ungelöst Mehrere Quellen in einem Schema

[beldowsk]

Hallo,

Mal abgesehen von LTspice, hier ein paar Anmerkungen zur realen Hard- und Software:

Ein Szintillationsdetektor besteht aus einem Kristall in dem durch ionisierende Strahlung Lichtblitze ausgelöst werden. Ein angeschlossener Photomultiplier (PMT) verstärkt diese Lichtblitze und liefert einen Impuls dessen Amplitude proportional zur Energie der ionisierenden Strahlung ist. Für den privaten Bereich gibt es Schaltungen (PMT-Adapter), die den sehr kurzen, hochfrequenten Impuls so weit in die Länge ziehen, dass er mit einer Soundkarte digitalisiert werden kann. Mit freier Software können diese digitalisierten Impulse ausgewertet werden. Übersteuerte oder überlagerte Impulse werden verworfen, von wohlgeformten Impulsen wird die Amplitude bestimmt. Der Bereich der möglichen Amplituden ist in eine endliche Zahl von Einzelbereichen unterteilt. Für einen Impuls mit einer gemessenen Amplitude wird in dem dazu passenden Einzelbereich ein Zähler um 1 erhöht. Nach einiger Messzeit ergibt sich ein Histogramm/Spektrum in dem über der x-Achse (also der Amplitude die proportional zur Energie der ionisierten Strahlung ist) die gezählten Impulse (oder deren Häufigkeit in Anzahl/Messzeit) aufgetragen sind. Mit diesem Histogramm/Spektrum lassen sich die strahlenden Materialien identifizieren. Strahlende Materialien liegen üblicherweise aber nicht als isoliertes Element, sondern als Zerfallsreihe mehrerer Elemente vor. Erste Messungen werden im privaten Bereich meist mit Pottasche (eine Backzutat) gemacht, sie enthält das radioaktive Isotop Kalium40, das im Histogramm/Spektrum einen Peak bei 1460,8 keV erzeugt. Andere Stoffe mit natürlicher Radioaktivität sind z.B. Schokolade mit hohem Kakao-Anteil, verschiedene Mineralien, …

Das anliegende Histogramm/Spektrum ist mit einem 2"-Detektor in 15 Minuten aufgenommen worden. Die Hintergrundstrahlung ist in grau zu sehen, in blau ein Uraninit-Steinchen (natürliches Mineral).

Gruß Andreas

 

[beldowsk]

Hallo,

mit Änderungen im LTspice-Schema oder neuer Hardware bin ich noch nicht weiter gekommen.

In den letzten Tagen habe ich versucht der Mathematik hinter der EXP-Funktion von LTspice näher zu kommen. Zunächst mit dem freien Mathcad-Clone „Smath Solver“. Dabei hatte ich schon etliche Probleme. Im zip-Archiv ist neben der Programmdatei auch ein PDF zu finden. Es war mir auch nicht gelungen mit Smath eine Short-Time Fourier Transformatin (STFT) des Impulses zu realisieren.

Für Octave (freie matlab-Clone) habe ich ein Unterprogramm gefunden, das eine STFT durchführt und ein buntes Spektrogramm ausgibt. Leider kann ich mit dem Ergebnis nicht wirklich etwas anfangen.

Kann mir Jemand bei der Interpretation der Ergebnisse helfen?

Gruß Andreas

 

[beldowsk]

Anmerkung zum Spektrogramm:

Das Unterprogramm "myspecgram" setzt alle Wert die unter -70 dB auf -70 dB (im Code wird fälschlicherweise von -35 dB gesprochen), daraus resultiert im Spektrogramm die horizontale Ebene zu den höheren Frequenzen hin. Auf die Frage
Please enter the maximum frequency (Hz)\n you wish to see on the display:
macht daher die Eingabe von Fs/2 kaum Sinn (zumal aus dem LTspice-Export ein Fs = Sample = 9.768.000 [Hz] resultiert), 10^6 war hier der von mir eingegebene Wert.

Gruß Andreas

 

[beldowsk]

Hallo UBo,

ist das mit +600 VDC an GND aus #11 so ernst gemeint?

Gruß Andreas

 

[UBo]

Hallo Andreas
ja das ist so ok, da ja an RL das Signal entsteht und das der Bezugspunkt für die Signaklette ist. Im Aufbau sollte allerdings -HV nirgens mit dem Rechner verbunden sein.
Gruß

 

[beldowsk]

Hallo UBo,
dann hab ich aber keine HV mehr an der Anode?! OK, die ist für die Signalverarbeitung vielleicht ja wirklich nicht wichtig. Kann ich dann aber nicht die HV-Quelle ganz aus dem Schema rauslöschen?
In der realen Hardware brauche ich aber die HV an der Anode. Außerdem liegt die Kathode an der Masse beider BNC-Kabel (Signal und HV) und ich will die HV auch nicht am Gehäuse haben.
Anbei Mal mein aktuelles Schema im Vergleich zum alten Schema. Die beiden C's an V- der OpAmps hab ich Mal mit reingezeichnet damit ich sie in der Hardware später nicht vergesse. Für die Simulation dürften sie überflüssig sein.
Allerdings ist für mich die Frage noch nicht beantwortet, wo die 4 C's an den V+ und V- Anschlüssen der OpAmps mit dem anderen Ende hin müssen? Ist virtGND wirklich richtig, oder müssen sie an GND des Signals?
Gruß Andreas

 

[UBo]

Hallo Andreas,
doch, du hast noch Spannung an der Anode, da die Potentialdifferenz Anode-Katode sich nicht ändert. Das GND-Zeichenbraucht Ltspice zur Berechnung als Bezugspunkt.
Es ist tatsächlich so, daß du für die Simulation die HV-Quelle weglassen kannst, da du den Eingangsimpuls als Stromquelle definiert hast, die es so in Praxis nicht gibt. Das ist auch völlig ok, da du ja nicht das PMT selbst analysieren willst. Der Innenwiderstand von HV ist zumindest dynamisch fast 0, daher gibt es am Ausgang keinen Unterschied im Signal. Ich habe dir zur Vereinfachung mal Potis reingesetzt
Die Cs am OV sind unkritisch, ob gnd oder virtuellgnd, sie stabilisieren "nur" die OV-Spannung bei Impulsbelastung - die übliche Anordung habe ich eingezeichnet.
Da deine Schaltung so hochohmig ist, kannst du das Kabel nicht Vernachlässigen.
In Praxis Katode an der Buchse zu lassen ist sinnvoll, da deine HV nicht potentialgetrennt ist und du damit den Minuspol der HV-Versorgung (5V?) auch an der Buchse hast.
Die Angst vor der HV an der Buchse ist virtuell! Du hast sie auch jetzt dort und nur der PMT-C4 trennt dich - daher auch ein 1500V-Typ.
Gruß

 

[beldowsk]

Hallo UBo,

Dank für deine Arbeit.

Zunächst: In meinem Schema waren noch Fehler drin. Die Netzpunkte Dy9 und Dy10 kommen in beiden Teil-Schemata vor. Das hat hier auf den Output keine erkennbare Auswirkung, kann aber zu sehr merkwürdigen Effekten führen. Ein doppelt benanntes Bauteil wird als Fehler erkannt und angemeckert, ein doppelt benannter Netzpunkt aber nicht. Gleich benannte Netzpunkte werden ja zur Kopplung genutzt, nur hier soll ja keine Kopplung zwischen den Teil-Schemata sein. Drum hatte ich die anderen Netzpunkte mit der Namenserweiterung _neu versehen.

Fast hätte ich den R2 (hinter U4) übersehen. Wenn ich ihn rausnehme, sehe ich im output keinen Unterschied. Wozu sollte er sein?

Das HV-Netzteil befindet sich in einer eigenen Alu-Box (HV-Modul C10940, 4x Akku) und ist über ein 50 cm BNC-Kabel mit dem Divider verbunden. Wo muss der 1 µF-Kondensator C8 hin? Für einen Folienkondensator mit min. 1200 VDC hab ich im Divider keinen Platz, der muss dann zum HV-Modul in die Alu-Box. Oder gibt es kleinere Kondensatoren?

Anbei ein Foto von meinem "Messplatz". Links auf dem Schrank das HV-Netzteil, auf der Fensterbankerweiterung der 2"-Szintillationsdetektor, darunter Hund im Körbchen, auf dem Rollcontainer der PMT-Adapter, dahinter der Platz der Katze, auf dem Schreibtisch unter dem Monitor das USB-Audio-Interface.

Gruß Andreas

 

[UBo]

Hallo Andreas, super Labor
R2 kannst du rausnehmen - sollte hier keine Rolle spielen. Das ist nur aus meinem Tes -ich mag normalerweise kein OV mit reiner C-Last wegen Schwingneigung.
C8 muß dringend in den Divider. Die 1µ sind mehr ein Platzhalter. 10nF reicht da auch. Es gibt auch MLCC in den Bereich. z.B.:

https://www.ltspiceusers.ch/redirect?to=aHR0cHM6Ly93d3cubW91c2VyLmRlL2MvcGFzc2l2ZS1jb21wb25lbnRzL2NhcGFjaXRvcnMvY2VyYW1pYy1jYXBhY2l0b3JzL21sY2NzLW11bHRpbGF5ZXItY2VyYW1pYy1jYXBhY2l0b3JzL211bHRpbGF5ZXItY2VyYW1pYy1jYXBhY2l0b3JzLW1sY2Mtc21kLXNtdC8/Y2FwYWNpdGFuY2U9MC4wNTYlMjB1Rn5+MC4yMiUyMHVGJnZvbHRhZ2UlMjByYXRpbmclMjBkYz0xLjIlMjBrVkRDJnJwPXBhc3NpdmUtY29tcG9uZW50cyUyRmNhcGFjaXRvcnMlMkZjZXJhbWljLWNhcGFjaXRvcnMlMkZtbGNjcy1tdWx0aWxheWVyLWNlcmFtaWMtY2FwYWNpdG9ycyUyRm11bHRpbGF5ZXItY2VyYW1pYy1jYXBhY2l0b3JzLW1sY2Mtc21kLXNtdCU3Q35DYXBhY2l0YW5jZQ==

https://www.ltspiceusers.ch/redirect?to=aHR0cHM6Ly93d3cubW91c2VyLmRlL1Byb2R1Y3REZXRhaWwvS25vd2xlcy1TeWZlci8yMjIwWTFLMjAyMjRLWFRXUzM/cXM9dm1Id0VGeEVGUiUyRmJ0NWhEWEJEODl3JTNEJTNE

Gruß und viel Erfolg

 

[beldowsk]

Hallo UBo,
dann sieht das Ganze inzwischen wie in der Anlage aus.
Im KiCad-Schaltplan hab ich einen Jumper vorgesehen, der die Verstärkung für den 1ten OpAmp auf 1 oder 2 verstellbar macht. Ich hab nämlich noch einen 2ten Detektor, der mit dem Ursprungs-PMT-Adapter sehr gut funktioniert.
Wo muss eigentlich das SHIELD für den USB-Stecker hin, an das GND des Signals oder an virtGND (-2,5V)?
Gruß Andreas

 

[UBo]

Hallo Andreas,
in deiner Konfiguration an gnd.
Die Schalter würde ich anders beschalten, damit der Signalweg sicher nie unterbrochen wird. Wirkung ist gleich.
Wenn dein HV potentialgetrennt versorgt wird (Steckernetzteil, dann lieber die Alternative. Wenn du einen 1% Fehler zuläßt, kannst du mit PMT_C4 überbrückt und gnd an PMT_RL eine 10fach schnellere Impulsfolge detektieren, da der Überschwinger weg ist. (soweit die Theorie)
Gruß

 

[beldowsk]

Hallo UBo,

anbei ein erster Platinenentwurf, mit viel SMD. Ich hab zwar ein Heißluftgerät, liebe aber SMD nicht, da komm ich was Feinheiten sehen/erkennen und ruhige Hand betrifft inzwischen an Grenzen.

Der 4,7nF/2kV-Kondensator am Eingang des PMT-Adapters ist als Option gedacht, für Szintillationsdetektoren mit nur einer BNC-Buchse. Da gegen dann HV und Signal über ein BNC-Kabel, die Beschaltung im Divider muss dann etwas anders aussehen. Dafür gibt es dann auch PMT-Adapter, die das HV-Netzteil gleich mit enthalten. Ich könnte dafür mit einem BNC-T-Adapter mein HV-Netzteil und meinen PMT-Adapter zusammen schalten. Ich selbst hatte mich für eine Trennung von PMT-Adapter und HV-Netzteil und damit für einen Divider mit 2 BNC-Anschlüssen und einem Trennkondensator entschieden.

Gruß Andreas

 

[beldowsk]

Hallo UBo,

Zur Zeit liegt das Schield des USB-Steckers an GND und dessen GND an virtGND/V-. Wenn aber am Gegengerät Shield und GND verbunden sind, gibt es einen Kurzschluss zwischen GND und virtGND/V-.

Das GND der USB-Stromversorgung muss unbedingt an virtGND/V-, aber der Audio-Anschluss liegt an GND. Wenn ich USB-Stromversorgung und Audio-Verbindung in den selben Rechner stecke, hab ich doch auch wieder einen Kurzschluss?!

Damit ich einen Kurzschluss vermeide, muss ich doch entweder die USB-Stromversorgung mit einer Power-Bank realisieren, oder darf den Notebook mit der Soundkarte nicht am Netzteil betreiben?!

Sollte ich da die USB-Stromversorgung nicht besser verunmöglichen?

Bei der letzten Platinen-Bestellung hat mich die automatische Vorprüfung aufgefordert, nicht so viel Kupfer zu entfernen. Drum habe ich nun beidseitig je eine Zone vorgesehen, die ich allerdings mit keinem Netz verbunden habe. Soweit ich weiß gehen alle verlegten Leiterbahnen in der Zone auf, wenn ich der Zone ein Netz zuweise. Wie gehe ich damit um?

Gruß Andreas

 

[UBo]

Hallo Andreas,
um sicher zu sein, ist es am besten ist es bei deinem Aufbau, den Schirm garnicht anzuschließen. Die Diskussion hatte ich auch vor einem Jahr mit "erfahrenen" Entwicklern. Mir wurde schon vorgeworfen, daß ich zu pragmatisch bin - also habe ich das Kabel eines Netzteils durchgeschnitten und siehe, es gab keinen Schirm. Bei Datenkabel ist das anders, aber du brauchst den Schirm nicht zur Versorgung. Du kannst das aber auch mit dem Multimeter durchklingeln, ob Schirm und U- verbunden sind. Wenn du aus dem Rechner versorgst sind deine Bedenken sonst berechtigt.
GND überall auf Schirm zu legen ist eine verbreitete Unsitte.
Bei der Platine geht es um den Cu-Füllfaktor bei mehrlagigen Platinen, damit Bei deinem 2-Lager ist das nicht dramatisch - also laß sie meckern.
Bei sehr ungleichmäßiger Kupferverteilung oben/unten oder links/rechts kann es zu Verbiegung der Platine kommen.
Ich bin mit KiCad noch nicht so vertraut - dort heißt das Zone und es besser der Fläche GND zuzuordnen. Die Netze gehen dabei nicht auf. Es gibt normalerweise auch Abstandsregeln. Man legt das shape/area/template oder zone fest (je nach Programm), ordnet ein Netz zu und flutet das, wenn das Layout soweit fertig ist. Man kann auch mehrere festlegen und auch shape in shape. Du kannst das auch mit einem Muster füllen; ich mache aber immer Vollkupfer. Wenn du ein shape mit gnd hast, erspart dir das auch das händische verlegen der meisten gnd Leitungen.
Gruß

 

[beldowsk]

Hallo UBo,

in einem anderen Forum (geigerzaehlerforum.de – Index) wurde mir vermittelt, dass eine GND-Zone mit vielen Bauteilkontaktierungen (z.B. bei bedrahteten Bauteile auf der Platinenunterseite) nicht gut ist. Die GND-Ströme fließen undefiniert. Auch GND-Wege sollten geplant und als explizite Leiterbahnen verlegt werden. Für hochdynamische Baugruppen sollten sie immer sehr kurz sein. Zonen, die auch als Schirmung dienen, sollten nur mit einem Kontakt in das Netzt einbezogen werden. Ist das alles Aberglaube?

Gruß Andreas

 

[UBo]

Hallo Andreas,
also zu 80 - 90% ist das so pauschal tatsächlich Aberglaube. Das sauber zu beschreiben müssen wir uns hier die Felder ansehen.. Das ausführlich zu beschreiben ist wohl hier im Forum zu lang - also nur ein paar Anmerkungen:
Bedrahtete Bauelemente und hochdynamisch beißt sich von Haus aus. Bei deiner 2-lagigen Platine wäre die beste Lösung auf einer Seite alle Verbindungen (ev. mit Brücken und die andere Seite vollständig mit gnd zu fluten. Energie wird im Feld übertragen und das liegt hauptsächlich im Dielektrikum - hier FR4. Wenn zu einem Leiter der Rückweg gnd ist und die Lage unter dem Leiter geflutet ist, ist das die enrgetisch beste Lösung.
Kurze Leitung heißt nur kleine Induktivität. Das ist manchmal durchaus hilfreich, aber bei deine Strömen und Frequenzen nicht wirklich relevant.
Bei wirklich hohen Frequenzen müssen die Leitebahnen als Wellenleiter ausgelegt werden.
Deine Schaltung beginnt mit einem 20kHz Tiefpass dem ein 2. folgt. Das ist für die Leiterplatte praktisch Gleichstrom - kurzer Überschlag:
20kHz => Wellenlänge in FR4 ca. 7,5km - Ausdehnung deiner Platine ca. 5cm. Willst du das etwas ausführlicher, sag bescheid.
Ein praktisches Tool zu Berechnungen von PCBs:

Saturn PCB Toolkit - Saturn PCB

saturnpcb.com

Hohe Frequenzanteile hast du nur an deiner PMT-Gruppe.
Zu deinen Bedenken beim Innenwiderstand der HV-Quelle siehe Anhang. Die Spannungsänderung ist faktisch kaum meßbar.
Gruß