Analog von Digital entkoppeln, wie?

Technik Elektronik & Elektrotechnik
#1

Liebe Elektronik-Experten,

ich entwickle gerade ein Meßgerät, das die Meßdaten mittels Bluetooth zum Laptop sendet, wo sie in einem Diagramm als fortlaufende Kurve dargestellt werden.

Die Schaltung enthält ein Bluetooth-Modul (Ericsson ROK 101008), einen ATmega16, der u. a. den Bluetooth-Stack enthält, sowie einen 12-Bit-ADC (LTC1286). Betrieben wird das mit 5 Volt, das Bluetooth-Modul und der ATmega16 haben einen 3.3-Volt-Regler (MAX604).
Dies alles ist jetzt mal nur ein Demo-Aufbau auf einem Steckbrett, und ich messe damit jetzt nur eine Spannung, die ich von einem Trimmpoti abgreife.

Der Laptop hat ein Bluetooth-USB-Dongle und dazu die übliche Widcomm-Software.

Im Prinzip funktioniert alles. Nur ein Problem habe ich:

das Bluetooth-Modul hat enorme Schwankungen in der Stromaufnahme, sodaß die Versorgungsspannung in diesem Rhythmus merklich einbricht (um 100 - 200 mV), und zwar dann, wenn Datenpakete versendet werden (30 mal pro Sekunde).
Diese Störungen finden sich nun auch in den Meßdaten bzw. der dargestellten Kurve wieder.

Ich habe mit etwas Erfolg Elkos verwendet, um diese Spannungsschwankungen zu glätten, vor allem habe ich zwischen Versorgungsspannung und analogem Teil der Schaltung einen Tiefpaß eingebaut (R ca. 10…100 Ohm, C einige 100 uF). Das hat zwar einiges verbessert, aber es ist nicht gut genug (vielleicht 8 - 9 Bit nutzbare Auflösung).

Nun meine Frage: das Problem gibt es sicher häufiger, daß eine Schaltung einen digitalen Teil hat, der die Versorgungsspannung durch Schwankungen der Stromaufnahme „verschmutzt“, und einen analogen Teil, der möglichst saubere Verhältnisse braucht. Ich meine nicht die schnellen Umschalteffekte, damit wüßte ich umzugehen (100 nF-Blockkondensatoren, Leiterführung bzw. Platinenlayout usw.).

Welche Methoden gibt es eigentlich, um mit dieser Art digitalem „Schmutz“ umzugehen und trotzdem genaue Messungen mit z. B. 12 Bit nutzbarer Auflösung zu schaffen?

Grüße,

I.

#2

Welche Methoden gibt es eigentlich, um mit dieser Art
digitalem „Schmutz“ umzugehen und trotzdem genaue Messungen
mit z. B. 12 Bit nutzbarer Auflösung zu schaffen?

Hallo,

die wichtigste Frage: wo kommt die Referenzspannung für die AD-Wandlung her? Die muss zuallererst stabil sein, da sich die Messung darauf direkt bezieht.

Gruss Reinhard

#3

Hallo Reinhard,

die wichtigste Frage: wo kommt die Referenzspannung für die
AD-Wandlung her?

Das sind insgesamt drei ICL8069 (1.235 Volt-Spannungsreferenzen).

Der ADC hat einen Referenzeingang und zwei Differenzeingänge.

Referenzeingang: zwei in Serie geschaltete ICL8069, mit einem 6.8 k-Vorwiderstand von der positiven Versorgungsspannung. Über 1 k/100 nF-Tiefpaß am ADC.

neg. Eingang: Es gibt einen OP (TL061), der die Versorgungsspannung symmetriert, sodaß am Ausgang 2.5 Volt sind. Von dort ein ICL8069 über 3.3 k-Widerstand zur neg. Versorgungsspannung hin. Ebenfalls über 1 k/100 nF-Tiefpaß am ADC. Am neg. Eingang sind also 2.5 Volt - 1.235 Volt.

pos. Eingang: zu messende Spannung.

Das mit den Spannungsreferenzen ist deshalb etwas kompliziert geraten, weil der zu messende Bereich symmetrisch sein soll: Halbe Versorgungsspannung -/+ 1.235 Volt.

Grüße,

I.

#4

Das mit den Spannungsreferenzen ist deshalb etwas kompliziert
geraten, weil der zu messende Bereich symmetrisch sein soll:
Halbe Versorgungsspannung -/+ 1.235 Volt.

Hallo,

wenn ich das auf den ersten Blick richtig überschaue, dann hast du analog „nur“ eine virtuelle Masse mit dem Potential von 1/2 VCC. Damit laufen fast alle denkbaren Vorschläge zur Entkoppelung ins Leere - ich würde das niemals so machen, wenn es wirklich um Präzision geht. Ich verwende digital +5/3.3V mit eigener Masseführung und davon getrennt die Analogschaltungen mit ±5V und Analog-Masse. GND-D und GND-A werden beim ADC-Wandler miteinander verbunden, die ±5V analog werden lokal erzeugt.

Falls notwendig, kann man dann zumindest GND-D und GND-A als Flächen ausführen, die sollten sich aber nicht überlappen, um kapazitive Kopplung zu vermeiden - also getrennte Bereiche.

Als minimal kann folgende Forderung gelten: alle Leitungen, über die der veränderliche Versorgungsstrom fliesst (und sein Rückstrom!!!), von dem die Störungen ausgehen, müssen getrennt von andern Leitungen, ganz besonders von analogen Signalleitungen und Analog-Versorgungen, verlegt werden. Die meisten unerwünschten Kopplungen kommen über gemeinsam benutzte Leitungstücke zustande.

Gruss Reinhard

#5

Hallo Reinhard,

wenn ich das auf den ersten Blick richtig überschaue, dann
hast du analog „nur“ eine virtuelle Masse mit dem Potential
von 1/2 VCC.

Das stimmt. Es muß aber symmetrisch sein und da gehts anscheinend nur mit virtueller Masse. Davor kommt ein Meßverstärker auf Basis eines Instrumentenverstärkers, der hat symmetrischen Ausgang und auch nur eine virtuelle Masse zwischen V+ und V-. Mir fiele nur ein, von vorneherein eine symmetrische Betriebsspannung (also Akku mit „Mittelanzapfung“, höchst unelegant, zudem ungleichmäßige Entladung) vorzusehen, oder für den Analogteil die Betriebsspannung mit z. B. einem ICL7660 symmetrisch zu machen.

Ich werde nun versuchen, zunächst in dem Demo-Aufbau, soweit als möglich getrennte Leitungsführung vorzusehen.

So wie ich das verstanden habe, gibt es zwei unterschiedliche Effekte:

  1. Schnelle Stromverbrauchsschwankungen durch Umschaltvorgänge (nsec-Bereich), wo man vor allem kapazitive Kopplungen vermeiden muß. Das geht im späteren fertigen Gerät sowieso besser als auf dem Steckbrett.

  2. im Vergleich dazu langsame Vorgänge: z. B. das Bluetooth-Modul sendet eine gewisse Zeit (msec-Bereich) und verbraucht dabei 20-30 mA mehr Strom als in der nachfolgenden Phase, die auch msec dauert. Und da sind gemeinsam laufende Leitungen das Problem - und leider auch der Innenwiderstand der Spannungsquelle, der ist immer eine „gemeinsame Leitung“, und da fallen mir nur große Elkos zum Abblocken und Tiefpässe mit niedriger Grenzfrequenz ein. Da sollte kein Unterschied sein zwischen Demo-Aufbau und dem fertigen Gerät später.

Danke für Deine bisherigen Antworten zu nächtlicher Stunde, und Grüße,

I.

#6

Hallo,

Das sind insgesamt drei ICL8069 (1.235
Volt-Spannungsreferenzen).

Maxim schreibt, daß man die nicht mehr für Neuentwicklungen verwenden soll. Aber das gilt natürlich nur für Serienentwicklung.

Was Du Dir mal überlegen solltest: die Dinger regieren mit Spannungsschwankungen auf Änderungen des Stroms (siehe Datenblatt, bis zu 20mV im Extremfall). Und der ändert sich, wenn die 3,3V sich ändern. 12Bit Auflösung bedeuten aber bei 2,46V nur noch 0,6mV pro Bit. Und die Abweichung der Referenzen kann schon darüber hinausgehen, wenn der Strom sich stark genug ändert. Und damit mußt Du rechnen, wenn Du zum Abblocken nur Elkos verwendest. Du solltest da auf jeden Fall nochmal 100nF Keramik parallel schalten. Für die Versorgung des Digitalteils, meine ich. Damit dieser Schaltungsteil nicht jedesmal den Regler in Schwierigkeiten bringt. Und ganz wichtig: alle Spannungen beziehen sich immer auf eine Masse. Wenn diese durch eine Stromspitze und den Widerstand der Leitung (genauer: die Impedanz, das Ding ist gleichzeitig auch eine Spule, die keine schnellen Stromänderungen mitmachen will!) eine Potentialanhebung erfährt, beduetet das natürlich das gleiche wie ein Zusammenbrechen der positiven Versorgungsspannung. Zudem hat jeder OP eine Maximalgeschwindigkeit als Regler. Die wird durch jeden digitalen Verbraucher völlig überfahren. Ich würde Dir empfehlen, die Versorgung zwiemal aufzubauen - einmal für den Digitalteil, einmal für den Analogteil. Und die Masse nur an der Stelle verbinden, wo die Übergabe der Daten stattfindet. In diesem Fall also am AD-Wandler, der hat ja einen analogen Eingang und einen digitalen Ausgang. Nicht an einem zentralen Sternpunkt am Regler.
Gruß
loderunner

#7

Hallo I.,

Steckbrett- und sonstige fliegende Aufbauten habe ich schon vor fast 30 Jahren aufgegeben !!

Bei langsamen analogen Schaltungen geht das noch, aber sonst handelst du dir zuviele Probleme, wie die von dir geschilderten, ein.
Bei der Umsetzung in ein Layout, kannst du dir auch nochmals Probleme durch die Leiterführung einhandeln, sodass du nochmals mit der Fehlersuche auf der jetzigen Ebene anfängst. Mit zunehmender Erfahrung kommen Probleme beim Layout dann immer seltener vor.

Bei mir geht die zweite Version des Layouts normalerweise in Serie, meist sind es mechanische Fehler und irgendein Signal welches nicht invertiert wurde …

MfG Peter(TOO)

#8

Hallo,

danke für Eure Antworten und die Tips.

Ich habe das, soweit als es bei dem Steckbrett-Aufbau möglich ist, umgesetzt und die nutzbare Auflösung ist jetzt immerhin 10 - 11 Bit. Da es auf dann auf der Platine eher besser funktioniert, bin ich damit zufrieden.

Komplett getrennte Versorgungsleitungen (ab den Akku-Anschlüssen) für den analogen und den digitalen Teil haben viel gebracht: die Spannungsänderungen an den Versorgungsleitungen aufgrund der wechselnden Stromaufnahme gingen etwa auf ein Zehntel zurück.

Grüße,

I.