OPV Schaltung klappt bei Simulation, aufbebaut aber nicht

[Timo B. (shortcircuit)]

Hallo,

ich habe mir hier das Tutorial über Entfernungsmessung mit Ultraschall 
angesehen und in etwa nachgebaut. Mir hat jedoch die Empfängerlogik 
nicht gefallen, da dabei nur Werte zwischen 2V und 2,5V rauskommen. Also 
hab ich probiert eine eigene Schaltung für den OPV zu basteln. Auf der 
Platine sitzt dafür ein LM324.
Simuliert habe ich das ganze mit diesem java applet: 
http://www.falstad.com/circuit/
In der Simulation klappt alles wunderbar (bis auf die Tatsache das ich 
max 25kHz in der Simu habe statt den 40 des Empfängers, was aber keine 
Rolle spielen sollte, da ich es mit verschiedenen Frequenzen getestet 
habe). Ich erhalte am Empfänger in der Realität 0-1,5V Sinusspannung mit 
40kHz. Wenn ich mit diesen Werten in der Simulation arbeite, erhalte ich 
bei 100mV Spitze ca 300mV DC für den ADC, bei 1V erhalte ich am Ausgang 
3,1V DC für den ADC. Ich habe noch hinter dem OPV ein 
Schwellwertschalter, der bei ca. 130mV Empfängerspannung auf 5V schaltet 
und darunter auf <1V.
In der Praxis sieht das leider nun so aus, dass ich am ADC Ausgang 
(siehe Bild) immer 3,2V DC und am Schwellwertschalter immer 5V DC habe. 
Selbst wenn der Empfänger gar nicht angeschlossen ist. Kurzschlüsse oder 
vertauschte Bauteile habe ich bis jetzt nicht gefunden.
Kann mir jemand sagen ob die Logik der Schaltung so stimmt?

[Fragender (Gast)]

Was ist mit dem positiven Eingang des ersten OPV? Symmetrische 
Versorgungsspannung?

[Timo B. (shortcircuit)]

Ne der liegt leer. Den LM324 betreibe ich übrigens mit 5V und 0V.

[Somebody123 (Gast)]

Hallo,

wie sind deine OPV versorgt? Single ended, d.h. GND - 5V? Oder mit z.B. 
+-5V?

[Georg G. (df2au)]

Timo B. schrieb:
> Ne der liegt leer.

Das mag der Simulator akzeptieren, ein realer OpAmp wird da stinkig. 
Pack den Pin auf VCC/2.

[Somebody123 (Gast)]

Hallo,

Beiträge haben sich überschnitten - sorry.

Dann geht die Schaltung nicht. Weil der erste OPV kann keine Negative 
Spannung am Ausgang erzeugen und darf die auch nicht am Eingang 
bekommen.

Noch dazu ist er kein Rail2Rail, man muss zusätzlich einen Abstand zu 
VCC und GND einhalten.

Korrigieren musst du folgendes;:
Eingang - vom ersten OPV auf VCC/2 legen (Spannungsteiler) und das AC 
über einen Kondensator einkoppeln.

Den + Eingang auch - wie oben beschrieben - auf VCC/2 legen.

Den DC-Offset musst du nach dem 2. OPV wieder gleich auskoppeln (d.h. 
wieder ein C in Serie).

[Timo B. (shortcircuit)]

Das mit dem 1. Offset weglassen war Absicht. Ich hab irgendwie ein Teil 
der Simulation gelöscht. Hier ist nochmal der eigentliche Logikplan. Das 
eine Halbwelle unter 0V bleibt, war beabsichtigt. Ich wollte zuerst im 
nicht-invertierenden Verstärker das Signal verstärken, wobei die 
Halbwelle unter 0V  wegfällt. Das gleiche nochmal im invertierenden 
Verstärker, sodass jetzt die beiden übrigen Halbwellen Phasenverschoben 
zueinander sind. Danach werden sie wieder addiert und ein Offset für die 
Diode hinzugefügt. Nun habe ich einen Gleichspannungsanteil von 1,1V 
(ca.), der wieder an der Diode abfallen kann. Übrig bleiben dann die 
zwei positiven Halbwellen, die mit einem Kondensator geglättet werden.
So hatte ich es in der Theorie vor.

Im Bild habe ich mal noch ein paar Spannungsverläufe eingeblendet, wie 
sie nach den OPVs sind.

P.S.: Nicht von den Spannungsangaben der Diagramme verwirren lassen. 
Diese geben immer den aktuellen Spitzenwert an. Die Skalierung der 
einzelnen Diagramme ist unterschiedlich. Der vertikale Strich ist 
synchron zu jedem Diagramm

[Klaus R. (klara)]

Georg G. schrieb:
> Timo B. schrieb:
>> Ne der liegt leer.
>
> Das mag der Simulator akzeptieren, ein realer OpAmp wird da stinkig.

Timo, was Dein Simulator da ausgibt kannst Du dann voll in die Tonne 
hauen. Wenn er hier schon versagt kannst Du dem Rest schon gar nicht 
trauen. Welcher Simulator simuliert denn nur bis 25 KHz???

Nimm als Simulator LTSpice! Ist kostenlos und wird hier im Forum auch 
unterstützt. Anbei eine Quelle für ein super Tutorial und ein Link zum 
Download der Software.

http://www.gunthard-kraus.de/LTSwitcherCAD/index_LTSwitcherCAD.html
Gruss Klaus.

[Possetitjel (Gast)]

Timo B. schrieb:

> Hier ist nochmal der eigentliche Logikplan.

Die Schaltung hat - in dieser Form - keinen Sinn.

Der 1. OPV verstärkt das Eingangssignal +3,2-fach.
Der 2. OPV verstärkt das Eingangssignal -3,111-fach.

Am Eingang des 3. OPV liegt folglich das 0.0888fache
des Eingangssignals (plus Offset natürlich). Den
Ausgang über eine Diode direkt auf 1µF arbeiten zu lassen
ist auch ein unfreundlicher Akt.

[Jonas B. (jibi)]

>Welcher Simulator simuliert denn nur bis 25 KHz???

Dieser:

http://www.falstad.com/circuit/

Zum schnellen Ausprobieren in Ordnung.
Die Basedrum z.B. konnte ich damit gut simulieren und evaluieren um das 
Funktionsprinzip zu verdeutlichen. Allerdings hab ich da auch die 
Grenzen der Simulation kennengelernt - Elkos kann das Ding nicht :(.

Gruß Jonas

[Somebody123 (Gast)]

Hallo,

laut dem Datenblatt muss die Eingangsspannung mindestens 0V betragen. 
Das steht auf S3. Das ist bei deiner Schaltung aber nicht überall der 
Fall.

Hält man das nicht ein, passieren alle möglichen "interessanten" 
Effekte, nur meist nicht das was man haben möchte.

--> Will heißen, die Schaltung verhält sich per Definition undefiniert.
--> Die Simulation berücksichtigt das sowieso nicht, sondern geht meist 
davon aus, dass man das Zeug "in spec" betreibt.

Der einfache Simulator nimmt vermutlich eifach ideale OPV...

[Timo B. (shortcircuit)]

Okay das mit der Verstärkung von 0,08 ist mir jetzt auch aufgefallen. 
Aber wenn ich meine erste Schaltung in LTSpice simuliere, erhalte ich 
das gleiche Ergebnis wie im Circuit Simulator...
Ich habe jetzt nochmal das ganze abgeändert und beim ersten OPV ein 
Offset von Vcc/2 dazu gemacht, aber warum soll ich nicht mit der Diode 
auf den Kondensator? Widerstände sind ja überall davor.

Würde ein Teil der Welle unter 0V am OPV liegen, würde das Signal nicht 
einfach abgeschnitten? Oder wenn die Welle über 5V (Vcc) liegt?

[Timo B. (shortcircuit)]

Kann mir jemand helfen ich komm einfach nicht weiter...
Ich habe ein 40kHz Signal am Eingang das im Regelfall eine Amplitude von 
0V...300mV hat. Dieses möchte ich jetzt auf 0V...5V verstärken, damit 
ich es am ADC besser messen kann. Ich habe nur 0V und 5V als 
Versorgungsspannung.
Bei den Simulationen die erfolgreich waren (auch mit LTSpice), kam in 
der Praxis nur Müll raus. Ich bin im OPV Bereich recht unerfahren. 
Einfache Verstärker und Summenoperationen bekomme ich hin.
Kann jemand mal ein Beispiel der Logik posten ich bin hier am 
verzweifeln...

Das Ganze wäre nicht halb so schlimm wenn ich nicht unter Zeitdruck 
stehen würde...

[Timo B. (shortcircuit)]

Ich habe nun versucht einen Schwellwertschalter zu basteln, der ab 100mV 
Empängerspannung ein 5V Signal schalten soll. Ich habe es mit und ohne 
Offset probiert. Der OPV bleibt am Ausgang immer auf 5V. Ich steig 
einfach nicht dahinter wo das Problem liegt...
Im Anhang der aktuelle Versuch

[Timo B. (shortcircuit)]

So diese Simulation klappt ohne Probleme (Habe gemerkt dass ich beim 
Plan oben den Ausgang einfach auf 5V gelegt habe) aber wenn ich die 
Schaltung aufbaue habe ich wieder ein 5V Dauersignal. Kann mir bitte 
jemand erklären wieso?

[Helmut S. (helmuts)]

Häng mal die Schaltplandatei (.asc) an.

[Arsenico (Gast)]

Der Koppelkondensator fehlt…wurde aber oben schon erwähnt.

[Helmut S. (helmuts)]

Was mir gerade auffällt.
Mit 40kHz und dann 56k||100nF ist es kein Wunder wenn da nur noch 5V 
herauskommen. Da müsstest du schon die Frequenz auf 40Hz reduzieren, 
wenn du noch etwas anderes sehen willst.

[P. M. (mikro23)]

Schau Dir mal den unteren Teil des Schaltplans an.

http://www.robot-electronics.co.uk/files/srf1.pdf

Die beiden Operationsverstärker werden mit positiver und negativer 
Betriebsspannung versorgt. Wenn Du nur eine positive Betriebsspannung 
verwenden willst, mußt Du die beiden Eingänge, die auf Masse liegen 
und den Pin des Ultraschallempfängers, der auf Masse liegt, an eine 
virtuelle Masse von halber Betriebsspannung anschließen.

Außerdem brauchst Du reale Operationsverstärker mit einer slew rate von 
mindestens 10 V/µs, wenn Du mehr als ein paar 100 mV Ausgangsspannung 
haben willst.

[Timo B. (shortcircuit)]

Also erst mal Danke für eure Mühen.
@Peter ich habe mit den Link angeschaut und ausprobiert. Keine schlechte 
Idee, aber ich erhalte eine konstante Sinusschwingung am Ausgang, egal 
wie stark der Eingang schwingt und dann wäre der ADC überflüssig.
@Helmut der Kondensator ist zur Glättung da, damit ich ein mehr oder 
weniger stabiles DC Signal habe und keine Schwingung.

Koppelkondensatoren sind jetzt auch dabei. In der Simulation hat alles 
geklappt und ich hab die OPVs nicht außerhalb ihres erlaubten 
Arbeitsbereiches betrieben. Ich baue morgen mal die Schaltung auf und 
dann hoffe ich dass es klappt :D

Schaltplan und Screenshot des aktuellen Schaltplans sind angehängt. Wäre 
nett wenn vorher nochmal jemand drauf schauen könnte, nicht dass ich das 
ganze schon wieder umsonst aufbaue...

[Helmut S. (helmuts)]

Da dein gleichgerichtetes Signal 2,3V hat ist es kein Wunder, dass da am 
Ende +5V herauskommen.

[P. M. (mikro23)]

Timo B. schrieb:
> ich erhalte eine konstante Sinusschwingung am Ausgang, egal
> wie stark der Eingang schwingt

Gut, dann hast Du jetzt eine flüchtige Ahnung davon, wie ein 
Operationsverstärker funktioniert. ;)

Er verstärkt das Eingangssignal. In der Realität hast Du einen 
Ultraschallsender, der einen kurzen Impuls aussendet, der irgendwo 
reflektiert wird. Der Empfänger bekommt davon ein kurzes schwaches Echo 
mit, das soweit verstärkt wird, daß das Signal weiterverarbeitet werden 
kann.

Jetzt kommt es darauf an, was Du damit machen willst. Typischerweise 
möchte man die Laufzeit zwischen dem gesendeten und dem empfangenen 
Signal messen...

[Timo B. (shortcircuit)]

Peter M. schrieb:
> Der Empfänger bekommt davon ein kurzes schwaches Echo
> mit, das soweit verstärkt wird, daß das Signal weiterverarbeitet werden
> kann.
>
> Jetzt kommt es darauf an, was Du damit machen willst. Typischerweise
> möchte man die Laufzeit zwischen dem gesendeten und dem empfangenen
> Signal messen...

Ja das Prinzip der Messung ist mir klar :D. Für das Zeitintervall habe 
ich meinen Schwellwertschalter. Dieser schaltet momentan, sobald die 
Amplitude am Empfänger 0,08V oder größer ist, was sie eigentlich immer 
ist. Desweiteren habe ich dann den Impedanzwandler drin, damit ich evtl. 
die Signalqualität messen kann. Das hat mit der zurückgelegten 
Entfernung nicht viel zu tun, außer dass die Amplitude kleiner wird.

@Hemlut: 2,3V habe ich nur, wenn am Empfänger die Amplitude 0,7V hat. 
Wird diese geringer wird auch der Wert geringer, bis bei 0,07V Amplitude 
der Komparator umschaltet und 0V (ca.) ausgibt. Der Schwellwertschalter 
ist halt einfach schneller und präziser als der ADC (was die Zeit 
angeht). Für die nicht zeitkritische Messung der Signalstärke kann ich 
dann wieder den ADC nehmen.
So mal mein Grundgedanke. Wie der in der Praxis aussieht werde ich bald 
sehen.

[Timo B. (shortcircuit)]

Es klappt **freu**
Alles läuft jetzt so wie ich es gerne hätte. Vielen Dank an alle die 
geholfen haben und Erbarmen mit mir hatten.