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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik brauche OpAmp-Spannungslupe 10-16V auf 0-5V für ADC


Autor: Ben (Gast)
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Hi!

Ich hoffe ich finde hier jemanden der sich mit der Beschaltung von 
OpAmps besser auskennt als ich im Moment. Ich möchte die Spannung eines 
12V Bleiakkus möglichst gut aufgelöst mit dem ADC eines AVR messen. Als 
Referenz soll entweder die stabilisierte Betriebsspannung von 5V oder 
die AVR-interne Referenzsspannung (2,56V oder wieviel die genau hat) 
dienen. Ich bekomm's aber nicht hin, dafür eine entsprechende Schaltung 
zu entwerfen und zu dimensionieren. Wer kann mir helfen? Mit Schaltplan, 
vielleicht auch mit Berechnungen damit ichs beim nächsten Mal selber 
kann?

Natürlich könnte man auch einfach mit einem Spannungsteiler an den ADC, 
aber dann verlier ich die Hälfte der Auflösung wegen der "unteren" 10V, 
die immer mitgemessen würden. Ein 12V-Bleiakku mit unter 10V ist ein so 
gut wie toter Bleiakku, sollte also nie vorkommen (möchte nicht messen 
wie tot er ist ;) ).

Plan B ist die Nutzung des AVR-internen Differenzverstärkers. Externe 
Referenz an einen ADC Port, die heruntergeteilte Akkuspannung an einen 
anderen. Wenn man den Spannungsteiler passend berechnet oder die 
Referenz entsprechend wählt bekommt man so auch die 10V weg vom 
Ergebnis. Mich stört daran aber der Nachteil, daß ich einen ADC Kanal 
bzw. ein Portpin verliere. Außerdem können das auch nur die "dicken" 
AVRs, der geplante Mega8 z.b. kann das nicht (hat keine differentiellen 
Inputs).

Danke schon mal im Voraus! :)
Ben

Autor: Dummi (Gast)
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Autor: F. Reiling (freiling)
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Wenn du nicht den AVR-internen Differenzverstärken nutzen möchstest, 
dann bau dir doch einen selbst mit einem OpAmp auf. Schaltungen findest 
du zur Genüge im Netz.

Autor: Ben (Gast)
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kann mir jemand mit der dimensionierung helfen? wie sowas in etwa 
aussieht weiß ich doch, aber irgendwie fehlt mir im moment noch das 
logische verständnis wie die ganze widerstände zusammenarbeiten. ich 
brauch ja einerseits die 10-16v differenz als auch die 
empfindlichkeit/verstärkung, beides muß sich ja allein mit den 
widerständen festlegen lassen.

Autor: yalu (Gast)
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Am einfachsten geht es mit einem einfachen Spannungsteiler mit 10k und
50k von der Batteriespannung nach -50V.

Eine Möglichkeit, die mit nur 5V auskommt, steht im Anhang. Der OPV muss
Rail-to-Rail sein, also bspw. ein TS912. Die Verstärkung ist negativ,
d.h. aus 10V werden 5V und aus 16V 0V, was man aber kein Problem sein
sollte.

Das Ganze geht auch mit einem Single-Supply-OPV (z.B. LM358), wenn man
als Referenzspannung für den ADC die 2,56V nimmt und diese anstelle der
5V an den nichtinvertierenden Eingang des OPV schaltet. Die Widerstände
müssen dann so dimensioniert werden, dass R2=32/75·R1 und R3=32/93·R1
ist. Da die interne Referenzspannung der AVRs relativ großen Exemplar-
streuungen unterliegt, ist aber die obige Variante vorzuziehen.

Autor: Ben (Gast)
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erstmal danke für eure antworten.

eine hilfsspannung von -50v zu erzeugen fällt aus wegen ist nicht g.

ich werde mal schauen was ich noch an exotischen opamps in der 
bastelkiste habe, vielleicht ist ja ein rail-to-rail dabei. den TS912 
kenne ich gar nicht. LM358 habe ich bestimmt noch ein paar rumliegen. 
beträgt der ausgangspegel bei der modifizierten variante zur nutzung der 
AVR-referenzspannung auch 5-0V bei 10-16V eingang? die genauigkeit bzw. 
eine offsetspannung kann ggf. per software kalibriert werden, das ding 
soll nicht in serienproduktion gehen.

daß die schaltung das messergebnis invertiert find ich nicht besonders 
schön, würde es aber in kauf nehmen und per software korrigieren. wie 
sieht es denn mit der linearität der oben gezeigten schaltung aus, 
taucht das was als messverstärker?

und wie kommt man auf die angegeben faktoren zur berechnung von R2 und 
R3 (also die 32/75 und 32/93)?

Autor: Ben (Gast)
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ok opamp-mäßig sieht es in meiner bastelkiste sehr mau aus. ich werd 
wohl ein paar rail-to-rail opamps bestellen müssen, hat jemand eine 
übersicht gut erhältlicher typen welche besonders gut sind oder wo zwei 
in einem gehäuse stecken? welche verbaut ihr so mit denen ihr gute 
erfahrungen habt?

LM358 habe ich im überfluß, LT1220 auch noch welche, aber der einzige 
etwas exotische ist ein OP270 im keramikgehäuse.

Autor: yalu (Gast)
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Ben schrieb:

> eine hilfsspannung von -50v zu erzeugen fällt aus wegen ist nicht g.

Gut, habe ich auch nicht wirklich erwartet ;-)

> den TS912 kenne ich gar nicht.

Das ist so ziemlich der billigste Rail-to-Rail-OPV.

> LM358 habe ich bestimmt noch ein paar rumliegen. beträgt der
> ausgangspegel bei der modifizierten variante zur nutzung der
> AVR-referenzspannung auch 5-0V bei 10-16V eingang?

Nein. Beim LM358 reicht die Ausgangsspannung nur von 0V bis etwa 3,5V
(bei 5V Versorgungsspannung). Um trotzdem den vollen 10bit-Wertebereich
des ADC zu nutzen, reduziert man einfach dessen Referenzspannung auf
einen Wert unter 3,5V, also bspw. auf die 2,56V die der AVR schon von
sich aus zur Verfügung stellt. Die OPV-Schaltung wird deswegen so
dimensioniert, dass sie genau die 0-2,56V liefert, so dass für den
Eingangsspannungsbereich von 10-16V der volle digitale Wertebereich des
ADC von 0-1023 genutzt wird.

> daß die schaltung das messergebnis invertiert find ich nicht besonders
> schön, würde es aber in kauf nehmen und per software korrigieren.

Irgendetwas wirst du mit dem ADC-Wert sowieso rechnen. Durch die
Invertierung musst du eben irgendwo ein Vorzeichen ändern. Man könnte
die Schaltung auch nichtinvertierend aufbauen, dazu bräuchte man aber
mindestens zwei zusätzliche Widerstände.

> wie sieht es denn mit der linearität der oben gezeigten schaltung aus,
> taucht das was als messverstärker?

Die durch die hohe Differenzverstärkung von OPVs von (10000 beim TS912
und 100000 beim LM358) und die starke Gegenkopplung in der Schaltung ist
der Linearitätsfehler deutlich geringer als die Auflösung des ADC, so
dass er überhaupt nicht in Erscheinung tritt.

> und wie kommt man auf die angegeben faktoren zur berechnung von R2 und
> R3 (also die 32/75 und 32/93)?

Man rechnet zuerst die Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der
Eingangsspannung allgemein aus, z.B. mit dem Knotenpotentialverfahren

  http://de.wikipedia.org/wiki/Netzwerkanalyse_%28El...

Dann setzt man nacheinander die gewünschten Endwerte der Ein- und
Ausgangsspannung (erst 10V und 2,56V, dann 16V und 0V) ein und erhält
dadurch zwei Gleichungen mit den Unbekannten R1, R2 und R3. Dieses
Gleichungssystem löst man nach R2 und R3 auf.

> hat jemand eine übersicht gut erhältlicher typen welche besonders gut
> sind oder wo zwei in einem gehäuse stecken?

Die von mir berits genannten sind gut genug, billig und in praktisch
jedem Elektronikversand erhältlich. Weitere gängie Typen findest du
bspw. hier:

  http://www.mikrocontroller.net/articles/Standardba...

> LM358 habe ich im überfluß, LT1220 auch noch welche, aber der einzige
> etwas exotische ist ein OP270 im keramikgehäuse.

Der LT1220 und der OP270 sind nicht geeignet, da die Ausgangsspannung
nicht bis 0V herunter reicht. Du würdest also am unteren Ende ein Stück
des ADC-Messbereichs verschenken.

Autor: Ben (Gast)
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danke erstmal, ich werd die schaltung mal aufbauen und testen sowie ich 
einen passenden opamp bekomme.

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