Auto-Durchgangsprüfer mit multiplexten Analogkanälen

Hallo Moritz,

Das haben wir meist mit Crosspoint Chips aus der Telco Industrie gemacht, aber in diesem Fall reichen auch 1:128 MUX Loesungen auf beiden Seiten. Ich hatte immer mit Strom gearbeitet, wobei dann ein zweites MUX Paar die Kabelenden mit abklappert, synchron zum ersten MUX Paar, welches den Strom aufpraegt. Nun kann man am zweiten MUX Paar hochohmig die Spannungen direkt an den Kabelanschluessen messen. Wenn der Strom hinreichen praezise aus einer Stromquelle kommt, hat man dann recht genau den Widerstand. Der R(on) ist dabei, wie Ihr sagt, relativ "wurscht", solange die Stromquelle genuegend Spielraum (compliance range) bei der Spannung hat.

Hallo Joerg, vielen Dank f=FCr deine Hinweise!

Diese Crosspoint-ICs sind ja hoch interessant, aber offenbar auch verdammt teuer, so im bereich von 3-Stelligen Betr=E4gen (so eine Zahl tauchte beim angooglen auf), z.b. f=FCr einen 64x64 Crosspoint VSC6464 von Vitesse. So eine L=F6sung wird wohl eher ausscheiden. Hast du so spontan ein paar typische Hersteller oder (Standard?)-ICs, und ihre Preisklasse im Kopf, wenn ihr sowas schon eingesetzt habt? Im Datenblatt des VSC6464 ist allerdings auch nichts =FCber einen R(on) zu finden.

Mir ist noch nicht ganz klar wie dein Vorschlag funktioniert. Soweit ich verstanden habe, w=FCrde es dann so aussehen:

|--/\/\/\R1----o(A)~~~~?~~~~o(B)---[--/\/\/\(R(on)--]------Stromquelle

An Punkt A wird die Spannung mit einem MUX auf hochohmigen ADC eingang geleitet, und an Punkt B mit einem zweiten MUX auf einen zweiten ADC, bzw ein Komparator oder sowas. Bei 100mA max und Leitungswiederstand von 5 Ohm h=E4tte ich 500mV Differenz.an A und B, und 10V Spannungsabfall/1W Leistung am R(on) des Mux. R1 w=E4re ein niederohmiger Abschlusswiderstand. Auf den ersten Blick verstehe ich das Funktionsprinzip, denke ich. Die Spezialf=E4lle muss ich in einer ruhigen Stunde nochmal =FCberdenken.

Mir ist noch Unklar bei dieser L=F6sung (sofern es das ist was du meintest) was man hinsichtlich Dimensionierung von Stromquelle, Abschlusswiderstand zu beachten hat, um m=F6glichst hohe Genauigkeit zu erreichen. Sind ~100mV f=FCr die untere Grenze der Differenzspannungsmessung ein realistischer Wert? Nur nach welchem Aspekt w=E4hle ich R1? (Vermutlich so im Bereich von ~10 Ohm?). Die Aufl=F6sung des ADC wird wohl keine Rolle spielen, eher die Genauigkeit hinsichtlich Linerarit=E4t w=FCrde ich denken. Die Stromquelle kann Aufgrund des Spannungsabfalls am Durchgangs-Mux max bei ~100mA liegen, und f=FCr die Messung von Leckstr=F6men, also hohen Pin-Pin Widerst=E4nden w=FCrde man sie wohl herunterstufen bis zu einem minimalen Wert im uA Bereich. Dieser wird dann durch Kanaltrennung, Eingangswiderst=E4nde/IC- Leckstr=F6me, und Stromquellengenauigkeit limitiert, so meine erste Sch=E4tzung.

Das w=E4re in der Tat eine entscheidende Verbesserung zu meiner ersten Idee! Ist das in etwa die Standard-L=F6sung, die sich f=FCr die Problematik etabliert hat (z.B. im ATE Umfeld)? Wenn du diesem Feld nahestehst (Meine Vermutung anhand deiner Firmenadresse), kennst du empfehlenswerte (Standard)-Literatur?

Vielen Dank f=FCr deine hilfreiche Antwort,

Mfg Moritz

Hallo Moritz,

Gerade vom Zahnarzt zurueck. Tat nicht gross weh. Das heisst, die $845 schon...

Ist bei mir schon lange her und die Crosspoints werden nicht mehr produziert. Am Ende hatten wir einen etwa 300*300 grossen, der nicht teuer war. Leider weiss ich den Hersteller nicht mehr. Nur dass er amerikanisch war, aber das ist wohl bei allen Crosspoint Chips so. Aufgrund des Uebergangs auf VoIP gehen diese Produktlinien ein wie die Priemeln in der Sonne.

Wie auch immer, vermutlich kann Dein Rechner eh nicht viel mehr als zwei Kanaele auf einmal einlesen und dann koenntest Du die ganze Chose mit einem Berg von 4051 Chips machen. Das sind 8:1 MUX, die nur Groschen kosten. Vier Baenke, sodass man viermal 128:1 bekommt. Wenn die Messung mit mehr Strom geschehen muss, als diese vertragen, koenntest Du auch massenhaft FETs wie BSS123/BSS84 oder noch dickere nehmen. Die koennte man z.B. per 74HC164 und SPI Bus weiterklackern. Digitalspezis machen das allerdings meist mit FPGA.

Kleiner Pfiff am Rande: Wenn man sich eine AC-Stromquelle im Bereich einiger zig oder hundert Hertz aufbaut, dann kann eventuell der ganze teure AD-Karten Krempel mit einer handelsueblichen und oft bereits mitgelieferten Sound-Karte erledigt werden. Falls Du das versuchst, bleibe am besten etwas abseits von der Netzfrequenz und deren Oberwellen.

Nicht bei A. Die Stromquelle auf der anderen Seite wird der Reihe nach auf 128 Kabelenden gegeben. Nach jedem Weiterschalten werden auf der linken Seite alle 128 MUX Positionen abgeklappert und bei jeder eine (A-B) Differenzmessung in den Rechner gegeben.

Man kann Differenzen im uV Bereich messen, alles eine Frage, was sonst so an Stoerern in der Naehe ist. Tiefpaesse oder Bandpaesse mit

50/150/250Hz Notch helfen hier. Oder 60Hz und Oberwellen, wenn es fuer Nordamerika ist. R1 ist unkritisch, er dient nur dazu, dass nichts passiert, wenn die Stromquelle einmal "durchballert". Er sollte den Strom soweit begrenzen, dass Deine MUX-Ansammlung nicht abraucht.

Leckstroeme sind selbst bei aelteren CD4051 und 74HC4051 sehr gering und die Kanaltrennung sollte sogar bei oben erwaehnter AC Anregung im zig-Hertz Bereich ausreichen. Falls Du eine Sound-Karte verwendest, muesste man deren Kanaltrennung und Frequenzgangdifferenzen links/rechts ansehen. Notfalls nur einen Kanal nehmen, was ich meist mache, und dann mit weiterem 2:1 MUX zwischen A und B schalten. Ich tue das meist, damit alles vom Rechner unabhaengig bleibt.

Ich benutze ATE, allerdings immer seltener. Doch entwickeln tue ich nur "Custom Equipment", zur Zeit einen Tester fuer Laseroptik. Da wird alles vom weissen Blatt bis zum Production ECO-Release handgezimmert und Buecher dazu habe ich leider keine. Irgendwie kam bei mir dabei nie so der Bedarf nach Literatur auf und beim Stoebern im Buchhandel fand sich auch nichts besonderes dazu. Dabei versuche ich soviel wie moeglich "von der Stange" zu nehmen. In diesem Fall eines der Module, die ich fuer ein Geraet des Kunden eh schon entwickelt hatte. Haben wir einfach zwei mehr bestuecken lassen.

Am Rande: Da ich (so wie Du vermutlich jetzt auch) neben AD Eingang in den PC auch noch MUXes und Addressen steuern musste, hatte ich fuer diesen Kunden einen LabJack besorgt. Das fluppte dank eines guten Programmierers noch am gleichen Tag und jetzt verfeinert er die Sache, dass man eine schoene Benutzerschnittstelle hat. Vielleicht machen wir eine Tages sogar eine in Spanisch ;-)

Nur so aus Neugier, bist Du auf Umwegen mit Oskar Erbsloeh verwandt? Dessen Denkmal steht dort, wo wir frueher in Deutschland wohnten:

Ohje, dann aber hoffentlich 995er Goldz=E4hne? ;)

Also ich habe mir noch ein paar Gedanken gemacht...

Eigentlich ist eine Standalone-L=F6sung angedacht, mit uC. Daher w=FCrde ich auch eher bei DC bleiben.

Ich habe auch erw=E4gt f=FCr Durchgangswiderstand und Leckstrom unterschiedliche Mess-Methoden anzuwenden. F=FCr den =DCbergangswiderstand ist wohl eine Stromquelle mit m=F6glichst hohem Strom geeignet, da die zu erwartenden Messwerte im max. einstelligen Ohm-Bereich sind. Hier =FCberlege ich 100mA gepulst durchzuschicken, da die Mux-Kan=E4le mehr nicht abk=F6nnen. Au=DFerdem =FCb= er einen niederohmigen Shunt zur Strom-Ist Kontrolle. Dann wird der R(on) von 100 Ohm wegen Spannungsabfall unangenehm. Weil die Versorgungsspannungen bei 20-30V liegen sollen, =FCberlege ich f=FCr das GND-Ende keinen MUX sondern Analog-Switche mit angenehmeren R(on) zu nehmen (Prinzipiell auch f=FCr die Stromquellenseite denkbar, dann machen mir aber die Leckstr=F6me von 100 parallelen Eing=E4ngen zu schaffen). Es fallen dann sehr kleine Spannungen im mV-Bereich am Kabel ab, die =FCber die zwei anderen Mux-B=E4nke auf einen Differenzverst=E4rker geleitet werden. Der ist dann wohl entscheidend f=FCr minimale Aufl=F6sung. Dahinter der ADC.

W=E4re es f=FCr die Leckstr=F6me aber nicht sinnvoller, eine konstante Spannung anzulegen, da ich es mir schwierig vorstelle mit einer Stromquelle im uA-Bereich zu arbeiten? Da ich in dem Bereich keine Erfahrung habe, kann ich schlecht absch=E4tzen, was bei der Stromquelle die Grenzen der Machbarkeit in Richtung kleinster Str=F6me sind.

Worauf beziehst du dich mit "Nicht bei A", vermutlich darauf, das ich anfangs f=E4lschlicherweise von zwei ADCs sprach? A und B kommen nat=FCrlich auf einen Differenzverst=E4rker, und dahinter nur ein ADC.

Wenn ich im DC-Bereich messe w=FCrde ich wohl massig mit kleinen Kapazit=E4ten arbeiten, um die AC-St=F6ranteile rauszufiltern, an allen Pins, am Stromquellen-Mux Eingang, Verst=E4rker-Eingang, und ADC- Eingang. Da du von AC-Messung ausgegangen bist, h=E4tte sie entscheidene Vorteile, abgesehen von einer m=F6glichen PC-Anbindung per Soundkarte?

Zur Kanaltrennung und Off-Isolation finde ich in den Datenbl=E4ttern nur dB Werte, die sich auf 1V, 100kHz Signale beziehen. Kann man davon ausgehen, dass sie f=FCr den DC Bereich unter den Ein/Ausgangs- Leckstr=F6men liegen?

Ja allerdings, die dort erw=E4hnte Familie geh=F6rt zu mir, sie ist recht gro=DF und hat einige mehr oder minder ber=FChmte Ableger hervorgebracht, allerdings m=FCsste ich jetzt den Stammbaum einem genaueren Studium unterziehen um genau sagen zu k=F6nnen auf welchen Wegen ;).

Danke nochmal f=FCr deine ausf=FChrlichen Antworten!

Gru=DF,

Moritz

Hallo Moritz,

Ja, golden ist sie. Aber die Kosten fuer solche medizinischen Sachen sind beinahe hyperinflationaer hier. Jedes Jahr wird es einen zweistelligen Prozentbetrag teurer. Dentalarbeit ist nicht in der KV und eine Extraversicherung dafuer lohnt kaum. Also zahlt man alles selbst. Doch zumindest duerfen wir das jetzt von einem Vorsteuerkonto machen. Das sind so die kleinen Dinge, die regierungskritische Leute bei uns oft uebersehen. De-fakto hat das die Kosten zumindest um den Steuersatz gesenkt.

Dann ist DC kein Problem. Sei aber behutsam mit der Genauigkeit der AD Wandlung. Wenn sie auf dem uC stattfindet, ist die stoerbehaftet. Deswegen hatte ich das bei einem Laser Controller gerade nach "draussen" verlegt.

Der Diff-Verstaerker addiert allerdings einen Offset. Muesste man automatisch herauskalibrieren.

100mA ist heftig, da braucht man schon eher FETs. Diese gibt es auch als High-Side und Low-Side Arrays, allerdings mehr aus Asien. Hohe Stroeme koennen bei Kabeln durchaus Sinn machen, um zu sehen, ob bei Nennlast nicht doch eine Loetstelle aufgeht.

Meine letzte ist im mA Bereich programmierbar und das geht bis weit unter 1uA in der Praezision. Musste es in diesem Fall sogar. Ganz normale Transistor+Opamp Chose, allerdings mit einem sehr rauscharmen BCX70K und LM833 (ebenfalls rauscharm).

Leckstroeme bei den ueblichen MUX sind extrem konservative Angaben und i.d.R. ueber den ganzen Temperaturbereich von sibirischem Januar bis Hoellenfeuer. Normalerweise sind sie so klein, dass man sie nicht messen kann (nA Bereich). Nur immer schoen das Flussmittel und so abputzen.

Achte aber auf den Offset dabei ;-)

Sie hat Vorteile, wenn mal einige der Messkontakte angegammelt sind. AC mittelt Spannungspotenziale durch schlechtgewordene oder unterschiedliche Metallbeschichtungen ganz gut weg. Je nach Rauhheit der Umgebung, wo das eingesetzt wird, koennte dies wichtig sein.

So ziemlich, solange man kapazitiv bedingte Abklingzeiten beruecksichtigt. Uebersprechen und Leakage haengt bei normalen MUX Chips fast immer an den Kapazitaeten.

wohnten:

Interessant. Was fuer eine kleine Welt wir doch haben. In Leichlingen gibt es auch eine Erbsloeh-Strasse. An dem Denkmal kam ich jedes Jahr mindestens einmal vorbei, wenn ich meine Steuererklaerung mit dem Fahrrad zum FA brachte (sehr schoene Strecke). Manchmal auch die monatlichen USt-Erklaerungen, zum Fit-Bleiben. Am Platz der ehemaligen Luftschiffhalle steht jetzt das grosse Gebaeude eines Reitervereins und ein Sportplatz. Ich hatte mich immer gewundert, warum die Luftschiffe an dieser nicht ungefaehrlichen Stelle landeten und nicht in den breiteren Auen.

Hallo Joerg,

entschuldige die sp=E4te Antwort, aber ich habe noch einiges an Ideen/ Fragestellungen konsolidieren m=FCssen.

Inzwischen habe ich mein Grob-Konzept fertig, und habe erfreulicherweise L=F6sungen f=FCr die meisten Probleme gefunden, die mich hinderten, die 100nA Aufl=F6sungsgrenze zu knacken.

Sehr geholfen hat mir dabei ein wunderbares Buch von Keithley Instruments: "Low Level Measurements Handbook", welches man kostenlos auf Formularanfrage

innerhalb 2 Tagen geliefert bekommt.

Der Milliohm-Messmodus wie gehabt.

der Megaohm Messmodus soll jetzt so aussehen:

Konstante Spannung am Highside Terminal vorgegeben (z.B. 10V), der Strom wird mit einer Feedback-Amperemeter OP-Schaltung am Lowside Terminal gemessen. Dabei geht der Strompfad in den neg. Eingang des OPs, von neg. nach Ausgang ist ein hoher Shuntwiderstand als Feedbackpfad, pos. Eingang ist auf Masse. Der Strom flie=DFt so =FCber den Shunt (z.B. 1MOhm) in den Ausgang des OPs, zwischen Ausgang und Masse stellt sich V(o) =3D - R(s) * I ein. Das Potential am neg. Eingang wird immer auf quasi 0V gehalten, da der OP durch das Feedback bestrebt ist, die Eingangsspannungsdifferenz zu eliminieren.

Der Feedbackpfad geht dabei =FCber den Lowside Force MUX Pfad (dort der Shunt-R Zweig) und =FCber den Sense-MUX Pfad (zum neg. Eingang des OPs)

Dieses hat den angenehmen Effekt, das ein Teil der parasit=E4ren Kapazit=E4ten und Leckstr=F6me garnicht mehr ins gewicht Fallen. Lediglich die Lecktr=F6me des Sense-Mux flie=DFen =FCber den Shunt-R, und begrenzen prinzipiell die Aufl=F6sung.

Allerdings machen mir die parasit=E4ren Kapazit=E4ten des Sense-Mux noch Probleme. Obwohl der Knoten an dem die Kapazit=E4t wirkt immer fest auf

0V gezurrt wird, hat der Strom beim Einschalten die Wahl zwischen dem zun=E4chst Kurzgeschlossenen Pfad nach GND durch die parasit=E4re C(on) des Mux, oder dem 1M Shunt R zum OP-Ausgang hin, und wird wohl erstmal den Pfad durch den C w=E4hlen und diesen =FCber den zu messenden Widerstand w=E4hlen. Wenn dieser 100M-Ohm betr=E4gt, und die parasit=E4re O= n- Kapazit=E4t des Mux 100pF ergibt sich eine Zeitkonstante von 10ms, was schon recht kritisch ist, da 16.000 Schaltvorg=E4nge durchzuf=FChren sind.

Ich bin mir da aber nicht sicher, wie genau sich die Schaltung verh=E4lt, da ja eigentlich die Spannungsdifferenz =FCber den C durch die Feedbackschaltung des OPs bei 0 gehalten wird. Mit steigender Ladung ergibt sich eine Spannungsdiferenz am neg. Eingang des OPs, welche dieser mit Verst=E4rkung negativ am Ausgang pr=E4sentiert. Das wiederrum erzwingt eine vielfach h=F6here Spannungsdifferenz =FCber den Shunt-R, und zwingt den Strom sobald =FCber diesen Zweig. Wird der C also =FCberhaupt geladen?

Wenn das Timingproblem gel=F6st ist, oder garkeines ist, l=E4sst sich mit dem Feedback-Amperemeter eine Aufl=F6sung erreichen, die nur durch den Leckstrom des Sensemux begrenzt ist, das w=E4ren z.b. ~5nA, bei 10% Fehlertoleranz h=E4tte ich dann eine Aufl=F6sung von 50 nA.

Ich hoffe meine verbalen Ausf=FChrungen waren verst=E4ndlich, ich will versuchen das Problem sp=E4ter nochmal in ASCII-Art darzustellen, =FCber einen vern=FCnftigen News-Provider...

Gru=DF,

Moritz

Hallo Moritz,

Das ist noch echter Service. Vielen Dank, habe auch eins bestellt.

Da kann ich jetzt nicht ganz folgen, allerdings raucht mir auch gerade der Kopf wegen etwas zuviel Arbeit. Die kapazitive Quelle wird so einen I/U Wandler (oder in Nobelsprache Transimpedance Amplifier) zum Schwingen bringen. Man muss dann ein kleines C ueber den Gegenkopplungswiderstand legen.

Die Bandbreite ist dadurch natuerlich gering. Man kann sie zwar mit einer Common Base Stufe (Kaskode) davor wieder etwas heben, aber nicht sehr viel.

Das beste ist, die Kapazitaeten so gering wie moeglich zu halten, selbst wenn man dafuer Einzeltransitoren nehmen muesste. IIRC waeren es ja "nur" 128 Stueck pro Seite. Sie kosten nur ein paar Cents, aber es ist natuerlich Loeterei. Und der ESD Schutz will natuerlich auch hinein, macht nochmal mindestens 128 BAV99 Diodenpaare.

Hinterher laeuft das auf einen Kompromiss hinaus, der in etwa so aussehen koennte:

a. x Volt ist das maximale, was ich vorn reindruecken kann.

b. Kapazitaet auf x pF runtergedrueckt, noch weniger geht nicht.

c. Jede Messung darf maximal x Millisekunden dauern.

d. Dafuer kann ich maximal x Megohm als Feedback nehmen.

Das legt dann fest, bis zu wieviel Mikrovolt Dein AD Konverter aufloesen muss und wie ruhig die Messumgebung sein muss. Bei strengen Anforderungen wirst Du wahrscheinlich um ein paar Tricks aus dem Naehkaestchen nicht herum kommen. Zum Beispiel Notchfilter fuer 50Hz,

150Hz und eventuell sogar noch 250Hz und solche Geschichten.

In industrieller Umgebung bis Du aber schnell darueber. Staub, Oelnebel, Luftfeuchte. Na ja, im Betrieb geraucht werden darf m.W. wohl auch bei Euch in Europa nicht mehr. Das hatte die dicksten Kriechstroeme gebracht, je nachdem, was die Jungs da quarzten. Gauloises oder Van Nelle Halfzwaar hauten da gut rein.

Ist etwas knifflig zu verstehen. Das beste ist, einen Schaltplan auf eine Web Site zu setzen. Kann CAD sein, muss aber nicht. Eine leserliche Bleistiftskizze vom Scanner in PDF oder PNG reicht meist auch.

Joerg schrieb:

*staun" Ein interessantes Büchlein, das umsonst zu haben ist, hattest du noch nicht? ;-)) ......

Bei so hohen Gegenkopplungswiderständen ist dieses C meist schon kleiner als das parasitäre C des Widerstands. Oft muss man mit T-Schaltungen dieses dann noch künstlich wegkompensieren, um auf einen vernünftigen Frequenzgang zu kommen.

Ärgerlich bei der einfachen Schaltung ist, dass sie auf veränderte Eingangskapazität empfindlich reagiert und selbst bei ohmscher Leitung am Eingang instabil wird. Abhilfe schafft eine kleine konstante Gegenkopplung. Siehe etwa Schaltungsbeispiel Figure 11 in Nationals AN-242. Wenn man dort schon am Blättern ist, kann man auch die folgenden Kapitel mal ansehen, alles über OpAmp- Ammeter. LB-37 ist auch interessant.

Hallo Rolf,

Nein, ich kannte es nicht. Habe in den letzten Jahren nicht mehr so auf App Notes geachtet, weil im Durchschnitt zuviel Duennbrettbohrerei drin ist. Allerdings ist mir Keithley nicht aufgefallen, weil ich derzeit keine Geraete von denen im Labor habe.

Das stimmt. Zumindest wenn man das mit einem einzigen 50M Widerstand macht, was in einer Serienproduktion nicht sinnvoll waere.

Hierzulande wird die Kapazitaet der Photodiode meist mit einem Kaskode-Transistor abgekoppelt. Bei mir (fast) immer alles HF-Bereich, aber fuer ganz niedrige Frequenzen gibt es auch schoen rauscharme Gesellen fuer sehr wenig Geld, wie etwas den BCX70K.

Hallo Rolf,

Nachtrag: Ich meinte natuerlich MUX Kapazitaet, nicht Photodiode. Ich war gedanklich wohl noch bei einem d.s.e. Thread. Aber von der Signalverarbeitung kommt das aufs gleiche raus. Auch bei Muxes nehmen wir oft die Kaskode, bei hohen Anforderungen an die Bandbreite fast immer.