PT100 Messverstärker - Dimensionierungsfra gen

Heyho!

Nun sind inzwischen AD7793 Muster samt SMD->DIL Adapter da und der ATMEGA plaudert fleißig erste SPI-Fragmente. Daher kann/muß ich nun endlich die konkrete Planung der Hardware abschließen, bei der folgende Berechnungen zustande kamen. Bitte gebt mir Feedback, ob sie soweit stimmen und auch praktikabel sind, da dies ja mein erstes ADC-Projekt wird und ich leider auf keine Erfahrung zurückgreifen kann.

Btw: Die Entscheidung ist nun eindeutig fürs PT100 und gegen NTC o.Ä. gefallen. PT100 ist hier in der Arbeitsgruppe seit vielen Jahren bekannt, der Lieferant zuverlässig und letztlich sind ~0.001 K Auflösung auch genau genug.

Es ergibt sich für den gewünschten Temperaturbereich von 20-200 °C mit etwas Raum oben und unten:

R(PT100/0°) = 100 Ohm R(PT100/210°) = ~180 Ohm I(const.) = 0.001 A

U=R*I =>

U(PT100/0°) = 0.1 V U(PT100/210°) = ~0.18 V

mit gain = 16 =>

U(ADC/0°) = 1.6 V U(ADC/210°) = ~2.88 V

Die Referenzspannung würde ich mit Präzisionsshunts aus der zweiten Konstantstromquelle erzeugen. Diese sollten dann Werte von 1.6 K und 2.9 K haben, so daß an Ref(-) 1.6 V und an Ref(+) 2.9 V anliegen, der CM-Bereich 1lso 1.3 V breit ist.

Für einen gain von 16 gibt das Datenblatt 0.1 müV noise (RMS) und eine Auflösung von 21.5 Bit (RMS ?!) respektive 19 Bit (p-p ?!) an. Für den von mir angestrebten Bereich von etwa 200 K bedeutet das auf die 19 Bit bezogen eine Temperaturauflösung von < 0.0004 K - mehr als ausreichend. Auch das Rauschen liegt unterhalb der Auflösung von etwa 2.5 müV. Alles bezogen auf bipolare Konfiguration - bei unipolarer gewinne ich ja sogar nochmal 1 Bit... :-)

Nun gibt es leider auch noch eine Unklarheit, die mir einen Strich durch die Rechnung machen könnte: Das Datenblatt spricht auf Seite 3 von "Absolute AIN Voltage Limits", für die in meinem Fall ja Vmin = GND+300 mV und Vmax = AVDD - 1.1 V gelten würde. Die Frage ist nun, ob damit die Spannungen am ADC oder die Spannungen am PIN des Bauteils gemeint sind. Letzteres macht irgendwie recht wenig Sinn, da ein hoher gain zu unmöglichen Spannungen führt aber ich frage lieber noch einmal nach.

Liebe Grüße, Dennis

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Dennis Köhn
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Dennis Köhn schrieb:

Ein kurzes Überfliegen des Datenblattes sagt mit, dass bei Verstärkungen von 4..128 die Eingangsspannung an einem beliebigen Eingangspin in diesem Bereich bleiben sollte. Das ist sozusagen der Aussteuerbereich der Eingänge. Unabhängig von der differentielllen Spannung solten beide Eingänge eines Differenzpaares in diesem Bereich bleiben. Was soll denn die Angabe eines Knotens innerhalb des Chips nutzen?

Musst Du wohl nochmal den Taschenrechner anwerfen...

- Udo

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Udo Piechottka

Das gilt mit dem eingeschalteten "In-Amp", der hat eben weniger CM Aussteuerbereich. Wenn man den ueberschreitet, saettigt es drinnen. Verbrutzeln wird normalerweise aber erst etwas, wenn man jenseits der Supply Rails geht und dabei zuviel Strom in die Substratdioden schickt. Beim AD7793 ist die Grenze mit 10mA angegeben.

--
Gruesse, Joerg

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Joerg

Dennis Köhn schrieb:

Ich bin immer davon ausgegangen das sich das wirklich auf die Eingangspins bezieht, 1. weil sie eben AIN- und AIN+ genannt werden und 2. sich auf die Potentiale an anderen Pins beziehen. Das gilt aber nur wenn der interne OP zum Einsatz kommt, ich hatte daraus geschlossen das eben dieser keine RR-Eigenschaften hat.

Du musst aber CM-Spannungen von NM-Sp. unterscheiden. Du Verstärkst die _Differenz_ eines Eingangspaares, dazu dürfen (und müssen sogar, wie auf Seite 24 des Datenblattes steht) die beiden Eingänge +0,5V gegenüber GND haben. Es werden ja nicht erst die Einzelspannungen verstärkt und dann erst die Differenz gebildet.

Aber trotzdem Vorsicht: In einer Fussnote auf Seite 5 steht noch das man 1,6V von AVDD wegbleiben muss um die Spezifikationen zu erreichen.

Jörg.

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Jörg Schneide

Heyho!

Udo Piechottka schrieb:

Ja, so würde ich es auch deuten, allerdings ist diese Angabe unlogisch. Mal angenommen, ich möchte gain=128 nutzen und muß mindestens 300 mV rein geben... Das wären dann 38.4 V intern am ADC als Minimum. Macht doch irgendwie keinen Sinn, oder?!

Da man in Sachen Verstärkung flexibel ist macht das schon sinn. Sonst müßten sie ja für jeden gain >4 ne eigene Angabe machen, was als Minimalspannung dran darf. Die einfache Rechnung sollte aber schon jeder selbst hin bekommen.

AFAIK geht es bei den 300 mV um den ADC selbst und nicht um den Verstärker im IC.

LG, Dennis

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Dennis Köhn

Heyho!

Ja, der soll mit 16 bzw. nach den neuen Erkenntnissen evtl. auch mit

32-facher Verstärkung zum Einsatz kommen.
[...] [*klatsch*] Das ist es. Entschuldigt bitte meinen faux-pas. Ich war die ganze Zeit von den Absolutspannungen ausgegangen und nicht von der Differenz :-/

Ja - mal ist 90% AVDD das Maximum, mal AVDD-1.6V... Irgendwie sind die sich da selbst nicht ganz einig. Ich werd' die Auslegung nachher nochmal überdenken müssen und gucken, wie weit es dann nach oben raus geht. Um den zusätzlichen Widerstand vorm PT100 komme ich aber wohl nicht umhin, da 100 mV am AIN(-) ja doch zu wenig sind.

LG, Dennis

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Dennis Köhn

IIRC hat der Wandler eine differenzielle Signalkette. D.h. die Differenz zwischen AIN- und AIN+ zaehlt.

M.W. um den Verstaerker. Ohne darf er bis 30mV an die Rails heran. Wie linear er dort noch ist, steht auf einem anderen Blatt.

--
Gruesse, Joerg

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Joerg

Hallo Dennis,

Geh mal davon aus das die zugeordneten max. Fehler bis AVDD-1.6V eingehalten werden, darüber läuft auch noch alles recht gut aber eben mit mehr Fehler. Ab 90% AVDD wird er dann anfangen richtig schwammig zu werden, bis evtl. hin zu totalem Unsinn.

Nicht zu verwechseln mit Absolute Max. Ratings, da geht es um Sein, oder nicht Sein ;-) Oder machmal auch diffiziler um Schädigung und damit einhergehendem dauerhaften Verlust von Genauigkeit oder sonstigen positiven Eigenschaften.

In diesem Zusammenhang: Eine ESD-Schutzbeschaltung wäre für die nach draussen gehenden Sensorleitungen schon sinnvoll. Ich hab einfach zwei antiparallele 1N4007 genommen, wird in Deinem Fall nicht gehen wegen Leckstrom. Vielleicht geht ein Diodenpärchen (low leakage) je Eingang, alle Kathoden an eine 5V TAZ, alle Anoden an Masse. Vielleicht tut es FJH1100 mit 3pA Leckstrom.

Jörg.

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Jörg Schneide

Jörg Schneide schrieb:

Fets als Schutzdioden besitzen einen wesentlich niedrigeren Leckstrom. Ev. können sie auch "vorgespannt" werden.

--
mfg hdw
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horst-d.winzler

Heyho!

Ja, weiter wollte ich an AVDD auch nicht ran. Der Bereich ist dann ja auch noch oben und unten etwas größer als der, in dem ich tatsächlich messe, daher mache ich mir um die Linearität keine Sorgen.

Oha, da werft ihr ja wieder wichtige Fragen auf, die ich einfach übersehen hätte. Das einzige, woran ich in Richtung Schutz dachte, war eine Diode (Zener/Schottky?!) gegen Überspannungen. Im Hinblick auf ein möglichst sauberes Signal hatte ich aber auch da schon überlegt, sie einfach wegzulassen und notfalls halt nen neuen ADC-Chip zu kaufen.

Was meint ihr denn, wie stark o.g. ESD-Schutz oder auch der Überspannungsschutz überhaupt das Signal stören? Jetzt nicht mit billig-0815 Komponenten, sondern schon aus besseren Teilen aufgebaut.

Liebe Grüße, Dennis

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Dennis Köhn

Joerg schrieb:

Alles klar. Dann wird die Sache auch gleich viel logischer ;-)

OK, da habt ihr mich dann wieder vor einem großen Fehler bewahrt - danke :-) .

Liebe grüße, Dennis

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Dennis Köhn

Dennis Köhn schrieb:

Noch zu beachten: Der Buffer darf 30mV an die Rails, aber nicht der Verstärker! Der Buffer hebt auch die Einschränkungen des Amps nicht auf, er macht ja nur eine Impedanzwandlung und dient so zur Anpassung an höherohmige Quellen. Ob er für Deinen Fall sinnvoll ist kannst Du durch eine Fehlerbetrachtung herausbekommen oder einfach ausprobieren.

Jörg.

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Jörg Schneide

Dennis Köhn schrieb:

Das wichtigste ist der Leckstrom, da er ja immer irgendwie von Deinem Iconst abgezweigt wird. Dummerweise ist der auch noch hochgradig temp. abhängig. Mit normalen Schottky/Zener/TAZ kommst du da nicht weit, die liegen im µA-nA Bereich.

Ansonsten sollte so eine Beschaltung schon das aushalten was zu erwarten ist, ich vermute in Deinem Fall, das mal einer anpackt der sich vorher am Fussboden oder Bürostuhl aufgeladen hat. Human Body Model in Verbindung mit ESD wären da wohl die Suchwörter. Falls die Teile die Energie nicht schadlos aufnehmen können wäre zumindest ein definierter Failure Mode in richtung Kurzschluss wünschenswert. Dann brauchst du nur den Schutz wechseln.

Zu den FETs kann ich nicht viel sagen, hab ich bisher noch nicht nutzen müssen, bin auch ein bischen skeptisch ob so ein Teil auch eine saftige Entladung wegsteckt, oder zumindest dabei niederohmig wird.

Jörg.

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Jörg Schneide

Jörg Schneide schrieb:

Reicht nicht einfach ein RC-Filter am Eingang? Die Frequenzen, die gefragt sind sind ja < 10 Hz und die Messung erfolgt hochohmig, da kann bei einem

100kOhm Eingangswiderstand doch kaum noch etwas durch...

PS: Schade daß Du jetzt die NTC-Version verworfen hast. Es hätte mich jetzt wirklich interessiert wie der NTC sich im Vergleich zum PT100 in der Praxis schlägt....

Gruß, Jürgen

--
GPG key: 
http://pgp.mit.edu:11371/pks/lookup?search=J%FCrgen+Appel&op=get
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Jürgen Appel

Jürgen Appel schrieb:

Im Prinzip ja, aber man erhöht erstmal künstlich den Quellenwiderstand und hat dann das Problem das sich Spannungen durch Biasströme etc. aufbauen können. Ich hab auch im Hinterkopf das sich z.B. beim LTC2410 grössere Kondensatoren am Eingang negativ auswirken können.

Für ESD-Schutz könnte Dennis aber versuchen einfach fette Cs jeweils zwischen den Sensoranschlüssen und nochmal nach Masse vorzusehen, dort ist es ja relativ niederohmig, dann Widerstände in Serie zu den Eingängen und dort nochmal Cs, allerdings wesentlich kleinere. Das würde schon einiges schlucken. Einfach die Teile auf dem Board vorsehen, man braucht sie ja nicht Bestücken oder kann sie brücken wenn sich negative Effekte zeigen. Ich würde aber gute Folien-Cs nehmen, Keramik könnte hier ein paar Nachteile haben.

Vielleicht macht er ja einen Kanal (oder eine Platine) mehr, dann könnte man sie wahrscheinlich recht einfach auf NTC umstricken. Ist ja eigentlich nur andere Mathe nach der Messung. Je nach Wert des NTCs muss man halt evtl. noch ein paar Rs Anpassen und einen anderen Konstantstrom wählen.

Vermutlich kann man sich dann die Verstärkung sparen oder zumindest verringern.

Ich würde mir diese Möglichkeit offenhalten, eben für den Fall das es Probleme mit der geringen Empfindlichkeit von PT100 und/oder wegen der nötigen Verstärkung gibt. Bei solchen Sachen ist es immer gut noch ein Ass im Ärmel zu haben, sonst hat man nachher leicht eine Menge "Edelschrott" da liegen.

Jörg.

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Jörg Schneide

Hey Jürgen,

Stimmt, an den hatte ich gar nicht gedacht. Natürlich kommen Filter an die Eingänge und genau die von dir genannte Frequenz von 10 Hz hatte ich auch im Hinterkopf.

Ich bin schon ganz schön im Verzug, daher muß das, was jetzt hier hinten raus fällt auch funktionieren. Da wir noch nie NTC im Einsatz hatten möchte ich die als neue Unbekannte gern vermeiden zumal die bereits vorhandenen PT100 ja auch alle um 1-3 mK schaffen. Was ich aber nach wie vor gern machen würde ist, der Kiste einfach 1-2 Kanäle zu verpassen, die für NTC ausgelegt sind. Bei 16 CS-Leitungen, die aktuell im Sorcecode eingeplant sind, sollte das kein Problem sein.

LG, Dennis

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Dennis Köhn

Das ist kein großes Ding, schließlich läuft es bei beiden Sensoren auf eine Widerstandsmessung hinaus. Allgemeine Techniken, die für die PT100- Messung gut sind, schaden beim NTC auch nicht. IMHO gibt es nur zwei Unterschiede:

1) Der Arbeitspunkt bei Raumtemperatur hat einen anderen Wert (Beim NTC typischerweise 10 kOhm 2) Der Hub ist bei gegebenem Temperaturintervall etwa eine Größenordnung größer

Das erste beeinflusst dei Wahl des Referenzwiderstands in der MWessbrücke. Und beim zweiten muss man die Verstärkung vor der AD- Wandlung anpassen. Zumindest in den Temperaturreglen, die ich bisher gebaut habe, beschränkt sich damit die Anpassung an den Sensor-Typ auf das Auswechseln von vier Widerständen.

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Kai-Martin Knaak
http://lilalaser.de/blog
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Kai-Martin Knaak

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