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Ramian 1.0 - 1.2 und sein Verstärkermodul

Ein neuer, verbesserter Ansatz musste her. Das Produkt der Überlegungen war Ramian (ein Anagramm zu Ra(dar)-main) und eine dazugehörige Verstärkerplatine. Der Gedanke war, dass direkt an den einzelnen RSM1650-Modulen die Verstärkung und Filterung stattfindet und dann zentral auf Ramian ausgelesen wird. Dabei habe ich folgende Designentscheidungen getroffen:

  • Die drei Versorgungsspannungen werden von drei rauschärmeren LT1086 Linearreglern gestellt
  • Die Verstärkung erfolgt, wie bei Proto-Ramian, über 2 LT1128-OPs, wobei gleichzeitig in beiden Stufen gefiltert wird und ein Abgriff nach dem ersten Verstärker für den Nahbereich rausgeführt wird
  • Die Möglichkeit zum Frequenzsprung-Verfahren (siehe Applikationsschrift Radarsensorik) ist auf der Verstärkerplatine vorgesehen
  • Als AD-Wandler dient TLC3578 von Texas Instruments (8 Eingänge, +/- 10 V, 200 kSps, 14 Bit, SPI), der schneller als der Wandler auf Proto-Ramian ist, dafür nur 14 Bit Genauigkeit bietet (wobei der ENOB von 12,8 im Vergleich zu den 14 von ADS7825 garnicht so übel ist)
  • Als Microcontroller dient ATmega32U4, da dieser über einen USART verfügt, der auch RTS und CTS für die UART-Verbindung kann
  • Es kommt weiterhin der FT232RL als USB-Schnittstelle zum Einsatz, nur ist dieser nun über 4 6N137-Optokoppler vom Rest des Aufbaus isoliert, um das Rauschen zu vermindern
  • Die Referenzspannung liefert die altbekannte TL431
  • Alle übrigen freien Pins werden raus geführt, um einen optionalen Schrittmotor anzusteuern

Mit diesen Voraussetzungen ist dann Ramian 1.0 entstanden. Für die Verstärkerplatine habe ich eine LTSPICE-Simulation durchgeführt, die für das verwendete Filter eine Flankensteilheit von 40dB/Dekade für die niederfrequente Flanke und eine von 56dB/Dekade für die hochfrequente Flanke ergeben hat.

Das Ergebnis der LTspice-Simulation
Das zugehörige Verstärker-Board
Ramian 1.0 unbestückt

Ramian 1.0 wies jedoch einige Kinderkrankheiten auf; so invertierten die Optokoppler das Signal des FT232, 2 USB-Pins waren vertauscht und die TL431 war ebenfalls rumgedreht verschaltet. Ich habe dann versucht, die Fehler notdürftig zu beheben:

Ramian 1.1 - das ist Ramian 1.0 mit Korrekturen

Jetzt waren mir wenige Tests möglich. Wirklich sauber gelaufen ist Ramian in dieser Konfiguration bei mir nie und reichte daher eher, um alle Fehler zu finden und sie in einem neuen Design zu vermeiden.

Ein wirklich seltsamer und nerviger Fehler ist das langsame Sterben der Ausgangstreiber der TX- und RX-LEDs am FT232. Diese beginnen nach kurzer Zeit normaler Funktion schwach dauerzuleuchten, um dann irgendwann durchgängig an zu sein. Trotz intensiver Fehlersuche hat sich dieses Mysterium bislang nicht geklärt.

Als Antwort auf das eher fehlgeschlagene Ramian1.0-Board habe ich dann Ramian 1.2 entwickelt:
Ramian 1.2

Leider war eine zu große Clearance daran Schuld, dass der FT232 zwei Massepins nicht verbunden hatte. Auch hier waren also wieder kleinere Modifikationen notwendig. Das LED-Mysterium besteht immernoch.

Immerhin ist das Board so lauffähig gewesen. Also ging es erneut ans Coden. Der TLC3578 hat sich als wahrer Feind des Entwicklers erwiesen mit seinem ziemlich kontraintuitiven Sampling-Mechanismus über den CSTART-Pin. Erst mit einem Logic-Analyzer kam ich dem letztendlich bei. Großer Dank geht hier an Helge, der die Timer so programmiert hat, dass sie die maximale Sampling-Rate aus dem TLC3578 herausholen.

Als allererstes fällt das massiv verringerte Grundrauschen auf, hier nach 90dB-Verstärkung:

Rauschen im Signal von Ramian 1.2, links die Fouriertransformierte, rechts das Signal selbst. Einheiten sind Volt, Herz und Millisekunden.
Bewegungserkennung in größerer Distanz (Fouriertransformierte) - Links: Grundrauschen - Rechts: Ein Mensch bewegt sich hinter einer Tür in 5,20 m Entfernung vom Modul. Die verminderte Auflösung im rechten Bild ist dem Aufnahmetool geschuldet.