digitale Signalgenerierung

Hallo zusammen,

ich möchte euch heute ein noch nicht komplett abgeschlossenes Projekt zeigen, bei dem aber die erste Platine fast abgeschlossen ist.
Hintergrund ist eine universelle Material Prüfmaschine, mit der Reisversuche/Schussbetrieb oder Schwingversuche durchgeführt werden können. Die ursprünglich Elektronik kränkelt aber ein wenig. Deswegen soll es bald eine komplett neue elektronische Steuerung für die Maschine geben.

Der erste Schritt dahin ist fast getan. Die Sollsignalgenerierung für den Regler, der nachher den Kolben je nach Einstellung Weg, Kraft, Dehnung oder sonst was regelt.

Der Wunsch war jeglich einstellbare "kurve" fahren zu können. Auch einfach willkürliche Werte soll man nachfahren können. Somit kommt man um eine digitale Erzeugung des Signals nicht herum.

Die Frequenz soll von 0,01Hz bis 20Hz in 0,01Hz Schritten einstellbar sein. Mehr macht die Mechanik bei einer Amplitude von 20cm auch nicht mit.

Heraus kam nun unten gezeige Platine. Sie besteht aus einer steuerbaren PLL, welche einen Adresszähler steuert, welcher wiederum einem SRAM durchläuft, der seine Daten auf einen DAC wirft.

Eine Periode Daten besteht aus 2^15 Werten mit einer Auflösung von 14bit bei einem Spannungsbereich von -10 bis +10 Volt.

Das ganze lässt sich vom PC aus über USB steuern. Das Ziel soll später eine mehr oder weniger "BlackBox" mit USB Anschluss. Notschalter wird es natürlich weiterhin noch geben.

Die nächste Platine wird die Regelungsplatine sein, ob diese digital oder analog ausgeführt wird, kann ich noch nicht sagen.


Ich möchte ganz speziell noch Manf, PICture, und Besserwessi danken, die mir bei einigen Problemen speziell hierfür prächtig geholfen haben!!


So und und nun los mit Kommentaren, Kritik :)

Grüße hacker

Bild hier  

Bild hier  

Bild hier  

Bild hier  

Ja, sehr gut gelungen. Saubere Kurve. Grad an hochaufgelösten Dreiecksverläufen sieht man gut die Güte der Digitalisierung.

Du machst alles im Auftrag oder als Projekt für die Uni Stuttgart? Gibts dazu mehr Informationen? Stellen die für Dich die Platinen her oder ist der Schriftzug nur vorgegeben und dann professionell hergestellt (und von der Uni bezahlt)?

Übrigens: 'XXX' als Menüpunkt ist nicht so passend. :-)

Wo lag denn die Hauptschwierigkeit dabei? Die Schaltung sieht sehr kompliziert aus für eine SRAM-gestützte ADC-Applikation.

Vielen Dank für das Lob. Darüber freue ich mich natürlich sehr.

Ich bin über einen Bekannten an die "Maschine" gekommen. Die alte Elektronik schwächelte da schon seit Jahren und ich durfte schon als Schüler die defekten Schaltungsparts wieder reparieren. :-) Und nun konnten sie mich endlich als Hiwi einstellen, weil ich ab letzten Herbst in der Uni Stuttgart eingechrieben bin. Dann kam eben die Idee auf, nicht immer alles zu reparieren, sondern die Elektronik einfach rundherum zu erneuern. Und das darf ich nun machen. Da bin ich ziemlich stolz drauf *g*. Für mich mit 20 Jahren ist das ne ziemliche Herausforderung, aber man lernt und es macht Spaß.

Den Schriftzug auf der Platine hab ich beim Layouten drauf gesetzt. Gefertigt wurde die doppelseitige Platine bei PCB-Pool und von der Uni eben bezahlt. Ich bin praktisch nur "Angestellter".


Das mit dem Menüpunkt wird auch noch geändert. Die ganze Software steckt noch in der Betaphase ;-) Und hinter "XXX" verbirgt sich auch nicht das, was man erwarten würde *g*

Hm für einen etwas erfahreren Elektroniker wird die Schaltung vermutlich keine Herausforderung gewesen sein. Aber für mich gab es schon einige Schwierigkeiten. Mit eins der Hauptprobleme war sicherlich die PLL, die aber dank des Forums nun perfekt läuft.
Ein etwas anderes Problem war die niedrige Pinzahl am Mega32 (selbst verursacht, man hätte ja einen größeren nehmen können). So hab ich die PLL steuerbar über I²C realisiert.
Was man vielleicht nicht sieht ist das Platzproblem. Ich hab nur eine Eagle Version mit beschränkter Fläche. Diese wurde in nächtelanger Arbeit beim Routen optimal genutzt. Es wurden auf der Ober- und Unterseite ca. 25 ICs verbaut.
Wo ich vorher nicht wusste wie es ausgeht waren die SMD ICs. Waren so ziemlich meine ersten etwas längeren SMD Lötversuche.

Grüße,
hacker

Sieht sehr schick aus und ist sehr leistungsfähig, für die Größe.
Was den Platz angeht, so ist zwar schon recht viel drauf (Unterseite sieht man ja nicht). Um noch mehr draufzubekommen, hätte man eventuell einige Einstellungen in Eagle optimieren können, zB die min. Leiterbahnbreite, den Abstand und das Grid.
Wie sieht es mit dem Rauschen auf der Analogspannung aus?
Nun hast Du eine recht hohe Frequenz und Bitzahl. In Verbindung mit dem Speicher dürften da schon recht hohe digitale Frequenzen entstehen.
Ich sehe keine Groundplanes, dafür aber jede Menge freier Inseln. Da entstehen schnell Störamplituden von 20-100mV im MHz -Bereich. Das könntest Du mit einem empfindlichen Oszi mal überprüfen. Eine 14Bit Auflösung dürfte damit schwer erreichbar sein. Das hängt natürlich auch von der Signalführung ab.
Hast Du zum Ansteuern des Speichers PullUps verwendet?
Viel Erfolg und Gruß

Ja, das Eagle-Problem kenne ich. Aber an Unis sollte Eagle lizenziert vorliegen, oder bestellbar sein.
Das Platzproblem habe ich z.B. so gelöst, dass ich einfach zwei halbe-Euro-Platinen getrennt gemacht habe, die dann einfach am Rand vier PADs bekamen, die ich nach dem Ätzen einfach zusammengelötet habe: 2x I2C und 2xSpannungsversorgung.

Und was Du da mit Deinen 20 Jahren auf die Beine gestellt hast, ist sehr beachtlich.
Ich möchte Dich ja nicht auf einen zu hohen Sockel heben, aber wenn Du diese Herausforderung jetzt bereits zu Beginn des Studiums meistern konntest, dann kannst Du nach abgeschlossenem Studium in faktisch jeden Elektronikbereich einsteigen, inklusive Intel/AMD.

Der analoge teil könnte hier recht kleine sein. Für den Digitalen teil ist die Masseebene noch nicht so wichtig, und so hoch müssen die Frequenzen da auch noch gar nicht sein. Selbst bei 20 Hz * 2^15 ist man erst bei rund 650 kHz. Das ist also noch relativ niedrig. Vermutlich wäre da die Lösung per DDS die kleinere gewesen.

Ein so komplizierte Platine fehlerfrei hinzukreigen ist schon eine Leistung.

Hallo,

danke für das Lob und die wichtige Kritik (davon kann man nur lernen!)

teilweise bin ich beim Layout schon an den Grenzen von 6mil Leiterbahndicke und Abstand, die durch den Hersteller vorgegeben sind.

Störungen auf der Analogspannung hab ich bisher keine beobachten können. Nur das allgemeine Rauschen der Versorungsspannung von ca. 5-10mV.

Der einzige analoge Teil ist die PLL und die hat eine große Massefläche auf der rechten Seite. Beim digitalen Teil war so eine etwas größere zusammenhängende Massefläche der hohen Leiterbahndichte fast unmöglich.

Zum Ansteuern des Speichers hab ich keine Pullups verwendet? Geht das überhaupt bei den Datenleitungen? Kann ich trotz Pullups die Leitung hochohmig schalten, wie es das Datenblatt erfordert? Wenn ja, für was braucht man sowas? Ich will lernen. :-)

Gibt es Vorteile von DDS gegenüber meiner Lösung? Bzw. Ist meine Lösung total absurd, oder wird das schon ungefährt so realisiert wie ich es getan hab? Kennt sich da jemand aus?

Grüße,
hacker

Wenn Du eine Leitung hochomig schaltest, dann brauchst Du unbedingt einen PullUp! (und wenns nur ein beim Gegenstück integrierter ist)
Stell Dir vor, der RAM-Baustein ist auf LESEND eingestellt, d.h. er legt kein Potential an die Leitungen. Jetzt schaltest Du, wie vom DB vorgegeben, seitens des Controllers auch auf hochohmig. Welches Potential liegt dann an der Leitung an? Richtig - keins. Das bedeutet wiederum, dass kleinste Störungen, z.B. von Deinem Finger in der Nähe (1cm), oder ALLES ANDERE ein Potential bilden, so dass im schlimmsten Fall Müll gelesen wird.
Und nun legt man einen PullUp an, der nur wirkt, wenn kein Potential anliegt. Dann können auch keine Schwingungen entstehen (und so vielleicht ein nicht vorhandener Takt) usw.

Für eine Leitung die zwischendurch hochohmig wird, sollte ein Pullup oder alternativ ein Pull-down vorhanden sein. Die digitalen ICs mögen mittlere Pegel nicht unbeding und können da unnötig Strom verbrauchen, Störungen erzeugen und wenn der Pegel dann auch noch eine Auswirkung hat, dann gibts es da auch noch "zufällige" reaktionen. Bei den Datenleitungen der RAMs wird das aber wohl weniger das Problem sein.

Die Frequenzerzeugung per DDS ist vor allem einfach, weil es dazu kleine Spezielle ICs gibt, die man z.B. per SPI mit dem µC verbiden kann. Heir wäre ein AD9832 oder ähnliches schon ausreichend. Die Hauptanwendung sind Sinussignale, aber über einen zum Teil integrierten Comperator kann man auch ein gutes Rechtecksignal bekommen. Bevor es diese ICs gab, war ein DDS Generator sehr aufwendig (z.B. 2 Europlatinen groß, > 5 W Leistung) und die Lösung mit dem PLL die Methode der Wahl. Für Radios/Ferhnsehen wird sie auch immer noch benutzt weil man da auch gut hohe Frequenzen erzeugen kann. DDS Chips für über 50 MHz werden zunehmend teuer. Die PLLs gehen ohne Probleme bei hohen Frequenzen (auch > GHz), weniger gut bei niedrigen Frequenzen. Die DDS Chips gehen vor allem bei mittleren und niedrigen Frequenzen gut. Da es dabei auf die Geschwindigkeit digitaler Logic ankommt verschiebt sich das Einsatzgebiet in Richting höherer Frequenzen. Ein Vorteil des DDS ist, das man keinen Analogteil mehr hat und auch keinen zum Teil kritischen Loopfilter braucht.

Danke für eure Erklärungen. :-)

Hallo!

@ hacker

Deine bisherige Leistung ist bewunderswert! :)

Die Methode, die du angewendet hast, ist die einzige mir bekannte um analoge Signale mit freiwählbaren Form zu generieren. Es ermöglichst jedes Signal phantasievoll festzulegen und erzeugen. Das kann man weder mit PLL noch DDS erreichen, da sie sich nur für sinusoidale Signale eignen, die eventuell mit einem Komparator nur in Rechteck umgewandelt werden können.

Nur weiter so! :)

MfG

Ich verkündige mal meinen Neid ! Wie gern wäre ich doch ein Autodidakt ... Naja die Uni tut nun das was mir mein Leben lang vorenthalten blieb xD

Hallo zusammen,

ich analysiere momentan die Güte der Schaltung und da stört mich (wie oben schon teilweise vermutet) doch ein gewisses hochfrequentes Rauschen von ca. 30MHz und einer Amplitude von knappen 20mV sowohl auf allen Versorgungsspannungen bzw. Masse und der Signalleitung am Ausgang.

Ich möchte, wenn möglich, aber mit den Störungen unter 10mV kommen. Das ist mein Ziel. Die Frage ist nur wie?

Mit Kondensatoren abgeblockt hab ich eigendlich so jedes IC so nah wie möglich. Ich weiß irgendwie auch nicht mehr weiter, wie ich die Störungen unter die 10mV drücken könnte.

Habt ihr ein paar Ideen (welche nicht das komplette Umkrempeln der schon vorhandenen Schaltung bedarf)?

Viele Grüße,
hacker

/edit

So sieht ein Sinus mit 100mV Amplitude aus (50mV/div) + den 20mV Rauschen.

Bild hier  

Hi!
Entkoppeln ist natürlich das A un O. Gute Cs dabei verwenden, min. X7R/X5R oder besser.
Teilweise können die Schwingungen durch Leitungskapazitäten entstehen. Um diese zu minimieren kannst Du die interne Logik der Software invertieren und die PullUps der µC Ausgänge verwenden. Dann aber auf die Flankensteilheit achten, weil die internen PullUps recht hoch sind (50kOhm hab ich im Kopf)
Eventuell hilft auch ein besserer Spannungsregler. Da Du die Störungen auch auf der Versorgung hast, helfen leider keine Filter usw.
20mV ist schon ein recht gutes Ergebnis, dass könnten auch durchaus mehr sein. Unter 10mV zu kommen ist ohne Berücksichtigung im Layout schwierig bzw. Glückssache.
Hast Du ein besseres Oszi benutzt oder wieso entdeckst Du die Störungen erst jetzt?
Gruß

Wenn die Abblockkondensatoren die kleinen roten sind, könnte man eventuell noch was verbessern mit zusätzlichen keramischen SMD Kondensatoren. Zumindest beim µC geht das noch ganz gut, da sind die Pins GND/VCC Pins direkt nebeneinander. Die andere Nachträglich mögliche Maßnahmen sind Widerstände oder kleine Induktivitäten in der VErsorgung einiger stark störender ICs (z.B. der Quarzoszillator und µC) . Zum Teil reicht sogar schon eine kleiner Ferriteblock auf der Leiterbahn (zwischen Abblockkondensator und allgemeiner Versorgung).

Bei so hochfrequenzten Störungen muß man auch immer achten wo man die Masse anschließt, damit man das richtige mißt.


Störungen im Digitalteil sind ja nicht so schlimm (außer für Funkstörungen). Die wirklich störenden Störungen hat man wohl am DA Wandler. Man könnte ggf eine Tiefpaß hinter den DA Wandler schalten um die Störungen zu reduzieren.

Hallo!

Normaleweise um Störungen zu bekämpfen, muss man sicher die Quelle kennen, wo die gemessene Störungen am größten sind.

Wenn überall in der Schaltung das gleiche gemessen wurde, und es nicht von Massenanschluss bzw. Tastkopf kommt, hilft nur Abschirmung der Schaltung z.B. durch Einbau in ein Metallkästchen und Ein- und Ausführen aller Leitungen mit Durchführungskondensatoren oder sogar pi-Filter mit Induktivitäten, die sich in der Abschirmung befinden..

MfG

Danke für eure Ratschläge und tut mir leid, dass ich mich erst so spät melde. Ich hatte ziemlich viel in der Uni zu tun.

Um nicht "unnötigen" Arbeitsaufwand zu treiben, testete ich die Schaltung heute einmal in realer Umgebung an der Maschine selbst. Die Hydraulik ist recht träge, dass die hochfrequente Störung in keinster Weise stört (bzw. auf die Mechanik umgesetzt wird und falsche Messungen am Werkstoff erzeugt). Daher hab ich beschlossen die Schaltung so wie sie ist, zu lassen, da sie einwandfrei ihren Dienst tut.

Ich werde mich nun der zweiten Platine widmen, welche einen Regler drauf haben soll. Ob dieser digital oder analog oder eine Mischung beider wird, kann ich noch nicht sagen.

Ich hoffe, ihr unterstützt mich zu gegebenem Zeitpunkt mit viel Vor und Ratschlägen.


Danke an alle und Grüße,

hacker