ADC-Eingangsimpedanz

Ich lerne immer noch die Feinheiten der Elektronik und obwohl ich einige grundlegende Aufgaben erledigt habe, ist das Schaltungsdesign immer noch entmutigend. Ich habe einen Beschleunigungsmesser und würde gerne wissen, ob der von mir gewählte ADC geeignet ist.

Insbesondere die Idee der Impedanz meines Eingangs ist mir nicht klar. Ich weiß, dass es sich auf den Strom bezieht, den mein Signal erzeugen kann, aber ich kann nicht herausfinden, wie ich den erforderlichen / verfügbaren Strom aus den Datenblättern berechnen soll.

Ich plane, den Sensor mit 12 kHz abzutasten (das Doppelte der Ausgangsfrequenz). Ich denke, das deutet darauf hin, dass meine Uhr mit etwa 1 MHz (24 Bit x 12 kHz) laufen wird.

Beschleunigungsmesser: http://www.digikey.com/product-detail/en/te-connectivity-measurement-specialties/834M1-2000/356-1102-ND/2712144

ADC: http://www.digikey.com/product-detail/en/microchip-technology/MCP3208T-CI-SL/MCP3208T-CI-SLTR-ND/319446

Zusätzliche Verwirrungspunkte:

  • Die Eigenfrequenz des Beschleunigungsmessers beträgt 6000 Hz. Bezieht sich dies auf alle drei Kanäle, die bei 6000 Hz aktualisiert werden, oder wird die Aktualisierungsrate auf jeden Kanal verteilt (XYZ = 2000 Hz effektiv)?
  • Ich muss das Signal meiner Meinung nach um das 2-fache überabtasten, daher folgt eine ähnliche Frage für den ADC. Werden die 100 ksps auf jeden analogen Eingang verteilt oder kann ich alle 4 Eingänge mit 100 ksps abtasten?

Hinweise und Korrekturen sind willkommen!

Bearbeiten: Es ist ein teurer Sensor, weil ich versuche, einen Aufprall in der Größenordnung von 500 g und mit einer Dauer von 3 ms zu charakterisieren. Für einen CV von 10% benötige ich etwa 10 Samples in dieser Zeit, also 3kHz. Wenn es einen billigeren Sensor gibt, werde ich ihn gerne verwenden.

Gibt der Beschleunigungsmesser Daten bei 6000 Hz aus? Diese Rate könnte intern sein und möglicherweise etwas DSP durchgeführt haben.
Vergiss es. das ist ein analogausgang. Ja, es sieht so aus, als würde es genaue Signale für Beschleunigungsereignisse bis zu 6000 Hz pro Kanal liefern, soweit ich das aus dem Datenblatt entnehmen kann
Das ist übrigens ein sehr teurer Beschleunigungsmesser. Und der ADC ist ein "8 Input 1 SAR", was bedeutet, dass 8 gemultiplexte Kanäle in einen einzigen ADC-Stil mit "sukzessiver Annäherung" gehen.
In Bezug auf die Impedanz hat es eine Ausgangsimpedanz von < 100 Ohm an den XYZ-Ausgängen. Das ist ziemlich gut und sagt mir, dass es eine interne Ausgabepufferung in irgendeiner Form hat. Dies bedeutet, dass Sie keinen Operationsverstärkerpuffer oder ähnliches benötigen, um den ADC anzusteuern.
6 kHz ist sein Frequenzgang, also reagiert er auf Signale im Bereich von 2-6000 Hz, unabhängig davon, auf welcher Achse Sie abtasten. Die 100 ksps ist die Gesamtabtastrate, das Datenblatt enthält ein Blockdiagramm des ADC, das zeigt, dass alle Eingänge ein Schalterarray durchlaufen, bevor sie einem einzelnen ADC-Kern zugeführt werden, aber es ist etwas vage, ob Sie auswählen können, welche Eingänge Sie sampeln oder ob es sie alle nacheinander abtastet.
@Sam Ich glaube, ich war mir über die Frequenz des Sensors nicht sicher, und Ihr Kommentar hätte vielleicht etwas Licht ins Dunkel gebracht - können Sie klarstellen, dass die Sensorausgänge nicht in diskreten 6-kHz-Schritten erfolgen, sondern ein Signal mit einer Frequenz von 6 kHz am schnellsten ist was wird an den Ausgängen beobachtbar sein? Praktisch bedeutet dies, dass ich über 12 kHz hinaus überabtasten kann und Signale mit einer niedrigeren Frequenz als 6 kHz immer noch besser erfasst werden.
Äh ... auf der ersten Seite des Datenblatts, wo es heißt: "Das Modell 834M1 ist in den Bereichen ±2000 g bis ±6000 g erhältlich und bietet einen flachen Frequenzgang bis über 6 kHz." und auf Seite 2, wo "Frequency Response (Hz) 2-6000" steht, was im Grunde genommen einen gewöhnlichen analogen Ausgang bedeutet, der Frequenzkomponenten von ~ 2 Hz bis 6 kHz haben kann (ähnlich wie ein Audiosignal ein kontinuierliches Spektrum haben kann, keine diskreten Samples ).

Antworten (2)

Für Ihre Aufgabe wird dieser ADC funktionieren. Die Abtastrate des ADC, vorausgesetzt, Sie takten ihn mit mindestens 2 MHz (F_Freq * 20 Taktzyklen ist die Abtastrate, für die 100 kHz benötigen Sie also eine Taktrate von 2 MHz).

Die Ausgangsimpedanz des Beschleunigungsmessers beträgt weniger als 100 Ohm, was bedeutet, dass er intern gepuffert wurde. Dies ist perfekt, um einen ADC direkt zu füttern, wofür es sicher entwickelt wurde (und es ist teuer!). Die Eingangskapazität des ADC-Chips ist die Kombination aus C-in_pin = 7pF und C_sampling = 20pF. Betrachtet man die Ausgangsimpedanz von 100 Ohm mit der Eingangskapazität von 7 pF als Tiefpassfilter, beträgt die Anstiegszeit eines Signals 0,7 Nanosekunden. Die Anstiegszeit des viel größeren Abtast-RC-Netzwerks von 1 kOhm und 20 pF beträgt immer noch 20 Nanosekunden, was für Ihre Anwendung mit relativ niedriger Geschwindigkeit in Ordnung ist.

Wenn Sie ein Widerstandsnetzwerk oder einen passiven Sensor mit einer Ausgangsimpedanz von etwa 10-100 k haben, treten normalerweise Probleme auf und Sie müssen Operationsverstärker verwenden, um die Signale zu puffern, bevor Sie einen solchen ADC ansteuern. Andernfalls kann es vorkommen, dass der Abtastkondensator für dieses Abtastintervall nie ganz den stationären "DC" -Wert des Signals erreicht und Sie falsche Daten erhalten.

Der Beschleunigungsmesser liefert genaue analoge Daten auf allen drei Kanälen bis zu 6000 Hz, d. h. wenn Sie mit 12 kHz x 3 Kanälen (36 kHz Gesamtbandbreite auf dem ADC) abtasten würden, würden Sie die Daten erfolgreich vom Chip erfassen.

Wenn Sie mit einer höheren Abtastrate einverstanden sind, z. B. ~ 25 kHz pro Kanal, erhalten Sie meiner Meinung nach bessere Daten (Auflösung der Wellenform) und haben auch einige Ersatzabtastwerte für die Mittelwertbildung.

Der ADC ist ein sukzessiver Näherungs-ADC und hat 8 Eingangskanäle, die in einen einzigen Wandler gemultiplext werden. Der Konverter wird vom SPI-Bus getaktet, der den Abtastprozess antreibt. Kapitel 6.3 auf dem Datenblatt des ADC (Seite 22) spricht über Pufferung und Anti-Alias-Filterung für Eingänge zum ADC, wenn Sie eine Quelle mit hoher Impedanz haben (was in diesem Fall nicht der Fall ist). Der Anti-Aliasing-Filter kann immer noch eine gute Idee sein, wenn Sie einen einfachen und billigen Operationsverstärker mit Tiefpassfilter mit einer Grenzfrequenz herstellen möchten, die Ihr echtes Signal nicht beeinflusst, aber die Erzeugung von Signalen mit höheren Frequenzen stoppt ihren Weg in Ihre Conversion-Ergebnisse.

Sie können zu Beginn Ihres SPI-Pakets jederzeit die Konvertierung eines beliebigen Kanals anfordern. Wenn Sie also nur 3 Kanäle verwenden, fordern Sie nur die Konvertierung der 3 interessierenden Kanäle an. Einzelheiten finden Sie im Abschnitt „Serielle Kommunikation“.

Tolle Informationen, danke. Sie erwähnen das Oversampling des Signals um das Vierfache der Reaktionsfrequenz. Können Sie die Gründe dafür erläutern? Meine Interpretation ist, dass sich die Ansprechfrequenz des Sensors auf das schnellste Signal bezieht, das er "sehen" kann, aber bei Signalen mit niedrigerer Frequenz enthält der analoge Ausgang immer noch Informationen bei mehr als 6 kHz.
Vielen Dank auch für die Klärung der Anwendungsfälle für einen Pre-ADC-Verstärker. Das war bei meiner Lektüre verwirrend, da viele dieser Designfragen nuanciert und schwer zu sagen sind, ob sie notwendig sind.
@nate Sie können die allgemeinen Vorteile des Oversampling in diesem App-Hinweis zu Texas Instruments und auch im allgemeinen Artikel auf Wikipedia nachlesen . Die Sache ist die, wenn Ihre Anwendung keine superperfekten Messwerte benötigt, dann wären Sie gut genug bedient, wenn Sie einfach mit 12 kHz abtasten, wie Sie es beabsichtigt haben. Es wird sicherlich viel weniger Verarbeitungszeit für Ihren Mikrocontroller benötigen.
@nate auch, um die analogen Sensorausgänge zu klären - sie sind ein kontinuierlicher Signalausgang, Sie können sie so oft abtasten, wie Sie möchten, sie hat jedoch eine "flache Reaktion", was genau bedeutet, bis zu 6 kHz. Es kann echte Beschleunigungskräfte, die bis zu 6 kHz auftreten, erfolgreich „erfassen“. Es kann mehr als das wahrnehmen, aber es ist wahrscheinlich immer weniger genau / empfindlich, wenn Sie die Frequenz erhöhen

Der äquivalente Eingangsstrom des ADC ist F * C * V; bei 12.000 Hertz, mit einer Kapazität von 27 pF (zu laden oder zu entladen, wenn der Mux schaltet) und 5 Volt, haben wir 12.000 * 27e-12 * 5 = 60 * 27 * 1e-9 ~~60 * 30e-9 = 1,8 Mikroampere . Die Ladestöße sind immer noch vorhanden, und sie können den Puffer des Sensors stören oder nicht und diesen Puffer zum Ringen bringen. Ein RC-Tiefpass zwischen MUX und ADC reduziert diesen Fehler. Oder, da der MUX selbst einen mäßigen Widerstand hat, legen Sie einfach 100 oder 1.000 pF auf den gemeinsam genutzten MUX/ADC-Knoten. [Bei einem hohen Wert kann diese Kapazität den Puffer zum Schwingen bringen. Niemand behauptet, hochpräzises analoges Design sei trivial]

[Bearbeiten] Operationsverstärker haben eine "induktive Ausgangsimpedanz", da der Operationsverstärker mit steigender Frequenz immer weniger Kontrolle über seinen Vout hat. Angenommen, Lout beträgt 100 Ohm bei UGBW. Wenn UGBW 1 MHz beträgt, benötigen Sie 16 uH [16 uH * 2 * pi * 1MHz = +J100 Ohm] in Ihrem OpAmp-Modell. Legen Sie 1 uF auf GND, und Sie haben einen Resonator bei 160 kHz * 1 / sqrt (16) = 40 kHz. Verwenden Sie zum Dämpfen die Formel R_dampen = sqrt(L/C) = sqrt(16uF/1uF) = 4 Ohm. Wählen Sie höhere R-Werte und entlasten Sie den OpAmp, indem Sie versuchen, 1 uF aufzuladen.

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