Moin zusammen, ich stehe vor einem Problem und würde gern etwas externen Input erhalten :-). Wir haben einen analogen Lock-In-Verstärker gebaut, mit dem wir eine Messbrücke auslesen. Der Sinus für die Brückenversorgung hat eine Frequenz von 10 kHz. Nach einem steilen Tiefpass werden am Ausgang des Verstärkers noch (mechanisch erregte) 1 kHz ausgegeben. Die Rauschunterdrückung funktioniert gut, wir können Brückendiagonalspannungen in der Größenordnung von 10 nV auflösen. Das Teil wurde in einem PSOC mit ein paar Teilen drumherum implementiert und funktioniert so, wir wir das gerne hätten. Nun stoßen wir allerdings an die Grenzen des Designs: Dummerweise gibt es in einer der beiden Leitungen von der Messbrücke (die, über die die Diagonalspannung abgegriffen wird) zum Verstärker eine Kapazität in der Größenordnung von 30 nF, die wir aus technischen Gründen nicht weg kriegen. Das bedeutet, dass wir nicht wie bisher die beiden Leitung an einen Instrumentenverstärker legen können, weil die beiden Signale durch die Kapazität in der einen Leitung phasenverschoben sind und das eine Signal dazu auch noch eine kleinere Amplitude hat. Das müssen wir also irgendwie kompensieren. Möglichkeit 1: In die andere, bisher nicht von der Kapazität betroffene Leitung eine Kondensator zur Kompensation hängen. Gefällt mir nicht, weil die Störkapazität sich im Betrieb ändern kann. Zu unflexibel. Möglichkeit 2: Aus dem analogen Lock-In Verstärker einen digitalen machen. Dazu würden wir die beiden Leitungen (ich nenne sie mal A und B) von der Brücke kommend jeweils mit einem PGA etwas vorverstärken und anschließend Tiefpassfiltern, damit schonmal die Frequenzanteile über 20 kHz (die Brücke wird ja mit 10 kHz gespeist) raus sind damit wir kein Aliasing bekommen. Dann AD-Wandlung der beiden Signale. Anschließend würde ein Signal eine Phasenverschiebung verpasst bekommen, sodass beide Signale wieder Phasengleich sind. Dann wird die Differenz der beiden Signale (A-B) gebildet, also das was der Instrumentenverstärker bei der analogen Schaltung gemacht hat). Zum Schluss der Lock-In-Kram, also Multiplikation mit dem Referenzsignal und anschließende Tiefpassfilterung. Da ab der AD-Wandlung das ganze ja Software ist, lässt sich auch die Phasenverschiebung entsprechend anpassen und somit die Störkapazität ausgleichen. Womit ich jetzt ein Problem habe, ist die Auflösung. Der PGA kann keine große Verstärkung haben, weil ja beide Signale zunächst einzeln verstärkt, dann digitalisiert und dann subtrahiert werden und nicht die Differenz zuerst gebildet und dann Versärkt werden kann. Also muss der AD-Wandler eine genügend hohe Auflösung mitbringen. Mit einem 24-bit-ADC und einem max. Signalhub von 5V ließen sich theoretisch etwa 300 nV auflösen. Wenn das Signal vorher um einen Faktor 2 Verstärkt wurde, bedeutet das eine Änderung der Brückenspannung von 150 nV. Das kommt dummerweise nicht an die 10 nV Brückenspannungsänderung unserer jetzigen, analogen Lösung heran. Eigentlich bräuchten wir 28 bit Auflösung aber ich mag schon gar nicht an 24 bit echte Auflösung glauben, weil das PCB ja auch noch ein Wörtchen mitzureden hat... Habt ihr einen Tipp, womit wir weiterkommen könnten? Oversampling? Irgendeine andere Idee, wie man diese Störkapazität flexibel ausgleichen kann? Viele Grüße Peter
Weshalb auf eine komplizierte Loesung ausweichen wenn es einfacher gehen koennte ? Leitungen neu legen ? Differentielle Leitungen sollten eh verdrillt sein. Eine verdrillte Leitung fuer die Anregung, eine verdrillte Leitung fuer die Messstellen. Allenfalls einen Verstaerker bei der Bruecke platzieren.
Wird die Brücke derzeit asymmetrisch versorgt? D.h. über die 30nF fällt die vergleichsweise riesige Gleichtaktspannung ab (halbe Versorgungsspannung)? Dann würde dir eine symmetrische Brückenversorgung etwas weiter helfen. Der Kondensator sieht dann nur noch die wahrscheinlich viel kleinere Differenzspannung und verzieht die Brücke nicht ganz so sehr. Trotzdem würde ich keine Widerstandsbrücke betreiben wollen, an deren einem Ende 30nF hängen. Und ich glaube nicht, dass deine Digitalisierungsideen dir weiter helfen. Wie Jetzt Nicht geschrieben hat: das Problem an der Wurzel anpacken, ggf. direkt am Ausgang der Brücke verstärken. Woher kommen eigentlich diese 30nF.
Moin zusammen, vielen Dank für die Antworten. Das mit den verdrillten Leitungen wissen wir, nur funktioniert das in dieser Anwendung leider nicht, weil es sich um ein mikrosystemtechnisches Bauteil in Dünnschichttechnik handelt, bei dem dummerweise die Leitungen auch in Dünnschichttechnik aufgebaut sind. Und zwischen der Leitung und dem (geerdeten) Substrat befinden sich nur einige 10 nm Isolation. Mit Verdrillen is also nich... Aus baulichen Gründen können wir auch mit der Elektronik nicht dichter an die Messstelle heran. Die Kapazität bleibt also vorhanden, egal wie wir uns drehen oder wenden :-(. Mal ein Gedanke: Am meisten stört die Phasenverschiebung zwischen den beiden Messleitungen der Diagonalspannung. Die Sache mit der Amplitude lassen wir mal außen vor - da uns eh die Differenz der beiden Signal interessiert, kann uns die absolute Höhe der Signale erst einmal egal sein. Dann bräuchten wir in der einen Messleitung einen Phasenschieber, der das Signal der anderen Leitung als Referenzsignal nutzt und so beide Signale wieder phasengleich macht. Was ich bisher gefunden habe, wird meist für Mikrowellen eingesetzt... Kennt sich damit jemand näher aus und kann mich in die richtige Richtung stubsen?
Peter schrieb: > Und zwischen der Leitung und dem (geerdeten) Substrat > befinden sich nur einige 10 nm Isolation. Mit Verdrillen > is also nich... Nun ja, wenn eine bestimmte Brückenleitung zwangsweise kapazitiv geerdet ist, dann richtet Ihr die Speisung eben so ein, dass diese Leitung TATSÄCHLICH Erdpotenzial hat. Dann ist die Wirkung der Kapazität eliminiert.
Peter schrieb: > Am meisten stört die Phasenverschiebung zwischen den > beiden Messleitungen der Diagonalspannung. Die Sache mit der Amplitude > lassen wir mal außen vor - da uns eh die Differenz der beiden Signal > interessiert, kann uns die absolute Höhe der Signale erst einmal egal > sein. Wenn der Kondensator die Phase verschiebt, dann hat die Differenzspannung auch die falsche Amplitude (30nF bei 10kHz sind ~550Ohm). Und das kannst du einfach durch einen Phasenschieber nicht ausgleichen. Possetitjel schrieb: > Nun ja, wenn eine bestimmte Brückenleitung zwangsweise > kapazitiv geerdet ist, dann richtet Ihr die Speisung > eben so ein, dass diese Leitung TATSÄCHLICH Erdpotenzial > hat. Dann ist die Wirkung der Kapazität eliminiert. das geht in die ähnliche Richtung wie mein Vorschlag: Achim S. schrieb: > Dann würde dir eine symmetrische Brückenversorgung etwas weiter helfen. > Der Kondensator sieht dann nur noch die wahrscheinlich viel kleinere > Differenzspannung und verzieht die Brücke nicht ganz so sehr. Wenn nicht ein Ende der Brückenversorgung auf Masse festgenagelt ist: versorgt die Brücke über einen Übetrager und legt den kapazitiv belasteten Brückenausgang auf Masse.
Achim S. schrieb: > Possetitjel schrieb: [...] > > das geht in die ähnliche Richtung wie mein Vorschlag: Stimmt, in der Tat. > Achim S. schrieb: >> Dann würde dir eine symmetrische Brückenversorgung etwas >> weiter helfen. Der Kondensator sieht dann nur noch die >> wahrscheinlich viel kleinere Differenzspannung und verzieht >> die Brücke nicht ganz so sehr. > > Wenn nicht ein Ende der Brückenversorgung auf Masse > festgenagelt ist: versorgt die Brücke über einen Übetrager > und legt den kapazitiv belasteten Brückenausgang auf Masse. Kann man bei 10kHz sicher auch mit OPVs machen, mit Rückführung der virtuellen Masse. Hmm, mir ist jetzt so, als hätte ich solche Vorschläge schon von AD oder BB gesehen. - Nicht als Widerspruch zu Deinem Beitrag gedacht, eher als Ergänzung.
Man koennte per Transformator (Uebertrager) speisen, und per Uebertrager das Signal abgreifen. Mit etwas Glueck muss mich dann gar nichts interessieren. Wenn das Sensorsignal eine Phasenverschiebung hat, kann man mit der leben, oder sie ignorieren. Ueber alles muss man eh kalibrieren.
Moin zusammen, da habe ich ein Verständnisproblem: Bei einer Viertelbrücke steckt meine Messinformation lediglich in einer der beiden Messleitungen. Die Leitung (Leitung A), die die Seite mit dem DMS abgreift verändert sich durch einen veränderten Widerstand des DMS, die andere Leitung (Leitung B) sieht nur den Spannungsteiler, vorausgesetzt, die Speisespannung der Brücke ist konstant. Wenn ich nun, wie vorgeschlagen, Leitung A auf Masse lege (weil genau diese Leitung kapazitiv verseucht ist), messe ich doch nichts mehr? Oder habe ich da einen Denkfehler?
Wenn die Brücke einen weiteren Erdbezug hat (z.B. durch ein Ende der Versorgung), dann hast du Recht: dann schließt du mit der Masseverbindung am Ausgang das Signal kurz. Aber wenn alle anderen Potentiale der Brück floaten, dann kannst du einen beliebigen Knoten der Brücke Masse nennen (bzw. ihn mit Masse verbinden). Das Signal wird dadurch nicht kurzgeschlossen, weil von keinem anderen Punkt der Brücke Ströme nach Masse fließen können (außer den gewünschten Strömen über die Brückenwiderstände). Vielleicht ist es einfache, sich die Sache schrittweise verständlich zu machen: a) mal dir zunächst mal eine Viertelbrücke auf, die an einem Ende mit einer Wechselspannung, am anderen Ende mit Masse versorgt wird. Wie groß ist jetzt die Spannung an dem parasitären Kondensator? b) jetzt betrachte die selbe Brücke mit symmetrischer Versorgung (oben Wechselspannung, unten die invertierte Wechselspannung). Welche Spannung sieht der Kondensator nun? c) als drittes kannst du dir überlegen, wie sich die Versorgung der Brücke einstellt, wenn sie potentialfrei über einen Übertrager zugeführt wird.
Hallo Achim, danke für deine Erklärung. Ich habs kapiert, stand vorhin auf dem Schlauch. Ich hatte irgendwie noch den Erdbezug der Anregung ohne Übertrager in meinen Gedanken drin. Wir werden das mal ausprobieren. Mal sehen, was dabei herauskommt. Wir haben noch ein paar andere Ideen und werden mal die Simulation bemühen um zu sehen, was uns wie gut weiterbringt. Vielen Dank schonmal an alle Antworter!
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