Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

DSM-51 - Dziwne zachowanie przetwornika DAC08

andrzejlisek 07 Lis 2015 21:57 1383 7
  • #1 07 Lis 2015 21:57
    andrzejlisek
    Poziom 28  

    Posiadam w domu DSM-51, zauważyłem, że przetwornik DAC zniekształca sygnał.

    Na początek schematy układów DAC i ADC, które są fragmentami schematu całego DSM-51:
    DSM-51 - Dziwne zachowanie przetwornika DAC08 DSM-51 - Dziwne zachowanie przetwornika DAC08
    Po stronie cyfrowej stosuje się poziomy napięć 0V i 5V, po stronie analogowej stosuje się zakres od 0V do 5V zarówno dla DAC, jak i ADC. Przetworniki pracują z rozdzielczością 8-bit.

    Wspomnę, że przetestowałem ADC za pomocą zasilacza laboratoryjnego i stwierdziłem, że pracuje prawidłowo, czyli jak podam jakieś napięcie od 0 do 5V, to program odczytuje zawsze tą samą wartość przy stałym napięciu na wejściu.

    Napisałem program, który jest prymitywnym generatorem funkcyjnym, wywołałem funkcje piłokształtną, wartość zmieniana co 15 cykli maszynowych (minimalny okres zmian przewidziany w programie), okres przebiegu zawiera 16 wartości, czyli okres generowanego przebiegu trwa przez 240 cykli maszynowych, z czego wynika, że trwa ok. 260µs. W każdym teście wykorzystującym przebieg posługiwałem się przebiegiem o tych wartościach. Każde zobrazowanie było przy wzmocnieniu 1V/div, a punkt 0V był na drugiej linii od dołu, czyli widoczny zakres napięć był od -2 do +6V. Różne były podstawy czasu, więc na zdjęciach widać, jaka była ustawiona podstawa. Na kilku zdjęciach wyświetlałem linię 0V, żeby było widać punkt odniesienia.

    Przy wyświetlaniu przebiegu, w przypadku, gdy wyjście analogowe nie jest nigdzie podłączone, widać zniekształcenia przy niskich wartościach.
    DSM-51 - Dziwne zachowanie przetwornika DAC08 DSM-51 - Dziwne zachowanie przetwornika DAC08 DSM-51 - Dziwne zachowanie przetwornika DAC08 DSM-51 - Dziwne zachowanie przetwornika DAC08 DSM-51 - Dziwne zachowanie przetwornika DAC08 DSM-51 - Dziwne zachowanie przetwornika DAC08





    Jeżeli połączy się wyjście z wejściem kawałkiem drutu, to zniekształcenia są jeszcze większe, na zdjęciach wyświetlam cały przebieg, a potem wartości skrajne, czyli 0 i 255.
    DSM-51 - Dziwne zachowanie przetwornika DAC08 DSM-51 - Dziwne zachowanie przetwornika DAC08 DSM-51 - Dziwne zachowanie przetwornika DAC08 DSM-51 - Dziwne zachowanie przetwornika DAC08

    Pomyślałem o dołączaniu opornika pomiędzy wyjściem, a masą. Pierwszy testo to wyjście DAC bez podłączania do wejścia.

    Bez opornika (to samo, co na początku testu) i nic nie trzymam podczas pomiaru.
    DSM-51 - Dziwne zachowanie przetwornika DAC08
    Bez opornika, ale trzymam ręką nieizolowany drut podłączony do wyjścia
    DSM-51 - Dziwne zachowanie przetwornika DAC08
    Z opornikiem 200Ω
    DSM-51 - Dziwne zachowanie przetwornika DAC08
    Z opornikiem 1kΩ (widok normalny i z powiększeniem 10x).
    DSM-51 - Dziwne zachowanie przetwornika DAC08 DSM-51 - Dziwne zachowanie przetwornika DAC08
    Z opornikiem 1kΩ i trzymam drut ręką (powiększenie 10x).
    DSM-51 - Dziwne zachowanie przetwornika DAC08

    Drugi test jest podobny, ale z podłączeniem wyjścia do wejścia.

    Bez opornika.
    DSM-51 - Dziwne zachowanie przetwornika DAC08
    Z opornikiem 200Ω.
    DSM-51 - Dziwne zachowanie przetwornika DAC08
    Z opornikiem 1kΩ.
    DSM-51 - Dziwne zachowanie przetwornika DAC08
    Przy chwytaniu i puszczaniu drutu można zauważyć subtelne zmiany wyglądu przebiegu, nie możliwe do uchwycenia na zdjęciach.

    Co może być tego przyczyną i co można na to poradzić?

    Jakiś czas temu pisałem do producenta Mikromade w tej samej sprawie, ale wtedy nie posiadałem oscyloskopu, więc było bardziej gdybanie i zgadywanie, ale dowiedziałem się, że w połowie lat 90., kiedy DSM-51 był projektowany, w Polsce był problem z dostępnością przetworników cyfrowo-analogowych i był mały problem, jak zrobić przetwornik napięciowy, a ja jestem przekonany, że najprostszy i najtańszy przetwornik cyfrowo-analogowy to drabinka R-2R i z zakupem większej ilości oporników 1% nie było problemu.

    0 7
  • #2 08 Lis 2015 13:48
    Zielonka
    Poziom 20  

    Witam
    Czy częstotliwość oscylacji nie ma przypadkiem 50 Hz? Ja bym spróbował podpiąć pod wejścia źródła prądowego przetwornika kondensatory po 100 nF. Pomiędzy Vref+ i Vref- a masą.
    Pozdrawiam
    W.B.

    0
  • #3 08 Lis 2015 14:30
    andrzejlisek
    Poziom 28  

    Przy częstotliwości 50Hz okres oscylacji trwa 20ms, przy drugiej harmonicznej, czyli 100Hz okres wynosi 10ms.

    W tym przypadku okres trwa mikrosekundy i jest on zależny od warunków pracy. Mało prawdopodobne, żeby to była któraś harmoniczna od zasilacza sieciowego (DSM-51 używa zasilacza stabilizowanego Tatarek 9V, a w sobie ma jeszcze stabilizator 7805, żeby uzyskać 5V). Tym bardziej, że przy dotykaniu drutu można zauważyć płynną niewielką zmianę częstotliwości przy zmianie wielkości powierzchni skóry dotykającej drut. Celowo robiłem zdjęcia takie, żeby było widać ustawienie podstawy czasu. Jak gdzieś nie widać, to proszę wskazać, to podam ustawione parametry.

    Rozumiem, że chodzi o dwa kondensatory pierwszy to pomiędzy VRef+ a GND, drugi pomiędzy VRef- a GND. Jeżeli to mają być napięcia odniesienia, to po co są oporniki R49 i R20, po 10kΩ każdy? Czy zmostkowanie ich będzie bezpieczne dla DAC08. Chyba nie bez powodu są one wstawione, ale napięcia odniesienia można chyba podawać bezpośrednio z masy i zasilania.

    Z tego, co wiem, DAC08 działa tak, że przez Iout jest źródłem prądowym o natężeniu prądu zależnego od wartości podawanej na wejścia cyfrowe, a zadaniem wzmaczniacza U23A z C66, R48 i R22 jest przekształcenie źródła prądowego na źródło napięciowe. Jaka jest funkcja cewki L16 i diody D21. Może te elementy coś brużdżą?

    0
  • #4 08 Lis 2015 19:44
    Zielonka
    Poziom 20  

    Zobacz notę katalogową. Powinna pewne rzeczy wyjaśnić. Zauważ co się dzieje przy skokowych zmianach napięcia podanych na wejściu wzmacniacza dolnoprzepustowego, a w tym układzie mamy z nim odczynienia. Wyrzuć kondensator C66.

    0
  • #5 08 Lis 2015 20:41
    andrzejlisek
    Poziom 28  

    Znalazłem w Internecie typową aplikacje op-ampu, w której otrzymuje się źródło napięciowe sterowane natężeniem prądu, innymi słowy, napięcie na wyjściu jest proporcjonalne do natężenia prądu płynącego do wejścia układu podłączonego do wejścia odwracającego wzmacniacza. Jest tylko opornik R48, nie ma C66, R22 i L16. W nocie katalogowej znalazłem schemat aplikacji i tam też jest wzmacniacz operacyjny bez kondensatora, cewki i opornika R22.

    Jednak udało mi się odnaleźć stare maile od Piotra Gałki i zacytuje fragmenty. Wcześniej myślałem, że je usunąłem uważając, że aby rozwiązać problem pracy przetworników trzeba kupić oscyloskop i jeszcze raz przewałkować ten temat od początku.

    Poniższy cytat wydaje się uzasadniać dodanie kondensatora C66, właśnie tego, którego nie ma w typowej aplikacji i proponujesz jego usunięcie.

    Cytat:
    Podczas testów produkcyjnych do złącza analogowego podłączana jest płytka testowa, które (trochę upraszczam) podaje napięcie z wyjścia analogowego na dzielnik złożony z szeregu rezystorów 1k i z kolejnych pozycji napięcie trafia do kolejnych wejść. Ważne jest to, że (aby nie dodawać obciążenia pojemnościowego) pierwszym elementem podłączanym do wyjścia analogowego jest rezystor 1k.

    W przystawce do pomiaru charakterystyk też do tego wyjścia podłączony jest rezystor 1k.

    Podłączenie bezpośrednio do wejścia analogowego dodaje (wychodzi na to, że spore) pojemności obwodów wejścia analogowego (diody Zenera, ścieżki, wejścia multipleksera).

    Gdy weszliśmy do Unii Europejskiej (2004) zaczęła obowiązywać dyrektywa EMC. Projekty DSM-51 z roku 1993 i 1995 nie przewidziały tej dyrektywy. Aby urządzenie nie emitowało zakłóceń i było na nie dość odporne i do tego w obudowie nieekranowanej, to PCB powinno mieć najlepiej jedną warstwę ciągłej GND. W związku z tym musieliśmy przeprojektować DSM-51. Na płytce jest bardzo dużo masy i po drugiej stronie i po stronie elementów.
    Wyjście analogowe zaczęło się wzbudzać. To, że wyjście przetwornika C/A jest źródłem prądowym też jest "przeciwko nam". Aby zapobiec wzbudzeniom dodaliśmy kondensator C66. Co do wartości tego kondensatora to jest to wynik kompromisu. Im większa ta pojemność tym bardziej będzie stabilny, ale też wolniej będzie wystawiał podaną wartość na wyjściu. Przetwornik może bardzo szybko zmieniać wartość, nie chcieliśmy ograniczać dopuszczalnej szybkości zmian na wyjściu.
    Hasłowo mówi się, że wzmacniacze operacyjne nie lubią obciążenia pojemnościowego. Pojemność bezpośrednio na wyjściu wzmacniacza wprowadza dodatkowy biegun charakterystyki częstotliwościowej wzmacniacza (jakby filtr RC, gdzie R to rezystancja wyjściowa wzmacniacza). To powoduje dodatkowe przesunięcie fazy w pętli sprzężenia zwrotnego, a to prowadzi do wzbudzenia. Istotne jest, że jest to w pętli sprzężenia. Filtr RC poza pętlą jest niegroźny.
    W karcie katalogowej z tej strony:
    http://www.ti.com/product/tlc272
    Figure 34 podaje tzw. zapas fazy. Jest to rząd 50 stopni. Widać to też na Figure 33 - ile brakuje do 180 stopni wykresowi fazy gdy wykres amplitudy (AVD) przechodzi przez wzmocnienie 1 (okolice częstotliwości 2MHz).
    Ujemne sprzężenie zwrotne jeśli faza zostanie przesunięta o 180 stopni staje się dodatnim i jeśli wtedy wzmocnienie w pętli jest większe od 1 to układ się wzbudza.
    Wzmacniacze mają z klucza jeden biegun dla niskich częstotliwości - jego skutek (spadek od 0 do 90 widać na wykresie) przy wyższych już jest 90. W okolicy 1MHz we wzmacniaczu pojawiają się inne bieguny stąd kolejne przesunięcia fazy. Dodanie bieguna przez R wyjściowe i pojemność na wyjściu wprowadza jeszcze dodatkowe przesunięcie i o kłopoty nietrudno.


    Czy to jest prawda? Czy rzeczywiście obciążenie pojemnościowe wzmacniaczy operacyjnych może szkodzić w opisany sposób?

    Okazuje się, że te niepożądane oscylacje, to jest jakieś wzbudzanie się przetwornika lub wzmacniacza.

    Inny cytat na temat tego właśnie wzbudzania, który wyjaśnia zanik zniekształceń przy wzroście napięcia na wyjściu:

    Cytat:
    Zaobserwowane gaszenie wzbudzenia przy pewnym napięciu na wyjściu i zależnie od rezystora do GND. Wzrost napięcia to wzrost prądu wyjściowego. Parametry tranzystora wyjściowego we wzmacniaczu operacyjnym zależą od prądu jaki przez niego płynie - im większy prąd tym mniejsza rezystancja dynamiczna tego tranzystora, a to ta rezystancja w połączeniu z pojemnością na wyjściu wprowadza ten dodatkowy biegun. Im mniejsze to R tym większa częstotliwość bieguna, im większa częstotliwość bieguna tym później (wzdłuż osi częstotliwości) przesunięcie fazy od bieguna się pojawia. Przy pewnym napięciu biegun przesuwa się na tyle w prawo, że przesunięcie fazy dla momentu, gdy wzmocnienie jest 1 już jest za małe aby wzmacniacz się wzbudził.


    Mogę spróbować wyrzucić C66 i sprawdzić, ale obawiam się, że akurat w tym przypadku, skutek może być odwrotny do zamierzonego.

    Przyjrzałem się tym elementom na DSM-51 i są dwa elementy SMD obok siebie, z których jeden to kondensator C66 (33pF), a drugi to opornik R48 (10kΩ) Powierzchniowo oba są tej samej wielkości, jeden jest nieco wyższy, koloru beżowego i nie ma nic napisane, a drugi nieco niższy, koloru czarnego z białymi znakami, i w zależności, jak trzymam PCB, to widzę "J10" lub "01C". Który to kondensator, a który to opornik? Wydaje mi się, że ten bez napisów to jest kondensator, ale chciałbym to potwierdzić, bo tak, to mam 50% szans, że wylutuję te właściwy element. Wyrzucę kondensator i powtórzę wszystkie pomiary, jak nadal będzie coś nie tak, to będę pisać.

    0
  • #6 09 Lis 2015 10:12
    Zielonka
    Poziom 20  

    Kondensator beżowy jest bez napisów, a rezystor czarny.
    Pozdrawiam
    W.B.

    0
  • #7 09 Lis 2015 23:00
    andrzejlisek
    Poziom 28  

    Niezależnie od założenia tego wątku, napisałem maila do Piotra Gałki i dostałem odpowiedź.

    Cytat:
    Jak Pan wylutuje C66 to prawdopodobnie będzie miał Pan wzbudzenie w całym zakresie napięć wyjściowych przetwornika.
    Proszę spróbować równolegle do C66 dodać trochę pF (może kilka/kilkanaście już wystarczy). Można dodać dowolnie wiele, ale (tak jak pisałem poprzednio) im więcej pF tym wolniej napięcie na wyjściu będzie reagowało na zmianę zadanego przetwornikowi stanu.

    Ani D21 ani L16 nie są źródłami tych problemów.
    Podczas normalnego działania układu diody D21 tak jakby nie było. Jej zadaniem jest zabezpieczenie urządzenia przed dotknięciem tego wyjścia palcem zaraz po zdjęciu np. elastycznego swetra lub po paru krokach na panelach. Ale lepiej niech Pan tego specjalnie nie robi, bo nie jestem pewien, czy podanie tam kilkunastu kV czegoś jednak nie uszkodzi. Do 3kV ESD podobno się nie czuje, więc jak już człowiek czuje, że go strzeliło w palec to jest ponad 3kV, a dochodzi podobno do 30kV.
    L16 to koralik ferrytowy - to dziwny element, który dla małych f ma charakter niewielkiej indukcyjności, a ze wzrostem f staje się coraz bardziej rezystorem (straty w ferrycie zamieniają energię zmiennego pola na ciepło - dlatego staje się R bo idealna L nie zamienia energii na ciepło).
    Mimo, że D21 ma napisane 6V8 to po podaniu na nią impulsu ESD prawdopodobnie wystąpi na niej chwilowo napięcie nawet rzędu 100V (aby mieć szansę to zobaczyć trzeba by dysponować układem pomiarowym o paśmie powyżej 1GHz i sondą o znikomej pojemności, nie mam, nigdy nie widziałem). Wynika to z indukcyjności doprowadzeń D21 i bardzo dużego di/dt impulsu ESD (narasta do kilku A w mniej jak 1ns). L16 powoduje, że do dalszych elementów ten impuls dociera osłabiony.


    Z wylutowanie C66 jeszcze się wstrzymałem, porobiłem dodatkowe próby. Nie pisałem wczesniej, bo myslałem, że to nie jest ważne, ale okazuje sie to być bardzo ważne. Posiadam przewód 14-żyłowy płaski (taki, jaki stosuje się w skanerach i drukarkach atramentowych w celu połączenia stałej i ruchomej części maszyny) o długości ok. 1m z jednej strony zakończony wtyczką 14-pin pasującą do gniazda DSM-51, a z drugiej strony zakończony zwykłą listwą zasiskową z 12 zaciskami, w którym wszystkie 3 przewody masowe (piny 1, 3 i 5) podłączyłem do jednego zacisku. Wcześniej, wszystkie pomiary i zdjęcia dokonałem z użyciem tego przewodu, bo tak zamierzam użytkować.

    Nie wiem, czy w tym przypadku taki przewód należy rozpatrywać jako zwykłe połączenie, czy jako linię długą. Wiem, że długość i ułożenie przewodów ma znaczenie w układach nadawczo-odbiorczych wysokiej częstotliwości, a DSM-51 takim układem nie jest, zakładałem, że nieoczekiwane pojemności i indukcyjności tworzące się w przewodach są pomijalnie małe.

    Wszystkich pomiarów i zobrazować dokonywałem sondą ustawioną na tłumienie 10x. Jak na próbę ustawiłem 1x i odpowiednio zmieniłem zakres pomiaru, to zniekształcenia rozciągały sie na wyższe wartości. Podobnie było, jak pomiędzy wyjście a masę podłączyłem kondensator 47p i 100p. Kupiłem kilka kondesnatorów 47p i 100p.

    Piotr Gałka zdecydowanie odradza wyrzucanie C66, a doradza zwiększenie pojemności. Zwiększenie pojemności C66 poprzez przyłożenie 47p lub 100p nie wiele zmienia, nie daje oczekiwanego rezultatu. Przez przypadek odkryłem, że połączenie wyjścia Iout układu U24 i masy za pomocą kondensatora 100p skutecznie tłumi niechciane oscylacje. Sprawdziłem napięcie V- i tam jest stabilne -5V. Jest ono uzyskiwane z napięcia +5V za pomocą przetwornicy TPS60403. Z tym podłączeniem do masy pomyslałem po odkryczu, że jak trzymam w ręce kondensator za jedna końcówkę, a drugą dotykam Iout, to zniekształcenia znikają.

    Wykonałem zdjęcia przy podstawie czasu 0,1ms/div i wzmocnieniu 1V/div bez kondensatora.

    Nie jest dokonywany żaden pomiar, położenie napięcia 0V.
    DSM-51 - Dziwne zachowanie przetwornika DAC08

    Do DSM-51 nic nie jest podłączone, jest to jedyny przypadek, w którym przebieg jest prawidłowy.
    DSM-51 - Dziwne zachowanie przetwornika DAC08

    Do DSM-51 nic nie jest podłączone, ale za pomocą pęsety jest zrobione zwarcie między pinem 4, a 8, żeby wyjście wprowadzać bezpośrednio do wejścia.
    DSM-51 - Dziwne zachowanie przetwornika DAC08

    Do DSM-51 jest podłączony przewód 1m, do zacisku masy i wyjścia jest włożony drut w celu wykonania pomiaru
    DSM-51 - Dziwne zachowanie przetwornika DAC08

    Do DSM-51 jest podłączony przewód 1m, zaciski wyjścia i wejścia są zwarte drutem, podobnie jak w przypadku zwarcia pęsetą.
    DSM-51 - Dziwne zachowanie przetwornika DAC08

    W pierwszych trzech przypadkach, podłączenie kondensatora 100p pomiędzy wyjście DAC08 a masę w opisany wyżej sposób dawało prawidłowy przebieg.

    Częstotliwość oscylacji zwiększa się płynnie wraz ze wzrostem wartości podawanej na przetwornik od ok. 480kHz dla 0 do ok. 1300kHz dla 255. Dla 128 jest 900KHz. Zamieszczam zdjęcia tych oscylacji przy podstawie czasu 1µs/div.
    DSM-51 - Dziwne zachowanie przetwornika DAC08
    DSM-51 - Dziwne zachowanie przetwornika DAC08
    DSM-51 - Dziwne zachowanie przetwornika DAC08


    Co więcej, do DSM-51 jest dedykowany przyrząd do pomiaru charakterystyk prądowo-napięciowych diod i tranzystorów. Ten przyrząd nie nadaje się do dokładnych pomiarów, ale dokonanie zgrubnych pomiarów nie będzie możliwe przy opisywanych oscylacjach z DAC. Tym bardziej, że ten przyrząd właśnie zwiera wyjście z jednym wejściem, bo przewiduje się pomiar wartości z dwóch wejść celem wyznaczenia natężenia prądu z prawa Ohma. To wynika z tego, że przetworniki nie są kalibrowane i może wystąpić różnica pomiędzy wartością wysyłaną na DAC, a wartością pobieraną z ADC.

    Zamieszczam schemat tego przyrządu.
    DSM-51 - Dziwne zachowanie przetwornika DAC08
    Żeby było jasne, testowaną diodę podłącza się pomiędzy 1 i 3 w jedną i w druga stronę, a tranzystor podłącza się emiter do 3, kolektor do 1 a baza do 2.

    Dodano po 2 [godziny] 2 [minuty]:

    Wylutowałem ten C66, ale zachowałem go, żeby "w raze W" go wlutować. Według schematu ma 33p. Okazało się, że bez niego działa tragicznie. Przy bezpośrednim podłączeniu sondy i bez przewodu są oscylacje na pełnym zakresie, tak, jak na zdjęciu "Do DSM-51 jest podłączony przewód 1m, zaciski wyjścia i wejścia są zwarte drutem" w poprzednim poście. Wstawiłem 47p to jest tylko troszeczkę lepiej niż 33p. Wstawiłem 100p, ale wtedy na nieobciążonym wyjściu już były oscylacje w pobliżu niskich wartości. A jak wstawiłem dwa kondensatory, czyli jeden zamiast C66, a drugi między Iout a masą, to jest dobrze, tylko jest większa bezwładność przy dużych zmianach wartości. Ale i tak w pewnych warunkach występują oscylacje.

    Generalnie można powiedzieć, że jak do wyjścia dołączy się pojemność powyżej pewnej wartości kilkunastu-kilkudziesięciu pikofaradów, to zawsze jest problem i nie ma na to rady, jedynie można kombinować z kondensatorami, co wpływa tylko na to, jaka jest ta wartość graniczna i jak bardzo jest odkształcony przebieg, bo jest filtr dolnoprzepustowy..

    0
  • #8 10 Lis 2015 22:19
    andrzejlisek
    Poziom 28  

    Znalazłem satysfakcjonujące rozwiązanie problemu. Zamiast kondensatora wstawiłem trymer o regulacji pojemności od 15p do 70p, a pomiędzy wyjście Iout i masę wstawiłem kondensator 100p. W zależności od podłączonego sprzętu, trymerem można ustawić taką pojemność, że nie będzie wzbudzeń, ale też zniekształcenia spowodowane bezwładnością filtru będą jak najmniejsze.

    Tylko, że u mnie trafił mi się taki trymer, że nie ma on oporu na wartościach granicznych, tylko można go kręcić w kółko i pojemność zmienia się cyklicznie. Jednak mi to nie przeszkadza i cały problem z tym przetwornikiem można uznać za rozwiązany.

    0