Ripple glätten

[Che Guevara]

Hi,

ich informiere mich nun schon seit geraumer Zeit über das Stabilisieren / Glätten einer Spannung. Ich messe mit dem Oszi einen Ripple von 24mV nach einem LT1117 (3.3V Spannungsregler). Dieser wird mit ca. 80mA belastet und versorgt einen ATXMEG32A4. Seine Spannung erhält er aus einem Labornetzgerät, welches wohl der Verursacher des Ripples ist. Was ich vorhabe:
Mit dem AVR möchte ich mittels einer differentialen Messung mit Gain (=64) einen MPX4115 (Luftdrucksensor) auslesen. Leider bekomme ich aber ein etwas stärkeres Rauschen, da eben die Schwingung der Versorgungsspannung logischerweise auch verstärkt wird... Der AREFA-Eingang wird über eine kleine Ferrit-Spule an VCC angeschlossen, der MPX hat einen eigenen 5V - Regler. Der Ausgang des MPX wird über einen Spannungsteiler (33k / 47k) und anschließenden C (nach GND, als Tiefpass) an den AVR angeschlossen. Die "Vergleichspannung" für den MPX erzeuge ich mithilfe des DAC im AVR, welcher allerdings auch einen Ripple von ca. 12mV aufweist. Ich habe schon versucht, diesen mit einem Tiefpass zu filtern, jedoch wurde dann das Signal nur noch schlimmer...
Sofern ich das richtig verstanden habe, berechnet sich die Grenzfrequenz des Tiefpass so:
fg = 1 / (2*Phi*R*C) ; für R setzt man in diesem Fall den Gesamtwiederstand des Spannungsteiler ein, also: Rges = (R1*R2)/(R1+R2) = (33k*47k)/(33k+47k) = 19387,5 [Ohm]
Somit ergibt sich (bei C = 100n): fg = 1 / (2*Phi*19387.5*0.0000001) = 1 / 0,01218152551 = 82.09... Hz
Stimmt meine Rechnung und Vorgehensweise den?
Meine Problem:
Wie bekomme ich den Ripple kleiner (auf <5mV)? Reicht es, die Versorgungsspannung vor dem Spannungsregler zu glätten oder nachher?

Würde mich sehr über Antworten freuen, evtl. auch ein paar Hinweise über dementsprechende Literatur (im I-net).

Gruß
Chris

[Besserwessi]

An sich sollte ein Spannungsregler Rippel (100 Hz ) so weit reduzieren dass man das nicht mehr mit dem Oszilloskop sieht. Auch ein Labornetzteil sollte keinen merklichen Rippel haben, vor allem nicht bei einem linear geregelten. Falls das Labornetzteil per Schaltregler arbeitet wäre ggf. HF Rippel (eher so 50 kHz) möglich. Das filtert man dann am besten vor dem Spannungsregler per LC-Filter. An sich sollte sich Rippel auf der Versorgung so weit reduzieren lassen, dass man es nicht mehr sieht mit einem normalen Scope.
Welche Frequenz hat denn das Rippel ?

Ein LC Glied am ARef Eingang ist sehr ungewöhnlich, genau so wie die externe Verbindung zu VCC. Wenn es wirklich VCC sein soll, geht das in der Regel intern, dann gehört nur ein Kondensator an den ARef Pin. Als Ref. Spannung würde sich hier eher die Hälfte der 5 V für den Sensor anbieten.

Die Rechnung mit dem Tiefpass sieht so weit Ok aus. Für den AD Eingang muss man ggf aufpassen mit den Eingangswiederstand. Ein Kondensator von weniger als 100 nF am Eingang des ADs kann da ggf. auch schon kontraproduktiv sein.

So fern das netzsynchrone Störungen sind (also 50 Hz / 100 Hz) ist eine Filterung in Software vermutlich die deutlich bessere Lösung: einfach mehrmals den AD Wandler auslesen und über ein Intervall von 20 ms oder vielfache davon mitteln. Das gibt eine sehr gute Unterdrückung auch größerer Störungen, und nebenbei bekommt man durch Oversampling auch noch mehr Auflösung. Ein entsprechender Tiefpass 1. Ordnung müsste da schon eine Grenzfrequenz von rund 1 Hz oder weniger haben, um so gut zu wirken.

[Che Guevara]

Hi,

also ich hab nochmal nachgemessen, der Ripple aus dem LNT beträgt ca. 80mV! Am Oszi liegst IMHO nicht, denn wenn ich den Tastkopf mit GND verbinde, zeigt es nur 560µV Ripple an...
Die Frequenz kann ich leider nicht feststellen, da die FFT vom Oszi nichts anzeigt...
Als Referenz steht nur AREFA, AREFB, INT1V, INTVCC/1.6 zur Verfügung. Das einzige, was also überhaupt in Frage käme, wäre INTVCC/1.6, also ca. 2.0625V. Das geht aber dann leider auf Kosten der Auflösung, da der Sensor nur 46mV / kPa ausgibt. Bis zu einer Höhe von ca. 1500m über NN gilt der Zusammenhang, dass 1.2Pa ca. 10cm entsprechen.
Dann werde ich mal einen Kondensator > 100n am ADC-Eingang versuchen.
Netzsynchron sind die Störungen glaube ich nicht, aber die genaue Frequenz kann ich leider wie gesagt nicht feststellen.. Oversampling werde ich evtl. auch noch probieren, aber erstmal sollte es so laufen.

Gruß
Chris

[Michael]

Die Frequenz kann ich leider nicht feststellen, da die FFT vom Oszi nichts anzeigt...
die Periodendauer kann man normal recht gut bestimmen mit einem Oszi....

Gruß, Michael

[PICture]

Ich möchte aus eigener Erfahrung mit Messen/Verstärken von Signalen in µV Bereich noch etwas dazu sagen. Allgemein sind einfachste Sachen wichtig, die oft nicht berücksichtigt werden: praktisch kein Massenwiderstand zwischen wichtigen für Messung Punkten, niedrige Widerstandswerte (wegen Rauschen) und dichte Abschirmung der Messschaltung (wegen EMV Störungen). Alles was die Eingangstufe schon verstärkt hat ist schwer zu eliminieren. Ich habe bisher nie Probleme mit Versorgungsspannung aus Labornetzteil gehabt. ;)

[Che Guevara]

Hi,

die Periodendauer kann ich leider nicht bestimmen, siehe Foto im Anhang. Wenn du es kannst, gib mir bitte Bescheid, wie du es gemacht hast :D
Die Spannung habe ich jetzt zum Fotographieren auf ca. 0.2V gestellt, sieht aber bei den normalen 8V genauso aus ;)

Um die Spannung zu messen, hängt der Tastkopf direkt an einem Stück Draht, wodurch quasi kein Wiederstand vorhanden sein sollte. Am LNT messe ich direkt an den Anschlussbuchsen.
Habt ihr Tips oder Vorschläge?

Gruß
Chris

[PICture]

Um die Spannung zu messen, hängt der Tastkopf direkt an einem Stück Draht, wodurch quasi kein Wiederstand vorhanden sein sollte. Am LNT messe ich direkt an den Anschlussbuchsen.

Sorry, aber anhand solcher Beschreibung kann ich mir keine Schaltung vorstellen und das Oszibild nicht interpretieren. Deshalb fällt mir nix ein. :(

[Che Guevara]

Der Draht ist direkt an den Ausgang des 3V3 Reglers angelötet, daran wird dann der Tastkopf des Oszis befestigt, somit sollte es keinen merkbaren Übergangswiederstand zwischen Tastkopf und der Schaltung geben.

Gruß
Chris

[PICture]

Dann verstehe ich halt dein Hauptziel, das du strebst, leider nicht, weil ich kein Zusammenhang zwischen dem Regler und der Messschaltung sehe. :(

[Besserwessi]

Das Signal vom Oszilloskop zeigt Spikes kein Rippel. Die Störungen sind also eher hochfrequenter Natur. Da hilft dann ein LC Filter vor dem Spannungsregler, falls die Störungen vom Netzteil kommen und nicht vom µC. Bei schlecht Entkopplung kann der µC durchaus als Quelle für solche Störungen in Frage kommen. Bei so hochfrequenten Störungen kommt es nicht nur auf die Bauteilwerte, sondern auch die Anordnung bzw. das Layout an.

Sonderlich genau wird so ein Versuch die Auflösung des AD Wandler zu erhöhen nicht. Da würde ich ggf. gleich einen AD mit mehr Auflösung in betracht ziehen. Auch der Sensor selber hat ein Grundrauchen, gegen das man außer einer begrenzten Bandbreite nicht viel machen kann. Von einer einzelnen Messung des ADs würde ich mir von daher nicht so viel versprechen - auch der tatsächliche Druck kann ggf. etwas schwanken, vor allem bei Wind.


p.s. .PNG braucht das Bild nur etwa 1/3 an Platz.

[Che Guevara]

Also ich denke, es zeigt beides?! Einerseits einen Ripple von ca. 2mV und Spikes.. Aber du hast Recht, es sind in der Tat die Spikes, die den hohen VPP Wert ausmachen.
Wie sollte den ein solcher Filter ungefähr dimensioniert werden? Gibts da eine Faustformel?
Der µC kann nicht der Auslöser sein, da ich in diesem Fall nur das LNT gemessen habe ohne irgendwelche Bauteile dran. Der µC ist aber mit mehreren 100n Kerkos abgeblockt (alle direkt an den Pins).

Einen anderen ADC möchte ich nicht verwenden, da ich den Platz nicht habe und auch die Zeit, diesen auszulesen... Es muss so gehen!
Das Grundrauschen bekomme ich durch einen Ringbuffer als Tiefpass schon weg, das ist nicht das Problem. Dass der Druck schwankt ist mir bewusst, das geschieht relativ schnell (schon beim Öffnen/Schließen einer Tür, etc..).

Gruß
Chris

[Besserwessi]

Ich würde den Filter für die Spikes etwa so dimensionieren: Die Grenzfrequenz sollte so sein, dass die untere Frequenz aus den Spikes (etwa 0.1/ Breite der breiteren Spikes) schon deutlich abgeschwächt wird, also eher um einen Faktor 10-100 darunter. Tiefer ist ok, braucht aber mehr Induktivität/Kapazität. Als Kondensator könnte man erst mal etwa 100-500 nF probieren (viel mehr wird schwer als HF geieignete Bauform), und weniger mag der Regler ggf. nicht.
Bei wenig Strom kann die Induktivität auch ruhig etwas größer sein, sofern der Widerstand nicht stört. Mit etwa 100 µH käme man schon auf eine Grenz Frequenz von rund 100 kHz - das sollte schon reichen. Wenn ich mich richtig erinnere schlägt ATmel etwa 10 µH vor für AVCC. Es hängt aber auch davon ab, was gerade da ist oder gut zu bekommen ist.