Im Regelfall werden die Karten keine externe Verbindung haben. Aber es ist nicht auszuschließen, dass z.B. zwei Karten an einem Objekt messen. In dem Fall wären die Massen beider Steckkarten tatsächlich miteinander verbunden.
Es sei denn, ich verwende doch echte Differenzeingänge. Also z.B. einen OpAmp als Differenzverstärker beschaltet, aber auf der Karte selbst geht es massebezogen weiter in den ADC. Müsste so machbar sein, oder?
Was meinst Du hier mit Isolation?
Warum gestörter? Was mir einleuchtet ist, dass selbst wenn ich die Spannungen auf der Karte mit Elkos abblocke, ich vermutlich keine wirklich symmetrischen Spannungen mehr erhalte, da ja die Masse jetzt gegenüber der Netzteilmasse verschoben ist. Ich weiß nicht, wie tolerant z.B. OpAmps darauf reagieren. Meinst Du das mit 'gestört'?
Was mir auch noch als Lösung einfällt, was aber ziemlich aufwendig wäre, ist, die Spannungen für die analogen Bauteile auf der Karte selbst zu erzeugen. Wenn der Stromverbrauch nicht hoch ist, sollte das machbar sein, aufwendig wäre es dennoch.
Ich werde maximal eine Karte mit Signalgenerator haben, und die werde ich gleich neben dem Netzteil platzieren.
Eine Option wäre, dass man diese Erde-Masse-Verbindung bei einem der Geräte auftrennbar macht. Die Erde-Gehäuse-Verbindung bleibt natürlich bestehen. Ist so etwas nach VDE erlaubt?
Warum denn an beiden Enden? Über den Schirm soll doch gar kein Strom fließen, zumindest nicht von Gerät zu Gerät. Um Störungen abzuleiten, reicht es doch, wenn der Schirm einseitig mit dem Gehäuse verbunden ist. Das müsste eigentlich auch die von Dir oben skizzierten Masse-, bzw. Brummschleifen vermeiden.
So aufwendig muss es nicht sein. Meine Signalquellen werden zu 99% Mikrofone sein. Der Mikrofonverstärker kommt entweder in den Griff des Mikrofons oder auf die Karte. Auf jeden Fall ist kein Mikrofon mit einem anderen galvanisch verbunden. Ganz selten werde ich evtl. mit zwei Karten an einem Objekt messen (z.B. Strom und Spannung an einem Bauteil). Für solche Fälle bräuchte ich dann Differenzeingänge.
Mit vier Widerständen kann man ja aus einem normalen OpAmp einen Differnzverstärker machen. Würde das für solche Zwecke reichen, oder bräuchte ich dafür ein Spezialbauteil?
Ja, solange keine berührbaren Teile im Fehlerfall spannungsführend werden können, ohne daß eine Sicherung ansprechen würde. Mit anderen Worten, es dürfen aus dem Gehäuse keine nicht-geschützten Teile herausragen, z.B. Stecker.
Man muß sich allerdings darüber im Klaren sein daß im Gerät zwischen Gehäuse und Schaltung eine beträchtliche Koppelkapazität vorhanden ist. Je höherfrequent die Störung ist, desto weniger wird die Auftrennung der Masse bringen. Für Netzbrumm ist das allerdings recht effektiv.
Da die Signalmasse doch verbunden werden muß würde dennoch eine Masseschleife entstehen, und der Fehlerstrom würde diesmal über die Signalmasse fließen. Das ist noch schlechter.
Die Schirmung an einer Seite aufzutrennen wird oft bei differenzieller Signalübertragung gemacht. Manche Leute machen sogar eine Regel daraus, den Schirm nur an einer Seite anzuschließen (one-end-only rule), wobei dann immer die Diskussion losgeht, an welcher. Wie im Fall oben kann man dadurch den Netzbrumm recht gut unterdrücken. Die Sache ist aber nicht besonders effektiv bei hochfrequenten Störungen, z.B. bei danebengelegtem Handy oder bei Einkopplung von Radiosendern. Im Gegenteil, man kann so durchaus ein Problem durch ein anderes ersetzen. Im HF-Bereich wird man kaum irgendwo ein Kabel finden, bei dem der Schirm an einer Seite abgetrennt wurde. Wer diese Kur anwenden will, sollte wenigstens durch einen Kondensator (z.B. 10nF) am offenen Ende die HF zum Gehäuse ableiten, und zwar auf möglichst kurzem Weg.
Das würde im Normalfall reichen (es sei denn man braucht sehr hohe Eingangswiderstände, dann muß es ein Instrumentierverstärker sein). Die Gleichtaktunterdrückung hängt dabei davon ab, wie genau die Widerstände übereinstimmen. 1%-Widerstände sollten schon sein, damit kann man ohne weitere Trimmung um die 45dB Gleichtaktunterdrückung erreichen. Wenn's noch genauer sein muß, dann kann es günstiger sein, auf integrierte Differenzverstärker zurückzugreifen, z.B. Instrumentierverstärker, aber wenn sowas nötig ist, dann hat man's entweder mit extrem empfindlichen Signalen zu tun, oder mit zu viel Störsignal auf dem Leiterpaar, so daß ich mir überlegen würde, ob nicht was Anderes faul ist, was man vorher beheben sollte.
Die Eingangsimpedanz des normalen Differenzverstärkers ist übrigens nicht gleich an beiden Eingängen. Bei besonders langen Kabeln, höheren Signalfrequenzen und/oder Übertragung mit definierter, angepaßter Impedanz mag es erforderlich sein, daß auch die Eingangsimpedanz symmetrisch ist. Das erreicht man entweder mit Übertragern, mit Instrumentierverstärkern, oder mit der SuperBal-Schaltung.
Ein Mikrofon ist schon von Haus aus eine differenzielle Signalquelle. Das paßt wunderbar zu differenzieller Übertragung. Bei Gesangsmikrofonen ist der Kabelschirm mit dem Metallgehäuse verbunden. Dadurch ist bei korrekter Masseverkabelung das Metallgehäuse mit der Erde verbunden. Das führt dazu, daß bei unzureichender Schutzleiterverkabelung Kriechströme auftreten können, die bei Berührung mit den Lippen ziemlich unangenehm werden können. Bei Lifeauftritten ist das immer wieder ein Problem, wegen der oft chaotischen Verkabelung. Auch werden da oft Brummschleifen ad-hoc durch (manchmal ziemlich planloses) Auftrennen von Masseverbindungen behoben. Wenn man dabei die Erdung von Geräten auftrennt, kann man das Leben der Musiker aufs Spiel setzen. Es hat da schon üble Zwischenfälle gegeben.
Mikrofone sind recht niederohmige, niederpegelige Signalquellen. Das Hauptproblem wird da die Rauscharmut des Vorverstärkers sein und die Unterdrückung von HF-Einstreuungen.
Es handelt es sich um eine Electret-Messkapsel von Sennheiser (genauen Typ müsste ich nachschauen, KHE irgendwas IIRC). Die Kapsel braucht einen FET möglichst dicht am Ausgang, vermutlich zur niederohmigen Auskopplung. Danach ist das Signal jedenfalls nicht mehr symmetrisch, vorher war es das vermutlich auch nicht. Aber das Kabel zu den ADC- Einschüben ist nicht lang, im Schnitt etwa zwei Meter.
Worüber ich mir noch nicht ganz klar bin ist, ob ich die Verstärker in das Mikrofongehäuse einbaue. Der Vorteil wäre, dass die Schaltung im ADC-Einschub einfacher ausfallen könnte (weniger Verstärkung) und ich weniger Störungen auf dem Kabel einfange. Der Nachteil wäre, dass ich für andere Messungen im NF-Kleinsignalbereich noch einen weiteren (externen) Vorverstärker bräuchte. Nur ist bisher noch nicht klar, ob und wie häufig ich solche Messungen machen werde.
Ich werde erstmal mit den als Differenzverstärker beschalteten OpAmps experimentieren. Auf welche Parameter achte ich am Besten, wenn ich einen für Messzwecke geeigneten Typ suche?
Für den Mikrofonverstärker hattest Du ja einen Parameter schon genannt, das Rauschen. Dann sollte er auch bei hoher Verstärkung eine Bandbreite bis etwa 100kHz haben.
Falls ich mal Gleichspannungswerte messen will, wäre wohl ein Typ mit geringem Eingangsoffset empfehlenswert. Das wäre vielleicht auch ein Argument dafür, den Mikroverstärker und den Differenzverstärker im Eingang der Karte (der nicht so hoch verstärken muss) als getrennte Baugruppen zu behandeln. So könnte man jedenfalls ihre Eigenschaften optimieren.
Wie sind denn die Eingangsstufen von Oszilloskopen aufgebaut? Nimmt man dafür spezielle OpAmps oder wird das diskret gemacht? Diese Bandbreite bräuchte ich zwar nicht, aber die übrigen Eigenschaften wie Offset, Verstärkung und Linearität wären schon eine feine Sache.
Da reicht unsymmetrische Verbindung, wenn die Umwelt da nicht völlig verseucht ist.
Der Impedanzwandler muss in jedem Fall zur Kapsel. Und wenn man da ohnehin einen FET einbaut, kann man auch noch 20 dB verstärken.
Ja. Oder alles im Mikro verstärken, Verstärkung ggf. Umschaltbar machen, um Übersteuerungen zu vermeiden.
Was soll da gemessen werden? Frequenzbereich? Maximaler Pegel? Minimaler Pegel? OpAmps, z.B. AD 797, LT 1028, evtl. reicht ein NE5534.
Das schaffen die o.g. OpAmps locker, aber das Mikro?
Ein Mikro ist kein Barometer. Wenn es als Druckempfänger aufgebaut ist, hat es Bohrungen zum Ausgleich von Luftdruckschwankungen, die die untere Grenzfrequenz festlegen. Wenn es als Druckgradienten- empfänger aufgebait ist, ist die untere Grenzfrequenz ohnehin höher.
Mit dem Mikrofon: Frequenzgang, Impulsverhalten, Nachhallzeiten, usw.
Also die üblichen Teile.
Auch bei 60dB Verstärkung?
Das muss natürlich nicht bis 100kHz auflösen können. Aber ich will vermeiden, dass der OpAmp den Frequenzgang unnötig früh beschneidet.
Das bezog sich auf die Messungen ohne Mikrofon. Stell Dir die Kiste vor wie ein Oszilloskop mit Einschüben, nur dass es keinen Bildschirm hat, sondern die Daten digitalisiert und an einen PC geschickt werden. Und es muss nicht die Bandbreite eines Oszilloskops haben, 100kHz reichen, da es nur für NF-Zwecke, und in erster Linie für akustische Messungen mit einem oder mehreren Mikrofonen genutzt wird. Aber manchmal wird es auch direkte Messungen an Bauteilen geben, und dann wäre es angenehm, man könnte auch Gleichspannungen messen.
Hm, Elektret-Mikrofone haben üblicherweise den FET schon drin. Sonst wäre der Quellwiderstand so hoch daß schon ein bißchen Kabelkapazität einen merklichen Tiefpaß ergibt. Muß man bei dem Sennheiser-Mikro den FET extern dazubauen? In diesem Fall interessiert Dich vielleicht das:
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Bei nur 2m sollte auch unsymmetrisch kein Problem sein, solange Du Signalmasse und Gehäusemasse nicht verwechselst ;-)
Beim Rauschen spielt die Quellimpedanz eine entscheidende Rolle. Davon hängt auch die Wahl des OpAmps ab. Siehe z.B.
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Dann muß das Gain-Bandwidth-Product (GBW) einfach hoch genug sein.
In bestimmten Fällen braucht man hochohmige Differenzeingänge, dann läuft's auf einen Instrumentierverstärker hinaus.
Für Audio sind schließlich noch geringe harmonische Verzerrungen interessant.
Gleichspannung ist was ganz anderes als Audio. OpAmps, die ideal für Audio sind, versagen u.U. bei DC. Ein bekanntes Beispiel ist der NE5532. Das ist ein reinrassiger Audio-OpAmp, der keine Kompromisse für DC-Anwendungen macht.
Einen universellen Verstärker für alles zu konstruieren ist nicht so einfach. Das größte Problem dabei ist daß man für jedes Problem die passende Bandbreite und Eingangsimpedanz wählen sollte. Zu viel Bandbreite ist schlecht, weil man sich nur zusätzliches Rauschen und größere Empfindlichkeit für Störungen einhandelt.
Auch A/D-Wandler sind üblicherweise für das eine oder das andere optimiert. Auch an der Stelle würde ich nicht damit rechnen, eine gute Universallösung zu bekommen. Schließlich muß man noch darauf achten, daß der verwendete OpAmp zum Signaleingang des A/D-Wandlers paßt. Das ist wieder eine Impedanzfrage. Es gibt auch etliche Wandler mit symmetrischem Eingang.
Meinst Du? Ich finde die absolute Genauigkeit nicht besonders gut. Bei einem Oszi spielen 2% Fehler keine große Rolle. Den Offset kompensiert man mit dem Positionsknopf. Die Linien driften sowieso während den ersten 5 Minuten nach dem Einschalten in der Gegend herum. Die Linearität und die Pulsantwort ist extrem wichtig bei Oszis. Früher als man noch Schaltpläne für die Geräte bekam waren diese Verstärker mit diskreten Bauteilen, oder gemischt aufgebaut. Heute ist das wahrscheinlich in kundenspezifischen Chips integriert, über die nur der Hersteller Bescheid weiß. Tektronix hatte mal eine Buchreihe in den 60er Jahren wo die Schaltungstechnik im Detail beschrieben wurde (die Concepts-Serie). Mit etwas Glück kannst Du vielleicht Gebrauchtexemplare auftreiben (schick' mir 'ne Kopie von allem was Du kriegen kannst, ich bin interessiert!).
Ich habe für Mikrofonverstärker bisher gerne den SSM 2017 benutzt, der wird zwar seit einiger Zeit nicht mehr produziert, aber ich habe noch einige davon. Wenn ich mich richtige erinnere, wurde der Nachfolger nie in nennenswerten Stückzahlen produziert, aber der hat ja auch wieder einen Nachfolger, den SSM 2019, vgl.
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Die haben die von die gewünschte Bandbreite auch noch bei 60 dB Verstärkung.
Das ist eine völlig andere Baustelle. Ich hatte früher mal einen Breitbandverstärker, der auch Gleichspannungen verstärkte, der hatte am Eingang eine Frequenzweiche, zerhackerstabilisierte Gleichspannungs- verstärker, parallel dazu dann Breitbandverstärker und am Ausgang ebenfalls eine Weiche zum Summieren. Ich weiß jetzt nicht, ob man das heute noch so macht/machen muss.
Zusätzlich brauchte man noch eine Gleichspannungskompensation für Thermospannungen u.ä. Unangenehmes.
Nein, Du hast recht, er ist schon in der Kapsel verbaut. Ich hatte das falsch in Erinnerung.
Danke, eine sehr interessante Übersicht.
Bei 100kHz und 60dB wären das also 100MHz GBW. Das ist schon ziemlich viel. Spielt da nicht auch noch die Slew-Rate mit rein? Ein OpAmp, der eine hohe Verstärkung bei niedrigen Frequenzen hat, hat ja dennoch eine obere Grenzfrequenz, auch wenn die Verstärkung nur Eins beträgt. Oder kann man das tatsächlich so gegeneinander in Beziehung setzen, dass man also sagen kann, dass ein Typ, der bei 1Hz 120dB verstärken kann, bei einer Verstärkung von 1 eine Bandbreite von 1MHz hat?
So extrem hochohmig muss es in meinem Fall wohl nicht sein. 1MegOhm sollte für die meisten Fälle reichen.
Tja, das wäre in meinem Fall auch nicht uninteressant, da ich auch Klirrfaktoren messen können will.
Die Bandbreite liegt durch die Beschränkung auf den NF-Bereich fest.
100kHz sollte dicke reichen.
Außer beim Mikro ist die Quellimpedanz der Signalquellen unbekannt. Eigentlich dachte ich an 1MegOhm Eingangsimpedanz, aber was ist, wenn ich mal eine hochohmige Röhrenschaltung als Prüfling habe? Ich denke, ich werde dem Mikrofon einen eigenen Verstärker im Gehäuse spendieren und die Eingangsschaltung auf der Karte vorerst einfach halten.
Wenn ich irgendwann doch noch was Spezielles brauche, muss ich es mir halt dazubauen. Sonst wird das eine endlose Planungsphase, wenn ich alle Eventualitäten berücksichtigen will. Mich kostet, als Bastler, die Planungszeit zwar nichts, aber so langsam will ich auch mal mit dem Bauen anfangen.
Ach so, ich dachte die Ungenauigkeit liegt an der Röhre.
Sind das diese Röhrengeräte auf Laborwagen mit externem Netzteil (oben das Oszi unten das Netzteil)? Ich kannte mal jemanden, der hat alles nur mit Röhren gebaut und konsequenterweise auch nur röhrenbestückte Messgeräte verwendet, z.B. diese Tektronix-Oszilloskope.
Keine Ahnung, ob ich ihn noch/wieder ausfindig machen könnte. Berlin ist manchmal etwas unübersichtlich. Wenn man jemanden aus den Augen verloren hat, kann es Jahre dauern, ihn wiederzufinden.
Ich habe mich inzwischen entschieden, dem Mikrofon einen eigenen VV im Mikrogehäuse zu spendieren. Damit kann ich auf der ADC-Karte einen Typ verwenden, der eher auf geringen Eingangsoffset, DC-Betrieb u.ä. optimiert ist, und muss nicht noch viel verstärken.
Das was dann hinter dem Mikrofon(verstärker) kommt, ist unkritisch.
Aber: Der Mikrofonverstärker muss in der Verstärkung umschaltbar oder reproduzierbar einstellbar sein, denn in der richtigen Welt gibt es ganz verschiedene Schallpegel. Beispiel:
Mein Selbstbau-Mikrofonverstärker sind zwischen 10 und 60 dB bzw.
20 und 70 dB in 10 dB-tufen umschaltbar. Das leiseste Musikereignis, das ich bisher aufgenommen hatte, war der Beginneines Stücks, wo der Schlagzeuger solo die Snare mit den Fingerkuppen gestrichen hat. Das Lauteste war, dass ich ein Mikro in ein Klavier hängen musste, weil das Instrument für den Raum, in dem sich 100 Menschen drängten, zu klein war. Da hatte ich bei einem dynamischen Mikro nur 20 dB Ver- stärkung gebraucht, bei einem Kondensatormikro hätte ich wahrschein- ich direkt in Line-In gehen können.
Im Prinzip schon. Nicht so viele OpAmps haben allerdings eine Leerlaufverstärkung von über 120 dB. Die Slew-Rate begrenzt nicht die Verstärkung, sondern die maximale Ausgangsamplitude bevor's verzerrt. Oder - andersrum gesehen - die maximale Bandbreite für Vollaussteuerung. Dann gibt's auch OpAmps, bei denen andere Regeln gelten. Beispiel: Current-Feedback-Amplifier.
Das betrachte ich schon als hochohmig. Ein normaler Differenzverstärker für Audio hätte eher so etwa um die 10kOhm Eingangswiderstand. Du hast selbst schon von Oszilloskopen geredet. Die haben auch Eingangswiderstände von 1MOhm, und Du weißt daß man da schon die Tastköpfe an die Eingangskapazität anpassen muß, um Verzerrungen zu vermeiden. Da geht's um ein paar Pikofarad, und das Testsignal ist eine
1kHz Rechteckschwingung. Eine Daumenregel, um das Gefühl für die Verhältnisse zu verbessern: Bei 100kHz wirken 1.6pF wie 1MOhm.
[...]
Das meine ich eben. Versuche nicht, einen "Universalverstärker" zu bauen. Das wäre eine harte Nuß, und irgendwelche Kompromisse wären immer nötig. Stattdessen wäre meiner Ansicht nach ein "hochpegeliger" Eingang auf der Karte sinnvoll (dafür reicht ein einfacher Differenzverstärker), je nach Signalquelle muß man dann u.U. spezielle Vorverstärker davorschalten. Das kann entweder extern oder als Aufsteckmodul auf der Karte sein. Gut fände ich es, wenn man auf der Karte noch einen konfigurierbaren Bandpaß hätte, mit dem man den interessanten Frequenzbereich herausfiltern kann. Konfigurierbar heißt dabei nicht, daß er durch Software einstellbar ist, sondern daß man die passenden Bauteile einlötet/einsteckt. Aber das ist nur meine Meinung, Du mußt letztendlich selber wissen, was am besten für Dich ist.
Das auch, aber eben deswegen braucht der Verstärker auch nicht besser zu sein.
Ja, zum Beispiel. Aber es geht auch um Transistorschaltungen; in den
60er Jahren sind die Röhren praktisch überall durch Transistoren ersetzt worden. Im übrigen gab's auch Röhrengeräte mit eingebautem Netzteil. Das externe Netzteil war nur bei besonders üppig ausgestatteten Geräten nötig (z.B. Tektronix 555 mit über 100 Röhren). Die Dinger waren ausgesprochen gut konstruiert und funktionieren oft heute noch problemlos. Sind auch gute Laborheizungen ;-)
Das wird an der Größe liegen, vermute ich :-)
Wie dem auch sei, wenn Du zufällig an so ein Concepts-Buch rankommen solltest, laß es mich wissen! Die haben inzwischen Sammlerwert.
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