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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Eingangsimpedanz ADC ATMEGA32


Autor: Peter (Gast)
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Hallo

Ich rätsel gerade über die Eingangsimpedanz der AD-Wandler im Atmega32.

Wenn ich das Datenblatt richtig verstehe, dann sollten es mehrere MOhm 
sein. Auf der anderen Seite sprechen sie aber davon, dass ein gewisser 
Ladestrom für die Sample/Hold-Schaltung benötigt wird (die Quelle sollte 
nicht zu hochohmig sein). Dass heisst aber doch auch, dass die 
Eingansimpedanz nicht im MOhm-Bereich liegen kann, oder?

Ich will mir vor dem Eingang eine kleine Schaltung bauen, deren 
Verstärkungsfaktor von der Eingangsimpedanz des ADC abhängig ist, die im 
Endeffekt möglichst 20kOhm betragen sollte. D.h. ich würde einen 
passenden Wiederstand parallel schalten. Wenn die Eingangsimpedanz aber 
bereits darunter liegt, dann müsste ich wohl noch einen getrennten 
Impedanzwandler dazwischenschalten, worauf ich gerne verzichten würde.

Wer weiss da genauerer über den Atmega32?

Danke,

Peter

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Peter wrote:

> Dass heisst aber doch auch, dass die
> Eingansimpedanz nicht im MOhm-Bereich liegen kann, oder?

Doch, aber nur, wenn du der S&H-Schaltung genug Zeit gibst, ihren
Kondensator nachzuladen.  Dies passiert automatisch nach dem
Zuschalten des ADC (ADEN) bzw. nach beendeter Messung.  Die S&H-
Schaltung wird mit Beginn der nächsten Messung (ADSC) dann vom
Eingang abgetrennt.  Bis dahin muss der interne Kondensator also
nachgeladen sein.

Kritisch kann das vor allem bei schnell wechselnden Eingangs-
spannungen werden, wenn du das Setzen des ADSC nicht per Software
erledigst (ADATE-Modus).

Statisch liegt der Eingangswiderstand in der Tat im Megaohm-Bereich.

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Jörg Wunsch wrote:
> Dies passiert automatisch nach dem
> Zuschalten des ADC (ADEN) bzw. nach beendeter Messung.  Die S&H-
> Schaltung wird mit Beginn der nächsten Messung (ADSC) dann vom
> Eingang abgetrennt.  Bis dahin muss der interne Kondensator also
> nachgeladen sein.

Geschieht das nicht eher zwischen Start des ADCs und den ersten 1,5 ADC 
Takten ? So würde ich zumindest das Datenblatt interpretieren. Vor 
allem, da die MUX Einstellung zu Beginn des ersten Taktes übernommen 
wird, macht alles andere meiner Meinung nach nicht viel Sinn.

Von daher dürfte es egal sein, ob der ADC im Freerunning Modus läuft, 
oder manuell gestartet wird.

Autor: Michael U. (amiga)
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Hallo,

so ist es, ab dem 2. ADC-Takt kann der MUX bereits wieder umgeschaltet 
sein. Die EIngangsspannung muß also beim Start der Messung gültig sein 
und sollte sich während der 1,5 Takte für den S&H nicht ändern.

Wenn sichergestellt ist, daß es nur langsame Änderungen gibt und z.B. 
der Meßzyklus nur alle paar Sekunden einmal mißt, kann man auch recht 
hochohmig speisen und dann eben ein C an den Eingang hängen.

Gruß aus Berlin
Michael

Autor: Peter (Gast)
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Hmm, also wechselt die Eingangsimpedanz je nachdem, ob der ADC gerade in 
der S/H-Phase ist (niedrigohmig) oder am wandeln ist (hochohmig).

Dann würde meine Spannung beim S/H-Prozess zusammenbrechen, da die 
davorgelagerte Verstärkung von der ADC-Impedanz abhängig ist. Ungünstig.

Also bleibt mir wohl nicht anderes übrig als einen Impedanzwandler 
dazwischenschalten, oder?

Peter

Autor: Peter (Gast)
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P.S.: Da ich damit Ströme messen möchte und eine Regelung darauf 
basieren will, brauche ich wohl schon Messungen mit (ich schätze mal) ca 
100 Hz. Worst case wäre eben, eine Art Kurzschluss. Da müsste ich dann 
sofort die Spannung runterregeln. ALso die Kondensator-Lösung passt wohl 
leider nicht.

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Peter wrote:
> ALso die Kondensator-Lösung passt wohl leider nicht.

Es ist nur eine Frage der Dimensionierung:
Der Kondensator in der S&H Stufe liegt im unteren pF Bereich. 1nF vom 
ADC Pin nach GND sollten also bereits ausreichen. 100Hz ist ja schon 
fast DC, da sollte es eigentlich keine Probleme geben.

Autor: Wolfgang Horn (Gast)
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Hi, Benedikt, Du gut Geführter,

Du: "Geschieht das nicht eher zwischen Start des ADCs und den ersten 1,5 
ADC
Takten ?"

Würde ich auch vermuten.

Du: "...dürfte es egal sein, ob der ADC im Freerunning Modus läuft.."

Ja.

Ich durfte vor mehr als einem Jahrzehnt, bei einem der ersten 
kommerziellen digitalen Empfänger mit 2 MHz ZF-Bandbreite mal einen 
A/D-Wandler für 12 Bit bei >40MHz bewundern.
Der Treiber dafür hatte den größten Leistungskonsum im ganzen Empfänger 
- weil er den A/D-Wandler mit hoher Amplitude und hohem Dynamikbereich 
anzusteuern hatte.
Mittlerweile gibt so hochwertige A/D-Wandler mit einem Treiber auf dem 
Chip, der keine 50 Ohm mehr zu treiben hat.


Ciao
Wolfgang Horn

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Michael U. wrote:

> so ist es, ab dem 2. ADC-Takt kann der MUX bereits wieder umgeschaltet
> sein.

Ab da wird die ganze Mimik von ADMUX und Referenzspannungsbildung
erstmal verriegelt.  Alle Änderungen werden entsprechend bis zum
Ende der Wandlung verzögert.

> Die EIngangsspannung muß also beim Start der Messung gültig sein
> und sollte sich während der 1,5 Takte für den S&H nicht ändern.

Die S&H-Phase beginnt nach dem Ende der letzten Messung.  In diesem
Moment würden auch schwebende Umschaltvorgänge für ADMUX und Referenz
aktiviert, und ab da hat man Zeit, den S&H-Kondensator nachzuladen.
Die 1,5 Takte sind nur das derzeitige Minimum, welches dafür eingebaut
worden ist.  Das ist bspw. im free running mode wirksam.  Bei manuell
gesteuertem ADSC kann man sich aber auch mehr Zeit nehmen.

Falls die ADMUX-Umschaltung auf einen differenziellen Kanal schaltet,
wird zusätzlich noch ein Rekalibrierzyklus angefordert, der dann mit
dem nächsten ADSC aktiviert wird.

Autor: Bensch (Gast)
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> von der Eingangsimpedanz des ADC abhängig ist, die im
Endeffekt möglichst 20kOhm betragen sollte.

Wie kommst du auf 20K ???

Abgesehen davon, es gibt in der Elektronik keine "Wiederstände".....

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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@Jörg

Interessant. Wo kann man das nachlesen ?

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Benedikt K. wrote:

> Interessant. Wo kann man das nachlesen ?

Ich habe jemanden gefragt, der es wissen sollte...  Aber das Bild im
Datenblatt behauptet tatsächlich was anderes, ich habe darum gerade
nochmal nachgestochert.  I'll keep you posted...

Autor: Peter (Gast)
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@Bensch:

Das liegt an meiner Vorverstärungsschaltung. Diese besteht aus einem 
INA138-Shunt-Verstärker. Der Verstärkungsfaktor wird durch die 
Ausgangsimpedanz bestimmt. Die Referenzschaltung im Datenblatt verwendet 
einen 20 kOhm Widerstand zu Masse, um eine Verstärkung um den Faktor 10 
zu erzielen. Wenn der ADC-Eingang eine niedrige Impedanz hat, dann müsse 
man das  bei der Dimensionierung des Wiederstandes entsprechend 
berücksichtigen.

Wenn die Eingangsimpedanz aber nicht konstant ist, dann gibt das 
vermutlich nichts richtiges für mich. Also entweder ich finde noch einen 
passenden Kondensator (wie oben vorgeschlagen) oder ich bastel mir da 
einen Impedanzwandler zwischen (dann wäre die ADC-Eingangsimpedanz 
egal).

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Jörg Wunsch wrote:

> I'll keep you posted...

Der lokale Guru sagt, dass das Bild ,,nicht ganz richtig'' sei...
Sorry, mehr kann/darf ich dazu nich sachen. :)

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Nur nochmal, ob ich das ganze richtig verstanden habe:
Sobald das ADEN Bit gesetzt ist, sampled der ADC durchgehen bis zum 
ersten ADC Takt, nachdem ADSC gesetzt wurde (also nicht bis 1,5 Takten 
danach ?)

Jörg Wunsch wrote:
> Kritisch kann das vor allem bei schnell wechselnden Eingangs-
> spannungen werden, wenn du das Setzen des ADSC nicht per Software
> erledigst (ADATE-Modus).

Ab wann sampled der ADC im ADATE (oder sonst einem Autotrigger) Modus, 
bzw bis wann ? Bisher hatte ich mich eigentlich auf die Angaben vom 
Datenblatt verlassen, dass die Messung wirklich erst kurz nach dem ADC 
Trigger beginnt.

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Benedikt K. wrote:

> Nur nochmal, ob ich das ganze richtig verstanden habe:
> Sobald das ADEN Bit gesetzt ist, sampled der ADC durchgehen bis zum
> ersten ADC Takt, nachdem ADSC gesetzt wurde (also nicht bis 1,5 Takten
> danach ?)

Naja, "sampeln" würde ich das nicht nennen.  Der Signalpfad vom
gewählten MUX-Eingang zum Kondensator im S&H-Glied ist in dieser
Zeit durchgeschaltet.  Damit folgt die Ladung in diesem Kondensator
der Eingangsspannung (ggf. leicht zeitversetzt bei einer hochohmigen
Quelle).

(Unter "sampeln" würde ich eine zeitdiskrete Abtastung verstehen,
der Vorgang ist aber zeitkontinuierlich.)

1,5 Takte nach der steigenden Taktflanke nach ADSC = 1 wird das
S&H-Glied vom Eingang getrennt und alle Änderungen am MUX und an
REFS werden eingefroren.  Danach beginnt das Durchschalten der
sukzessiven Approximation gegen die Spannung auf dem S&H-Kondensator.
Effektiv misst man also die Spannung, die dort 1,5 Takte nach dem
ADSC = 1 anlag.

Autor: Andreas K. (a-k)
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Autor: Michael U. (amiga)
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Hallo,

wenn ich jetzt den ungünstigsten Fall annehme, ist das doch der, daß MUX 
umgeschaltet wurde. REFS bleibt unverändert, sonst verlangt Atmel ja 
ohnehin einen zusätzlichen Durchgang, bis der Wert gültig ist.

Unter dieser Bedingung ist also die Eingangsspannung mit Beginn der 
steigenden Flanke des ADC-Takt zum S&H durchgeschaltet. Nach 1,5 Takten 
wird aufgetrennt. Es sind dann doch besagte 1,5 Takte, die zur Verfügung 
stehen, um den S&H-Kondensator (ca. 14pF im Mega16-Datenblatt) über den 
internen Widerstand (1...100k laut Datenblatt) zu laden.

Der Restfehler sollte also in jedem Fall geringer werden, wenn der 
ADC-Takt niedrieger eingestellt wird und die Quelle hochohmiger ist.

Zur Impedanz: der ADC-Eingang dürfte in jedem Fall hochohmig sein, als 
konstant kann man das aber wohl nie betrachten, da ja der Kondensator 
z.B. auf 0V sein kann (letzter MUX-Eingang) und auf AREF geladen werden 
muß (aktueller MUX  auf maximalem Meßwert.

Die Frage wäre also vermutlich, wie sich seine Schaltung verhält, wenn 
er am ADC-In eben z.B. 10k parallel schaltet. Wenn er den MUX nicht 
ändert und die Meßspannung sich nicht stark zwischen 2 Messungen ändert, 
dürfte der ADC als sehr hochohmig gegenüber diesen 10k gelten dürfen.

Gruß aus Berlin
Michael

Autor: Joerg Wolfram (joergwolfram)
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Man kann auch diffentiell messen und einen Eingang auf festes Potential 
legen. Dann liegt der interne Gain-Amplifier vor dem S/H-Glied und die 
Source kann wesentlich hochohmiger sein.

Gruß Jörg

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