DC vermogenslogger voor batterijgevoed mcu systeem

Een Joulescope.

Werkte voor onze batterij gevoedde optimalisaties heel goed, met een dure DMM kregen wij het niet gemeten ivm snelle stroompulsen, en het schakelen tussen dynamische bereiken.

De software is heel vriendelijk. Dit apparaat is wel twee keer zo duur als gevraagd.

Een andere oplossing is de Nordic Power Profiler. Geschiktheid zul je zelf even moeten controleren. Deze is veel betaalbaarder dan de Joulescope.

Hiertussen heb ik destijds gekozen.

Die power profiler gebruiken wij ook op de zaak. Dat werkt prima. Ik weet alleen even niet of die ook delta metingen kan doen.

Dat is niet duur voor zoveel resolutie. Mijn powermeter kost ook zo iets maar die heeft maar 100 nA resolutie.

Bij microcontrollers wil je ook wel een integrerende meting doen. (ik weet niet de exacte term, hiervoor noemde ik het delta meting. )

Maar wat ik bedoel, een microcontroller heeft aardige pieken in het stroomverbruik. Als je enkel samples pakt op een vast interval kan het best zijn dat een piek wegvalt, of dat je maar een deel van een piek meet. Hierdoor kan je meting best afwijken. Een integrerende meting heeft dit probleem niet omdat hij het verbruik integreert tussen de samples.

Op de zaak hebben we ook een meter zoals fred101 aangeeft voor de echte stroom bepaling. Maar die Nordic kitjes geven best veel inzicht. Ook praktisch tijdens het programmeren.

Als je pieken wilt meenemen kun je het best een Wh meting doen, daar wordt alles meegenomen. Maar er is een probleem. Als de piek heel kort is dan heb je een heel erg snelle meter nodig om dat te registreren. Zelfs als je Wh of Ah gebruikt. Zo'n ding heeft de zelfde limitatie als elke multimeter. Je moet er een hebben die heel snel sampled, AC+DC meet (dus niet AC gekoppeld) met een hoge crest factor en dan Ah of Wh meting doen want die pieken zien is leuk maar zinloos omdat je ze waarschijnlijk niet ziet, of als de meterscherm update rate wel snel genoeg is, je ze niet kunt aflezen omdat het net zo lang leesbaar is als het piekte.

hele korte nA pieken meten is vreselijk moeilijk. Je komt dan bij zoiets als een K7510 uit die een 1 MS/s mode heeft, en dat zou nog steeds te traag kunnen zijn.

Ik zou zelf eerder richting een high end SMU denken maar dat gaat vreselijk ver boven het budget uit.

Een heel goede scoop zou hier het beste zijn als er een mogelijkheid was om daar nA mee te meten. Zelfs een probe die 1mA/div doet valt al ver buiten het budget.

Je moet je ook afvragen of zulke korte stroom piekjes de moeite waard zijn.

Als een idee over het grillige stroom verbruik van digitaal gedoe: Ik heb ooit de opstart stroom van een raspberry-py gemeten met een 75MHz stroom probe met 1 Ma resolutie (en dat zijn nog niet eens nA pieken, (ik denk dat hij hier op een paar honderd mA/div stond en dat gaat al wild te keer)):

Die Joulescope ziet er alvast zeer goed uit en eenvoudig in gebruik. De Nordic Power Profile KIT II heeft dan weer een hele goede prijs. Ik ben een beetje in twijfel tussen die twee.

Mvg,
Daan

Die Nordic vermeld nergens zijn specificaties. Alleen dat ze 100nA resolutie hebben maar vanaf 200nA kunnen meten. Maar er wordt ook 1mA genoemd. Ik lees nergens hoe en of er auto ranging is.
En ze noemen 100 ks/s sample rate. Maar niet hoeveel bit de ADC is of welke fout-toleranties gelden. Als je echt nA resolutie nodig hebt dan denk ik niet dat je hier wat aan hebt. Aan de andere kant kan het best zijn dat jou eisen gewoon hoger liggen dan nodig, dat weet je zelf het beste. Hoe kleiner de meetwaarden de hoger de prijs van meetapparatuur, en dat is geen lineair verband, dat gaat logaritmisch

Oh. Ik had uit de specs gehaald dat ze een 10 bit ADC hebben (1mA resolutie bij 1A) en vermoed dat ze dus ook een "schaal" van 0.1 mA hebben waarbij de resolutie dan dus 100nA wordt.

Dat impliceert dat ie "schalen" heeft waartussen ie schakelt. Dus als je eerst 0.5 µA zit te meten, maar ineens meer dan 10x meer stroom trekt, is de vraag hoe snel hij de schaalverdeling kan bijstellen om dat redelijk te meten.

Anderzijds, ze zeggen dat je prima hun nordic RF chips d'r mee kan meten, en die vertonen precies dat gedrag: in rust heel weinig totdat er ineens iets gestuurd moet worden....

Ik heb een vergelijkbare meting gemaakt als fred101.
(opstartgedrag RPi 3B met de Joulescope).

Je kan erg ver inzoomen en (bij een klein signaal) zie je het verschil als je met je vinger 2 5V contacten aanraakt (enkele uA). De RPi is daar te grillig voor.

Specs tbv stroom en spanningsmeting toegevoegd.

@elmowww bedankt voor de grafiek en de meting. De joulescope heeft me toch overtuigd qua resolutie en gebruiksgemak. Ik denk dat wer hiervoor zullen gaan.

Bedankt iedereen voor het meedenken.

Ik denk dat dat wel een bruikbaar apparaat. Probleem bij dit soort metingen is dat je de cijfers niet kunt verifiëren.

De bandbreedte in de 18uA range is 15 kHz maar als het gaat om optimaliseren tijdens actief gebruik dan maken wat gemiste uA's niet zoveel uit. Je praat dan waarschijnlijk over mA's.

En als het gaat om verbruik in sleep mode dan zul je geen hoge bandbreedte nodig hebben, zolang hij maar triggert. Als hij niks trekt en dan ineens even een paar mA dan zal dat wel lukken als het lang genoeg duurt. Maar in dat geval kun je de boel verifiëren met een oscilloscope. bv meten over een wat grotere weerstand, met een labvoeding kun je de spanningsval daarover compenseren.

Ik wil er wel een voor je aan de scoop hangen (Ik heb een 75MHz en 5MHz stroomprobe maar ook RF diffprobes), Ik kan hem ook aan mijn powermeter en SMU (die heeft pA resolutie) hangen. Dan heb je een vergelijk als verificatie. Uiteindelijk gaat het over het totale verbruik. Als dat bv 100mAh is dan is zelfs een tiental uAh die je zou missen vanwege bandbreedte te verwaarlozen. Trekt het ding 1mAh dan wordt het wat anders.

Stroom is erg belangrijk, het zegt meer dan spanning maar het is moeilijker meten. Als die processor niets doet maar wakker is trekt hij een basis stroom om dingen als de klok te laten lopen. Dat zal redelijk constant zijn en makkelijk te meten. Maar als hij draait wordt het lastiger. Als je zeg maar een poort 10 mS aanzet zonder dat er wat aanzit dan loopt er 1 ms een klein beetje stroom om een intern mosfetje of torretje aan te zetten. Als dat bv 100 nA extra is dan ga je dat met die joulescope waarschijnlijk wel zien. Hij zal mogelijk wat in het begin missen ivm stijgtijd (als die poort bv in 1uS hoog wordt) maar op 10ms geen echt probleem. Maar als de processor slaapt en steeds 1 us wakker wordt en dan 1mA trekt dan zou het kunnen dat de joulscope dat mist of anders een veel lagere waarden geeft want 1 sample kost 1/15kHz tijd (iets van 60 us)

Er kan nog een tweede probleem zijn, eerste generatie DSO's sampelde iets van 15% van de tijd en de rest van de tijd was nodig ivm berekenen en afbeelden. Daar heeft Keysight toen veel reclame mee gemaakt. Hun wafeform update rate was veel sneller dan van andere merken waardoor ze dingen als runts beter zagen. Nu kun je dat bij een scopen nog compenseren door single shot te gebruiken. In mijn plaatje sampeled de scope maar met 5 kHz (het is een 350 MHz scoop dus hij kan veel sneller) De joulescope staat zo te zien op 1s/div tegen 100 ms/div van mijn scoop. Veel loggers zijn goed in redelijk constante stromen, niet in transient achtige bursts registreren.

Als je real time kijkt naar bepaalde events dan gebruik je tijd/div en mA. Als het om verbruik-loggen gaat, dan gebruik je mAh en meestal een grotere tijd/div en dan is het de vraag of hij dingen mist.

Ik denk dat een test eenvoudig is. Programmeer je DUT zo dat hij bv gedurende 1ms om de 1 seconde iets doet (bv een led met 1mA aan zetten. Dan moet je iedere seconde een 1 ms stroompiekje zien. Dan ga je beide tijden variëren totdat je niets meer registreert. Dan weet je de limitatie van je meting. Dit kun je ook met Wh of Ah herhalen om te kijken of dan die piekjes nog steeds geregistreerd worden.

Tweede testje, maak dat "event" bv 10 seconden (bv een ledje met 1mA aanzetten) en meet met een redelijk snelle DMM en de joulescoop de stroom. Die moeten beide min of meer gelijk zijn.

Laat ook een scoop meelopen, meet de spanning over de weerstand, dan zie je in ieder geval de stroom ook grafisch als vergelijk met de joulescope. De hele puls meet je zo, maar gebruik ook single shot en bv 10ns/div, dan zie je ook precies de stijgtijd en kun je dat vergelijken met de joulescope

Even inhaken nog: ik ben overtuigd geraakt van de Joulescope bij het optimaliseren van een apparaat dat een sensor en een motor moest aansturen. De sensor had ~2..5x per seconde een piek van ~30mA, de motor liep tot ~1,5A, en ik moest het MCU gebruikt optimaliseren. (batterijgevoed apparaat).

De Joulescope kan naar een file loggen, of als een scope gebruikt worden. Hij loopt normaliter continu (heeft geen trigger). Sampled intern tot 2 MHz geloof ik. Ook al heeft hij in het lager verbruik een langzamer filter. Dus je hoeft geen angst voor blinde tijd te hebben.

Let wel dat dit flink RAM kan gebruiken. Ik heb hem op 2 GB RAM gebruik gelimiteerd en kan dan op volledige snelheid (nooit lager ingesteld gehad) 1 minuut loggen. Daarna gaat ie rolling mode door.

Anders moet je naar file loggen en los analyseren denk ik.

Destijds ben ik juist bij dit ding uitgekomen omdat ik een weerbarstige load had (met veel pieken en lage ruststroom). Dat werkte erg goed! Met een scoop kwam ik er niet uit (8 bits verticale resolutie, achteraf had ik een 16 bits kunnen pakken bedenk ik nu), en de DMM was te traag voor de snelle pieken (werden heel regelmatig gemist).

Ahwel, heb geen aandelen maar ik ben er wel meer tevreden over dan ik vooraf had verwacht!

Op 4 oktober 2023 09:25:12 schreef elmowww:
Specs tbv stroom en spanningsmeting toegevoegd.

Kortom, precies niet geschikt voor wat Totale beginner er mee wil:

Nauwkeurig meten hoeveel de rust-stroom is als z'n apparaat in "sleep mode" is, alsmede ook hoeveel de pieken gebruiken als ie even wakker wordt.

De rust stroom wil je onder de 1 µA zien te krijgen. De pieken kunnen makkelijk 10mA zijn als je CPU effe wat moet doen, en 100mA als je "effe" een wifi of ander protocol pakketje gaat versturen.

Hier zitten vier a 4 orde-van-grootte tussen, dus "zomaar" aansluiten en meten gaat het niet worden. Wel valt er vast wat te verzinnen om het toch te meten. Bijvoorbeeld: Zet hem op de 180mA range en je kan de 100mA "zend pakketje" pieken goed zien. Als je dat in de praktijk 1x per minuut doet, doe je het nu 1000x per seconde en kan je aflezen hoeveel joule ieder pakketje kost. En dan haal je het "zend een pakketje even uit de code en ga je in "sleep" mode meten. (of gewoon in de eerste 50 sec aflezen wat het standby verbfuik is).

@rew ik kan niet helemaal volgen waarom de Joulescope niet geschikt zou zijn? Ik heb begrepen dat net 1 van de sterke punten van de joulescope het zeer snel schakelen tussen interne shunt weerstanden is waardoor ik dus vanuit slaap naar bvb LTE modus goed kan meten? Of zie ik iets over het hoofd?

Als het schakelen inderdaad heel snel gaat kan het wel werken...
Meestal is realtime stroommeting over zo'n enorm meetbereik slecht goed te krijgen.

Oh, Dat had ik er niet uitgehaald. Dat scheelt een hoop als ie dat kan! Ik had kennelijk onterecht aangenomen dat je hem voor een meting op een bepaalde range moet zetten.

Ik ben dan bang dat je op de kleinste schaal zit, dus met de 1k weerstand in serie met je voeding en dat als je dan ineens 100mA gaat
trekken, dat je spanning 0V is voordat ie overgeschakelt is op een andere meetweerstand. Maar als je dat schakelen heel snel kan dan zal een condensatortje wel genoeg zijn om dat op te vangen.

Ik heb dit gevonden in de handleiding van de JouleScope (https://download.joulescope.com/docs/JoulescopeUsersGuide/JoulescopeUs…) vanaf pagina 29:

The Joulescope specification states that range switching occurs within 1.2 µs max. This specification
determines how much (or in the case of Joulescope, how little) voltage drop happens when the target
changes current demands. The Joulescope specification gives over-range settling time is 2 µs typical
with 5 µs max. This specification determines how well Joulescope can measure data through the
transition. Any auto-ranging ammeter needs to be VERY fast to limit voltage variations at the target
device, and Joulescope was designed to meet these demanding requirements.

Dat is de reden waarom de Joulescope mij veel meer aanspreekt dan de Nordic Power Profiler kit. Daar kon ik zelfs geen specificatie vinden over de snelheid van autoranging. Enkel een kleine vermelding

Since the meter autoranges, you also need to ignore glitches if the range switches.

Hi Totale beginner,

Deze is naar mij onderweg, goed de datasheet lezen om te kunnen afwegen of dit voor jouw toepassing het goede apparaat is.

https://www.eleshop.nl/gw-instek-gpm-8310-digital-power-meter.html

Groet,
Bram

Hallo allen,

Nogmaals bedankt voor het meedenken, het is de Joulescope geworden. Vandaag is hij toegekomen dus ik hoop volgende week al wat testen te kunnen doen.

Mvg,
Daan