Rauschproblem bei OpAmp als Impedanzwandler für Spannungsteiler

[Paul H. (powl)]

Hi,

ich habe hier ein kleines Problem: Und zwar möchte ich mit dem 
differenziellen bipolaren ADC des ATtiny861 ein Audiosignal erfassen. 
Hierfür koppel ich das Signal über zwei Koppelkondensatoren auf durch 
einen OpAmp stabilisierte AVCC/2 ein.

Zum Rauschproblem: C5 habe ich erst nachträglich experimentell 
dazugefügt. Wenn ich ihn weglasse, habe ich bedeutend höheres Rauschen 
als mit, was mich wundert. Als Referenzspannung nutze ich die interne 
1,1V Referenz. Die Versorgung des OpAmps zweige ich direkt von AVCC ab, 
über einen 2cm langen Draht. Die Widerstände des Spannungsteilers 
befinden sich direkt am OpAmp. Woher zum Henker kommt nun also das 
Rauschen und wieso verschwindet es nahezu, wenn ich die 
Spannungsteiler-Spannung mit einem Kondensator stabilisiere?

Liegt hier ein prinzipbedingtes Problem vor oder liegt es am Aufbau der 
Schaltung, der sich durch die "langen" Leitungen Störungen einfängt?

Weitere Maßnahmen zur Reduzierung des Rauschens?

lg

[Michael U. (amiga)]

Hallo,

mich würde eher folgendes interessieren:
Du benutzt die 1,1V Referenz und legst die Eingänge statisch auf 2,5V.

Der ADC gibt also sowieso nur 1023 aus, weil Du mehr als das Doppekte 
über der Referenz bist. Gewandelt wird also ohnhin nur, wenn die 
negativen Halbwellen Deiner NF irgendwo zwischen -1,4V und -2,5V sind. 
Was soll da also rauskommen? Oder benutzt Du doch AVCC als Referenz?
Der Kondensator müßte ohnehin eher 22-47µ groß sein, der OPV addiert 
ohne ja jede Störung auf der Betriebsspannung zu Deiner NF dazu.

Eigentlich brauchst Du nur einen Spannungsteiler 10k gegen AVCC, 1k 
gegen GND am ADC-Eingang, dann hast Du ca. 0,5V Offset, bist also etwa 
in der Mitte der 1,1V Referenz. Deine NF per Kondensator eingekoppelt 
und der ADC wird mit ca. 1Vss voll ausgenutzt.

Gruß aus Berlin
Michael

[Amateur (Gast)]

Ich würde mich der Meinung von Michael anschließen:
Darüber hinaus könnten der eine oder andere Kondensator nicht schaden.

Die Sache mit der mittelprächtigen "Vorspannung" hätte Dir aber auch so 
auffallen müssen. Ich kann mir zumindest nicht vorstellen, dass das 
System ohne Eingangssignal ca. 511 liefern tut.

[Paul H. (powl)]

Michael U. schrieb:
> mich würde eher folgendes interessieren:
> Du benutzt die 1,1V Referenz und legst die Eingänge statisch auf 2,5V.
> Der ADC gibt also sowieso nur 1023 aus, weil Du mehr als das Doppekte
> über der Referenz bist. Gewandelt wird also ohnhin nur, wenn die
> negativen Halbwellen Deiner NF irgendwo zwischen -1,4V und -2,5V sind.
> Was soll da also rauskommen? Oder benutzt Du doch AVCC als Referenz?
Nein, ich wandel bipolar differenziell, das können nur wenige AVRs. 
Deshalb führt auch der Ausgang des OpAmp, der ja AVCC/2 führen soll, an 
den ADC1-Pin :-) Das ist der negative differenzielle ADC-Input meiner 
Messungen. ADC0 und ADC2 sind die positiven differenziellen ADC-Inputs. 
Der ADC-Wert steht mir hinterher als 10-bit signed zur Verfügung und 
steht in Ruhestellung auf 0 (zumindest nach einer kleinen 
software-Offsetkorrektur, aber das steht auch im Datenblatt und ist 
korrekt so).

> Der Kondensator müßte ohnehin eher 22-47µ groß sein, der OPV addiert
> ohne ja jede Störung auf der Betriebsspannung zu Deiner NF dazu.

Klingt erst mal einleuchten, aber wo kommen diese Störungen her? 
Immerhin wird AVCC über ein LC-Glied gespeißt, da sollte eigentlich Ruhe 
herrschen. Oder bekomm ichs hier mit den Störungen, bedingt durch die 
Stromaufnahme des µCs zu tun?

> Eigentlich brauchst Du nur einen Spannungsteiler 10k gegen AVCC, 1k
> gegen GND am ADC-Eingang, dann hast Du ca. 0,5V Offset, bist also etwa
> in der Mitte der 1,1V Referenz. Deine NF per Kondensator eingekoppelt
> und der ADC wird mit ca. 1Vss voll ausgenutzt.

D.h. du rätst mir, den OpAmp vollkommen wegzulassen? Prinzipiell spricht 
wohl nichts dagegen wenn ichs mir recht überlege. Mittlerweile ist es 
schon ein paar Wochen her seitdem ich die Schaltung aufgebaut habe aber 
ich glaube meine Intention, einen OpAmp zu nutzen war, dass die 
AVCC/2-Spannung schön niederohmig gegenüber den beiden Audio-Eingängen 
ist, damit es hier nicht zu Übersprechen oder Schwankungen 
AVCC/2-Spannung kommt. Wobei Schwankungen durch die differenzielle 
Messung eh nicht relevant wären.

[U. M. (oeletronika)]

Hallo,
> Paul H. schrieb:
> Woher zum Henker kommt nun also das
> Rauschen und wieso verschwindet es nahezu, wenn ich die
> Spannungsteiler-Spannung mit einem Kondensator stabilisiere?
Ich denke, es handelt sich weniger um Rauschen, sondern wahrscheinlich 
eher um Digitalstörungen, die der rel hochohmige Eingäng einfängt.

Ein ordentlicher Tiefpass am Spannungsteiler sollte unbedingt sein,
aber auch ein Tiefpass in der Stromzufuhr des OPV ist sinnvoll, vor 
allem wenn dieser von einer verseuchten Digitalstromschiene versorgt 
wird wird.

> Liegt hier ein prinzipbedingtes Problem vor oder liegt es am Aufbau der
> Schaltung, der sich durch die "langen" Leitungen Störungen einfängt?
Das sicher auch.
Gruß Öletronika

[Olaf (Gast)]

Also ich kenne deinen Microcontroller nicht und will daran auch nichts 
aendern. :-)

Aber:

1. Dein Aufbau ist sich auch schon fuer ein 10Bit Wandler nicht optimal.
   Ausserdem solltest du die Groesse deines Rauschens naeher definieren.

2. Dein C5 ist grundsaetzlich immer eine gute Idee. Das er bei dir aber
   soviel bewirkt das es dich wundert deutet darauf hin das deine
   Versorgung ziemlich dreckig ist.

3. Selbstverstaendlich benoetigen AD-Wandler ein Filter am Einang damit
   alle Signalanteile ueber der halben Samplingfrequenz eine
   Abschwaechung von 10Bit x 6dB erfahren.

4. Dein AD-Wandler hat sicher einen Eingangswiderstand. Passt der zum
   Quellenwiderstand? Liess mal das Datenblatt deines Controllers was er
   da verlangt.

5. Was ist L1? Was hat die Spule fuer einen Gleichstromwiderstand?
   Sollte der ueber 1R sein so solltest du darueber auch nochmal
   nachdenken.

Olaf

[Klaus R. (klara)]

Paul H. schrieb:

> Woher zum Henker kommt nun also das
> Rauschen und wieso verschwindet es nahezu, wenn ich die
> Spannungsteiler-Spannung mit einem Kondensator stabilisiere?
>
http://www.beis.de/Elektronik/Nomograms/R-Noise/ResistorNoise.html

Der Spannungsteiler hat einen Innenwiderstand von 100K//100K = 50K. Das 
bedeutet, das Widerstandsrauschen hat ca. 30nV/Wurzel(Hz). Der 
Kondensator vermindert den Innenwiderstand frequenzabhängig.

mfg klaus

[Marian (phiarc)]

Klaus R. schrieb:
> Der Spannungsteiler hat einen Innenwiderstand von 100K//100K = 50K. Das
> bedeutet, das Widerstandsrauschen hat ca. 30nV/Wurzel(Hz). Der
> Kondensator vermindert den Innenwiderstand frequenzabhängig.

Der 358er hat ja allein schon 40 nV^2/Hz Rauscheingangsspannung. 
Zuzüglich des nicht spezifizierten Rauschstroms. Am thermischen Rauschen 
wird es eher nicht liegen...

[Paul H. (powl)]

U. M. schrieb:
> Ein ordentlicher Tiefpass am Spannungsteiler sollte unbedingt sein,
> aber auch ein Tiefpass in der Stromzufuhr des OPV ist sinnvoll, vor
> allem wenn dieser von einer verseuchten Digitalstromschiene versorgt
> wird wird.

Die versuchten Digitalstromschiene von AVCC ist wahrscheinlich noch die 
unverseuchteste Stelle um Spannung abzugreifen :D Aber Recht hast du, da 
muss ein Filter ran.


Olaf schrieb:
> 1. Dein Aufbau ist sich auch schon fuer ein 10Bit Wandler nicht optimal.
>    Ausserdem solltest du die Groesse deines Rauschens naeher definieren.
Oh in wie fern? Meinst du generell das PCB? Das ist nur ein Prototyp. 
Oder Prinzipiell die Leitungsführung (auch im Schaltplan schon 
angedeutet)?

> 3. Selbstverstaendlich benoetigen AD-Wandler ein Filter am Einang damit
>    alle Signalanteile ueber der halben Samplingfrequenz eine
>    Abschwaechung von 10Bit x 6dB erfahren.
Guter Idee, da werde ich mal noch ansetzen.

> 4. Dein AD-Wandler hat sicher einen Eingangswiderstand. Passt der zum
>    Quellenwiderstand? Liess mal das Datenblatt deines Controllers was er
>    da verlangt.
Nunja, das Rauschen messe ich vor allem wenn die Eingänge des ADC über 
zwei Eingangs-Widerstande mit Masse kurzgeschlossen sind (Sorry, hatte 
ich vergessen einzuzeichnen)

> 5. Was ist L1? Was hat die Spule fuer einen Gleichstromwiderstand?
>    Sollte der ueber 1R sein so solltest du darueber auch nochmal
>    nachdenken.
L1 ist die Induktivität, wie sie im Datenblatt eines AVRs zur 
Beschaltung von AVCC vorgeschlagen wird. Ist eine SMCC 10µ mit 0,5Ohm



Übrigens habe ich nun mal den OpAmp weg gelassen. Das Rauschen ist jetzt 
geringer denn je. Ich messe und bewerte das Rauschen in dem ich bei 1kHz 
sampling-Frequenz im 1-Sekunden-Takt alle ADC-Werte beider Kanäle 
aufaddiere und mir den akkumulierten Wert ausgeben lasse. Im Schnitt 
liegt der Wert nun so bei 750. Mit OpAmp ca. doppelt so hoch.

Jetzt muss ich nur noch die ganzen Widerstände und Kondensatoren so 
dimensionieren, dass das Übersprechen der Kanäle untereinander genügend 
gedämpft wird und die Spannung an C5 stabil genug ist und der 
Kondensator schnell genug geladen ist

[Paul B. (paul_baumann)]

Paul H. schrieb:
> Übrigens habe ich nun mal den OpAmp weg gelassen. Das Rauschen ist jetzt
> geringer denn je.

Was hast Du denn weiter oben mit der unbenutzten Hälfte des LM358 
gemacht?
Wenn der in der Luft hängt, dann erzeugt der wilde HF-Schwingungen und 
macht den Anderen OPV "verrückt".
Schalte dessen Ausgang auf den invertierenden Eingang und den 
Nichtinvertierenden auf die Mitte von R1 und R2.
Da sollst Du mal sehen: Ruhe ist mit dem Rauschen.

MfG Paul

[W.S. (Gast)]

Paul H. schrieb:
> Zum Rauschproblem: C5 habe ich erst nachträglich experimentell
> dazugefügt. Wenn ich ihn weglasse, habe ich bedeutend höheres Rauschen
> als mit, was mich wundert.

Warum wundert dich das?
Alles rauscht, jedenfalls bei Zimmertemperatur. Auch deine Widerstände 
im Eingangszweig rauschen. Wenn ich mich recht entsinne, dann mit so 
etwa -174dBm/sqrt(Hz).

Wenn du per Tiefpaß also deine Eingangsbandbreite vor dem ADC auf 1 Hz 
breit machst, dann darfst du dort also -174dBm an Rauschleistung 
erwarten. Und je größer deine Bandbreite, desto größer auch die 
Rauschleistung.

Tja - und wenn du mit 50 kOhm (2x 100 kOhm //) kommst, dann ist der 
Rauschstrom eben viel kleiner als bei 50 Ohm Systemen, dafür ist aber 
die Rauschspannung viel größer.

Alles klaro?

W.S.