Radiosonden-Autopsie

Das Mystery-Objekt aus dem vorigen Post ist eine Radiosonde – d.h. das Ding, das unten an einem Wetterballon hängt. Also eine Art fliegender Wetterstation mit Sendefunktion. Nun wird sich der geneigte Leser fragen, ob man so eine Sonde einfach behalten darf, wenn man sie findet. Die Antwort lautet "kommt drauf an". Diese Sonde hatte z.B. einen Beipackzettel huckepack dabei – und der fordert den Finder auf, die Sonde sachgerecht zu entsorgen und nur im Zweifel zurück zu schicken:

Also alles im grünen Bereich.

Aber zurück zu unserem Wundergerät: Die konkrete Sonde, um die es hier geht ist eine Vaisala RS92-SGPD. Was kann das Ding nun? Hier eine Liste der Features, die ich dem Datenblatt des Herstellers entnommen habe:

• Messung von 
• Luftdruck: 3-1080 hPa (0.1 hPa Auflösung, 1hPa Genauigkeit)
• Temperatur: -90 bis +60°C (0.1 °C Auflösung, 0.5°C Genauigkeit)
• Luftfeuchtigkeit: 0 bis 100 %Relative Luftfeuchtigkeit (1% Auflösung, 5% Genauigkeit)
• 12 Kanal GPS Receiver: 10/20m Ungenauigkeit (horizontal/vertikal)
• Spannungsversorgung: 9V (hier durch 6 AA-Zellen)
• Digitale Datenübermittlung im 400MHz Band
  60mW Sendeleistung; 2400 bit/s
• Messzyklus: 1s

Ein Handbuch gibt es ebenfalls zum Download. Aber hier erst nochmal ein Bild inklusive Beschriftung:

Nun muss erstmal das Gehäuse runter, damit wir einen Blick ins Innenleben werfen können. Zunächst kam der Battery-Pack zum Vorschein:

Also den nächsten Deckel abmachen und nun sehen wir schon etwas mehr vom Innenleben:

Nun noch den rückseitigen Deckel abmachen. Zunächst gab es wenig zu sehen, weil ein großer HF-Blechdeckel drüber war. Da hat sich dann die Leistungsstarke Lötstation bezahlt gemacht – mit dem alten Elektroniklötkolben hätte ich die dicken Lötstellen nicht lösen können, aber mit der dicken Weller ging's wie Butter. Unter dem großen Deckel kamen dann weitere Bleckdeckel zum Vorschein. Der obere ging gut weg, vor dem zweiten musste ich kapitulieren – der war komplett drumrum verlötet, das schafft auch die Lötstation oder die Heißluftstation nicht so ohne weiteres. Im Wesentlichen habe ich darunter einen Haufen SMD Kram gefunden und ein paar Vaisala Custom Chips, so dass ich auf diesem Weg nicht wirklich viel über die Funktionsweise in Erfahrung bringen konnte.

Soviel erstmal für heute. Als nächstes werde ich mal sehen, ob ich was über die Kommunikationsschnittstelle herausfinden kann. Wenn was dabei rauskommt werde ich hier berichten. Auch wäre es natürlich cool, wenn es gelänge, das gerät neu zu programmieren, oder zumindest mit ihm zu reden. So könnte man den vermutlich sehr leistungsstarken GPS-Empfänger nutzen und auf die Sensordaten zugreifen. Ob das geht? Keine Ahnung - ich werde versuchen es herauszufinden.

Simpler Komponententester

Mein Oszi hat keinen Komponententester – ich weiß: viele Leute sagen, die Dinger sind ungefähr so nützlich wie ein Loch in der Kniescheibe, aber ich wollte einen haben. Basta!

Bekanntermaßen besteht so ein Teil im Wesentlichen aus einem Trafo (hier 6V Nennspannung), einem Widerstand (hier 10k), zwei Polklemmen und zwei BNC Buchsen, außer man wird eitel und will verschiedene Widerstände und/oder variable Spannungen etc. All das ist sicher nützlich, aber wenn ich sowas will, dann lieber gleich mit einem Anschluss für den Funktionsgenerator. Heute sollte es aber die Supersimpelvariante sein. D.h. das Aufwändigste war das Gehäuse ;-)

Bei der Gelegenheit habe ich festgestellt, daß mein Bohrständer Sperrmüll ist und ich mir irgendwann mal eine Standbohmaschine besorgen sollte. Aber egal hier erstmal der Schaltplan:

Die Diode repräsentiert das zu testende Bauteil (device unter test: DUT) Und so sieht das fertige Gerät aus:

Simpel, wie versprochen. Nun noch ein paar Impressionen im Einsatz:

 Offen – d.h. kein Bauteil drin.

 Kurzschluss

2.2µF Elko 

Siliziumdiode

Basis-Emitter Strecke eines C558B PNP Transistors

Netzspannungsüberwachung – Teil 2

Erster Praxistest

Nachdem wir nun ein (hoffentlich) µController-freundliches Spannungssignal haben ist es an der Zeit, einen ersten Praxistest zu starten. Dazu habe ich eines der Beispielprogramme für den Arduino (AnalogReadSerial) genommen und minimal modifiziert (konkret: die Datenübertragung über die serielle Schnittstelle auf 115200 bps hoch gesetzt). Das Programm tut nicht anderes, als den vom ADC gelesenen Rohwert über die serielle Schnittstelle zu funken. Mit seinen 16MHz Takt sollte der Arduino locker in der Lage sein, dem Spannungssignal zu folgen. Die Schnittstelle ist hier klar der Flaschenhals, dennoch sieht der erste Test sehr erfreulich aus. Ich habe einfach die Daten einen Moment lang mit geloggt und in eine Datei geschrieben und dann ein paar Datenpunkte einfach der Reihenfolge nach geplottet, d.h. die Zeitachse ist nicht notwendigerweise vertrauenswürdig. Dennoch sieht das Ergebnis einer sinusförmigen Halbwelle schon erfreulich ähnlich:


Quiz
Was wir hier messen ist ja die positive Halbwelle der Wechselspannung. Also sollte die Periode ohne Spannung genauso lang sein, wie die sichtbare Halbwelle. Ist sie aber im obigen Plot nicht! Es sieht eher nach einem Verhältnis von ca. 1:2 aus. Zuerst war ich verwirrt. Könnte es sein, daß die Geschwindigkeit des ADC von der anliegenden Spannung abhängt? Unwahrscheinlich, außerdem ist der ADC um einiges schneller, als die Schnittstelle. Aber welches Geheimnis steckt dann dahinter? Dann dachte ich, es verstanden zu haben und schließlich bin ich wieder verwirrt.

Preisfrage: Wie kommt dieses Artefakt zustande?

Wer es zuerst rauskriegt bekommt einen selbstgebastelten IR-Tester von mir ;-)

Ausblick

Jetzt muss ich nur noch die Software ein bisschen aufbohren: Peak-Spannung über ein bestimmtes Zeitfenster mitteln und die Daten auf SD-Karte speichern. Danach heißt es dann eine ganze Weile Geduld haben, denn wir wollen ja Statistik über ein paar Wochen betreiben.

Netzspannungsüberwachung

Teil 1 – Netzspannung mit einem µController messen?

Neulich stellte jemand die Behauptung auf, sonntags bräuchte der Braten länger, weil da alle kochen und so weniger Strom zur Verfügung stünde. Mal abgesehen davon, daß das extrem unplausibel ist, fand ich dennoch die Idee lustig, mal über einen gewissen Zeitraum Statistik über die Netzspannung zu führen und so ist dieses Projekt entstanden.

Netzspannung messen – nichts leichter als das dachte ich mir. Das kann selbst das billigste Multimeter halbwegs zuverlässig. Aber damit ist es natürlich nicht getan, denn wir wollen ja Statistik treiben und dazu wäre es vernünftig, z.B. alle 5 Minuten zu messen und das Tag und Nacht und mindestens über eine Woche. Also Multimeter mit serieller Schnittstelle am PC? Ginge wohl, aber das einzige Multimeter mit Schnittstelle, das ich besitze ist ein uraltes Voltcraft, dem ich eigentlich nicht mehr recht traue. Außerdem weiß ich nicht, ob die Batterien das mitmachen würden. Ein richtiges Data-logging Multimeter, wie das Fluke 289 wäre eine gute Lösung, aber erstens habe ich keines und zweitens waren mir die 500 bis 700 €, die so ein Ding, je nach Laden und Zubehör, kosten ehrlich gesagt zu viel für ein Spaßprojekt.

Also selbst ist der Mann: Mit einem Mikrocontroller und einem SD-Card Adapter sollte das doch kein Problem sein. Nur wie wollen wir die Netzspannung messen? 240 Volt am ADC-Pin dürfte der Chip übel nehmen. Spannungsteiler? Ginge, aber will ich wirklich 240 Volt nackt auf der Platine haben? Direkt neben dem Controller? Eher nicht, wenn es sich vermeiden lässt. Zudem bin ich mir garnicht sicher, ob die 0.25W Metallfilmwiderstände aus meinem Sortiment überhaupt für so hohe Spannungen geeignet sind. Also anders: AC Steckernetzteil, Gleichrichter und dann ggf. noch Spannungsteiler, um das in den richtigen Spannungsbereich für den ADC zu bringen. Am Ende muß man das dann halt kalibrieren. In der Bastelkiste lag noch ein Steckernetzteil von einem altem Anrufbeantworter (nominell 9V AC, 780mA):



Eine schnelle Messung ergab, daß das Ding im Leerlauf so ca. 11 Volt RMS ausspuckt. Wenn das Netzteil die Sinusform halbwegs erhält, wären das dann also ±11∙SQRT(2) = 15.6 Volt oder ca. 31 Vpp. Also mal am Oszi ansehen:


Nicht der schönste Sinus der Welt, aber gut genug. Nun muß noch die Spannung in einen vernünftigen Bereich gebracht werden, der den Microcontroller nicht ins Schwitzen bringt. Am besten irgendwo in den mittleren Spannungsbereich, damit uns die zu erwartenden Spannungsschwankungen im Netz nicht an irgendwelche Grenzen bringen. Also habe ich einen Spannungsteiler aus 130k und 22k aufgebaut, was die ca. 15Vmax der Halbwelle auf zahme ca. 2Vmax über dem 22k Widerstand herunterbringt. Bei 152k und 15V fließen also maximal 100µA, so daß wir uns über den Stromverbrauch über die Messperiode auch keine Sorgen machen müssen. Eine Diode später hatte ich dann nur noch die positive Halbwelle:



So kann man arbeiten! Fortsetzung folgt...

IR-Fernbedienungstester

Nachdem ich heute bei dem schönen Wetter schon fleißig mit dem Rad in der Stadt war und den Frühling genossen habe hat es sich am späteren Nachmittag etwas zugezogen und so bin ich am Basteltisch gelandet. Aus verschiedenen Gründen hatte ich in letzter Zeit ein wenig über IR-Datenübertragung recherchiert und so dachte ich mir, ich könnte eigentlich mal ganz basal damit anfangen, mir ein IR-Debugging-Tool zu besorgen/basteln.
Im großen weiten Netz fand ich auch schnell alle möglichen Hinweise und Geräte, von der bereits in einem vergangenen Blog Beitrag beobachteten IR-Sensitivität von Digitalkameras, über einfache Testgeräte (wie dieses) bis hin zu professionellen Service-Techniker Tools. Aber was ich in erster Linie spannend fand, waren super simple IR-Tester, die man einfach direkt ans Oszi stecken kann - z.B. dieses. Das war genau, was ich mir vorgestellt hatte. Knapp 5 Euro hätte ich auch noch übrig gehabt, aber verdammt, ich will jetzt damit rumspielen! Und wenn ich es mir recht überlege muß man sowas doch selber bauen können, wenn es einfach in so einen kleinen BNC-Stecker reinpasst.
Also weitere Recherche und ich konnte es kaum glauben – offenbar bestehen die Dinger aus sage und schreibe 2 Bauteilen: Einem BNC-Stecker und einer IR-Photodiode. Keine Spannungsversorgung – nix! Also das musste ich genauer wissen und habe in der Bauteilkiste gegraben. Daß ich noch BNC-Stecker zum crimpen hatte, wusste ich sicher und wie es das Schicksal so wollte hatte ich auch noch IR-Dioden :-)
Also darf ich vorstellen? Frau IR-Photodiode (Typ: SFH 205 F, aber ich denke, jede andere täte es ebenso) und Herr BNC-Stecker:
Viel zu tun gab es nicht – Beinchen der Diode auf die richtigen Längen stutzen, eines in den mini-Pin einlöten (zum Crimpen ist das Beinchen zu dünn), alles in den Stecker rein, so daß das andere Beinchen außen liegt, ein wenig Entlöt-Litze als Dickenausgleich auf die gegenüberliegende Seite, Hülse drüber, crimpen – fertig!

Und geht das Ding nun? Und wie es geht – ich hab das erstmal am analogen Oszi getestet und sofort ein Signal gesehen:

Das Signal ist garnichtmal so schwach – das Oszi ist auf 50mV/div eingestellt; die Zeitachse auf 0.5 ms/div.
Allerdings ist das so nicht das Wahre, denn man kann selbst auf dem Foto erkennen, daß hier wild getriggert wird. Ist ja auch nicht verwunderlich, denn ich habe meine Fernbedienung genommen und gehe mal davon aus, daß das Protokoll der selbigen nicht gerade ein exakt periodisches Signal sendet. Also schauen wir uns das mal mit einem single shot auf dem Rigol an:

Besser! Offenbar beginnt das Protokoll mit einem fetten Puls als Startsignal und nach kurzer Pause werden dann die Daten "durchgemorst". Es hat den Anschein, daß die folgenden Pulse in etwa gleich lang sind, aber die Pausen dazwischen nicht einheitlich sind – vermutlich wird so die Information codiert, aber zuerst noch ein paar Impressionen:

So sieht das aus, wenn man mal richtig raus-zoomt. Scheinbar wird der immer gleiche Datenblock (hier: Leiser-Taste) immer wieder ausgestrahlt. Und wenn man mal richtig ins Detail schaut sieht das so aus:

Also ist da noch ein bisschen Unruhe auf dem "high"-Signal.
Wenn man nun etwas recherchiert, erfährt man, daß die meisten Fernbedienungen den Philips RC-5 Code sprechen und selbiger verwendet die Manchester Codierung - d.h. es macht durchaus Sinn, daß die Signale bzw. Pausen von verschiedener Breite sind.
Was haben wir also gelernt?

1. IR-Tester sind extrem simpel!
2. Meine Fernbedienung funktioniert.

Und wieso geht das ohne Spannungsversorgung?

Weil Lichteinfall in einer Photodiode Ladungsträger (Elektronen-Loch Paare) erzeugt, die dann das Wandern anfangen => Strom. Dieser erzeugt letztlich eine Spannung am Bauteil, die wir oben gesehen haben. Wieder was gelernt...

Nachtrag

Wie oben bereits erwähnt ist die einfachste Methode zur schnellen Funktionsprüfung einer IR-Fernbedienung eine Digitalkamera. Das hatten wir ja schon bei der Lichtschranke gesehen. Aber weil's einfach so schön aussieht hier noch zwei Bilder:



Nachnachtrag

Oben habe ich faulerweise sofort zum DSO gewechselt, aber natürlich hätte ich mir auch erstmal mehr Mühe geben können, das Signal mit dem analogen Oszi vernünftig darzustellen. Und das geht natürlich: Der Trick heißt "hold off" – d.h. das Oszi wartet nach jedem dargestellten Signal erstmal eine Weile, bevor der Trigger wieder freigegeben wird. Und da unser Signal aus Blöcken besteht, zwischen denen immer eine längere Pause liegt, können wir so ein stabiles Signal bekommen. Dazu muß der hold-off lang genug sein, um im selben Block kein neues Trigger Ereignis zu gestatten, aber kurz genug, um rechtzeitig vor dem folgenden Block wieder scharf zu sein. Etwas herumspielen ergab, daß mein Hameg gerade so in der Lage ist das hinzukriegen – wenn der hold off auf Maximal steht:

Panelmeter Teil #2: Opamp Magic

Prolog

Und nun der zweite Teil des Panelmeter-Projektes. Das Problem war ja, dass das Meter seine eigene Versorgungsspannung nicht messen kann und auch in Schaltungen, wo die zu messende Spannung einen gemeinsamen Bezugspunkt mit der Versorgungsspannung hat. Berichte denenzufolge sich das Panelmeter in Rauch auflöst, wenn man es versucht, halte ich für übertrieben ;-). Ich konnte (bis jetzt) das Ding nicht kaputt kriegen...

Jetzt stellt sich die Frage: warum ist das eigentlich so? Ich habe also ein bißchen im Internet recherchiert und auch ein paar eigeneMessungen gemacht, und der Grund ist folgender: die Eingänge des Panelmeters (IN und COM) liegen +2.9V bzw. +5.8V (beachte: ohne, dass eine zu messende Spannung angelegt ist) über dem Beszugspunkt der Spannungsversorgung GND. Es ist also eine Skalierung und Verschiebung der Spannungsniveaus nötig, wenn man in einer "common ground"-Konfiguration arbeiten möchte.

Ich habe insgesamt drei verschiedene Lösungen für dieses Problem gefunden. Ich stelle heute die erste der drei vor, die mit Operationsverstärkern arbeitet. Ich glaube, mittlerweile verstehe ich sie einigermaßen und ich werde mein Bestes tun, um sie zu erklären. Bin für euren Input und Korrekturen sehr dankbar.

Die erste Lösung: bloß keine Differenzen...

Das ist also die geheimnisvolle Schaltung, die mir zu anfangs aufgrund meiner noch wachsenden Elektronikerfahrung (bin bei Winfield/Hill erst im Kapitel 2) großes Kopfzerbrechen bereitet hat. Aber na gut, ich versuch mal zu erklären was ungefähr passiert (zumindest was ich glaube, dass passiert). Um es vorwegzunehmen: die Schaltung scheint zu funktionieren, wobei noch zusätzliche Maßnahmen nötig sind...

Also los gehts: links kommt die Versorgungsspannung (z.B. von der Batterie) rein. Dann geht das ganze in einen Differenzverstärker (grauer Kasten), wobei aber der COM-Level am Panelmeter sozusagen als "virtuelle Masse" reinspielt. Weiters wird der COM-Level über einen Opamp-Puffer (Spannungsfolger) eingespeist, sodass es keine Rückwirkung gibt. Die beiden Kapazitäten sind glaub ich nur dazu da, um Schwingneigung des Opamps zu unterdrücken.

Ok, also hab ichs aufgebaut und gemesse, was es macht.Ich bekomme am Ausgang des Opamps +8V und an IN ca. +6.4V, also eine Differenz zwischen IN und COM von 0.695V. Hmmm. Die Schaltung macht also eine Skalierung und Levelshifting, aber noch nicht so ganz korrekt von den Werten her.Irgendwie scheint die Ausgangsspannung schon proportial zur Versorgungsspannung zu sein, aber auf jeden Fall eine Größenordnung zu groß für den 200mV Inputrange des Meters. Kleiner Trost: hab die Schaltung mit iCircuit simuliert und komme auf die gleichen Ergebnisse.

Ich hab mal die Ausgangsspannung am Meter gemessen, wenn ich die Eingangsspannung zwischen 8V und 12V variiere. Leider tut sich kaum was. Nur die letzte Stelle ändert sich leicht von 0.695V bei 8V auf 0.692V bei 12V. Mist.

Ich vermute, dass im Schaltplan ein Fehler vorliegt, und statt der 33k nur 3.3k Widerstände rein müssen (um den Faktor 10 wegzukriegen). Wenn ich das mit iCircuit ausprobiere bekomme ich folgendes:

Vs =   8.0V --> IN/COM = 0.08V
Vs =   8.5V --> IN/COM = 0.085V
Vs =   9.0V --> IN/COM = 0.09V
Vs = 12.0V --> IN/COM = 0.12V

Das sieht ja schon ganz gut aus. Die Ausgangsspannung ändert sich exakt um einen Faktor 100 kleiner im Zielrange des Meters. Perfekt. Gleich mal in der echten Schaltung ausprobieren.

Oje... in der Theroie alles super, aber einmal mehr zeigt sich, dass sich ein realer Opamp anders verhält als ein idealer... In der echten Schaltung erhalte ich nur 0.4mV - es tut sich also gar nichts am Ausgang. Na dann lass ich es jetzt mal und versuche was anderes. Vielleicht kann ich ja später nochmal was debuggen.

Panelmeter Teil #1: Vorstellung, Grundfunktion und was nicht geht

Nun bin ich mal wieder an der Reihe ;-). Es freut mich zu sehen, wie unser Blog langsam wächst und immer mehr interessante Inhalte bekommt. Ich hab im Moment etwas Zeit, da ich nach Funktionsfreeze-Stress für die I-340 mit grippalem Infekt darniederliege...

Heute ein Beitrag über ein günstiges Panelmeter von Pollin für 5,95EUR. Hab mir eingebildet ich brauch so was für die Verbesserung meines alten Labornetzteils. Und außerdem ist es cool. Und günstig - sagte ich schon, oder?

Zunächst ein paar technische Daten:

• Eingang max. 199,9mV=
• Anzeige max. “1999” 3½-stellig
• Mit autom. Polaritätsanzeige
• Anzeigetyp LCD (Flüssigkristall)
• Messmethode Dual-Slope A/D-Wandler
• Bereichsüberschreitung Anzeige “1” im Display
• Messfolge 2-3 Messungen pro Sek.
• Eingangsimpedanz >100MOhm
• Genauigkeit ±0,5% (23°±5°C <80% Luftfeuchtigkeit)
• Dezimalpunkt wählbar über Drahtbrücke
• Betriebsspannung 8-12V=
• Maße BxH 68mm x 44mm
• Einbaumaße BxH 54,5x38mm

Eigentlich ganz cool das Teil - ok, es hat keine Hintergrundbeleuchtung ;-). Über Spannungsteiler bzw. Shunts kann das Teil in einem großen Wertebereich für Spannungs- und Strommessung eingesetzt werden. Man kann entweder direkt die Widerstände/Drahtbrücke auf der Platine ersetzen, oder mit externen Widerständen arbeiten. Über das kleine Poti auf der Rückseite kann auch eine Kalibierung mit einer Spannungsreferenz erfolgen. Übrigens ein Tip fürs Anschließen: hab einfach Stifte in die Lötösen eingelötet, dann kann ich mit Standard-Steckkabeln arbeiten und kann die Komponente leicht in anderen Projekten wiederverwenden.

Soweit so gut, also probieren wir es gleich mal aus:

Wunderbar, das Teil funktioniert also prima und zeigt korrekterweise 0V an. So, jetzt will ich mal schauen, ob das Ding auch Spannung misst ;-): Einfach zweiten 9V Block dran und los gehts - uups - der Messbereich geht aber nur bis 200mV, aber das Meter zeigt brav 1 als Overload an. Na gut, muss ich also doch schnell den Horowitz & Hill bemühen und die Spannungsteilergleichung wälzen... Aber als Physiker leite ich mir die natürlich einfach schnell aus den Grundgesetzen der Elektrodynamik und Festkörperphysik her. Ich weiss, ich weiss, ich hätte die Zeit und Energie auch auf das Umlöten der Brücke für den Kommapunkt aufwenden können, das heb ich mir aber für später auf ;-).

Ok, der Wert scheint plausibel (9,03V; bitte Komma versetzt denken) und stimmt auch mit dem überein, was mein Uni-T UT61E anzeigt (90,3mV). Hab über 1M, 10k V-Teiler den 200mV-Bereich des Panelmeters auf 0-20V gemappt.

Wunderbar, Grundfunktion ist also gegeben und Genauigkeit sieht auch ganz gut aus. Also weiter zum nächsten Punkt: Kann das Panelmeter auch die Spannung messen, mit der es versorgt wird (was häufig als "Common ground capability" bezeichnet wird)?

Die Antwort ist leider "NEIN". Das kann es nicht. Versucht man es, bekommt man immer nur den Overload Hinweis "1". Na super! Muss ich jetzt in mein Labornetzteil eine 9V Batterie einbauen? Das wäre nicht so praktisch. Oder besser doch ein "teures" Panelmeter kaufen, das "common ground" kann? Aber so schnell gebe ich nicht auf, das muss doch irgendwie gehen, oder?

Fortsetzung folgt...