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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Vref für ADC und Konstantstromquelle in einem?


Autor: Michael T. (Gast)
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Hallo Zusammen,

ich bin auf der Suche nach einer geeigneten Referenzspannungsquelle und 
einer Konstantstromquelle um mit einem PT100 oder PT1000 Temperaturen zu 
erfassen.
Dazu habe ich den ADR291 gefunden, in dessen Datenblatt auch eine 
Anwendung als CCS vorgeschlagen wird. Da ich auch eine Vref brauche habe 
ich mir überlegt ob man das nicht kombinieren kann. Im Anhang habe ich 
mal ein PNG erstellt, wie ich mir das vorstelle. S bezeichnet dabei 
einen Schalter (nehme dazu gerne Vorschläge entgegen: welchen 
Transistor, FET???) mit dem man die Konstantstromquelle einschalten 
kann. R ist ein Widerstand (Präzision), den es noch zu dimensionieren 
gilt (2,5kOhm für 1mA), je nach gewünschtem strom.
Da die messung mit dem PT100/Pt1000 nur im one-shot-modus erfolgen soll, 
habe ich mir überlegt, durch das PT1000 1mA zu jagen, da dann geeignete 
Spannungen erzeugt werden, die ich direkt am ADC einlesen kann. Ich weiß 
allerdings nicht, wie stark sich die Eigenerwärmung bei einer sehr 
kurzen Messung bemerkbar macht. Wenn sie zu hoch ist, würde ich eher zum 
PT100 mit 1mA tendieren, wobei ich dann eben mit Faktor 10 verstärken 
muss (OPamp).

Was sagt ihr zu meiner PNG-Zeichnung? Absoluter murks, oder kann das 
funktionieren?
Grüße,
Michael

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Michael,

also das Datenblatt zeigt, daß du beim Schalten "Load Transients" hast, 
die umso länger dauern, je größer deine Entkopplungskapazität am Ausgang 
ist. Das mußt du auf jeden Fall berücksichigen und die eigentliche 
Messung um diese Einschwingzeit verzögert durchführen.

Wenn du einen zweiten ADC-Eingang an der Oberseite von R anschließt, 
kannst du den Spannungsabfall über R messen und auf den Strom schließen. 
Dann bräuchtest du keine Konstantstromquelle. Zum Einschalten könntest 
du einen PNP-Transistor verwenden, der mit dem Emitter an Vout liegt und 
mit dem Kollektor am oberen Anschluß von R.


>Da die messung mit dem PT100/Pt1000 nur im one-shot-modus erfolgen soll,
>habe ich mir überlegt, durch das PT1000 1mA zu jagen, da dann geeignete
>Spannungen erzeugt werden, die ich direkt am ADC einlesen kann.
Ja, das wird oft gemacht.

>weiß allerdings nicht, wie stark sich die Eigenerwärmung bei einer sehr
>kurzen Messung bemerkbar macht.
Angaben dazu findet du im Datenblatt des PT100-Sensors.

Wenn du es ganz genau haben willst, dann solltest du die 
Vierleitertechnik verwenden, bei der der Strom über separate Leitungen 
an den PT100 geführt wird. Das heißt, daß du noch einen weiteren 
ADC-Eingang verwenden solltest, mit dem du das Potenial am unteren Ende 
des PT100 messen kannst.

Kai

Autor: Michael U. (amiga)
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Hallo,

ich suche in der Schaltung die Konstantstromquelle. Ein Widerstand ist 
keine.

Ist aber vermutlich auch egal, ein µC kann ja auch rechnen.

Wenn die Referenzspannung nur für diesen Sensor dient, könnte man wohl 
auch den ADR291 an einen Portpin hängen und das Ganze nur einschalten, 
wenn gemessen werden soll.

Gruß aus Berlin
Michael

Autor: Reinhard Kern (Gast)
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Hallo,

wenn der Strom durch den PT1000 von der gleichen Spannung abgeleitet 
wird wie Vref des ADC, handelt es sich um eine "ratiometrische" Messung, 
also die Messung eines Verhältnisses, und du brauchst garkeine präzise 
Referenz, dafür tuts auch eine Versorgungsspannung.

Gruss Reinhard

Autor: Michael T. (Gast)
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Hallo Leute,

vielen Dank für die schnellen und konstruktiven Beiträge.

Ich habe noch einige andere Spannungen einzulesen und brauche daher doch 
eine ständige Referenzspannung. Allerdings wird die wohl nicht 2,5V 
werden, sondern eher 1V. Dafür hab ich den ADR130 gefunden. Der scheint 
mir aber schlechter/ungenauer bezüglich Langzeitstabilität und drift, 
sowie Genauigkeit zu sein. Ausserdem benötigt er um einiges mehr strom 
(ADR130:80µA; ADR291: 12µA).
Darum bin ich am Überlegen, ob ich mir die 1V Referenz mit dem ADR291 
und einem Spannungsteiler baue... Ist nur die Frage ob das sinn macht 
(drift, Langzeitstabilität der Widerstände), oder ob ich dann bei 
ähnlichen werten wie beim ADR130 bin. Der kann nämlich direkt 1V 
ausgeben.

@Kai:
Ich wollte eigentlich auch mit vier-leiter-schaltung messen. Ich habe 
nur nicht gewusst, dass man das Potential zwischen PT100 und GND auch 
noch erfasst. Das müsste ja eigentlich "0" sein oder nicht? Die Idee mit 
der Ratiometrischen (wie Reinhard vorgeschlagen hat) Messung hatte ich 
auch schon und werde wahrscheinlich auch so vorgehen, da die Schaltung 
in einem weiten Temperaturbereich eingesetzt wird(-40°C bis +125°C). da 
weiß man ja nie ob die "Konstantstromquelle" auch den "richtigen" Strom 
liefert.

@Michael U.:
Im Datenblatt des ADR291 wurde eine Konstantstromquelle vorgeschlagen, 
die aus dem ADR291 und einem Widerstand besteht. Der Widerstand ist in 
meiner Skizze "R". Streng genommen hast du wohl recht, aber im Prinzip 
wird ja eine genaue Spannung am ADR291 erzeugt. Wenn man jetzt noch 
einen Präzisionswiderstand anschließt bekommt man eigentlich einen 
konstanten Strom. Zuerst wollte ich die Konstantstromquelle aus einem 
OPV bauen, aber da ich eh eine Vref brauche und Bauteile sparen will, 
möchte ich das so realisieren wie ich es skizziert habe. Hauptsache es 
funktioniert.

@Reinhard:
leider brauche ich eine genaue Referenz für andere Signale die ich A/D 
wandeln möchte, aber vielen Dank für den Hinweis mit der ratiometrischen 
messung.

Grüße,
Michael

Autor: Michael U. (amiga)
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Hallo,

Michael T. schrieb:
> @Michael U.:
> Im Datenblatt des ADR291 wurde eine Konstantstromquelle vorgeschlagen,
> die aus dem ADR291 und einem Widerstand besteht. Der Widerstand ist in
> meiner Skizze "R". Streng genommen hast du wohl recht, aber im Prinzip
> wird ja eine genaue Spannung am ADR291 erzeugt. Wenn man jetzt noch
> einen Präzisionswiderstand anschließt bekommt man eigentlich einen
> konstanten Strom. Zuerst wollte ich die Konstantstromquelle aus einem
> OPV bauen, aber da ich eh eine Vref brauche und Bauteile sparen will,
> möchte ich das so realisieren wie ich es skizziert habe. Hauptsache es
> funktioniert.

Die Spannung ist konstant, der Widerstand ist aber die Summe aus R und 
dem momentanen Widerstand des PT100 (und dem Widerstand des "Schalters" 
S).

Damit ist der Strom alles anderes als konstant.
Eine Konstantstromquelle sorgt für einen konstanten Strom auch oder 
gerade dann, wenn sich der Widerstand ändert.

Schau Dir die Schaltung im Datenblatt nochmal an, wo da die Last hängt.

Konstantstromquelle und Konstantspannungsquelle mit einem Bauteil 
gleichzeitig geht nicht. Da müßte die Last auch konstant sein und die 
ist hier letztlich der PT100.

Gruß aus Berlin
Michael

Autor: Michael T. (Gast)
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Hallo Michael,

da hast du natürlich recht, ich habe aber eh einen sehr dummen Fehler 
gemacht...  Die Vref die minimal am µC angelegt werden kann muss 
mindestens 2,7V sein... muss nochmal umdenken und das Konzept verändern. 
Jetzt werden wohl doch einige OPVs zum Einsatz kommen (Für 
Spannungsverstärkung der Analogen Signale und Konstantstromquelle).
Trotzdem vielen Dank, ich lerne immer mehr dazu und das ist gut so :)

Gruß
michael

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Michael,

>Ich wollte eigentlich auch mit vier-leiter-schaltung messen. Ich habe
>nur nicht gewusst, dass man das Potential zwischen PT100 und GND auch
>noch erfasst. Das müsste ja eigentlich "0" sein oder nicht?

Eigentlich ja, eigentlich aber auch nicht...

Nein, der 1mA-Meßstrom erzeugt an den Zuleitungen zu dem PT100-Sensor 
Spannungsabfälle, auch auf der Masseleitung, die unerwünscht sind. 
Deswegen führst du mit dem einem Kabelpaar den Meßstrom zum PT100-Sensor 
und greifst mit einem zweiten Kabelpaar den Spannungsabfall direkt an 
den Sensorkontakten ab. Das zweite Kabelpaar führst du dann zur 
Meßelektronik (AD-Wandler).

>Die Idee mit der Ratiometrischen (wie Reinhard vorgeschlagen hat)
>Messung hatte ich auch schon und werde wahrscheinlich auch so vorgehen,
>da die Schaltung in einem weiten Temperaturbereich eingesetzt wird(-40°C
>bis +125°C). da weiß man ja nie ob die "Konstantstromquelle" auch
>den "richtigen" Strom liefert.

Das mit der ratiometrischen Messung funktioniert leider nicht, wenn du 
noch undefinierte Spannungsabfälle im Signalweg hast, beispielsweise 
durch den Schalttransistor, mit dem du doch den Meßstrom periodisch ein- 
und ausschalten willst. Desgleichen stören undefinierte Spannungsabfälle 
an dem Meßleitungen, wenn du mal das Meßkabel austauschst.

Wenn du dagegen den Spannungsabfall über R mißt und den Spannungsabfall 
über den Sensorkontakten (Vierleitertechnik), kannst du bequem den 
Widerstand des PT100-Sensors bestimmen. Dabei spielt es keine Rolle, ob 
du später irgendwann die Kabellänge veränderst, ob du den Strom ein- und 
ausschaltest oder ob die Spannungsquelle konstant ist. Lediglich für die 
Dauer der Strom- und anschließenden Spannungsmessung muß sie stabil 
sein.

Kai

Autor: Reinhard Kern (Gast)
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Hallo,

ich habe deine Skizze mal zur Klarifizierung ergänzt: du bestimmst mit 4 
Messungen die Spannung an PT100 und an R (auch das ist eine 
ratiometrische Messung) und kannst leicht das Verhältnis ausrechnen, der 
Strom fällt raus und muss daher nur während der Messung konstant sein. 
Bestimmend für die Genauigkeit ist der Widerstand R, der als Referenz 
dient und ausreichend stabil sein muss, also nicht gerade Kohleschicht.

Gruss Reinhard

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Reinhard,

>..auch das ist eine ratiometrische Messung...

Du hast vollkommen Recht! Entschuldige.

Kai

Autor: Michael T. (michelback)
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Super Leute,
vielen Dank an alle, vor allem auch an reinhard für die erweiterung der 
Skizze. Wenn ich jetzt den Widerstand als Referenz nehme, muss ich gar 
keine genaue Spannungsquelle nehmen, oder? Ich kann dann ja einfach über 
die Verhältnisse der Widerstände und der daran abfallenden Spannungen 
bestimmen, welche Temperatur herrscht. So hab ich das nach euren 
Erklärungen verstanden. Das wäre dann ja unabhängig vom Strom. Aber wie 
lege ich jetzt den Widerstand R fest?

habe mir dazu folgendes Überlegt:
Ich nehme den Widerstandswert des Pt100 in der Mitte des gewünschten 
Messbereiches und addiere den Widerstand R dazu(und den Widerstand des 
Schalters). Bei anliegender Spannung soll 1mA fließen. Daraus ergibt 
sich bei vorgegebener Spannung der Wert für R.
Konkret:
Messbereich soll von -50°C bis 350°C gehen
=> [Widerstandswert bei 200°C + R + R(Schalter)] * 1mA = Anliegende 
Spannung

Der strom variiert dann natürlich, je nachdem welchen widerstandswert 
das Pt100 hat. Ich muss mal schauen, welchen wert der Strom maximal 
haben kann (also bei -50°C). nicht dass die Eigenerwärmung zu groß wird.
Ist meine abschätzung für R ok? Hab einfach mal die Mitte des 
Messbereichs angenommen, damit man noch unten und oben die gleichen 
"Abweichungen" hat.

Gruß
michael

Autor: Reinhard Kern (Gast)
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Michael T. schrieb:
> Der strom variiert dann natürlich, je nachdem welchen widerstandswert
> das Pt100 hat. Ich muss mal schauen, welchen wert der Strom maximal
> haben kann (also bei -50°C).

Hallo,

falsch: für 1 mA muss der Gesamtwiderstand bei 2,5 kOhm liegen, damit 
ist der Strom aber fast konstant. Der Spannungsabfall am Pt100 wächst 
aber mit der Temperatur, bei 300 Grad ist er 212 Ohm. Die Leistung ist 
dann auch etwa doppelt so hoch wie bei 0 Grad, aber ist immer noch zu 
vernachlässigen.

Für Präzisionsmessungen habe ich übrigens den Pt100 nach folgender auf 0 
bis 300 Grad optimierter Formel ausgewertet:

T = 0,00111 * R^2 + 2,33025 * R - 244.15068

Gruss Reinhard

Autor: Michael T. (michelback)
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Das klingt einleuchtend. Ich nehme an der Strom ist deshalb nahezu 
konstant, weil der Widerstand R gegenüber dem PT100 sehr hoch ist. Ich 
betreibe meinen µC mit 3,3V. Jetzt kann ich doch im Prinzip einen 
Gesamtwiderstand von 3,3Kohm hernehmen und es müsste mit der regulären 
Spannungsversorgung funktionieren. Also bräuchte ich gar keine 
Präzisionsspannungsquelle mehr. Ausserdem wäre dann der Widerstand R ja 
noch größer im Vergleich zum Pt100, also wäre der strom "noch 
konstanter" :D

Ich muss nur leider externe ADCs verwenden, da ich verschiedene 
Referenzspannungen brauche (habe noch einige andere Sensoren, die alle 
unterschiedliche Spannungspegel ausgeben). Ich werd das ganze also an 
einen externen ADC hängen und den via SPI schnittstelle abfragen. Wenn 
ich jetzt die parametrische Messung (2x spannung R einlesen + 2x 
spannung Pt100 einlesen) anwende, kommts zu einer ganz schönen 
Rechenarbeit für den µC(16bit, 10MHz CPU)... Ich hoffe das haut alles 
hin, auch mit der Berechnung der restlichen Sensordaten.
Bei einer Konstantstromquelle, würden im Prinzip 2ADC Umrechnungen 
wegfallen (R wird nicht benötigt) und der µC wäre entlastet, allerdings 
muss dann der strom in allen temperaturbereichen auch wirklich 1mA sein, 
sonst ist die Messung falsch. Das scheint mir eher unwahrscheinlich zu 
sein. Auch durch EMV könnten sich da Messfehler einschleichen. Sicherer 
ist wohl die Parametrische Variante. Ich denke ich werd das auch so 
machen.
Vielen Dank soweit!
Gruß,
Michael

Autor: Michael T. (michelback)
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was mir grad noch aufgefallen ist: Am Widerstand R fällt dann ja nahezu 
die ganze spannung ab, während am Pt100 nur ein Bruchteil der Spannung 
abfällt. Das heißt, es wäre sinnvoll 2 differentiell messende ADCs zu 
verwenden, die mit unterschiedlichen referenzspannungen arbeiten, oder? 
Sonst würde die Auflösung beim Pt100 zu gering sein.
Beispielhafte Annahme:
am R fallen 3V ab, dann bleiben für das Ptt100 noch 0,3V. Für den ADC an 
R wäre also eine Vref>=3V gut und für den ADC des Pt100 eine Vref>=0,3V.

Stimmt doch oder?
Grüße,
Michael

Autor: Reinhard Kern (Gast)
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Michael T. schrieb:
> ... Für den ADC an
> R wäre also eine Vref>=3V gut und für den ADC des Pt100 eine Vref>=0,3V.
>
> Stimmt doch oder?
> Grüße,
> Michael

Hallo Michael, stimmt schon, besonders für primitiv-ADCs mit 8 bit. Bei 
höherer Auflösung ist das nicht so schlimm, denn du kannst davon 
ausgehen, dass du in keinem Fall besser als 0,1 Grad messen kannst, 
dafür bekommst du weder entsprechende Sensoren noch hast du eine so 
genaue Eichmöglichkeit, also brauchst du auch keine Auflösung auf 
hundertstel Grad.

Alternative 1: ist dein Schalter sehr niederohmig oder lässt du den 
Schalter ganz weg, brauchst du die obere Spannung von R garnicht messen, 
die ist Vref bzw. Maximum des ADC. Die anderen Spannungen sind niedrig.

Alternative 2: du teilst R auf in 2,4 kOhm und 100 Ohm, diese sind der 
Vergleichswiderstand, dann sind alle Spannungen niedrig.

Du siehst, es gibt viele Variationsmöglichkeiten.

Gruss Reinhard

Autor: Reinhard Kern (Gast)
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Nachtrag:

wenn die Auflösung tatsächlich 0,1 Grad sein soll, wird es nach meiner 
Überschlagsrechnung für einen 12 Bit ADC notwendig, den Spannungsabfall 
über dem Pt100 ebenso wie die Spannung an R mit einem 
Präzisions-Differenzverstärker zu verstärken. Das spart auch die 
Differenzmessungen. Die Verstärkungen müssen nur konstant sein, dann 
erzeugen sie keine zusätzlichen Fehler.

Bei 1 mA Messstrom liegen am Pt100 maximal 200 mV (bei 300 Grad), die 
Änderung beträgt 0.385 Ohm / Grad. Die nötige Auflösung für 0,1 Grad 
beträgt also 0.04 mV. Bei 330 mV Vref benötigt man 13 Bit Auflösung.

Gruss Reinhard

Autor: Michael T. (michelback)
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Hallo Reinhard,

vielen Dank für die ganzen Berechnungen und deine hilfreichen Beiträge. 
SChnell bist du auch noch - sehr fein :D
Ich habe gesehen dass du auch in einem anderen Thread von mir 
antwortest, vielen Dank für deine Zeit. Ich bin noch am lernen wie man 
was am besten verschaltet/verstärkt/einliest. Das mit dem Aufteilen der 
Widerstände ist natürlich eine sehr findige und einfache Lösung. Ich 
musste gerade lachen, dass es so einfach ist :) Hätte ich auch selber 
drauf kommen können :D

Die Auflösung soll 1°C oder besser sein. 0,1°C ist nicht nötig.

Ich denke ich mache das dann so, dass ich R aufteile und mit den 100Ohm 
Widerstand differentiell ADC wandle. das gleiche mache ich mit dem Pt100 
und verrechne dann die beiden Werte miteinander im µC um die 
Temperaturzu bekommen.

Schalten muss ich trotzdem, sonst würden ja ständig 1mA fliessen. Meine 
Schaltung wird aber Batterie-betrieben (zumindest Zeitweise). darum 
möchte ich nur zur Messung einschalten.
Der Schalter dafür steht noch aus, da kenne ich mich zu wenig aus. Falls 
du noch einen Tipp für den Schalter hast(soll vom µC geschaltet werden, 
Ausgangspegel: LOW:0V-0,5V; HIGH: 2,8V-3,3V)


Grüße,
Michael

Autor: Reinhard Kern (Gast)
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Michael T. schrieb:
> Der Schalter dafür steht noch aus, da kenne ich mich zu wenig aus. Falls
> du noch einen Tipp für den Schalter hast(soll vom µC geschaltet werden,
> Ausgangspegel: LOW:0V-0,5V; HIGH: 2,8V-3,3V)

Hallo,

da gibt es viele, aus dem Farnell-Katalog habe ich rausgesucht Fairchild
FDN340P
P-Kanal
On-Widerstand 0.07 Ohm, kann man in der Berechnung vernachlässigen
Vgs - 1,5 V, sollte also mit -3,3 V voll schalten.
SOT23

Grundsätzlich ist jeder P-MOSFET geeignet mit logik-kompatibler 
Gatespannung und einem Ron kleiner 1 Ohm.

Gruss Reinhard

Autor: Michael T. (michelback)
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Super! Vielen Dank! so langsam setzt sich das Puzzle zusammen :)

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