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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Dimensionierung eines Verstärkungssystems mit hohem Gain


Autor: Andre (Gast)
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Hallo!

Ich soll eine Schaltung entwickeln, die die Augenstellung erfassen kann. 
Dazu gibt es ein Verfahren, das ein Elektrodenpaar pro Auge vorsieht (um 
die Horizontalbewegung zu erfassen). Das Auge arbeitet dabei wie ein 
Dipol, so dass über den Elektroden eine Gleichspannung abhängig von der 
momentanen Augenstellung abgegriffen werden kann.
Die Spannung an den Elektroden ist allerdings sehr klein und befindet 
sich im Bereich von 0 V bis wenigen hundert µV. Selbstverständlich darf 
das Signal so gut wie gar nicht belastet werden.
Aus diesem Grund will ich einen hochwertigen Instrumentenverstärker 
benutzen, einen aktiven Filter, um hochfrequente Störungen 
herauszufiltern und 1-2 weitere Verstärkerstufen, um das Signal in den 
Volt-Bereich zu verstärken. Das gleiche Prinzip wird auch bei EEG- und 
EKG-Signalen angewendet und von daher glaube ich, dass ich eine ähnliche 
Schaltung auch für meinen Fall verwenden kann. Hier auf dieser Seite 
gibt es einen Schaltungsentwurf für ein EEG-System:
http://openeeg.sourceforge.net/doc/modeeg/modEEGamp-v1.0.png

Nach der Verstärkung soll die Spannung mit einem externen 16-Bit-ADC 
digitalisiert und einem Mikrocontroller zur Verfügung gestellt werden.

Nun zum eigentlichen Problem:
Mir stehen nur 2 Spannungen für meine Schaltung zur Verfügung: 3,3 V und 
12 V (asymmetrisch)
Jetzt könnte ich natürlich meinen Instrumentenverstärker mit 3,3 V 
betreiben und den Referenzpunkt auf 1,65 V legen, so dass ich nach der 
Stufe einen maximalen Signalhub von 1,65 V um 1,65 V nach oben und nach 
unten habe. Die EEG-Schaltung arbeitet ja genau so, nur mit einer 
höheren Spannung.
Jetzt dachte ich mir nur, dass es evtl. wegen Störungen vorteilhafter 
wäre, wenn ich eine größere Spannung für den Instrumentenverstärker und 
die darauf folgenden Stufen verwenden würde. Immerhin reden wir hier ja 
von Spannungen im unteren µV-Bereich.

Ist die Überlegung erstmal so weit korrekt, oder haben gute 
Instrumentenverstärker bzw. Opamps dieselben Eigenschaften bei kleinen 
und bei großen Spannungen?

Ich wollte jedenfalls die Spannung dann auf 12 V erhöhen, so dass ich 
einen Signalhub von 6 V statt 1,65 V habe. Aber problematisch wird es 
dann bei der AD-Wandlung. Die meisten (alle?) ADCs wollen maximal mit 5 
V betrieben werden. Dementsprechend wird natürlich auch die 
Eingangsspannung auf 5 V begrenzt. In meinem Fall wohl auch eher auf 3,3 
V, da ich 5 V gar nicht habe. Ich kann ja nun wohl schlecht mit einem 
Opamp-Ausgang, der im schlimmsten Fall 12 V haben kann, auf den ADC 
gehen, der nur mit 3,3 V betrieben wird. Das würde er wohl nicht lange 
überleben. ;)
Ich könnte die Spannung natürlich mit einem Spannungsteiler 
herunterteilen, aber das erscheint mir nicht sauber.
Ich würde eigentlich lieber mit nur einer Spannung arbeiten.

Nur frage ich mich eben, ob die 3,3 V reichen, um das verdammt winzige 
Signal ausreichend zu verstärken.

Im Prinzip könnte ich natürlich mit einem DC/DC-Wandler mir eine weitere 
Spannung generieren, aber optimal wäre es, wenn ich mit den Spannungen 
auskäme.

Ich bedanke mich schon mal für Lesen und hoffe auf Antworten/Ideen.

Grüße,
André

Autor: aha (Gast)
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Ja. Verstaerkung ist eine Sache und das Signal-zu-Rausch-Verhaeltnis 
eine andere. Wenn man das Rauschen mitverstaerkt gewinnt man nichts.

Autor: Andre (Gast)
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Dein Ja bezieht sich auf meine Frage, ob ich die Schaltung komplett mit 
3,3 V versorgen kann?
D.h. eine Spannungserhöhung auf 12 V würde mir nichts bringen?

Mir ist schon klar, dass das SNR eine große Rolle spielt. Bei idealen 
Bauteilen würde die Versorgungsspannung ja auch keine Rolle spielen.
Nur dachte ich evtl. dass die (realen) Opamps/Instrumentenverstärker bei 
höheren Spannungen evtl. besser arbeiten.

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo,

> Die Spannung an den Elektroden ist allerdings sehr klein und befindet
> sich im Bereich von 0 V bis wenigen hundert µV. Selbstverständlich darf
> das Signal so gut wie gar nicht belastet werden.
bist Du Dir sicher, daß ein normaler OPV nicht ausreicht? Oder müssen es 
wirklich die 10^15 Ohm des INA116 sein? Schließlich sind die Elektroden 
ja parallel zu Deiner Schaltung über das Gewebe miteinander elektrisch 
verbunden.

> Aus diesem Grund will ich einen hochwertigen Instrumentenverstärker
> benutzen, einen aktiven Filter, um hochfrequente Störungen
> herauszufiltern und 1-2 weitere Verstärkerstufen, um das Signal in den
> Volt-Bereich zu verstärken.
Hier ist zu beachten, dass die Instrumentenverstärker wie der INA116 
gewöhnlich nicht Rail-to-Rail arbeiten, so daß es besser wäre, eine 
symmetrische Versorgung des Verstärkers vorzunehmen; zumindest für einen 
ersten Versuch.

Ich glaube, daß die DC-Offsetspannungen am Eingang des Verstärkers Dir 
für Deine Anwendung möglicherweise mehr Probleme bereiten könnten als 
der Eingangswiderstand. In diesem Zusammenhang könnte es sinnvoll sein, 
nach sogenannten Zero-Drift-Amplifiern Ausschau zu halten bzw. direkt 
den Eingang eines symmetrisch betriebenen Sigma-Delta-Wandlers zu nutzen 
(sofern hochohmig genug).

> Nach der Verstärkung soll die Spannung mit einem externen 16-Bit-ADC
> digitalisiert und einem Mikrocontroller zur Verfügung gestellt werden.
Du brauchst das Signal maximal einmal zu verstärken/puffern und kannst 
es dann in einen rauscharmen Sigma-Delta-Wandler wie beispielsweise 
ADS1232 einlesen. Derartige Wandler unterdrücken sowohl die 
50Hz/60Hz-Netzstörungen, was vorteilhaft sein sollte.

> Mir stehen nur 2 Spannungen für meine Schaltung zur Verfügung: 3,3 V und
> 12 V (asymmetrisch)
Das sind doch im jetzigen Stadium Deines Wissens nachrangige Fragen. 
Nimm erstmal ein ordentliches stabilisiertes +/-Netzteil sowie lineare 
Spannungsregler auf dem Board und finde heraus, welche Verstärker Du für 
Deine Signale brauchst.


Gruß,
  Michael

Autor: Andre (Gast)
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Naja, also der Eingangswiderstand dürfte in der Tat nicht das größte 
Problem sein, wohl aber die Gleichtaktstörungen, die von den Elektroden 
bzw. den Zuleitungen ausgehen. Integrierte Instrumentenverstärker haben 
normalerweise ein wesentlich besseres CMRR, geringere Offset-Spannungen 
und ein besseres Rauschverhalten, so dass eine integrierte Variante 
sicherlich besser ist.
Als Instrumentenverstärker wollte ich eigentlich auch gar nicht den 
INA114 nehmen wie in dem EEG-Beispiel, sondern ich dachte da eher an den 
AD627B oder an den AD8220. Das sind auch Rail-To-Rail-Typen.
Nach Zero-Drift-Verstärkern halte ich mal Ausschau. Spontan habe ich den 
OPA333 gefunden, der sich für die Weiterverarbeitung des Signals 
(Filterung, weitere Verstärkung) sicherlich gut eignet.

Aber mal grundsätzlich:
Der von dir vorgeschlagene ADC wird ja auch nur mit einer relativ 
geringen Versorgungsspannung von max. 5,3 V betrieben. Also wäre es doch 
sinnlos, von vornherein die Verstärkerstufen mit 12 V zu betreiben, da 
ich wegen des ADCs ja gar nicht in den Spannungsbereich kommen darf.
D.h. wenn ich den ADC mit 5 V betreiben sollte, kann ich die 
Verstärkerstufen davor auch max. mit 5 V betreiben, oder? Alles andere 
wäre meines Erachtens sinnlos.

Grüße,
André

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo André,

> Aber mal grundsätzlich:
> Der von dir vorgeschlagene ADC wird ja auch nur mit einer relativ
> geringen Versorgungsspannung von max. 5,3 V betrieben. Also wäre es doch
> sinnlos, von vornherein die Verstärkerstufen mit 12 V zu betreiben, da
> ich wegen des ADCs ja gar nicht in den Spannungsbereich kommen darf.
> D.h. wenn ich den ADC mit 5 V betreiben sollte, kann ich die
> Verstärkerstufen davor auch max. mit 5 V betreiben, oder? Alles andere
> wäre meines Erachtens sinnlos.

der ADS1232 hat beispielsweise einen Vorverstärker v=128 integriert.
und erreicht sehr große Meßgenauigkeiten.

Das Eigenrauschen liegt beispielsweise bei 250nVpp bei der maximalen 
Abtastung von 80 Samples pro Sekunde.

Ich denke, er könnte alleine schon zur Detektion reichen; das kannst Du 
aber besser abschätzen anhand von:
- Eingangsstrom (unterer nA-Bereich)
- Common Mode Rejection (was hier ja auch nicht schlecht ist)
- Nichtlinearität
- Rauschen

Das Ding dabei ist jedoch: Der Wandler arbeitet nur ordentlich, wenn 
beide Eingangsspannungen sich etwa im Bereich (VCC-VDD)/2 bewegen. Also 
wäre die Überlegung, daß Du diesen Wandler mit +/-2.5V betreibst.

Zu Deiner ganz allgemeinen Frage: Nein, ein OPV rauscht nicht 
grundsätzlich weniger, wenn Du ihn mit 12 V statt mit 3.3V betreibst. 
Das ist relativ egal. Die Frage der Aussteuerung an Ein- und Ausgang ist 
wichtiger.

In Deinem Fall ist die wichtigste Frage: Arbeitet der Verstärker noch 
ordentlich, wenn Du die Differenz aus U1=10µV und U2=0 detektieren 
willst, Du als unterste Versorgungsspannung aber 0V hast.
Wenn Du so extrem nah an den Rails bist und nur sehr kleine Signale 
hast, kann die Frage schon entscheidend werden. Ich würde dem Verstärker 
in einem solchen Fall im ersten Anlauf +/-2.5V geben.



Gruß,
  Michael

Autor: Andre (Gast)
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Gut, danke für die Tipps.
Ich werde mal schauen, was sich realisieren lässt.

Grüße,
André

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