ADC-Rauschmessungen ergeben eine bimodale (Doppelbuckel) Verteilung der Ausgangswerte

Ich habe eine Strommessschaltung entworfen, die die Spannung über einem Shunt-Widerstand misst. Die Spannung wird grundsätzlich mit einem Instrumentenverstärker gemessen und der Ausgang mit den Eingängen eines 18-Bit-Analog-Digital-Wandlers verbunden.

Um eine Vorstellung davon zu bekommen, wie viel Rauschen in den Samples vorhanden ist, habe ich den ADC viele Samples konvertieren lassen (65536 Samples, um genau zu sein), wenn kein Strom durch den Widerstand fließt. Ich habe erwartet, dass die Verteilung der Stichproben wie eine Normalverteilung ist. Das Ergebnis sah jedoch so aus (Abbildung 1):

Verteilung der ADC-Ausgangswerte bei einem Eingangsstrom von Null

Der Mittelwert liegt bei 131085 (nahe bei 131072, was der Hälfte des Vollbereichs entspricht), also in Ordnung (die Schnittstellenverstärker haben Offset-Fehler usw.). Aber die Standardabweichung ist 22,05, was nicht sehr gut ist. Das Schlimmste ist, dass die Verteilung zwei Buckel hat (ich habe herausgefunden, dass dies eine bimodale Verteilung genannt wird). Ich bin keineswegs ein Experte für Statistik und würde gerne aus einer eher "elektronischen" Sicht wissen, was diese Verteilung verursachen könnte? Unzureichende Filterung? Ruheströme in den Instrumentenverstärkereingängen?

Die Schaltung ist Teil einer größeren Schaltung, die auch eine Spannungsmessschnittstelle enthält. Diese Schnittstelle verwendet den gleichen ADC und das gleiche gute PCB-Layout und beide ADCs haben eine angemessene Pufferung und Filterung der Referenzspannung. Ich habe ein ähnliches Experiment mit dieser sehr ähnlichen Schaltung durchgeführt, und das Ergebnis entspricht eher meinen Erwartungen (Abbildung 2):

Verteilung der ADC-Ausgangswerte bei Null-Eingangsspannung

In diesem Fall beträgt der Mittelwert 131090 und die Standardabweichung 2,52837. Viel besser.

Der einzige wirkliche Unterschied zwischen den beiden Schaltungen wäre der Instrumentenverstärker im Strommesskreis, der im Spannungsmesskreis nicht vorhanden ist. Der Verstärker ist ein normaler 3-Opamp-basierter Instrumentenverstärker, der auf eine Spannungsverstärkung von 10 eingestellt ist. Könnte dies die Quelle der "seltsamen" Verteilung sein? Die Verteilung scheint ziemlich symmetrisch zu sein, obwohl sie bimodal ist. Ich befürchte, dass das Filtern nur die Abweichung verringert, aber die Verteilungsform beibehält.

Ist das bei Instrumentenverstärkern normal oder könnte das Problem woanders liegen?

Vielen Dank im Voraus für Ideen, was falsch sein könnte.

(Übrigens, ich werde keine Schaltpläne posten, da dies eher eine allgemeine Frage ist und ich Ideen erwarte, wo das Problem liegen könnte, keine vollständige Lösung. Danke :-)

Die Verteilung legt nahe, dass es zwei Gruppen von Bedingungen gibt. Set eins erzeugt den Peak auf der linken Seite und Set zwei erzeugt den Peak auf der rechten Seite. Sie sagen, es misst Strom. Es kann sein, dass der Strom mal hoch und mal niedrig ist. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass ein anderes Signal irgendwie in den ADC-Knoten oder die Referenz eingespeist wird. Ich würde nicht voreilig dem Verstärker die Schuld geben, obwohl es durchaus möglich ist.
Übrigens ist die Standardabweichung eine Statistik, die für Normalverteilungen gilt. Sobald Sie WISSEN, dass die Verteilung nicht normal ist, ist die Standardabweichung für die Vorhersage der Wahrscheinlichkeit eines Ausreißers nicht aussagekräftig. Nur zu deiner Information. Bei einer Normalverteilung ist der Durchschnitt das wahrscheinlichste Ergebnis. In Ihrer bimodalen Verteilung ist der Durchschnitt relativ unwahrscheinlich. Möglicherweise möchten Sie anstelle der Standardabweichung die Spannweite (max - min) verwenden.
Integraler Nichtlinearitätsfehler im ADC?
Eine leicht verzerrte Sinuswelle (mit abgeflachten Spitzen) hätte eine ähnliche Verteilung. Es hätte auch eine relativ einfache Erklärung, besonders wenn sich herausstellt, dass seine Frequenz 50 oder 60 Hz beträgt ...

Antworten (2)

An welche Spannungsquelle ist dein Widerstand angeschlossen? Meine erste Vermutung wäre, dass die Quelle Ihres Widerstands ein Rechteckwellensignal enthält.

Hast du deine Stromversorgung richtig entkoppelt? Ist die Stromversorgung in beiden von Ihnen beschriebenen Experimenten gleich?

Vielleicht hat Ihr Instrumentenverstärker keine gute Rauschunterdrückung im Netzteil.

Was ist die Spannungsreferenz Ihres ADC?

Hast du Zugriff auf ein Oszilloskop? Es wäre interessant, sich den Ausgang Ihres Instrumenten-Operationsverstärkers anzusehen, um festzustellen, ob das Signal Rauschen enthält.

Haben Sie versucht, den Spannungspegel zu ändern (auf etwas anderes als die halbe Versorgung)? Das sollte Ihre Ergebnisse nicht ändern - aber wenn es so wäre, wäre das interessant und es wären sehr nützliche Informationen.

Ich verstehe, dass Sie keine Schaltpläne veröffentlichen werden; Ich bin mit der Entscheidung ausdrücklich nicht einverstanden.

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Erhöhen Sie die Verstärkung Ihres Instrumentenverstärkers. Wenn Sie eine breitere Verteilung sehen, könnte dies bedeuten, dass das bimodale Signal vor oder an Ihrem Instrumentenverstärker in Ihre Messung eintritt . Wenn Sie keine Änderung in der Verteilung sehen, können Sie daraus schließen, dass der Fehler am oder nach dem Verstärker in Ihre Messung eintritt .

Ja, eine Rechteckwelle irgendwo scheint eine gute Erklärung zu sein. Aus dem Abstand der beiden Spitzen kann auf die Spannungsamplitude der Rechteckwelle am ADC-Eingang geschlossen werden. Ich würde auf jeden Fall eine Oszilloskopsonde an den ADC-Eingang anschließen und auf AC-Kopplung einstellen und sehen, was ich sehen kann.
18-Bit-ADC-Rauschen mit einem Oszilloskop zu sehen, mag schwierig sein, aber anstatt nur auf die Statistik der Samples zu schauen, könnte es vielleicht schon einen Einblick geben, sie über die Zeit aufzuzeichnen - oder eine FFT zu machen und zu sehen, welche Art von Frequenzen da sind (FFT kann ziemlich beeindruckend sein, auch wenn das Auge keine Frequenzen mehr sieht).
Arsenal macht einen sehr guten Punkt. Wenn die Verteilung durch einen Oszillator in Ihrer Schaltung verursacht wird, sollten Sie den Oszillator (oder zumindest einen Alias ​​davon) in Ihren Daten sehen können. Dies setzt voraus, dass der Oszillator und Ihre Digitaluhr stabil zueinander sind, aber das ist kein allzu großer Vertrauensvorschuss.
Sein ADC-Ausgang scheint ein bisschen so auszusehen wie der in Abb. 3 hier . Er verwendet ein ähnliches, aber nicht genau dasselbe, um die ok-ish-Distribution zu erhalten.
Vielen Dank für Ihre Ideen. Ich denke, meine Spannungsquelle, die an den Shunt-Widerstand angeschlossen ist, könnte das Problem sein. Ich muss noch einige Messungen bei verschiedenen Spannungen durchführen und sehen, wie die Verteilungen aussehen.

Einige mögliche Ursachen.

  1. ein Ausleseproblem. Zum Beispiel ein Bit, das zufällig gelesen wird, weil es nicht richtig angeschlossen ist, ein Vertauschen von Bits in der Verdrahtung des ADC oder ein Timing-Problem auf einer seriellen Schnittstelle, das gelegentlich falsche Lesevorgänge eines bestimmten Bits verursacht. Wenn Ihre Peaks durch eine Potenz von 2 getrennt sind, würde ich dies vermuten.
  2. ein nicht zufälliges Störsignal auf der analogen Seite. Es könnte interessant sein, sich ein Zeitdiagramm der Abtastwerte anzusehen oder sogar eine Fourier-Transformation durchzuführen und sich ein Frequenzdiagramm anzusehen.
  3. ein fehlerhafter ADC.
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