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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Spannungsteiler-Dimensionierung für ADC, Empfehlung?


Autor: Stefan B. (Gast)
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Hallo zusammen!

Heute bin ich endlich mal dazu gekommen, die Widerstände meiner 
Lenkradfernbedienung im Auto auszumessen.
(Geplante Schaltung siehe auch hier: 
Beitrag "Attiny 45 Lenkradfernbedienungs-Interface, erstes Programm so in Ordnung?" )

Folgende Werte sind rausgekommen:
- keine Taste gedrückt: 5040 Ohm
- Taste "Mode":         1023 Ohm
- Taste "Select":        295 Ohm
- Taste "Volume +":      146 Ohm
- Taste "Volume -":       53 Ohm
Werden mehrere Tasten gleichzeitig gedrückt, "gewinnt" immer die mit dem 
niedrigsten Widerstandswert.
Also sind keine Mehrfachkombinationen möglich, schade aber egal.

Aus den Widerstandswerten und dem Verhalten habe ich mal ein 
Ersatzschaltbild gepinselt und angehängt.
Im linken Teil ist die Lenkradfernbedienung, der rechte Teil ist die 
(vereinfachte) Steuerelektronik mit einem ATtiny 45.

Was wäre jetzt die optimale Dimensionierung für den Spannungsteiler 
bestehend aus R2 im Bild und der LFB?

Eigentlich hatte ich ja geplant, die 5V Betriebsspannung als Vref für 
den ADC zu verwenden. Da wusste ich allerdings noch nicht, dass auch 
ohne Tastendruck bereits ein endlicher Widerstand vorhanden ist.

Aber wenn ich für R2 5kOhm einsetze, könnte ich ja auch die interne 
Referenz mit 2,56V verwenden, würde vom Wertebereich doch genau 
passen...

Was meint ihr dazu?

MfG Stefan

Autor: Anja (Gast)
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Stefan B. schrieb:
> Aber wenn ich für R2 5kOhm einsetze, könnte ich ja auch die interne
> Referenz mit 2,56V verwenden, würde vom Wertebereich doch genau
> passen...
>
> Was meint ihr dazu?

Hallo,

halte ich Grundsätzlich nichts davon.
Zur Toleranz des Widerstandsteilers kommt dann noch zusätzlich die Drift 
zwischen Referenzspannung und Versorgungsspannung dazu.
Einen Spannungsteiler sollte man Grundsätzlich immer mit derselben 
Spannung speisen die als Referenzspannung für den ADC dient.

Gruß Anja

Autor: Stefan B. (Gast)
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Danke für die Antwort, hab ich mir schon fast gedacht.

Aber wenn ich den ADC auch mit Vcc als Referenz betreibe, wird es mit 
den Werten schon verdammt eng...

Ich hab schon mal eine kleine Excel-Tabelle gebastelt, mit den Werten 
zum "rumspielen".

Hier mit interner 2,56V Referenz:
- "Volume -":    21
- "Volume +":    57
- "Select":     111
- "Mode":       340
- keine Taste: 1004
Wie man sieht liegen einige Werte schon sehr dicht beieinander, und wenn 
dann noch die Toleranzen dazukommen...

Wenn ich die 5V als Referenz nehme, sieht es so aus:
- "Volume -":   11
- "Volume +":   29
- "Select":     57
- "Mode":      174
- keine Taste: 514
Da liegen die Werte noch enger zusammen, das wird wohl nichts...

Aber wenn ich R2 auf z.B. 1k verkleinere, wirds schon besser:
- "Volume -":   52
- "Volume +":  130
- "Select":    233
- "Mode":      518
- keine Taste: 854
Das könnte schon eher was werden.

Wie weit kann ich R2 sinnvoll verkleinern?
Oder würde es so schon reichen, um eine sichere Unterscheidung treffen 
zu können?

MfG Stefan

Autor: Anja (Gast)
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Stefan B. schrieb:
> Wie weit kann ich R2 sinnvoll verkleinern?
> Oder würde es so schon reichen, um eine sichere Unterscheidung treffen
> zu können?

Hallo,

hängt primär von den Toleranzen der Widerstände ab (Temperaturgang, 
Alterung, Verschmutzung -> da kommen locker 2-5% zusammen) sowie dem 
Rauschen des A/D-Wandlers (mindestens 2 LSBs).
Mit dem 1K-Widerstand solltest Du bei Ratiometrischer Auswertung 
(VRef=VPullup) aber hinkommen. Ich rechne mit einem Mindestabstand von 
200mV für die Auswertung. Mit 78 Counts = ca 400mV sollte genügend 
Abstand da sein.
Du Brauchst natürlich auch eine entsprechende Entprellung in der 
Software die transiente Übergänge ausblendet.

Wenn Du die Schaltung tatsächlich im Auto einsetzen willst mußt Du dann 
immer auch noch damit Rechnen daß ein Kurzschluß nach Batteriespannung 
(bis 16V) auftreten kann. Da wird es dann mit Widerstandswerten unter 1K 
(1/4W) schon ziemlich eng. (Außerdem raucht der A/D-Eingang ab da ein 
Serienwiderstand >= 10K fehlt).
Normalerweise würde man zwischen R2 und PB3 noch einen Tiefpaß 
(Zeitkonstante >= 1ms gegen EMV-Störungen) schalten mit R=10K 
(Maximalwert für volle A/D-Wandlergenauigkeit) zur Strombegrenzung falls 
eine Höhere Eingangsspannung als 5V auftritt.


Gruß Anja

Autor: Tropenhitze (Gast)
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Vielleicht habe ich etwas übersehen, aber warum machst Du keinen 
Spannungsteiler aus gleichen Widerständen und legst den gemeinsamen 
Punkt der Schalter an den ADC-Eingang?
Gut, man braucht anstatt zwei dann drei Leitungen.

Eine weitere Möglichkeit wäre, Dioden anstatt der Widerstände zu 
verwenden. Dann 'gewinnt' immer der Schalter mit der kleinsten 
Flußspannung. Natürlich driftet das wie Teufel, aber die 
Spannungsabstände sind dafür sehr groß. Nur als Idee.

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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Mit der Schaltung im Anhang, die deiner sehr ähnlich ist, bekommst du am
ADC-Eingang folgende Spannungen:
gedrückt   Spannung
———————————————————
 keiner      5,00V
   S1        0,00V
   S2        1,25V
   S3        2,50V
   S4        3,75V
———————————————————

Die Ausgangsspannungen sind also perfekt über den nutzbaren Spannungs-
bereich des ADC verteilt. Für R4 kannst du statt 6,6kΩ (nicht in E24)
natürlich auch 6,8kΩ nehmen.

Siehe auch Beitrag "Spannungsteiler Dimensionieren: mathematisch saubere Lösung"

Autor: Stefan B. (Gast)
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Tropenhitze schrieb:
> Vielleicht habe ich etwas übersehen, aber warum machst Du keinen
> Spannungsteiler aus gleichen Widerständen und legst den gemeinsamen
> Punkt der Schalter an den ADC-Eingang?

Es handelt sich um eine serienmäßig im Auto vorhandene 
Lenkradfernbedienung, also am Lenkrad sind 4 Tasten, und im Radioschacht 
kommen 2 Kabel an, zwischen denen ich die Widerstände gemessen habe.

Yalu X. schrieb:
> Mit der Schaltung im Anhang, die deiner sehr ähnlich ist, bekommst du am
> ADC-Eingang folgende Spannungen:
> ...
> Die Ausgangsspannungen sind also perfekt über den nutzbaren Spannungs-
> bereich des ADC verteilt.

Dazu müsste ich erst mal schauen, ob ich die LFB zerlegen und 
umverdrahten kann.
Das hatte ich bis jetzt eigentlich nicht vor und auch nicht dran 
gedacht, da ist ja schließlich ein Airbag in der Nähe ;)
Aber interessante Möglichkeit.

Anja schrieb:
> Ich rechne mit einem Mindestabstand von
> 200mV für die Auswertung. Mit 78 Counts = ca 400mV sollte genügend
> Abstand da sein.

Da würde es bei den beiden Tasten mit den geringsten Widerständen schon 
eng werden: 0,25V zu 0,63V abzüglich Toleranzen usw., aber müsste 
hoffentlich reichen.
Leider hab ich keine Vergleichsmessungen Winter - Sommer, und so lange 
warten ist auch nervig. ;)

Anja schrieb:
> Wenn Du die Schaltung tatsächlich im Auto einsetzen willst mußt Du dann
> immer auch noch damit Rechnen daß ein Kurzschluß nach Batteriespannung
> (bis 16V) auftreten kann. Da wird es dann mit Widerstandswerten unter 1K
> (1/4W) schon ziemlich eng. (Außerdem raucht der A/D-Eingang ab da ein
> Serienwiderstand >= 10K fehlt).
> Normalerweise würde man zwischen R2 und PB3 noch einen Tiefpaß
> (Zeitkonstante >= 1ms gegen EMV-Störungen) schalten mit R=10K
> (Maximalwert für volle A/D-Wandlergenauigkeit) zur Strombegrenzung falls
> eine Höhere Eingangsspannung als 5V auftritt.

Muss ich wirklich mit einem satten Kurzschluss nach Ubat rechnen?
Die LFB hat ja zwei Anschlusskabel die (bis jetzt) keine direkte 
Verbindung zum Rest der Elektrik haben. Davon soll einer an Masse, der 
andere eben über R2 an 5V und PB3.
Da könnte ich mir doch eigentlich höchstens Störimpulse über 
Nachbarkabel einkoppeln, oder denke ich da falsch?

Gut, einen Tiefpass werde ich noch einplanen.
Wie wäre es mit R=10k und C=33nF, das wären dann 2ms falls ich mich 
nicht verrechnet habe?

Schon mal danke an alle für die vielen Tipps!

MfG Stefan

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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Stefan B. schrieb:
> Yalu X. schrieb:
>> Mit der Schaltung im Anhang, die deiner sehr ähnlich ist, bekommst du am
>> ADC-Eingang folgende Spannungen:
>> ...
>> Die Ausgangsspannungen sind also perfekt über den nutzbaren Spannungs-
>> bereich des ADC verteilt.
>
> Dazu müsste ich erst mal schauen, ob ich die LFB zerlegen und
> umverdrahten kann.

Achso, ich dachte erst, die LFB sei von dir selber gebastelt. Wenn du
sie nicht umbauen möchtest, was ich gut verstehen kann, nimm für R2
270Ω. Das ist ungefähr der Wert, wo die Spannungsabstufung am gleich-
mäßigsten ist (s. Bild links). Da damit bei gedrückter S4-Taste immerhin
15mA fließen, möchtest du vielleicht für die Versorgung des Spannungs-
teilers und als Referenzspannung nicht 5V, sondern eine niedrigere Span-
nung, bspw. die 2,56V aus dem Controller nehmen.

Edit: Die 2,56V aus dem Controller besser nicht, da diese immer noch 8mA
liefern müsste, was ein Bisschen viel ist.

Dass trotz der Optimierung der Spannungssprung von S2 und S1 überdurch-
schnittlich groß ist, könnte darauf hindeuten, dass die LFB-Elektrik für
mehr als vier Tasten vorgesehen ist, aber nur vier Taster bestückt sind.
Fügt man zwischen S4—S3, S3—S2 und S1—"keine" jeweils einen weiteren
Taster und zwischen S2—S1 zwei weitere Taster ein und unterteilt R101
bis R104 geeignet in zwei bzw. drei Einzelwiderstände, ergibt sich ein
linearerer Verlauf, bei dem jede Stufe etwa 0,5V beträgt (rechtes Bild).
Da die kleinste Spannung (bei S4) etwa 0,8V beträgt, wäre noch Platz für
einen zehnten Taster, der dann etwa 0,3V liefern würde.

Autor: Anja (Gast)
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Stefan B. schrieb:
> Muss ich wirklich mit einem satten Kurzschluss nach Ubat rechnen?

Irgendwann sind alle Kabel mal durchgescheuert. Ist bei mir schon 
passiert.
Ich habe mich gewundert warum das Auto öfters nicht abgeschlossen ist. 
Irgendwann fiel dann die Kofferraum-Beleuchtung aus. Als ich die Birne 
wechseln wollte hat sich plötzlich in einer bestimmten Stellung des 
Kofferraumdeckels die Zentralverriegelung betätigt. Die Werkstatt hat 
dann den kompletten Kabelbaum getauscht. Scheint wohl häufiger 
vorzukommen, da denen das Problem sofort klar war.

-> je nachdem wie teuer das ist was am Kabel hängt würde ich den Worst 
Case berücksichtigen.

Gruß Anja

Autor: Anja (Gast)
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Stefan B. schrieb:
> Wie wäre es mit R=10k und C=33nF, das wären dann 2ms falls ich mich
> nicht verrechnet habe?

Das wäre dann die Periodendauer der Grenzfrequenz.
Ich rechne die Zeitkonstante Tau = R*C.
Und würde hier schlicht und einfach 100nF für 1ms verwenden.
Aber 33nF sind auch ok.

Gruß Anja

Autor: Stefan B. (Gast)
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Yalu X. schrieb:
> Achso, ich dachte erst, die LFB sei von dir selber gebastelt.

Nein, dann hätte ich wahrscheinlich nicht so seltsame Werte für die 
Widerstände verwendet... ;)
Und bei einem kompletten Selbstbau hätte ich wohl einfach eine passende 
IR-Fernbedienung geschlachtet und die Taster-Leitungen verlängert, wäre 
einfacher gewesen.

Yalu X. schrieb:
> Wenn du
> sie nicht umbauen möchtest, was ich gut verstehen kann, nimm für R2
> 270Ω. Das ist ungefähr der Wert, wo die Spannungsabstufung am gleich-
> mäßigsten ist (s. Bild links).

Danke, das sieht gut aus!
Und vielleicht ist es gar nicht so verkehrt wenn ein paar mA fließen, 
beugt bestimmt Kontaktschwierigkeiten bei widrigen Bedingungen im Auto 
vor.
Strom sparen muss ich ja nicht, bei dem was sonst noch so im Auto 
fließt...
Die Referenz lasse ich auf 5V, wie du gesagt hast.

Yalu X. schrieb:
> Dass trotz der Optimierung der Spannungssprung von S2 und S1 überdurch-
> schnittlich groß ist, könnte darauf hindeuten, dass die LFB-Elektrik für
> mehr als vier Tasten vorgesehen ist, aber nur vier Taster bestückt sind.

Oh mann, an die simple Möglichkeit hatte ich gar nicht gedacht, stimmt.
Mir sind schon die seltsamsten Gesetzmäßigkeiten durch den Kopf 
gegangen, nach denen die Werte wohl ausgewählt worden sein könnten...

Anja schrieb:
> Irgendwann sind alle Kabel mal durchgescheuert. Ist bei mir schon
> passiert.
> Ich habe mich gewundert warum das Auto öfters nicht abgeschlossen ist.
> Irgendwann fiel dann die Kofferraum-Beleuchtung aus. Als ich die Birne
> wechseln wollte hat sich plötzlich in einer bestimmten Stellung des
> Kofferraumdeckels die Zentralverriegelung betätigt. Die Werkstatt hat
> dann den kompletten Kabelbaum getauscht. Scheint wohl häufiger
> vorzukommen, da denen das Problem sofort klar war.

War das zufällig ein Opel? Ist einer Bekannten von mir auch schon 
passiert, anscheinend gibts dafür sogar spezielle Reparatursätze...

Anja schrieb:
> -> je nachdem wie teuer das ist was am Kabel hängt würde ich den Worst
> Case berücksichtigen.

Wenn ich im Auto Kabel ziehe, kommt da aus Angst vor scharfen Kanten 
sowieso Geflechtschlauch drüber. Und wenn die Serien-Kabelage kaputt 
geht wirds sowieso teuer, da würden die knapp 2€ für einen neuen Tiny 
sowieso nicht mehr ins Gewicht fallen. ;)

Außerdem: Wie soll man das sicher verhindern?
(Nicht als Angriff gemeint, interessiert mich wirklich!)
- Wenn ich nichts mache, stirbt der Tiny bei durchgescheuertem Kabel und 
12V am Eingang.
- Wenn ich den Eingang z.B. mit Schottky-Dioden gegen Plus und Masse 
absichere, wird die Überspannung im Fehlerfall auf die 5V-Leitung 
umgeleitet und der Tiny stirbt auch. Und alles was sonst noch an den 5V 
hängt, wahrscheinlich auch.
Echt schwierig, das ganze...

Anja schrieb:
> Das wäre dann die Periodendauer der Grenzfrequenz.
> Ich rechne die Zeitkonstante Tau = R*C.
> Und würde hier schlicht und einfach 100nF für 1ms verwenden.
> Aber 33nF sind auch ok.

Ach so, hatte ich falsch verstanden.
Danke!

MfG Stefan

Autor: Anja (Gast)
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Stefan B. schrieb:
> Außerdem: Wie soll man das sicher verhindern?

a) Der Serienwiderstand (10K) des Tiefpasses begrenzt den Strom auf 
Werte <= 1mA (16V-5V VCC-1V Diode) was der ATTiny laut Application Note 
verträgt.

b) Der Pull-Up Sollte ebenfalls für 16V ausgelegt werden.

c) Du brauchst eine Grundlast am Spannungsregler die den überflüssigen 
Strom der über den Eingangspin ins Gerät kommt auch Verbraten kann. bei 
270 Ohm sind das 16-5 = 11V / 270 Ohm = 41 mA. + 1mA für den 
10k-Widerstand.

Alternativ kannst Du einen Voltage-Tracker (z.B. TLE4250) verwenden der 
bei Kurzschluß nach UBat dann sperrt.

Gruß Anja

Autor: Stefan B. (Gast)
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Anja schrieb:
> Alternativ kannst Du einen Voltage-Tracker (z.B. TLE4250) verwenden der
> bei Kurzschluß nach UBat dann sperrt.

Die Voltage-Tracker sehen ja interessant aus.
Aber soweit ich verstanden habe, sind die doch eher für die 
Anbindung/Spannungsversorgung von externen Sensoren etc. gedacht. Also 
können sie nicht verhindern, dass von außen Ubat an den Eingangspin 
gelangt, sie könnten ja nur die Spannung für die Schaltung selbst 
abschalten.

Anja schrieb:
> a) Der Serienwiderstand (10K) des Tiefpasses begrenzt den Strom auf
> Werte <= 1mA (16V-5V VCC-1V Diode) was der ATTiny laut Application Note
> verträgt.

Das ist schon mal gut, wenn er das aushält.

Anja schrieb:
> c) Du brauchst eine Grundlast am Spannungsregler die den überflüssigen
> Strom der über den Eingangspin ins Gerät kommt auch Verbraten kann. bei
> 270 Ohm sind das 16-5 = 11V / 270 Ohm = 41 mA. + 1mA für den
> 10k-Widerstand.

Würde in diesem Fall nicht der 270 Ohm Widerstand die Leistung 
"automatisch" verbraten?
Das wären unter 1/2W, sollte ein normaler Metallfilm-R noch gut 
wegstecken...

MfG Stefan

Autor: Tropenhitze (Gast)
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Irgendwo haben die ganzen Schutzmechanismen bei dieser Schaltung einen 
Haken; der Haken heißt R105 und hat 53 Ohm. Wenn dieser 12V abbekommt, 
ist er vermutlich hin und schwierig zu erneuen.
100% Sicherheit sind nicht erreichbar.

Autor: Stefan B. (Gast)
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Hm stimmt, da würden dann ja gute 3,5W verbraten werden wollen...

Aber zum Glück ist Wahrscheinlichkeit ja sehr viel höher, dass ich mir 
durch ein durchgescheuertes Kabel einen Masse- Schluss hole, als einen 
Schluss auf 12V.

Autor: Anja (Gast)
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Stefan B. schrieb:
> Die Voltage-Tracker sehen ja interessant aus.
> Aber soweit ich verstanden habe, sind die doch eher für die
> Anbindung/Spannungsversorgung von externen Sensoren etc. gedacht. Also
> können sie nicht verhindern, dass von außen Ubat an den Eingangspin
> gelangt, sie könnten ja nur die Spannung für die Schaltung selbst
> abschalten

Die verhindern aber daß die +12V von außen über den Pull-up Widerstand 
deine 5V-Versorgung auf 12V aufladen. Der ATTiny verbraucht nur ein paar 
wenige mA. Der 5V-Regler liefert im allgemeinen nur Strom nimmt aber 
keinen überflüssigen Strom auf. -> die Spannung steigt.

Gruß Anja

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