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iTracer: Schema-Entwurf ist fertig!

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Offline Thaddäus

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iTracer: Schema-Entwurf ist fertig!
« am: 14.04.2019 15:08 »
Hallo Leute

Zur Abwechslung zu all den tollen Amps möchte ich mal was anderes vorstellen:
Mein iTracer!  ;D ;D
Der ist zwar nicht MIT Röhren, aber FÜR Röhren gemacht, im diese auszumessen ähnlich wie der berühmte uTracer. Der wichtigste Unterschied zum uTracer ist, dass mein iTracer auch den Steuergitter-Strom messen kann, inklusive dem winzig kleinen Anlaufstrom (so hoffe ich jedenfalls).
Er wird von einem Arduino Nano gesteuert, und besitzt 3 Kanäle, die synchron 4ms-Spannungspulse mit wählbarer Amplitude ausgeben.
Jeder der 3 Kanäle hat seine Stärken:
- einer kann die Spannung invertieren ( bis zu + oder - 510V bei max. 180mA)
- ein anderer kann auf Wunsch den Ausgangstrom verdoppeln (360mA), bei halbierter Ausgangspannung
- ein weiterer Kanal kann Ströme von 10nA bis 100mA messen ohne Bereichsumschaltung (dank log-Verstärker)

Die Kanäle sind mittels Relais den Elektroden der zu messenden Röhre zuordbar, so dass mein iTracer recht vielseitig einsetzbar ist.
Schutz vor lebensgefährlichen elektrischen Schlägen bietet er auch, da maximal 60Vdc vorkommen, bzw. höhere Spannungen nur als kurze Pulse oder mit Strom-Limiten gemäss den Regeln der DIN EN 62368-1.

Nach meinem Bauchgefühl ist das ganze Projekt recht risikobehaftet, da die meisten Schaltungen ungetestet sind, insbesondere der Log-Verstärker. Aber nur wer wagt gewinnt! :devil:
Bin daher froh um jeden, der sich das Schema anschaut und Verbesserungsvorschläge hat - denn erfahrungsgemäss sind in einen so grossen Schema immer Mängel drin!

Vielen Dank an alle, die sich an diesem Schema-Review beteiligen  :topjob:

Gruss Adrian

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Offline GeorgeB

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Re: iTracer: Schema-Entwurf ist fertig!
« Antwort #1 am: 14.04.2019 17:52 »
Spannendes Projekt.  8)

Gitterstrom kann bipolar sein im unteren Bereich, ist das berücksichtigt? So ganz habe ich die Gegend um U13 noch nicht verstanden... insbes ob der Emitter von V28 noch korrekt ist wenn D3 die GK schließt, und das ist auch nur eine ggü zwei parallelen D's für die andere Richtung. So wie ich das sehe kommt die GK für die "falsche" Stromrichtung dann nicht mehr über Transistor V28, sondern R117, was aber für kleine Ströme trotzdem gehen würde solange der U13A noch nicht ins GND-Rail fährt und die GK aufgeht. Aber halt mit dem falschen Gain weil nur eine Diode und weil der Knoten dann nicht mehr via V28 gebuffert ist.

Was die Schleife um den Isolator U14 angeht, die müsste dann auch bipolar sein, und/oder hinten (bzw schon vorne) müsste man dann mit einem konstanten Offset Levelshiften damit dsr Arduino's ADC wandeln kann (da der nicht bipolar ist).

Im Prinzip hast du ja einen aktiven OpAmp-I/V mit halt Dioden in der GK statt Widerständen was dir das Log-Verhalten macht (und mit Temperaturdrift), das rauscht wie Sau und der OP hat ziemlich Mühe bei kleinsten Strömen die GK zu halten. Der Chopper-Kollege NCS2333 ist zudem kein Held was (Spannungs-)Rauschen angeht.

Hast du das ganze mal kleinsignalmäßig auf verschiedenen Arbeitspunkten durchsimuliert? Neben der Umstellung auf Bipolar könnte eine leichte Degeneration der Log-Bildung sinnvoll sein (R parallel), und das ganze auch integrierend (C parallel)... im Moment hast du nur drei Diodenkapazitäten als HF-Gegenkopplung, das macht den -Input zu empfindlich bzgl Kapazität (gibt Noise-Gain Dekompensation), denke ich. Und da könnte eh noch ein Ferrit und auch paar Ohm Wirkwiderstand hin, auf die "ChG"-Leitung, direkt am am OpAmp
« Letzte Änderung: 14.04.2019 17:56 von GeorgeB »

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Offline Laurent

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Re: iTracer: Schema-Entwurf ist fertig!
« Antwort #2 am: 14.04.2019 18:02 »
Hallo Adrian,

Ich kann dazu wenig beitragen (bin definitiv kein Elektroniker und dies liegt über mein Wissen) aber ich finde es nach wie vor spannend.
Werde mal deine Projektentwicklung mitverfolgen.

Gruß,
Laurent

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Offline Thaddäus

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Re: iTracer: Schema-Entwurf ist fertig!
« Antwort #3 am: 15.04.2019 07:06 »
Hallo Laurent
Ja, bin selber gespannt ie es rauskommt!

Hallo GeorgeB
Vielen Dank für dein wertvolles Feedback - das spart eine Menge "Troubleshooting"! Ich werde dann später noch detailliert darauf eingehen.

Lg Adrian

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Offline carlitz

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Re: iTracer: Schema-Entwurf ist fertig!
« Antwort #4 am: 15.04.2019 12:42 »
wow, Respekt zu diesem Projekt.....
If you don't know how to fix it, stop breaking it!

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Offline Thaddäus

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Re: iTracer: Schema-Entwurf ist fertig!
« Antwort #5 am: 15.04.2019 13:37 »
Hallo GeorgeB

Habe mal einige deine Inputs eingetütet, siehe Anhang. Danke gell!

Wegen den negativen Gitterströmen im untersten Bereich:
Die habe ich nicht vor zu messen, weil sie hauptsächlich von Ionen stammen. Und diese sind sozusagen "individuell"  vom Röhren-Exempla rabhängig, je nach vorliegender Vakuumqualität. Bei gutem Vakuum jedenfalls sind die Ionenströme vernachlässigbar kein, ausser in Elektrometer-Schaltungen. Bei den bislang 6 Stück händisch ausgemessenen Trioden habe ich lediglich positive Gitterströme gefunden, siehe http://adrianimmler.simplesite.com/440956786

Aber natürlich gibt es während Spannungstransienten negative Gitterströme (kapazitive Umladeströme), die benötigen natürlich im iTracer einen sauberen Pfad. Habe das mit der Diode D3 versucht zu berücksichtigen.

Eine Frage zum Rauschen des NCS2333: Im Datenblatt steht was von 63nV Wurzel(Hz) - kann das nicht interpretieren. Was wär denn ein guter (oder mindestens brauchbarer) Wert?

Vielen Dank für deinen Rat!

Lg Adrian

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Offline dimashek

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Re: iTracer: Schema-Entwurf ist fertig!
« Antwort #6 am: 15.04.2019 15:01 »
...
Eine Frage zum Rauschen des NCS2333: Im Datenblatt steht was von 63nV Wurzel(Hz) - kann das nicht interpretieren. Was wär denn ein guter (oder mindestens brauchbarer) Wert?

d.h., mit Verstärkung gleich = 1 (0 dB) wird der OPV 63nV Noise erzeugen, pro Wurzel (Hz), also Bandbreiten-Abhängig.
Mit deinen 200k||220n hast du allerdings etwa 2-3Hz Bandbreite, deswegen ist die Rauschangabe in nV Pro Wurzel (Hz) nicht zu gebrauchen.   Die 68nV gelten nur bei höheren Frequenzen (wie hier bei 1kHz) Für dich wäre die Angabe 2 Zeilen drunter im Datasheet interessant, Noise bei Frequenzen unter 1Hz. 

Anders sehe es aus bei z.B 100kHz Bandbreite.
68nV * SQRT(100.000) = 21.5uV (RMS). Das ist schon eine andere Nummer, als 0.5uV Peak-peak

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Offline Thaddäus

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Re: iTracer: Schema-Entwurf ist fertig!
« Antwort #7 am: 16.04.2019 12:25 »
Hallo Dimashek

Danke für deine Einführung ins Thema Rauschen - habe wieder was gelernt!  :topjob:

Fragen:
Steigt der Rauschpegel proportional mit der Verstärkung?
Was, wenn die "Verstärkung" nicht dimensionsfrei ist, sondern wie bei U13A in V/mA definiert ist?

Habe ich das richtig verstanden, das bei U2B mit B=270kHz und gain=1 dann 62nV*wurzel(270k)=32uV Rauschen erzeugt wird?

Lg Adrian

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Offline dimashek

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Re: iTracer: Schema-Entwurf ist fertig!
« Antwort #8 am: 16.04.2019 13:56 »

Steigt der Rauschpegel proportional mit der Verstärkung?

Was, wenn die "Verstärkung" nicht dimensionsfrei ist, sondern wie bei U13A in V/mA definiert ist?

Habe ich das richtig verstanden, das bei U2B mit B=270kHz und gain=1 dann 62nV*wurzel(270k)=32uV Rauschen erzeugt wird?
- Ja

- Dabei ist die so genannte Noise-gain Verstärkung von Bedeutung. Und die ist immer in dB, egal wie der Opamp konfiguriert ist.

- Wenn da wirklich 270kHz Bandbreite ist, dann ja!

Evtl sogar etwas mehr, da diese 68nV bei hohen Frequenzen gelten, und bei <100Hz schnell mal 10fach werden.

Und current noise kommt auch noch dazu! Der ist bei precision Opamps zwar sehr klein (hier 350fA * SQRT(Hz),
z.B. bei 100k Eingangs-R und 270k BW werden es dann 350fA(femto!) * 100.000 Ohm * SQRT(270.000Hz) = 1.8*10^-5 = 18uV
(zusätzlich zum voltage noise von 32uV)
Wenn ich mich nicht verzählt hab ;)

Ach ja, und Thermal noise von den Widerständen, (Johnson noise)
sind noch mal um die 20uV  (angenommen die 100k mit 270kHz BW)
« Letzte Änderung: 16.04.2019 14:04 von dimashek »

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Offline Thaddäus

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Re: iTracer: Schema-Entwurf ist fertig!
« Antwort #9 am: 17.04.2019 08:59 »
Hallo dimashek

Wow, das Thema „Rauschen“ scheint ja sehr komplex zu sein!
Wie auch immer, wir reden von einigen Dutzend uV, während das arduino nano Board sowieso nur 5mV Auflösung hat. Daher gehe ich davon aus, dass der NCS2333 für meinen iTracer geeignet ist - trotz mässiger Rausch-Performance.

Sollte hier jemand vom Fach anderer Meinung sein - bitte intervenieren, danke schon im Voraus!

Liebe Grüsse, Adrian

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Offline Olaf

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Re: iTracer: Schema-Entwurf ist fertig!
« Antwort #10 am: 17.04.2019 14:00 »
Hi Adrian,

wenn Rauschen ein Thema ist würde ich dir den OPAx388 von TI empfehlen. Der hat an Stelle der 62nV/ SQR(Hz) nur noch 7nV/SQR(HZ).

Kann dir gerne Muster besorgen. Schreib mir ne PM und welches Gehäuse du brauchst und Deine Adresse.

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/opa388.pdf

Viele Grüße

Olaf E.

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Offline dimashek

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Re: iTracer: Schema-Entwurf ist fertig!
« Antwort #11 am: 17.04.2019 14:29 »
Das wird schon so laufen, von der Noise-Seite

Wenn man bedenkt, dass bei 16bit Auflösung und 5V supply etwa 76uV eine Stufe ist.
Du wirst am arduino keine 16bit ACDs haben, mit Sicherheit nicht.
Und bei üblichen 12bit sind es schon 1.2mV pro Stufe

Wenn da 5mV Auflösung angegeben sind, dann sind sogar nur 10bit Converter drauf

« Letzte Änderung: 17.04.2019 14:32 von dimashek »

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Offline Thaddäus

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Re: iTracer: Schema-Entwurf ist fertig!
« Antwort #12 am: 22.04.2019 22:03 »
Ok Leute,

danke euch für alle Hinweise zum iTracer-Schema.
Nun werde ich mit dem Layout beginnen.

Lg Adrian

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Offline Thaddäus

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Re: iTracer: Schema-Entwurf ist fertig!
« Antwort #13 am: 31.05.2019 17:35 »
Hallo in die Runde
Hab diese Woche den berüchtigten „Point of no return“ überschritten - will heissen das fertige Layout bestellt. Nun heisst warten, dann bestücken, dann IBN... bin gespannt ob/wie es funkrioniert!
Lg Adrian

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Offline Laurent

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Re: iTracer: Schema-Entwurf ist fertig!
« Antwort #14 am: 31.05.2019 20:57 »
Hallo Adrian,

 :topjob:

Bin echt gespannt.

Gruß
Laurent