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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik negative+positive strommessung atmega


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Autor: Trippo (Gast)
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Hallo,
erstmal ein großes Lob: super Forum hier.

Jetzt zu meinem Problem, zu dem ich nicht wirklich eine Lösung gefunden 
habe (vllt. stell ich mich doof an?). Ich möchte mit den ADC Eingängen 
des ATMega32 geringe Ströme (ca. 10mA) messen, sowohl positive (das wäre 
ja einfach), aber auch negative Ströme.
Meine Idee war, die Messung mithilfe eines Shunts und OP Schaltungen zum 
Anpassen an die 0-5V für den ADC durchzuführen. Der Strom über den Shunt 
sorgt dann für einen negativen oder positiven Spannungsabfall (gegen GND 
gemessen), den ich dann mit der OP Verstärkerschaltung (nicht 
invertierender Verstärker) verstärken kann.  Jetzt ist es aber so, dass 
ich für die OPs selber nur eine Versorgungsspannung zur Verfügung stehen 
habe, also +5V.
Somit bekomme ich bei negativen Strömen durch den Shunt eine 
Ausgangsspannung des OPs von 0V, oder? Denn die negative 
Eingangsspannungen kann dieser nicht verarbeiten. Und selbst wenn ich am 
Ausgang eine negative Spannung bekomme, kann ich diese ja nicht mit dem 
ADC des ATmega verarbeiten. Das ist genau das Problem.
Deswegen habe ich mir überlegt, nach dem Shunt einen Differenzverstärker 
zu nutzen, an dessen invertierenden Eingang ich eine konstante 
Hilfsspannung, hergestellt über die 5V und einen Spannungsteiler, 
anbinde, so dass ich die über dem Shunt gemessene Spannung mit dieser 
Hilfsspannung (im Prinzip so eine Art Offset) "überlagere". Dabei ist 
die Hilfsspannung natürlich so gewählt, dass sie immer größer als die 
Spannung über dem Shunt ist.  Dadurch sorge ich immer dafür, dass ich 
eine positive Ausgangsspannung habe.
Meine Frage ist jetzt, ob das so funktionieren könnte (Simulation 
funktioniert soweit) bzw. ob man das noch verbessern könnte? Bin soweit 
für alles offen.

Danke,
mit freundlichen Grüßen
Florian

Autor: Martin (Gast)
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... (Simulation funktioniert soweit) ...

Poste deine Simulation doch einmal.

Autor: Ingo (Gast)
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Hallo Trippo!
Hatte hier in einem anderen Thread
Beitrag "AVR-Schaltung soll eigenen Stromverbrauch messen"
, bis unten durchscrollen, schon mal einen Spannungsinverter mit einem 
LM358 empfohlen. Der kann dir die negative Shuntspannung invertieren und 
verstärken (2 Widerstände).
Den 2. OPV aus dem LM kannst Du ja dann nichtinvertierend, mit dem 
gleichen Verstärkungsfaktor auf einen anderen ADU legen und die 
Differenz berechnen.
Summe: Shunt (wird sowieso gebraucht), 4 Widerstände, LM358
Nachteil: brauchst 2 ADU-Eingänge.
mfG Ingo

Autor: Trippo (Gast)
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Hallo,
ja natürlich. Im Anhang findet sich die Schaltung mit dem 
Differenzverstärker.

Grüße
Florian

Autor: ... (Gast)
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sieh mal hier

http://www.linear.com/pc/downloadDocument.do?navId...

such auch nach INA138,INA170,INA193, vielleicht kannst du was damit 
anfangen

Autor: Trippo (Gast)
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Ingo schrieb:
> Der kann dir die negative Shuntspannung invertieren und
> verstärken (2 Widerstände).
> Den 2. OPV aus dem LM kannst Du ja dann nichtinvertierend, mit dem
> gleichen Verstärkungsfaktor auf einen anderen ADU legen und die
> Differenz berechnen.

Schonmal danke für die Tipps.
Das ist mir aber jetzt nicht ganz klar. Gut, ich invertiere zunächst die 
Shuntspannung. Aber die Geschichte mit dem zweiten OP. Welche Spannung 
sollte dieser dann als Eingang haben?
- Die Shuntspannung wäre ja nicht sinnvoll, dann wäre der Ausgang wieder 
negativ und ich kann die nich auf den ADC bringen, oder?
- Die Ausgangsspannung des Invertierers? Nun gut, dann würde ich aber 
eine Differenz von 0 bekommen, oder?
Außerdem wenn ich das richtig verstehe, würde dass dann nur 
funktionieren, wenn die Shuntspannung negativ wäre oder? Ich will ja 
aber beides messen können, negative und positive Shuntspannungen.

Grüße
Florian

Autor: Ingo (Gast)
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Der Ansatz mit dem Differenzverstärker ist genau richtig, wenn Du jetz 
die beiden Eingänge vertauschst, d.h. der nichtinvertirende bekommt eine 
konstante positive Vorspannung (das ist dann dein Nullpunkt), der 
invertiere zun Shunt, negative Ströme erhöhen die Ausgansspannung, 
positive verringern sie. Der Offset wird dann hinterm ADU wieder 
subtrahiert.
mfG ingo

Autor: Ingo (Gast)
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Wenn Das Signal einmal invertiert zu einem Adu und nichtinvertiert zum 
anderen Adu geht, hast Du für plus und minus je ein positives Signal, 
Nachteil: mehr Aufwand und brauchst evtl RailToRailOPVs, damit der 
inaktive Versärker stabil 0 liefert,  mit dem vorgespannten 
Differenzverstärker hast Du weniger Aufwand, teilst aber die Auflösung 
des ADU in 2 Hälften, und brauchst ne stabile Referenz für die 
Vorspannung.
mfG ingo

Autor: Trippo (Gast)
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Ingo schrieb:
> Der Ansatz mit dem Differenzverstärker ist genau richtig, wenn Du jetz
> die beiden Eingänge vertauschst, d.h. der nichtinvertirende bekommt eine
> konstante positive Vorspannung (das ist dann dein Nullpunkt), der
> invertiere zun Shunt, negative Ströme erhöhen die Ausgansspannung,
> positive verringern sie. Der Offset wird dann hinterm ADU wieder
> subtrahiert.
> mfG ingo

Oh gott,
du hast natürlich völlig recht. Der Verstärker muss natürlich auf den 
negativen Eingang rückgekoppelt werden, bei mir wird ja auf den 
positiven Eingang rückgekoppelt. Ich werde die Schaltung mal korrigieren 
und online stellen.

Ingo schrieb:
> Wenn Das Signal einmal invertiert zu einem Adu und nichtinvertiert zum
> anderen Adu geht, hast Du für plus und minus je ein positives Signal,
> Nachteil: mehr Aufwand und brauchst evtl RailToRailOPVs, damit der
> inaktive Versärker stabil 0 liefert,  mit dem vorgespannten
> Differenzverstärker hast Du weniger Aufwand, teilst aber die Auflösung
> des ADU in 2 Hälften, und brauchst ne stabile Referenz für die
> Vorspannung.
> mfG ingo
>
>

Ahh, danke
jetzt ist mir das auch klar geworden. Ja gute Idee, leider mit dem 
Nachteil das ein ADC Eingang dann immer "unnötig" belegt ist.
Trotzdem danke.

... schrieb:
> sieh mal hier
>
> http://www.linear.com/pc/downloadDocument.do?navId...
>
> such auch nach INA138,INA170,INA193, vielleicht kannst du was damit
> anfangen

Okay, ich werde mir das Datenblatt mal angucken, wenn ich etwas mehr 
Zeit habe. Scheint mir eine völlig neue Geschichte zu sein für mich. 
Danke.

Grüße
Florian

Autor: Trippo (Gast)
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Hallo,

anbei die korrigierte Schaltung, auch diese scheint zu funktionieren.
Habt ihr vielleicht noch ein paar Tipps zur Dimensionierung der 
Widerstände oder auch welcher OP am besten wäre? Bin da leider noch 
nicht so erfahren.
OP müsste auf jedenfall einer sein mit einem niedrigen Offset, 
Single-Supply (5V,GND).
Gibts sonst noch Verbesserungsvorschläge?
Ich werde wohl ersteinmal diesen Ansatz weiterverfolgen.

Grüße
Florian

Autor: Trippo (Gast)
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Hier dann auch wirklich mit Anhang.
P.S. Kann man seine eigenen Beiträge editieren?

Autor: Ingo (Gast)
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Mit R39/R40 bestimmst Du als erstes den Verstärkungsfaktor für das 
Nutzsignal, in deinem Beispiel reichlich 3-fach. Die beiden 
Spannungsteiler R42/43 und R37/38 könntest Du eigentlich zu einem 
zusammenfassen, die stellst du so ein, das die Ausgangsspannung ohne 
Messstrom in der Mitte der Bereiches liegt, die der ADU (je nach 
verwendeter Referenzspannung) verträgt.
Als OPV würde ich heute einen aus der Familie TLC27x, z.B TLC271 
vorschlagen.
geringer Stromverbrauch, zulässige Eingangsspannung bis knapp unter 
Null, Ausgangsspannung (bei geringer Belastung) bis nahe Null, bzw bis 1 
Volt unter die positive Betriebsspannung.
mfG ingo

Autor: Trippo (Gast)
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Ingo schrieb:
> Mit R39/R40 bestimmst Du als erstes den Verstärkungsfaktor für das
> Nutzsignal, in deinem Beispiel reichlich 3-fach. Die beiden
> Spannungsteiler R42/43 und R37/38 könntest Du eigentlich zu einem
> zusammenfassen, die stellst du so ein, das die Ausgangsspannung ohne
> Messstrom in der Mitte der Bereiches liegt, die der ADU (je nach
> verwendeter Referenzspannung) verträgt.
> Als OPV würde ich heute einen aus der Familie TLC27x, z.B TLC271
> vorschlagen.
> geringer Stromverbrauch, zulässige Eingangsspannung bis knapp unter
> Null, Ausgangsspannung (bei geringer Belastung) bis nahe Null, bzw bis 1
> Volt unter die positive Betriebsspannung.
> mfG ingo

Danke, Ingo.
Ich weiß, dass die beiden Spannungsteiler sich zusammenfassen lassen, 
allerdings lasse ich das für mein Verständnis so. Ich find es gut, wenn 
man einzelne "Komponenenten" erkennt, in dem Fall die Erzeugung der 
Referenzspannung und die benötigten Widerstände für den 
Differenzverstärker.
Die OPs werd ich mir mal angucken. Die Belastung ist ja sehr gering, 
denn der Ausgang des OPs ist der Eingang des ADCs, also hochohmig, ist 
richtig oder?
Ein großes Dankeschön.
Grüße Florian

Autor: Ingo (Gast)
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>Die Belastung ist ja sehr gering,
> denn der Ausgang des OPs ist der Eingang des ADCs, also hochohmig, ist
> richtig oder?
Genau. Viel Erfolg! - ingo

Autor: David (Gast)
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z.b. ein ina138 (rsepektive 2) wären dafür ausgelegt worden...

Autor: Trippo (Gast)
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David schrieb:
> z.b. ein ina138 (rsepektive 2) wären dafür ausgelegt worden...

Guten Morgen,
ich sagte ja schon: Auch das werd ich mir nochmal angucken und mich dann 
abschließend zwischen den Varianten entscheiden.
Danke.

MFG
Florian

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