Hallo liebe Gemeinde, Ich fange mal mit einer ausführlichen Problembeschreibung an. Ich möchte im Rahmen eines Projektes eine ADWandlerschaltung aufbauen und die Ergebnisse an ein FPGA übermitteln. Frequenzband der Signale die abgetastet werden: 20 kHz - 140 kHz Signal: Sinus, Spannung bis zu 700 V ! Strom bis zu 30 A Ziel: Hohe Auflösung und Genauigkeit. Bisherige Überlegungen (ins Labor kann ich noch nicht, generell bin ich Student und habe sehr wenig Praxiserfahrung, was Entwicklung angeht gar keine :) ). Das ich entsprechende Analogschaltungen brauche um dem ADW die richtigen Spannungen zu liefern (innerhalb Referenz etc.) ist mir bewusst. Ansonsten gefällt mir bisher die Idee des Oversampling, damit meine Tiefpassfilterung nicht zu steil ist, und anschließend FIR-Digitalfilterung. Vom Gefühl her würde ich also gerne eine 14/16 Bit Auflösung realisieren, vlt reicht ja 14 Bit plus Oversampling. Ich bin über alle Anregungen und Hinweise aus der Praxis der Entwicklung dankbbar, aber hier meine konkrete Frage: Bei so hohen Auflösungen und vorallem Frequenzen komm ich doch realistisch (d.h. realistische anforderugnen an Tiefpassfilterung) ums Oversampling nicht rum oder? Nun arbeitet ein ADW ja mit Takt und Prescaler, und beim Oversamplen hätte man gerne bestimmte Faktoren wie 2,4,8,16. Wie teile ich dem ADW mit welche Frequenz gerade gemessen wird, damit er die richtige(Über)Abtastfrequenz wählt? Ich bedanke mich für eure Hilfe und freue mich über zukünftige Geistesblitze :)
Für einen Anfänger sind 14 Bit schon mal eine Herausforderung. 140kHz sind eher "leicht bewegter Gleichstrom", da wird es keine Probleme geben. Wenn man nun etwas näher wüsste, was du mit den Messwerten vor hast, könnte man vielleicht Tipps geben...
christian krawczyk schrieb: > Frequenzband der Signale die abgetastet werden: 20 kHz - 140 kHz > Signal: Sinus, Spannung bis zu 700 V ! Strom bis zu 30 A Die Frequenzen werden wohl weniger ein Problem sein. ABER: Bitte die Möglichkeiten des A/D Wandlers in Bezug auf Spannung beachten. Da wird wohl kaum einer 700V ab können --> Spannung reduzieren. Und die 30A wollen auch sinnvoll umgesetzt werden. Also Shunt oder anderer Meßwandler, welcher auf den Eingang des A/D Wandlers abgestimmt werden muss. Gruß Wolfgang
> ABER: Bitte die Möglichkeiten des A/D Wandlers in Bezug auf Spannung > beachten. Da wird wohl kaum einer 700V ab können --> Spannung > reduzieren. Und die 30A wollen auch sinnvoll umgesetzt werden. Also > Shunt oder anderer Meßwandler, welcher auf den Eingang des A/D Wandlers > abgestimmt werden muss. > Hallo Wolfgang, Danke für den Hinweis, aber wie oben angedeutet sind mir diese Sachen weitesgehend bewusst. Spannung über spannungsteiler an Spannungssensor(galvanische trennung), Strom über Shunt an Stromsensor, dann Filterung(ob aktiv, passiv, welche Ordnung muss ich halt eben mit der Frage des Oversampling mitbeantworten. :)
Georg G. schrieb: > 140kHz sind eher "leicht bewegter Gleichstrom", da wird es keine > Probleme geben. HAHA sehr gut!:D und ich dachte dass das schon viel wäre. heißt in Bezug auch Rechenleistungen FPGA und Übertragung(SPI/ LVDS) werde ich mir nciht so große Sorgen machen müssen ?(Aber das Thema zur Not später, da bin ich noch nicht, erstmal auf eine sache Konzentrieren :) ) > Wenn man nun etwas näher wüsste, was du mit den Messwerten vor hast, > könnte man vielleicht Tipps geben... Mein Vorgabe ist bislang dass ich hochauflösend messen soll. Ich kann aber verstehen dass da weitere Vorgaben interessant wären, werde das mal in Erfahrung bringen. Es ist ein resonantes Übetragungsystem, und sekundär und primärseitung sollen speicherbare Messwerte aufgenommen werden und weiterverarbeitet werden können(wie gesagt, bring ich in erfahrung) Im Idealfall mit 4 Kanällen (Strom/Spannung, Sek/Pri) sonst 2. Wenn das signal jetzt seine Frequenz komplett ändert ( von 20k auf 80k zum Beispiel), ist das dann ein Problem für ein system mit Oversampling? Vlt ein Hinweis: Meine Vorgabe ist einen AD wandler zu entwerfen der in erster Linie funkitoniert und nicht allzu teuer ist. Dass ich ihn nicht zu 100 Prozent optimieren kann in der Zeit (2 Monate), ist mit meinem Berufshintergrund :p natürlich nicht möglich. Danke schon mal.
christian krawczyk schrieb: > Wenn das signal jetzt seine Frequenz komplett ändert ( von 20k auf 80k > zum Beispiel), ist das dann ein Problem für ein system mit Oversampling? Hängt von Deiner Abtastfrequenz ab. Weist Du, daß so eine Änderung kommen kann? Legst Du die Abtastrate auf 20k fest (also mindestens 40K), dann geht bei der Änderung auf 80k alles in die Hose. Da brauchst Du mindestens 160k Abtastrate. Gehst Du von vornherein auf mindestens 160k Abtastrate, dann langweilt sich zwar Dein A/D Wandler bei 20k Signal, nimmt aber die 80k Signal problemlos mit. Geht das Signal aber unerwartet höher bekommst Du wieder ein Problem. Also vorher die maximale Signalfrequenz in Erfahrung bringen. Wolfgang
WolfgangP schrieb: > christian krawczyk schrieb: >> Wenn das signal jetzt seine Frequenz komplett ändert ( von 20k auf 80k >> zum Beispiel), ist das dann ein Problem für ein system mit Oversampling? > > Hängt von Deiner Abtastfrequenz ab. > Weist Du, daß so eine Änderung kommen kann? Legst Du die Abtastrate auf > 20k fest (also mindestens 40K), dann geht bei der Änderung auf 80k alles > in die Hose. Ich weiß dass sie nie über 140 k geht, weswegen laut Nyquist mindestens 280k abtasten. Ich hatte mit dem Gedanken gespielt mit 560 k abzutasten um die Vorteile der Überabtastung mitzunhemen. Was ist jetzt wenn ich 560k abtaset und die Frequenz ist sagen wir mal 50k. 560 ist ja kein schönes Vielfaches von 50. Die Frequenz ist nicht variabel an sich, aber (vereinfacht) am Trafo werden unterschiedliche Frequenzen ausprobiert, meine aufgabe ist "nur" dass die ergebnisse Digitalisiert werden.
Das Verständniss was mir fehlt...wenn ich den Sensor mit dranhängendem Ad wandler an die Messleitung lege, mit ausreichend hoher Abtastfrequenz, muss ich Hardware oder software seitig etwas realisieren , was die abtastrate reguliert, oder ist es für das FPGA und das digitale filter nicht so schlimm ob die Oversampling ratio gerad 2, 4 oder 15,67 ist... :P
Du möchtest 14 oder 16 Bit Auflösung haben. Dann muss aber auch dein Spannungswandler 700V -> ADC mit_galvanischer_Trennung entsprechend genau sein (der Stromwandler natürlich auch, ist aber das gleiche Problem. Da wüsste ich wirklich gern, wie du das realisieren möchtest. Irgendwo schriebst du die magischen Worte "nicht zu teuer"... Oversampling: Leg alles für die höchste Signalfrequenz aus (bei 14 oder 16 Bit Genauigkeit mit entsprechender Reserve) und mach dir dann keine Gedanken über niedrigere Frequenzen. Ein Antialiasing Filter brauchst du in jedem Fall. Das muss dann natürlich auch im Passband einen maximalen Ripple in der Gegend von 10E-6 haben. Wird auch interessant, das zu bauen. Langer Rede wenig Sinn: Denk ernsthaft über die notwendige Genauigkeit nach.
christian krawczyk schrieb: > Mein Vorgabe ist bislang dass ich hochauflösend messen soll. Was auch immer "hochauflösend" bedeuten soll. > Ich kann > aber verstehen dass da weitere Vorgaben interessant wären, werde das mal > in Erfahrung bringen. Tu das. > Es ist ein resonantes Übetragungsystem, und sekundär und primärseitung > sollen speicherbare Messwerte aufgenommen werden und weiterverarbeitet > werden können(wie gesagt, bring ich in erfahrung) Aha. Dir ist schon klar, daß das nahezu alles ändert? Denn wenn das ein Energieübertragungssystem ist, dann willst du nicht einfach nur Strom und Spannung messen, du brauchst auch die Phaseninformation, um die Leistung primär/sekundär ausrechnen zu können. Ferner ist das Signal vermutlich wirklich ein Sinus oder doch zumindest sinusähnlich genug, daß man keine Abtastung mehr machen muß, sondern mit einem einfachen Effektivwertwandler oder gar nur einem Meßgleichrichter auskommt. Zuzüglich Nulldurchgangsdetektor zur Phasenmessung natürlich. Und wenn nicht: bei 140kHz Signal würde man vermutlich eher Subsampling machen (Stichwort, Zaunpfahl). > Wenn das signal jetzt seine Frequenz komplett ändert ( von 20k auf 80k > zum Beispiel), ist das dann ein Problem für ein system mit Oversampling? Von einer spontanen Frequenzänderung ist eher nicht auszugehen. Es sei denn, du verschweigst uns weitere Einzelheiten. > Vlt ein Hinweis: Meine Vorgabe ist einen AD wandler zu entwerfen der in > erster Linie funkitoniert und nicht allzu teuer ist. Dann vergiß 16 Bit. Mit 10 Bit hast du schon 0.1% Auflösung. So genau muß der Rest drum herum erst mal sein. XL
Georg G. schrieb: > Du möchtest 14 oder 16 Bit Auflösung haben. Dann muss aber auch dein > Spannungswandler 700V -> ADC mit_galvanischer_Trennung entsprechend > genau sein Da ich mich in den letzten Tagen damit beschäftigt habe wie ich aus 700 Volt die Range Conversion mache ist mir klar geworden dass ich hier mit den Toleranzen ansetzen muss, und habe abstand von 16 Bit genommen. Ich hoffe ich kriege 14 hin, aber 12 und Oversammpling dürfte auch nicht so schlecht sein:P wird auf jeden fall spannend, > > Oversampling: Leg alles für die höchste Signalfrequenz aus (bei 14 oder > 16 Bit Genauigkeit > > Langer Rede wenig Sinn: Denk ernsthaft über die notwendige Genauigkeit > nach. Meinst du an gewissen Stellen "auflösung" statt Genauigkeit? Versteh ich deinen Hinweis richtig: Passband Ripple sind die amplituden Schwankungen im Durchlassbereich, heißt je höher diese sind, umso niedriger die effektive Auflösung die ich nutzen kann? Nächste woche beschäftige ich mit dem Thema wie ich wandle um an den ADW anzuschließen, dann gibt es Neuigkeiten:) Jetzt ist Wochenende, wünsche euch ein schönes und danke für die Tipps;)
Axel Schwenke schrieb: > christian krawczyk schrieb: > Was auch immer "hochauflösend" bedeuten soll. Stand jetzt gibt es nur einen 8 Bit für 50k Signale, ich soll die auflösung erhöhen und die Frequenz höher auslegen. > Tu das. Mach ich, nächste woche gibt es nen Termin.:) > Aha. Dir ist schon klar, daß das nahezu alles ändert? Denn wenn das > ein Energieübertragungssystem ist, dann willst du nicht einfach nur > Strom und Spannung messen, du brauchst auch die Phaseninformation, um > die Leistung primär/sekundär ausrechnen zu können. Ich weiß das klingt vermutlich wie ein Grauß für Praktiker, aber die Vorgabe der Leitungsmessung habe ich nicht, und die Aufgabe ist erstmal in den Grenzen formuliert, damit ich das überhaupt schaffen kann, ist ja n anfängerprojekt. Daraus werden vermutlich noch andere Projekte für andere Personen folgen. trotzdem werde ich mir deine Tipps mal genauer anschauen. > Ferner ist das Signal vermutlich wirklich ein Sinus oder doch > zumindest sinusähnlich genug, daß man keine Abtastung mehr machen muß, > sondern mit einem einfachen Effektivwertwandler oder gar nur einem > Meßgleichrichter auskommt. Zuzüglich Nulldurchgangsdetektor zur > Phasenmessung natürlich. Wie gesagt vorgabe AD Wandler, ich habe zwar diesen Background(vermutlich um EMV mit zu betrachten, aber ich konnte raushören, dass der später noch für ander Sachen benutzt wird, ist aber nciht weiter mein anliegen:) > Und wenn nicht: bei 140kHz Signal würde man vermutlich eher Subsampling > machen (Stichwort, Zaunpfahl). Interessant, schau ich mir an! >> Wenn das signal jetzt seine Frequenz komplett ändert ( von 20k auf 80k >> zum Beispiel), ist das dann ein Problem für ein system mit Oversampling? > > Von einer spontanen Frequenzänderung ist eher nicht auszugehen. Es sei > denn, du verschweigst uns weitere Einzelheiten. Nicht spontan, nur von "Versuch" zu Versuch". >> Vlt ein Hinweis: Meine Vorgabe ist einen AD wandler zu entwerfen der in >> erster Linie funkitoniert und nicht allzu teuer ist. > > Dann vergiß 16 Bit. Mit 10 Bit hast du schon 0.1% Auflösung. So genau > muß der Rest drum herum erst mal sein. Jo, bewege mich schon in die Richtung :)
christian krawczyk schrieb: > ist ja n anfängerprojekt. ??? Das ist es mitnichten. Das ist eine recht anspruchsvolle Aufgabe.
Hallo liebe Mitgleider, Nach ein paar Tagen bin ich schon ein wenig schlauer geworden. Folgendes hat sich ergeben: Durch die Kostengrenzen die mir gestellt sind habe ich eingesehen ( und auch verstanden) dass 16/14 und sogar 11 oder 12 Bit rein analog nicht möglich oder nur sehr schwer zu schaffen sind. Bei meiner Anwendung ist die Möglichkeit, unkompliziert und variabel zu bleiben sehr wichtig, ich möchte also durch die Wahl eines Spannungsteilers ein neues Messsignal anlegen können, da die zugehörigen Widerstände nur 0,1 % haben( 0,01 % ist schon zu teuer), habe ich hier schon die 10 Bit Grenze. Wenn ich noch die Komplexität des Gesamtnetzwerkes betrachte, schaffe ich wohl rein analog nur umso 9 Bit. Dazu Fragen: Ist es ein Gedankenfehler wenn ich sage, dass ich gerade weil ich diese Toleranzen in allen möglichen Bauteilen und Schaltungselementen habe, dass ich dieses "Rauschen" zum Oversamplen nutzen kann, um dann über Mittelung z.B. 2 Bits(16 x Oversamplen) Auflösung zu gewinnen. Dass mich das Genauigkeit kostet ist mir klar, das kann man aber ja später abwägen und ist durchaus eine interessante Untersuchung die ich mitbetrachten könnte. Lohnt es sich die Möglichkeit eines programmierbaren Operationsverstärkers zu untersuchen? Die Toleranzen sind ja wirklich toll, aber um Sensoren oder Spannungsteiler für zu große Messsignale komm ich nicht herum. Referenzspannung könnte ich kalibireren wenn ich das richtig gesehen habe, aber einen Anti-Aliasingfilter auf 0,01 % Ripplefehler zu kriegen klingt auch schon herausfordernd:P Im Grunde fehlt mir eine realistische Abwägung PGA-Oversampling-Digitalfilter im Sinne Aufwand/Nutzen. Vielleicht hat hier ja Jemand Erfahrungswerte. PS zum PGA: Ich würde nicht unbedingt sagen dass ich Programmieren liebe :P Danke euch im Voraus
christian krawczyk schrieb: > Mein Vorgabe ist bislang dass ich hochauflösend messen soll. Die Auflösung ist nicht das Problem, die kann man sozusagen beliebig hoch machen, speziell durch Oversampling. Das Problem ist, 140kHz mit einer Genauigkeit von z.B. 1% zu verarbeiten. Wenn Du auch bei 140kHz den Kurvenverlauf rekonstruieren willst, musst Du mindestens 10 mal so schnell abtasten. Es macht keinen Sinn, diese Abtastrate bei geringerer Eingangs-Frequenz auch zu verringern. Gruss Harald
Ok, ich wollte meine Abtastfrequenz schon fest machen, und auf das Maximum 140 kHz ausrichten. wie kommst du auf den Faktor 10 ? erfahrungswert? Jetzt mal Akademisch vom Abtasttheorem ausgehend, reicht doch schon Faktor 2. Ich hab Irgendwo gelesen dass ab nem bestimmten Zeitpunkt Oversampling Genauigkeit kostet...? Ich recherchiere sonst nochmal das Verhalten Oversampling-Genauigkeit. Das digitalfilter muss ich nur in bezug auf die Steilheit meines anti aliasing Filters ausrichten, oder? Die Oversamplingfrequenz spielt doch keine rolle...? Besten Gruß
christian krawczyk schrieb: > Ok, ich wollte meine Abtastfrequenz schon fest machen, und auf das > Maximum 140 kHz ausrichten. wie kommst du auf den Faktor 10 ? > erfahrungswert? Jetzt mal Akademisch vom Abtasttheorem ausgehend, reicht > doch schon Faktor 2. Nur, wenn Du davon ausgehst, das ir die Kurvenform des Signals bekannt ist. Das Abtasttherom ist normalerweise nur für Bemessung des Anti- Alaising-Filters wichtig. > Ich hab Irgendwo gelesen dass ab nem bestimmten > Zeitpunkt Oversampling Genauigkeit kostet...? Zumindestens kann man so normalerweise nicht die Genauigkeit vergrössern, nur die Auflösung... > Das digitalfilter muss ich nur in bezug auf die Steilheit meines anti > aliasing Filters ausrichten, oder? M.E. sind Analog- und Digitalfilter zwei verschiedene Paar Schuhe. > Die Oversamplingfrequenz spielt doch > keine rolle...? Durch Oversampling kannst Du das Analogfilter vereinfachen. Gruss Harald
christian krawczyk schrieb: > Ok, ich wollte meine Abtastfrequenz schon fest machen, und auf das > Maximum 140 kHz ausrichten. wie kommst du auf den Faktor 10 ? Wenn deine 140 kHz auch nur eine Spur von einem reinen Sinus abweichen, hast du sofort Signalanteile mit Frequenzen von den ganzzahligen Oberwellen drin. Mit einem Faktor 10 kriegst du man gerade die 5.te Oberwelle mit. Guck dir z.B. die Fourierreihe einer Sägezahnschwinung an.
Verhindere ich nciht schon durch mein Anit Aliasing die meißten
Oberwellen?
Da über das Netz gespeist wirde und ein Trafo verwendet wird, kann ich
doch eigentlich von nem schönen Sinus ausgehen oder? Bitte verhaut mich
nicht wenn das ind der Praxis nciht so ist :P
>M.E. sind Analog- und Digitalfilter zwei verschiedene Paar Schuhe.
Aber je flacher/steiler meine Filter, umso anders muss ich meinen
Digitalfilter doch berechenen.dass diese grundverschieden sind und an
anderen Stellen auftauchen ist mir besusst;)
Danke und Gruß
Normalerweise schaut man sich die Signale VORHER an, bevor man versucht eine Schaltung zu entwerfen, die das Signal aufnimmt. Breitbandig also ein Scope. Dann siehst du, daß die Netzspannung wenig mit einem Sinus zu tun hat. Ein praktischer Wert für die Abtastrate bei einem sagen wir 4-poligen Filter und 10Bit ist 5. Das sind Erfahrungswerte. Berechnen kann man das nur, wenn man eine Fehlerrate am Ausgang definiert. Und dann viel Spaß mit der Mathe. Bei Oversampling gewinnt man den Vorteil wesentlich vereinfachter analoger Filter. So ein Soundkarten-ADC 'sampelt' mit 192KHz an seinem Ausgang, am Eingang aber mit ca. 6MHz. Daher reicht dort durchaus für deine gewünschte Genauigkeit von 1% ein einfaches RC-Filter erster Ordnung. Ich habe jetzt nicht alles gelesen, mein Vorschlag: Fertiger ADC und hochlineare OpAmps. z.B. welche für ADSL. In den Datenblättern sind oftmals auch passende OpAmps angegeben bzw. du bekommt diese genannt, wenn du den Hersteller anfragst.
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