Hochauflösender ADC vs. Verstärker

Das ist nicht ganz eine Antwort, sondern eher eine Anekdote.

Hochbit-ADC sind ziemlich raffiniert. Eine großartige Auflösung zusammen mit einem hohen Dynamikbereich beseitigen viele Bedenken hinsichtlich der Signalkette.

Ich habe ein System für Biopotentiale mit einem 32-Bit-Chip gebaut. Die Signalqualität war ausgezeichnet, wie alle meine Berechnungen mir sagten, mit nur minimaler Verstärkung und Anti-Alias-Filterung. Das heißt, meine Daten ritten auf einer anscheinend „enormen“ Rechteckwelle, die ich während meines Prototypings nicht bemerkte. Das hat mich eine Weile ziemlich verwirrt.

Als ich rückwärts arbeitete, stellte ich jedoch fest, dass die Größe der Rechteckwelle wirklich winzig war.

Schließlich hatte ich die Box, in der dieses Ding lebte, geöffnet, und ich bemerkte zufällig, dass, als der Programmierer auf dem von mir verwendeten Mikrocontroller-Entwicklungsboard nicht USB-aufgezählt war, eine LED perfekt im Takt meiner mysteriösen Rechteckwelle blinkte. Das ließ etwas im Mikrovoltbereich durchhängen, was in meinem 32-Bit-Signal einfach riesig war. Es war während des Prototypings nicht vorhanden, weil mein On-Board-Programmierer aufgezählt wurde! Diese Bastarde!!!!! Das Problem wurde behoben, indem der Strombegrenzungswiderstand an der LED entfernt wurde.

Warum war das frustrierend? Nun, zum ersten Mal in meinem Leben habe ich nicht genug verstärkt, um die Signale, mit denen ich arbeitete, tatsächlich auf einem Oszilloskop zu sehen!!! Ich habe es nicht getan, weil ich es nicht musste.

Ich nehme an, der Punkt ist, dass die Auswahl eines 32-Bit-ADC eine seltsame Undurchsichtigkeit in meiner Signalkette erzeugte, die ich auf die harte Tour lernen musste. Das ähnelte meinen frühen Erfahrungen mit Mikrocontrollern, bei denen man nicht einfach hineinschauen und wissen kann, was passiert.

Kurz gesagt, High-Bit-ADCs sind ein wertvolles Werkzeug, das das analoge Design zum Kinderspiel macht. Das heißt, sie sind ein Werkzeug wie jedes andere, und die Lernkurve kann eine Herausforderung sein. Glücklicherweise gelang es mir in meinem Fall, mein Problem zu identifizieren. Ich kann Ihnen sagen, dass ich unter einem gewissen Zeitdruck stand, als ich im Unterauftrag für ein Unternehmen für medizinische Geräte arbeitete. Ich stand einige Tage unter ziemlich starkem Stress, bis ich mein Problem fand. Es gibt eine Zeit und einen Ort, um mit der Verwendung neuer Tools zu beginnen, und eine Zeit und einen Ort für das Bewährte.

32-Bit-ADC ist irreführend. Selbst bei höchster Verstärkung beträgt die Rauschspitze ungefähr 60 nV. Ein 5-V-24-Bit-ADC ist 5/2 ^ 24 oder 29 nV pro Bit. Die unteren 9 Bits des 32-Bit-ADC sind also verrauscht. Es gibt weniger laute Delta-Sigma-ADCs auf dem Markt.

Wäre ich besser geeignet, Verstärker für jeden einzelnen Kanal zu verwenden, anstatt diese Einheit eines ADC zu verwenden? dh gegebenenfalls mit Thermoelementverstärkern und Brückenverstärkern?

Abhängig von Ihrem Ziel ist ein ADC mit Mux bei geringstem Rauschen immer lauter als ein eigenständiger ADC, da die Transistoren des MUX Rauschquellen sind.

Was Ihre Verstärkerfrage betrifft, hängt es wiederum davon ab, welche Anforderungen an das Projekt gestellt werden. Aber es gibt eine bessere Kontrolle darüber, wie viel Rauschen in Ihrer Schaltung ist, wenn Sie analoge Verstärker verwenden, es kostet auch mehr. Der ADC hat auch viele digitale Filter, also anstatt analoge Sensoren zu verwenden und die Bandbreite zu berechnen, können Sie sie mit Software ändern.

Vor Jahren habe ich eine Silizium-Evaluierung eines 22-Bit-ADC durchgeführt. Ich erwartete, zu lernen, überrascht zu sein, verwirrt zu sein. Ich war.

1) Ihre Hand, Ihr Gesicht oder Ihr Körper geben Wärme ab, und Siliziumverbindungen NÄHER an der Wärmequelle werden wärmer sein; zwei benachbarte Dioden würden um 500 Mikrovolt auseinander driften, und Sie werden etwa 60 Sekunden Einschwingzeit auf die neue Offset-Spannung erleben; Da 0,1 Meter Kupfer eine thermische Zeitkonstante von 114 Sekunden haben, können wir davon ausgehen, dass Wärmeströme ein konstantes Problem darstellen. Ich hatte diese 2 Dioden auf der Eval-Leiterplatte entworfen, um die Erwärmung durch mein Gesicht zu untersuchen; eine Diode hat die andere Diode teilweise abgeschattet, um eine Wärmeflussdifferenz sicherzustellen.

Warum sind Wärmeströme ein Problem? Die Bewegung von 1 Watt durch ein Quadrat aus Kupferfolie von Kante zu Kante erzeugt einen Temperaturgradienten von 70 Grad Celsius. Doch das Verbinden unterschiedlicher Metalle erzeugt 5 bis 40 Mikrovolt pro Grad Celsius, und Leiterplatten haben viele solcher metallischer Übergänge. Die thermische Fehlanpassung unterschiedlicher Pfade (Vin+, Vin-) wird zu Ihrer Herausforderung.

2) dielektrische Absorption von Kondensatoren zeigte sich; Eingangsfilterung mit RC-Tiefpass, um das Grundrauschen des ADC zu untersuchen, zeigte 2 oder 3 Minuten Einschwingzeit; Wenn sie kurz kurzgeschlossen und dann geöffnet werden, würde langsam fast ein Millivolt gespeicherte Ladung erscheinen

3) der Widerstand von 1 Unze/Fuß^2 Kupferfolie beträgt 0,000500 Ohm pro Quadrat, für jede Quadratgröße; 1 Milliampere durch ein Quadrat erzeugt 500 Nanovolt Fehler; Planen Sie die Verwendung der Finite_Element-Modellierung, um Ihre PCBS auf 32-Bit-Ebene zu entwerfen. [bearbeiten die NanoVolts waren zuerst microVolts]

4) 1 Ampere reiner 60-Hz-Sinuskurve (keine Spitzen) in 1 Meter Entfernung von einer Schleife von 10 cm x 1 cm induziert diese Spannung auf Ihrer Leiterplatte

Vinduce = 2e-7 * Fläche/Entfernung * dI/dT

Vinduce = 2e-7 * 10 cm * 1 cm/1 Meter * 377

Vinduce = 2e-7 * 1e-3 * 377

Vinduce = 1e-10 * 754 = 75 Nanovolt

Warum? weil dünne Kupferfolie nicht gegen 60Hertz-Magnetfelder abschirmt. Bei 60.000 Hertz nur knapp. Bei 60.000.000 Hertz ganz gut. Aber nicht bei 60Hz.

5) diese "ruhigen" digitalen Schnittstellenpins, entweder mit einem 1- oder einem 0-Pegel, summen immer noch mit 200 oder 500 MillivoltsPP MCU-Schienenrauschen; Wie nahe können Sie eine digitale Schnittstellenverfolgung an die 32-Bit-Signale herankommen lassen, da der MCU-Müll pseudozufällige (programmabhängige) Muster aufweist und nicht darauf vertraut werden kann, dass er "mittelt"?

6) einige nützliche Werte für Switched-Cap-Rauschen

10 PicoFarad ................ 20 Mikrovolt RMS

1000 PicoFarad ............ 2 Mikrovolt RMS

100.000 picoFarad ........ 200 Nanovolt RMS

10.000.000 PicoFarad ..... 20 Nanovolt RMS

1 Milliarde picoFarad ......... 2 Nanovolt RMS

mit der Formel: VnoiseRMS = sqrt( K*T/C)

Was nützt diese Tabelle? Um Rauschpegel von 2 Nanovolt zu erreichen, muss die äquivalente Energie zum Laden von 1 Milliarde Picofarad (0,001 Farad) von der Signalquelle oder von Puffern oder von Verstärkern bereitgestellt werden.

Sie übersehen bei jedem Design dieser Art eine sehr wichtige Überlegung: Firmware/Software/Treiber.

Die Verwendung einer vorhandenen DAQ-Karte bietet Ihnen all das und ermöglicht es Ihnen, Ihre Ressourcen über High-Level-Abstraktionen auf das Problem selbst zu konzentrieren und nicht auf die technischen Details der Schnittstelle.

Außerdem bezweifle ich wirklich, dass Sie Ihr analoges Rauschen auf ein Niveau bringen können, bei dem 32 Bit oder 24 Bit einen Unterschied machen würden.