Hallo Community, im Rahmen eines kleinen Projektes, bin ich auf ein für mich erfreuliches, jedoch unlogisches Phänomen gestoßen. Mittels eines 1 Ohm-Widerstandes, welcher in Reihe zu einer Spule geschalten ist, möchte ich durch die Spannung am Widerstand Rückschlüsse auf den durch die Spule fließenden Strom schließen. Die Spule wird mit einem PWM - Signal gespeißt und zu jedem Umschaltzeitpunkt erfasse ich durch einen ADC den höchsten bzw. niedrigsten Spannungswert und bilde daraus eine Differenz. Nun zu meinem Phänomen: Da das Spulensignal ziemlich verrauscht ist und ich jedoch eine recht hohe Genauigkeit benötige, habe ich testweise einen nichtinvertienden OPV (LM324) mit einer Verstärkung von V = ~5 vor den ADC-Eingang gebastelt. Meine Erwartung war, dass sich neben dem Grundsignal (Spulenstrom) ebenso das Rauschen des Signals verstärkt! Erfreulicherweise war dem, wie im Anhang zu sehen, nicht so. Bei meinen Recherchen bin ich auf folgende Seite gestoßen: http://www.elektronikinfo.de/strom/op_rauschen.htm Dort heißt es: "Aus diesem Grund addieren sich die 5 Rauschanteile glücklicherweise nicht linear (also U1+U2+U3+U4+U5) sondern orthogonal sprich als Quadratwurzel aus der Summe der Quadrate, d.h. Wurzel(U1*U1 + U2*U2 + U3*U3 + U4*U4 + U5*U5). Dies ergibt erfreulicherweise einen kleineren Wert als die lineare Addition." Meine Frage: Ist dies der Grund für das geringere Rauschen oder bin ich da auf dem Holzweg? Mit besten Grüßen Tino
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Edit: Auf dem Bild ist das blau markierte, nicht verstärkte Spulensignal sowie das lila gekennzeichnete verstärkte Spulensignal zu erkennen. greetz
Das, was du als Rauschen bezeichnest, sind sicherlich hochfrequente Störungen/Schwingungen. Ein OPV hat ein Verstärkungs-Bandbreitenprodukt. Je höher die Verstärkung (und je lahmarschiger der OPV), um so niedriger ist die Grenzfrequenz. Zu sehen ist auch, dass nach der Signalspitze die Ansiegsgeschwindigkeit (hier Abfall-) nicht mehr ausreicht. Es entsteht ein geradliniger Abfall ohne Störungen. Eigentlich gehört VOR jeden ADC ein Anti-Aliasingfilter (Tiefpass)! Das "bekommst" du natürlich auch mit einem uralten, langsamen OPV.
Bist du sicher, daß du da wirklich nur das Eigenrauschen deiner Schaltung mißt? Ich halte es genauso für möglich, daß du mit deiner Spule irgendwelche fetten hochfrequenten Anteile reinbekommst. Sowas wie einstreuendes Schaltnetzteil, Mobilfunk und vergleichbares. Die gehen dir dann durch den OP-AMP teilweise verlustig, da bei einem Operationsverstärker meist ein begrenztes du/dt die Bandbreite begrenzt. LM324 (TI): unity gain 1.2MHz, SR 0.5V/us.
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Vielen Dank für die Antworten! Das mit der begrenzten Bandbreite beim OPV habe ich mir auch schon überlegt. Nur konnte ich mir das bei einer Verstärkung von Faktor < 5 bei einer max. Signalfrequenz von 8kHz nur schwer vorstellen. Ich hab einfach mal ein "Worst-Case-PWM Signal" erzeugt mit einem Highanteil von 0,125µs und Lowanteil von 3,875µs. Ergo ist ja meine Höchste im Signal vorkommende Frequenz 8kHz (1/0,125µs). Das Oszi spricht hierbei eine deutliche Sprache, wie im Anhang (Bild 1 und 2) zu sehen. Trotzdem bin ich etwas stutzig, da im Datenblatt - Open loop frequency response - Figur 9 http://www.st.com/web/en/resource/technical/document/datasheet/CD00001046.pdf bei einer Grenzfrequenz über 10kHz eine Verstärkung >14dB (v > 5) möglich wäre! Mir ist klar, dass an steilen Flanken höhere Frequenzanteile auftreten aber ein solcher Effekt :/ Zum Rauschen kann ich nur sagen, dass ich mir da nicht sicher bin was ich mir alles "einfange" ^^ Ich habe aber versucht so gut es geht, mit meiner Messplatine Abstand von der Spule zu gewinnen. Mein Versuchsaufbau im dritten Bild verdeutlicht dies. Mein Controller sowie Messplatine liegen auf dem Tisch und die Ansteuerung der Spule erfolgt mit Hilfe dieser verdrillten Laborleitungen. Ich habe mal noch ein viertes Bild mit meinem Schaltplan. Denkt Euch einfach den Rest nach dem 1Ohm Shunt weg. Da hängt nun mein Verstärker dran. Es ist lediglich ein Verstärker für das PWM-Signal zu sehen (T1) der die 24V für die Spule generiert sowie die Messapperatur. Kann mir nicht vorstellen da großartig Störungen zu bekommen oder doch? Greetz Tino
Tino Wolf schrieb: > Meine Erwartung war, dass sich neben dem Grundsignal (Spulenstrom) > ebenso das Rauschen des Signals verstärkt! Ich vermute, dass du auf der Platine eine verrauschte Masse hast, was direkt als Störung im Oszi angezeigt wird. Wenn du das Signal um Faktor 5 verstärkst, dann bleibt das Rauschen auf der Masse konstant. Am Oszi bleibt der Rauschpegel deshalb gleich groß, während sich der Pegel des Nutzsignals entsprechend erhöht. Das Rauschen ist also eigentlich ein Messfehler, der A/D-Wandler auf der Platine wird das Rauschen deshalb auch nicht sehen, wenn er auf der gleichen Masse liegt.
Leider ist eine Lösung des Masseproblems im Moment nicht möglich :/ Mein Vorhaben ist, den Controller des EK-Boardes irgendwann auf einer eigens entwickelten Platine unterzubringen. Dort soll dann schließlich auch eine gemeinsame Masse existieren. Für mein Projekt ist es jedoch a.t.m vorranig, die prinzipielle Funktionalität meines Vorhabens zu untersuchen. Dies ist mir soweit auch gelungen, nur möchte ich eben noch etwas dran "feilen" ^^. Ich mache mir nun nur Sorgen, einen zu großen Informationsverlust durch den OPV zu bekommen. Letztendlich möchte ich einen Regelkreis mittels des Controllers an meiner Spule realisieren. Wenn ich die Antworten zusammen fasse, wäre es also nötig: 1. leistungsfähigeren OPV verwenden (besseres Verstärkungs-Banbreitenprodukt) 2. Anti-Aliasing Filter nach dem Verstärker und vor dem ADC-Eingang (mir schwebt da ein Tiefpass mit Bessel-Charakteristik vor?) 3. im späteren Verlauf meines Projektes auf korrekte Masse achten! greetz Edit: zu 2. Wenn ich nun einen Tiefpass gestallten möchte, gibt es da Erfahrungswerte bei welcher Grenzfrequenz man ansetzt? Schließlich möchte ich ja die steilen Flanken des Signals so wenig wie möglich kastrieren und ein "Rauschen" so gut es geht unterdrücken!
Tino Wolf schrieb: > Wenn ich nun einen Tiefpass gestallten möchte, gibt es da > Erfahrungswerte bei welcher Grenzfrequenz man ansetzt? Bei SAR-Wandlern würde ich einen Tiefpass 2. Ordnung machen, die Grenzfrequenz sollte oberhalb der maximalen Nutzfrequenz sein, die man noch auswerten möchte. Gleichzeitig muss die Grenzfrequenz so niedrig sein, dass oberhalb der halben Abtastfrequenz des A/D-Wandlers keine nennenswerten Signale mehr im Spektrum enthalten sind. Die Grenzfrequenz hängt also sehr stark von der Abtastfrequenz des A/D-Wandlers ab.
Rauschen ist immer Rauschleistung über eine bestimmte Bandbreite, und dein Scope hat eine sehr hohe Bandbreite (wohl so 100MHz) während der OpAmp wie du selbst feststellst eine eher geringe Bandbreite hat (10kHz) bei der Verstärkung, kein Wunder also, daß die dargestellte Rauschleistung kleiner ist. Wenn du an die Spule ein RC-Tiefpass-Filter anbaust, welches auch bei 10kHz begrenzt, wird dein Scope-Direktsignal schon besser aussehen. Du musst halt wissen, was dich am Signal interessiert.
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Vielen Dank Johannes und MaWin für die Antworten! Dann fasse ich nochmal zusammen: Ich taste mit einer Frequenz von 1,5 MHz ab und betreibe den AD-Wandler im kontinuierlichen Free Running Mode. Grund für diese Entscheidung war, dass ich selbst im kleinsten PWM-Signal mit 0,125µs Highanteil noch genügend Messwerte aus dem höchsten Bereich des Spulenstroms erhalte. Zur Überprüfung habe ich einen Pin togglen lassen und komme auf durchschnittlich 4 Messwerte (siehe Bild1 - lila Kurve). Eine Nutzfrequenz habe ich in dem Sinn ja eigentlich nicht. Theoretisch sollte das Signal so unverfälscht wie nur möglich sein, jedoch kommt es mir, wie bereits erwähnt lediglich auf den niedrigsten bzw. höchsten Strommesswert an (siehe Bild 2 - rote Pfeile). vom Prinzip her, wenn ich das ganze also richtig einschätze, liegt meine Grenzfrequenz des Tiefpass theoretisch also bei ein bisschen was über 8kHz ??? Ich hoffe ich habe da jetzt nicht zu viel durcheinander gehauen :/
Tino Wolf schrieb: > Grund für diese Entscheidung war, > dass ich selbst im kleinsten PWM-Signal mit 0,125µs Highanteil noch > genügend Messwerte aus dem höchsten Bereich des Spulenstroms erhalte. Das sieht auf dem Oszi eher nach 125 µs aus, nicht 0,125 µs > Zur Überprüfung habe ich einen Pin togglen lassen und komme auf > durchschnittlich 4 Messwerte (siehe Bild1 - lila Kurve). Was bedeutet das Toggeln? Sind das die Abtastzeitpunkte? Dann ist die Abtastfrequenz eher 60 kHz und nicht 1,5 MHz. > vom Prinzip her, wenn ich das ganze also richtig einschätze, liegt meine > Grenzfrequenz des Tiefpass theoretisch also bei ein bisschen was über > 8kHz ??? Bei einem Stromanstiegszeit von 125 µs und 1,5 MSPS Abtastrate würde ich die Grenzfrequenz ungefähr auf 50 kHz legen, dann sind auch noch ein paar Oberwellen enthalten und der Abstand sollte groß genug zur Abtastfrequenz sein. > Ich hoffe ich habe da jetzt nicht zu viel durcheinander gehauen :/ Prüf nochmal deine Zeit- bzw. Frequenzangaben, evtl. hast du da schon etwas durcheinander gebracht.
Hoppla stimmt ... da habe ich etwas durcheinander gebracht! Natürlich hast du Recht ^^ mein Grundsignal der PWM hat ne Periode von 4ms und das kleinste PWM-Signal hat nen Lowanteil von 3,875ms sowie 125µs Highanteil. Nun ja ... die Abtastfrequenz liegt nach meiner ADC-Konfiguration bei 1,5MSPS. Ich toggel jedes Mal in meiner Hauptroutine wenn ich ein Ergebnis aus meinem Ergebnisregister auslese, indem ich einen GPIO-Pin auf High setze und im nächsten Befehl auf Low. Ich denke fast auch, dass dies nicht meine reale Abtastfrequenz widerspiegelt, mir fällt aber ehrlich gesagt keine andere Möglichkeit ein, die Abtastfrequenz zu visualisieren. Sorry für die allgemeine Verwirrung bei den Werteangaben! Dies dient lediglich der Steigerung der Aufmerksamkeit hehe ;)
Tino Wolf schrieb: > Ich toggel jedes Mal in meiner Hauptroutine wenn ich ein Ergebnis aus > meinem Ergebnisregister auslese Das ist nicht gerade die elegante Methode, da du dann von deinen 1,5 MSPS viele Messwerte gar nicht auswertest; das ist dann das gleiche, wie wenn der Wandler mit einer deutlich kleineren Abtastfrequenz arbeiten würde. Manche Controller mit schnellen A/D-Wandlern haben zu diesem Zweck digitale Filter integriert, die z.B. einen Mittelwert aus mehreren aufeinanderfolgenden Abtastwerten berechnen können. Das ist sehr wirkungsvoll um den Rauschpegel zu verringern. Oder vielleicht kannst du den A/D-Wandler so programmieren, dass in jedem Zyklus z.B. 4 oder 8 Werte gemessen und im FIFO gespeichert werden, dann kannst du selber einen Mittelwert berechnen. Was für einen Controller hast du denn?
Hai!
Tino Wolf schrieb:
> Zum Rauschen kann ich nur sagen,
Hmm.
Ich finde es nicht gut, wenn alles, was auch nur sehr entfernt
nach "Rauschen" aussieht, als "Rauschen" bezeichnet wird. Das
ist eine weit verbreitete Unsitte - aber ich finde es trotzdem
nicht gut :-)
Man sollte besser von "Stoerungen" oder "Stoersignal" sprechen,
das stimmt immer.
Rauschen ist
1. eine breitbandige Stoerung, die
2. nicht mit dem Nutzsignal korreliert ist,
und typischerweise durch einen statistischen Prozess entsteht.
Bekanntestes Beispiel ist das thermische Rauschen; es gibt aber
auch Lawinenrauschen, Stromverteilungsrauschen usw.
Es gibt Leute, die den Begriff "Quantisierungsrauschen"
ablehnen und von "Quantisierungsgeraeusch" reden, weil das
Quantisierungsgeraeusch mit dem Signal korreliert ist, was
bei echtem Rauschen nicht der Fall ist.
Ja, das klingt nach schrecklicher Prinzipienreiterei und
Klugscheisserei. Stimmt.
Falsche Begriffe haengen aber mit falschen Modellvorstellungen
zusammen, und falsche Modellvorstellungen behindern die Suche
nach den Ursachen.
Die Stoerungen durch Schaltregler folgen nicht den Gesetzen
des thermischen Rauschens, denn sie sind kein thermisches
Rauschen.
Grusz,
Rainer
Rauschen besitzt in der time-domain keinerlei Regelmäßigkeit über beliebige Zeiträume. In der frequency-domain allerdings schon!
Hai! Tino Wolf schrieb: > Ich mache mir nun nur Sorgen, einen zu großen > Informationsverlust durch den OPV zu bekommen. > Letztendlich möchte ich einen Regelkreis mittels > des Controllers an meiner Spule realisieren. Woher kommt denn dieser Massentrend, klassische Aufgabenstellungen mit modernen, ungeeigneten Methoden zu loesen? Wenn Du einen Regelkreis realisieren willst - warum realisierst Du dann keinen (klassischen) Regelkreis? (Man kann auch digitale und analoge Regler kombinieren [z.B. "unterlagerte Stromregelung"].) > Wenn ich nun einen Tiefpass gestallten möchte, gibt es > da Erfahrungswerte bei welcher Grenzfrequenz man ansetzt? "Ich moechte ein Fahrzeug bauen. Welche Motorleistung benoetige ich?" Die Dimensionierung des Tiefpasses haengt natuerlich vom Gesamtsystem ab. Bis jetzt habe ich nur herausgelesen, dass Du irgend etwas mit einer Spule machen willst. > Schließlich möchte ich ja die steilen Flanken des Signals > so wenig wie möglich kastrieren und ein "Rauschen" so gut > es geht unterdrücken! Eine voellig ernst gemeinte Frage von mir: Wenn Du einen Regelkreis aufbauen willst - warum entwirfst Du ihn dann nicht ungefaehr nach den Methoden der Regelungstechnik? Grusz, Rainer
Vielen Dank für die konstruktiven Hinweise und Anregungen! Ich freue mich über diese rege Beteiligung hier. @ Johannes: Ich verwende einen AT32UC3C0512C-EK Board. In ungefähr dieser Art und Weise arbeite ich auch. Meine aktuellen Ergebnisse werden automatisch immer in einem Ringpuffer abgelegt und über die letzten 8 Werte wird der Mittelwert gebildet. Mittels ISR zum Periodenende und zur fallenden Flanke des PWM-High-Signals erfolgt eine Weiterverarbeitung mit den Differenzwerten. @ Rainer: 1. Ich versuche mir das anzugewöhnen auf korrekte Verwendung von Begrifflichkeiten zu achten. Man lernt eben nie aus ;) 2. zu meinem Projekt ist folgendes zu sagen. Ziel ist es, auf die Position eines Stößels innerhalb der Spule Rückschlüsse zu ziehen bzw. die genaue Position zu bestimmen! Jeh nach Position des Stößels verändert sich der Spulenstrom bei einem anliegenden PWM - Signal. Mit Hilfe eines Robozylinders, welcher 32 Positionen anfahren kann (er drückt den Stößel also in die Spule hinein) und 31 verschiedenen PWM-Signalen, welche bei jeder Roboposition angefahren werden, habe ich eine Messkurve erhalten. Dies entspricht einer Sattelkurve. Problematik hierbei ist leider, das genau im Sattelbereich der Stößel die meiste Kraft erfährt, jedoch einem Differenzstrom zwei Positionen zugeordnet werden können. Anbei ein Bild der Messkurve. Warum dies nicht mit herkömmlichen Methoden realisiert wird, darfst du mich nicht fragen. Dies war ein Thema meines Professors und da mir der Embedded Bereich sehr viel Spaß macht, habe ich mich einfach gemeldet :) Ich hoffe mir wird dies nicht negativ ausgelegt werden ^^ Beste Grüße und nochmals vielen Dank
Normalerweise würde man dafür einen LVDT verwenden und eine entsprechende Auswerteelektronik verwenden, z.B. sowas hier: http://www.linear.com/docs/7397
Tino Wolf schrieb: > 20130830_101709.jpg > 1,8 MB, 111 Downloads Guck dir mal die riesige Loopantenne an, die du mit Massekabel und Messspitze des Oszis aufbaust. Damit fängt sich dein Oszi Dreck ein, der wahrscheinlich durch die Kapazität in deinem Brotbrettaufbau bei der "Mit-OP-Variante" etwas zusammenbricht. Mit einem C in der Gegenkopplung kannst du die Bandbreite des OP weiter verringern und die Rauschamplitude weiter reduzieren. > platine_bearb.JPG Was für ein JPEG-Gematsche. Nimm doch, so wie im Artikel Bildformate beschrieben, ein passendes Format, vorzugsweise PNG.
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branadic schrieb: > Normalerweise würde man dafür einen LVDT verwenden und eine > entsprechende Auswerteelektronik verwenden, z.B. sowas hier: > > http://www.linear.com/docs/7397 Hallo und vielen Dank für den Link und diese Anmerkung. Leider bin ich mit diesem System nicht wirklich vertraut aber bei kurzem überfliegen lese ich heraus, dass dieses System lediglich zur Wegmessung verwendet wird, sprich in zwei Richtungen. Bei meiner Variante wird im Gegensatz zu dieser LVDT-Variante nicht mit einer festen Wechselspannung, sondern mit einem variablen PWM-Signal gearbeitet. Somit ist es mir möglich, auf Krafteinflüsse und ein Einstellen einer Soll-Position besser zu reagieren. Anbei eine kleine Grafik. Zu sehen ist die Sattelkurve. Die rot markierte Kurve stellt die Kraftkomponente dar. Es ist zu sehen, dass gerade im Sattelpunkt dieser Kurve die größte Kraft anliegt.
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