c't-Lab

Hallo zusammen,

Ich habe ein DCG (16Bit) inkl. BugFix und DCP aufgebaut. Beim Abgleich der Strombereiche habe ich zunächst auf Full-Scale (also bei 2mA, 20mA, ...) abgeglichen. Dann musste ich aber eine gehörige Abweichung feststellen, als ich bei Mid-Scale (also 1mA, 10mA, ...) die Strombegrenzung überprüft habe. Ich habe darauf hin mit dem DIV den gesamten Bereich durchgemessen und dort eine nichtlineare Abweichung ab ca. 75% Skalenwert (also ab ca. 1,5mA, 15mA, ...) gefunden. Ab da steigt die Abweichung zwischen Soll- und Ist-Strom nahezu exponentiell an. So habe ich z.B. im 20mA-Bereich bis 14mA eine Abweichung unter 5µA. Bei 20mA ist die Abweichung dann aber schon auf knapp 140µA angestiegen !
Zur Verdeutlichung hier mal ein Bild mit den Messkurven :



Das Rote ist die Messkurve (also Soll-Strom von 0 bis 20mA durchgefahren und Ist-Strom mit DIV im 25mA-Bereich aufgenommen). Die dünne schwarze Line (die über der Roten liegt) zeigt die ideale 1:1-Kurve. Die Blaue Kurve ist einfach die Differenz aus Ist-Strom (gemessen mit DIV) minus Soll-Strom (also das, was ich dem DCG vorgebe). Im Idealfall wäre die für alle x-Werte gleich 0. Hier ist aber der exponentielle Anstieg ab ca. 14mA schön zu sehen. Man sieht auf dem Bild auch die Nichtlinearität im 2mA-Bereich.

Interessanter Weise zeigt der 200mA-Bereich dieses Verhalten bei weitem nicht so extrem :



Bevor ich jetzt auf Fehler-Suche gehe (D/A-Wandler, Analog Switches, OpAmp's, Shunt-Transistoren, ...) wollte ich hier im Forum mal nachfragen, ob eine solche Nichtlinearität schon mal jemandem aufgefallen ist ? Oder ob das gar normal ist ???

Besten Gruß,
Patrick

Hallo Patrick,

PatHoff hat geschrieben:Bevor ich jetzt auf Fehler-Suche gehe (D/A-Wandler, Analog Switches, OpAmp's, Shunt-Transistoren, ...) wollte ich hier im Forum mal nachfragen, ob eine solche Nichtlinearität schon mal jemandem aufgefallen ist ? Oder ob das gar normal ist ???

also es sieht für mich so aus, als ob Du da auf ein prinzipielles Problem gestoßen bist.

Ich hab mal mein bestes Multimeter genommen und komme auf dieses Ergebnis unten: Ich hatte wohl den Offset und bei 100% abgeglichten (war wohl ein anderes Meßgerät, weil die 100% nicht ganz stimmen).
Hast Du schon einen Verdacht, weil's ja wohl beim 2mA-Bereich besonders ausgeprägt ist.

Grüße
Paul

Hallo Paul,

psclab38 hat geschrieben:also es sieht für mich so aus, als ob Du da auf ein prinzipielles Problem gestoßen bist.

Ich hab mal mein bestes Multimeter genommen und komme auf dieses Ergebnis unten: Ich hatte wohl den Offset und bei 100% abgeglichten (war wohl ein anderes Meßgerät, weil die 100% nicht ganz stimmen).

Oha, da wären wir schon zwei mit dem gleichen Verhalten, welches das DCG zeigt. Es ist vielleicht ein bisschen früh, aber getreu dem Motto "Ein mal ist kein mal, zwei mal ist immer" könnte man vielleicht schon von einem prinzipiellen Problem sprechen. Zumal das Verhalten wirklich völlig identisch ist. Ich habe mal Deine Daten neben meine geplottet. Auch bei Deinem DCG beginnt der nichtlineare Bereich so ab 14mA. Man sieht es sehr gut, wenn man die Daten durch einen linearen Fit zwischen 2mA und 14mA gerade zieht. Dann hast Du einen maximalen Fehler von 90µA, ich habe 140µA.

psclab38 hat geschrieben:Hast Du schon einen Verdacht, weil's ja wohl beim 2mA-Bereich besonders ausgeprägt ist.

Ich fange erst gerade das Nachdenken an ... Eines ist aber auffällig: Dieser Fehler von ca. 140µA bei mir scheint unabhängig vom Bereich aufzutreten. Im 2mA-Bereich sind es in der Spitze 108µA (siehe erstes Bild von mir bei 2mA Sollstrom). Im 20mA-Bereich 135µA. Und im 200mA-Bereich so um die 160µA (kann man aus meinem zweiten Bild abschätzen).
Also: Ein (nahezu) konstanter Offset von 108µA ... 160µA unabhängig vom Bereich. Das schließt ja die Elektronik zur Auswahl des Shunts schon mal aus.

Interessant zu wissen wäre jetzt
1. Hast Du im 2mA-Bereich auch einen maximalen Fehler von ca. 90µA ?
2. Wie sieht es eigentlich bei einem DCG ohne BugFix aus ?

Übrigens: Der Widerstand, über den man den Strom misst, hat keinen Einfluss. Die geposteten Messungen habe ich mit 100Ohm gemacht. Ich habe gerade über 10Ohm gemessen => völlig identisch !

Viele Grüße,
Patrick

Hi Patrick,

PatHoff hat geschrieben:Interessant zu wissen wäre jetzt
1. Hast Du im 2mA-Bereich auch einen maximalen Fehler von ca. 90µA ?

Ich hab mal schnell nachgemessen. Der Effekt ist der gleiche und auch deutlich ausgeprägt, die maximale Abweichung ist aber "nur" ca. 45µA.

Grüße
Paul

Ich habe den Fehler gefunden: Es sind die beiden Dioden D5 und D6, die den zusätzlichen, exponentiell ansteigenden Strom vorbei an der Stromregelung erzeugen ! Und das jeweils am Ende des Strombereiches und konstant um die 100µA in der Spitze unabhängig vom Strombereich (also besonders störend im 2mA-Bereich). Sie sind parallel zu den 4 Stromfühler-Shunts eingebaut. Wahrscheinlich wurden sie als Überspannungsschutz für die Stromregelung geplant, mit der Überlegung, dass über den beiden Si-Dioden 2 mal 0,7V abfallen müssen, bevor sie leitend werden. Dann sollten sie wohl die Shunts kurz schließen und so einen zu hohen Spannungseintrag in die Stromregelung vermeiden. Vielleicht sind sie auch bei dynamischen Prozessen wichtig: Plötzlicher Kurzschluss am vorher offenen Ausgang => es liegen 30V über dem 470Ohm-Shunt R55 an, die direkt in die Stromregelung einfließen => U12 oder U10 bzw. U11 kaputt !
Jedenfalls habe ich D5 und D6 ausgelötet und es funktioniert nun sehr gut und vor allem linear (siehe Messungen unten). Aber es gibt nun keinen Schutz mehr vor Überspannungen an den Shunts.
Weiß da vielleicht jemand eine Lösung ? Einen Schalter, der bis 1,5V absolut hochohmig ist (>1MOhm) und über 1,5V schlagartig niederohmig wird und dabei noch 2A aushalten kann ?

Hier erst mal der Beweis, dass die beiden Dioden wirklich der Grund des Stromes sind: Ich habe einfach die Diodenkennlinie in Durchlassrichtung für eine (blau) und zwei (rot) 1N4003 in Reihe gemessen. 1N4003 deswegen, weil ich keine 1N4007 hatte, die ja eigentlich für D5 und D6 verwendet werden.

Wie man leicht sieht, ist der Strom durch die Dioden mitnichten vernachlässigbar für Spannungen unter der Durchlassspannung. Man beachte auch die logarithmische Darstellung der Strom-Achse. Für eine Spannung von 0,94V (wie sie bei 2mA am 470Ohm-Shunt, bei 20mA am 47Ohm-Shunt, usw. auftritt) messe ich 170µA. Voila ! Das ist zwar etwas mehr, als die 140µA, die ich in meinen Messungen am Anfang dieses Threads gezeigt habe. Aber erstens habe ich einen anderen Diodentyp und zweitens ist der Strom in diesem Bereich der Dioden-Kennlinie extrem von der Temperatur abhängig (Generation von intrinsischen Ladungsträgern). Man möge doch nur mal 2mA einstellen, den Strom mit einem Amperemeter messen und den Finger auf D5 und/oder D6 legen: Ein Anstieg des Stroms durch Erwärmen der Dioden ist zu sehen (nur auf dem externen Amperemeter und nicht auf der internen Strommessung, denn der Strom durch die Dioden fließt ja am Stromshunt vorbei). Zu der Nichtlinearität handelt man sich also mit D5 und D6 auch eine Temperaturinstabilität beim Strom ein.

Und jetzt mal die Messungen mit ausgelöteten D5 und D6, um den finalen Beweis für deren Schuld an der Nichtlinearität zu zeigen :

Sowohl im 2mA-Bereich als auch im 20mA-Bereich ist jetzt alles schön linear. An der roten Linie (ist-Strom gegen soll-Strom aufgetragen = 1:1-Linie) erkennt man zwar nix. Aber die Abweichung (ist-Strom minus soll-Strom / blaue Linie) zeigt jetzt (dicke blaue Linie) eine schön um die Null schwankende Linie. Die maximal Abweichung beträgt +/- 1,1µA.

Übrigens bin ich auf die beiden Dioden gekommen, nachdem ich mal den Spannungsabfall über dem Shunt gemessen habe. Der war (wie es das ohmsche Gesetz so will) schön linear mit dem gemessenen Strom. Eigentlich habe ich diese Messung nur als Probe gemacht, um zu sehen, ob ich die kleinen Spannungsabweichungen überhaupt gut messen kann, mitten in der Schaltung. Dann fiel mir aber auf, dass die Schaltung genau das tat, was sie sollte: Den Strom so regeln, dass er absolut linear durch die Stromfühlershunts hindurch fließt. D.h. der Fehler konnte nicht mehr nach den Shunts seine Ursache haben. Es musste ein Strom vorbei an den Shunts fließen ! Da blieben dann nur noch D5 und D6 übrig. Ist mir übrigens beim Nachdenken auf dem Klo aufgefallen .

Viele Grüße,
Patrick

PatHoff hat geschrieben:Ich habe den Fehler gefunden:...

Sehr gut! Man muß schon genau hinschauen!

PatHoff hat geschrieben:Jedenfalls habe ich D5 und D6 ausgelötet und es funktioniert nun sehr gut und vor allem linear (siehe Messungen unten). Aber es gibt nun keinen Schutz mehr vor Überspannungen an den Shunts.
Weiß da vielleicht jemand eine Lösung ? Einen Schalter, der bis 1,5V absolut hochohmig ist (>1MOhm) und über 1,5V schlagartig niederohmig wird und dabei noch 2A aushalten kann ?

Mal ein ganz primitiver Vorschlag: der Effekt wird erst in der zweiten Hälfte der 20mA-Skala dominant. Wenn man statt der 2 Dioden für D5 und D6 insgesamt einfach 4-5 Stück seriell einsetzt, ist weiterhin eine Klemmung da (wenn auch auf den doppelten Wert) aber der Leckstrom stark reduziert. Nur der 2mA-Bereich wäre dann noch betroffen, aber auch reduziert.
Vielleicht findet ja jemand auch noch eine Diodentype mit einer etwas schärferen Kennlinie.

Grüße
Paul

Hallo Paul,

psclab38 hat geschrieben:Mal ein ganz primitiver Vorschlag: der Effekt wird erst in der zweiten Hälfte der 20mA-Skala dominant. Wenn man statt der 2 Dioden für D5 und D6 insgesamt einfach 4-5 Stück seriell einsetzt, ist weiterhin eine Klemmung da (wenn auch auf den doppelten Wert) aber der Leckstrom stark reduziert.

Ja, ich hatte aber bei einer Parallelschaltung von mehreren Dioden ein nicht mehr sauber reproduzierbares Verhalten befürchtet (Spannung über jeder einzelnen Diode hängt stark von den Leitfähigkeiten der anderen ab, und diese wieder von der Spannung über den anderen Dioden). Ich habe aber mal auf Deinen Hinweis hin Diodenkennlinien für mehrere serielle verschaltete Dioden in Durchlassrichtung gemessen:




Die grüne Kurve ist eine 1N4003-Diode in Durchlassrichtung, die rote sind zwei, die blaue drei und die magenta Kurve schließlich vier Dioden. Weil ich nur 1N4003 hatte habe ich in der Cyan-farbenen Kurve noch mal die beiden ausgelöteten 1N4007 und zwei 1N4003 in Reihe geschalten und gemessen.
Wie man sieht, verschiebt jede weitere Diode die Kurve hin zu höheren Durchlass-Spannungen (um ca. 0,65V, wie man in der unten gezeigten linearen Darstellung sieht). Aber auf jeden Fall scheint alles schön reproduzierbar und stabil zu sein. Und mit vier Dioden erreicht man dann schließlich bei 1V (maximal über den Stromfühler-Shunts des DCG‘s auftretende Spannung) einen Leckstrom von ca. 670nA. Das ist selbst im 2mA-Bereich nur noch ein Fehler von 0,03% (aber immer noch 22 von den 16-Bit-Diskretisierungsstufen von ca. 30nA).
Ich denke, das ist akzeptabel. Der Schutz vor Überspannungen ist jetzt zwar nur noch halb so wirksam (Schwelle von 2,6V statt 1,3V bei zwei Dioden / siehe Darstellung mit linearer Y-Achse unten), aber das wird die Stromregelung hoffentlich ab können.



Ich werde wohl noch zwei zusätzliche 1N4003 in Reihe zu den schon vorhandenen beiden Dioden D5 und D6 einlöten.

Besten Gruß,
Patrick

Hallo Patrick,

PatHoff hat geschrieben: Ja, ich hatte aber bei einer Parallelschaltung von mehreren Dioden ein nicht mehr sauber reproduzierbares Verhalten befürchtet...

In der Tat wäre Parallelschaltung von Dioden nicht so toll, aber Serienschaltung wie hier sollte unproblematisch sein. Die Dioden werden hier ja im Durchlaßbetrieb eingesetzt; das von Dir beschriebene Problem tritt vor allem im Sperrbetrieb auf. Am Besten verwendet man sowieso gleiche Typen.

PatHoff hat geschrieben:Ich werde wohl noch zwei zusätzliche 1N4003 in Reihe zu den schon vorhandenen beiden Dioden D5 und D6 einlöten

Das ist doch eine simple und pragmatische Lösung, vier Dioden in Reihe. Eigentlich schade, daß wir hier gar keine Bugfixplatine brauchen

Ich denke, die Begrenzung der Spannung an den Shunts auf den doppelten Wert ist im Normalbetrieb unproblematisch. Kurzfristig wird vielleicht die Verlustleistung für R57 überschritten, aber das Ding hat ja etwas Wärmekapazität und die Regelung sollte ja umgehend greifen. Um U12 und U10 mache ich mir keine Sorgen.

Danke für die ausführliche Analyse!

Grüße
Paul

Guten Morgen Paul,

psclab38 hat geschrieben:In der Tat wäre Parallelschaltung von Dioden nicht so toll, aber Serienschaltung wie hier sollte unproblematisch sein.

Ich meinte natürlich Serienschaltung, Schreibfehler von mir. Aber selbst in Serienschaltung hatte ich aufgrund ungleicher Spannungsverteilung über den Dioden ein unstabiles Verhalten befürchtet. Aber laut meinen Messungen sieht es nicht danach aus.

psclab38 hat geschrieben:Ich denke, die Begrenzung der Spannung an den Shunts auf den doppelten Wert ist im Normalbetrieb unproblematisch. Kurzfristig wird vielleicht die Verlustleistung für R57 überschritten, aber das Ding hat ja etwas Wärmekapazität und die Regelung sollte ja umgehend greifen. Um U12 und U10 mache ich mir keine Sorgen.

Ja, ich hatte gar nicht befürchtet, dass die Spannung über R57 (0,47 Ohm) so groß werden könnte, dazu braucht es ja gehörig Strom. Meine Befürchtung war eher, dass die Spannung über dem 2mA-Shunt R55 (470 Ohm) bei folgendem Szenario zu groß werden könnte: Stromregelung auf (sagen wir mal) 1mA, Spannung voll aufgedreht, Ausgänge offen => es liegen 30V am Ausgang an. Jemand produziert jetzt einen Kurzschluss des Ausgangs => instantan liegen 30V über R55 an (der 2mA-Shunt ist aktiviert, weil Ausgangsstrom < 2mA war) => die 30V liegen nun auch an Pin10 von U12 an. Das verkraftet der doch bestimmt nicht, auch wenn es nur kurz ist, bis I-Regelung und Shunt-Umschaltung greifen, oder !??

Viele Grüße,
Patrick

Hallo Patrick,

PatHoff hat geschrieben:Meine Befürchtung war eher, dass die Spannung über dem 2mA-Shunt R55 (470 Ohm) bei folgendem Szenario zu groß werden könnte: Stromregelung auf (sagen wir mal) 1mA, Spannung voll aufgedreht, Ausgänge offen => es liegen 30V am Ausgang an. Jemand produziert jetzt einen Kurzschluss des Ausgangs => instantan liegen 30V über R55 an (der 2mA-Shunt ist aktiviert, weil Ausgangsstrom < 2mA war) => die 30V liegen nun auch an Pin10 von U12 an. Das verkraftet der doch bestimmt nicht, auch wenn es nur kurz ist, bis I-Regelung und Shunt-Umschaltung greifen, oder !??

Meinst Du jetzt mit oder ohne Dioden? Ohne Dioden hast Du Recht, drum wollen wir die ja drinlassen, nur eben 4 Stück statt vorher 2 für D5+D6. Damit fallen über dem Shunt maximal 2,6V ab. Aber so um 3V an U12 ist doch eben kein Problem?!

Grüße
Paul

psclab38 hat geschrieben:Meinst Du jetzt mit oder ohne Dioden? Ohne Dioden hast Du Recht, drum wollen wir die ja drinlassen, nur eben 4 Stück statt vorher 2 für D5+D6. Damit fallen über dem Shunt maximal 2,6V ab. Aber so um 3V an U12 ist doch eben kein Problem?!

Klar, ich meinte: Ohne Dioden könnte es zu hohen Spannungsspitzen kommen.

Ich habe zum Abschluss dieses Themas mal ein Bild von dem BugFix auf meinem DCG gemacht :

Man sieht hier die zusätzlich in Reihe zu D6 noch eingelöteten zwei weiteren Dioden (ich hatte leider nur 1N4003 / besser wären wohl zwei weitere 1N4007 gewesen). Insgesamt habe ich jetzt also vier Dioden über den Stromfühler-Shunts, statt der zwei im Schaltplan angegebenen. Ich habe damit noch mal alle Strombereiche durchgemessen. Irgendwelche nichtlinearen Abweichung gab es nicht mehr. Hier mal die mittleren Abweichungen (Standardabweichung) über den gesamten Messbereich:
- Bereich 2mA => ±0,2µA (mit DIV im 25mA-Mode gemessen)
- Bereich 20mA => ±2,0µA (mit DIV im 25mA-Mode gemessen)
- Bereich 200mA => ±38,9µA (mit DIV im 2,5A-Mode gemessen)
- Bereich 2A => Probleme mit Erwärmung des DIV, Strom steigt durch Erwärmung des Mess-Shunts an / dieses Problem wurde glaube ich schon mal erwähnt

Damit sollte das Problem hinreichend behoben und der Schutz vor Überspannungen an der Stromregelung auch gewährleistet sein.

Viele Grüße,
Patrick

PatHoff hat geschrieben:Irgendwelche nichtlinearen Abweichung gab es nicht mehr. ...
Damit sollte das Problem hinreichend behoben und der Schutz vor Überspannungen an der Stromregelung auch gewährleistet sein.

Das kann ich bestätigen. Prima, ein Problem weniger. Danke für's Entdecken!