den Offset in den Himmel schießen.
Ein echter 12Bitter war sogar stabiler.



Peter

Autor: Gunter (Gast)
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Dank, Dank , Dank und noch 1000x Dank!

Es ist immer wieder sehr erfreulich, wie viel konstruktive Kritik und 
kontroverse Diskussionen ein nicht alltägliches Problem aus der 
universitären Forschung verursachen kann. Ich Danke Euch auf jeden Fall 
für all Eure schlaflosen Nächte, die Euch die Lösung meiner Probleme 
bereitet hat. ;-)

Nun - was haben wir vor: Bei der besonders präzisen Kraftmessung wendet 
man gewöhnlich das Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation an. 
Man erzeugt hierbei über eine Spule mit einem Eisenkern eine der zu 
messenden Kraft entgegenwirkende Magnetkraft. Sind beide Kräfte gleich 
so ist der Strom durch den Elektromagneten ein Maß für die zu messende 
Kraft. Man muss also diesen Strom entweder genau messen oder genau 
einstellen können. Die Variante mit einer analogen Regelung des 
Spulenstromes und einer Strommessung über hochauflösende A/D-Wandler ist 
relativ "trivial" und ist "state of the art". Wir versuchen hier 
allerdings den anderen Ansatz der Steuerung des Stromes über eine 
D/A-Wandlung - und dazu braucht man die beste Spannungsquelle aller 
Zeiten! :-D

Natürlich wird nun der Eine oder die Andere sagen: "Hey - wenn sich 
jemand mit so was Tag für Tag beschäftigt, warum postet er dann seine 
Probleme in eine Newsgroup?!?" Nun, meine Erfahrung ist, dass immer 
irgendjemand irgendwann irgendwo schon mal ein ähnliches Problem hatte. 
Warum also dieses Wissen nicht nutzen bzw. teilen? Ist das nicht die 
Grundidee eines Forums...

Also - noch mal Danke! Ich werde es dann mal mir einer 
Frequenz-Spannungswandlung und auch noch über ein R2R-Netzwerk 
versuchen. Mal sehen was besser (bzw. überhaupt) funktioniert. Sofern es 
eine funktionierende Schaltung gibt, werde ich sie mal posten!

Der Gunter

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (christoph_kessler)
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Wie präzise müssen die Widerstände des R-2R-Netzwerks sein? Ich fürchte, 
die müssen doch auch auf 26 Bit genau ihren Wert einhalten.

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (christoph_kessler)
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Hier hat es mal jemand vorgerechnet, wenn R statt 50  100 mit 51  100 
aufgebaut wird:
http://www.avr-asm-tutorial.net/avr_de/avr_dac.html

"Man beachte den Sprung, wenn Bit 7 High wird! Die Spannung springt dann 
um mehr als zwei Digits. Das ist für ein 8-Bit-Netzwerk zu groß, aber 
akzeptabel für ein 4-Bit-Netzwerk."

"...gedowngeloaded..."

Autor: rechts (Gast)
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"Ich werde es dann mal mir einer
Frequenz-Spannungswandlung und auch noch über ein R2R-Netzwerk
versuchen. Mal sehen was besser (bzw. überhaupt) funktioniert. Sofern es
eine funktionierende Schaltung gibt, werde ich sie mal posten!
"

Das kann doch wohl alles nicht ernst gemeint sein. Genauso könntest Du 
einen 16bit und einen 10bit DAC in Reihe schalten (oder parallel?) Ist 
eh Wurst, aber wenigstens schafft man damit 10kHz Ausgabefrequenz .

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (christoph_kessler)
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was gibts denn zu kaufen:
http://www.keithley.com/products/currentvoltage
-> "Selector Guides - Source/Measure Products" = "05.pdf"
die haben z.B. eine digital einstellbare Stromquelle ab 10 atto-Ampere 
bis max 100mA oder sogar 1A, das sind 13 oder 14 Dekaden.
Über die max. Frequenz ist hier nichts zu lesen, das wird wohl auch vom 
GPIB-Bus bestimmt.

Autor: Andreas W. (Gast)
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@gunter

das problem mit der kraftmessung kenn ich. Ich hatte da eine idee die 
meine chef aber zu teuer war es auszuprobieren.

ich habe eine mechanische verstärkung gewählt, klingt abendteuerlich 
gebe ich zu, aber rein theroretisch müsste es gehen. schreib mir mal ne 
mail.

xlomx at web dot de

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