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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik [S] Opampschaltung: Offset addieren, Maximum beibehalten


Autor: André K. (andre-)
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Hallo allerseits,

habe mal wieder ein kleines Problem und steh dabei voellig auf dem 
Schlauch :).

Dazu im Anhang ein kleines Bild:
Ich habe als Eingangssignal der gesuchten Schaltung eine Spannung, deren 
Bereich von 0 bis inmax reicht.
Ich muss nun bei der Spannung inmax eine maximale Ausgangsspannung Max 
ausgeben. Gleichzeitig soll die Ausgangsspannung aber einen (ueber 
Spannungsteiler, Poti) justierbaren Offset besitzen, der Max beim 
Verstellen NICHT beeinflusst. D.h., wenn Vin = inmax ist und ich am 
Offset herumfummel, muss Uout = Max bleiben und darf sich nicht 
abhaengig vom Offset veraendern. Das hat zur Folge, dass der Anstieg der 
beiden Strecken im Diagramm nicht mehr gleich ist und sich beim 
verstellen des Offsets sogar aendert. Nach laengerem Hin und Her bin ich 
dann zu folgender Gleichung gekommen:

Vout = Uin/inmax * (Max - Offs) + Offs

Das Problem ist nun, dass ich zu dieser Gleichung einfach keine passende 
Schaltung hinbekomme:

Uin/inmax zu teilen ist kein groesseres Problem, da inmax konstant ist > 
Spannungsteiler.

(Max - Offs) zu bilden, ist ebenfalls einfach, ebenso wie das Addieren 
von Offs am Ende.
Probleme macht die Multiplikation, denn ein Analogmultiplizierer wuerde 
das ganze schaltungstechnisch schon recht arg aufblaehen.

Daher meine Frage: Kennt jemand eine brauchbare Alternative zu meiner 
Idee? Oder gibt es fuer dieses Problem evtl. sogar fertige ICs, deren 
Bezeichnung ich nicht kenne?

Danke schonmal :).

Beste Gruesse,
André


Autor: Sebastian (Gast)
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Habs jetzt noch nicht genau durchgedacht, weiss also nicht sicher obs 
funktioniert. Aber vielleicht hilfts ja:

Eingangssignal invertieren
|
v
mit Spannungsteiler "kleiner machen" (offset)
|
v
INmax dazuaddieren
|
v
Eingangssignal dazuaddieren


Müsste funktionieren, und vielleicht wirds etwas kompakter (und genauer) 
als Multiplikation. Musst halt mal drüber nachdenken.

Sebastian

Autor: Tom K. (ez81)
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Hallo Andre,

prinzipiell ungefähr so?

Autor: André K. (andre-)
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Danke euch beiden erstmal fuer die Antworten J

@Sebastian: Ich bin mir nicht ganz sicher, ob dann das Erwartete 
rauskommt:
Wenn man das zu einer Gleichung zusammenfasst, erhaelt man (k=Faktor, um 
den Offset einzustellen):
Vout = -Vin*k + Vin + Inmax = Vin * (1 – k) + Inmax

Da ist nun zwar der Offset festgelegt, Max fehlt aber. Habs mal mit 
LTspice simuliert: Das Maximum laesst sich unabhaengig vom Offset 
verschieben, umgekehrt aber nicht. Max verschiebt sich brav nach unten, 
wenn ich den Offset verringere L. Warum das so ist, weiss ich bisher 
noch nicht. Muss ich noch mal in Ruhe drueber nachdenken.

@Matthias:
Bei deiner Schaltung seh ich ehrlich gesagt noch viel weniger durch, da 
Uout offenbar nur noch von inmax und Uin abhaengt. Diese hab ich 
ebenfalls simuliert, weiss mit dem Ergebnis aber nichts anzufangen, denn 
es verschiebt sich logischerweise mit dem einzigen verstellbaren 
Parameter.

Beste Gruesse,
André

Autor: Tom K. (ez81)
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Hallo Andre,
was musst du einstellen können und was darf durch die Schaltung fest 
vorgegeben werden?

Ich bin jetzt davon ausgegangen, dass du Max und inmax kennst und die 
Schaltun passend gestalten kannst.

in diesem Beispiel:
Max = inmax = maximaler Offset= 10V (das ließe sich mit etwas 
Verstärkung im 2. OP (V = Max/inmax) und einem Widerstand zwischen Vs1 
und R1 ändern.)

Poti oben (= 0 im Graph): kein Offset, Uout=Uin.
Poti unten ( = 1): nur noch Offset unabhängig von Uin , die rote Linie 
in deinem Graph ist bis nach oben zu Max angehoben, also waagerecht.

Autor: Peter Dannegger (peda)
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Müßte mit 3 Opamps zu machen sein.

Der erste kompensiert Inmax zu 0V, der 2. macht dann ein variables Gain 
und der 3. addiert wieder Outmax drauf.

Da dann Max = 0V ist, kann die Gainänderung nichts verschieben.

Es wird also nur der Min-Wert verschoben (ist zwichendrin ne negative 
Spannung).


Peter

Autor: André K. (andre-)
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Ok, das kam offenbar wirklich nicht besonders gut rueber :).

Uin is eine Spannung mit einem Wert zwischen 0 und inmax (liegt bei ca. 
5V). Am Ende muessen sich der Offset und der Maximalwert Max unabhaengig 
voneinander einstellen lassen, wie es in meinem Bild im ersten 
Ausgangspost eingezeichnet ist. Eine voneinander abhaengige Einstellung 
hinzubekommen, ist kein Problem.
Im Prinzip muessen die Groessen Max und Offset zu verstellen sein: Inmax 
ist mit ca. 5V recht genau vorgegeben.

@Matthias:
Dein Diagramm trifft jedenfalls sehr genau das, was ich brauche. 
Allerdings passt das nicht ganz mit der Schaltung aus deinem vorherigen 
Posting zusammen. Stammt dein Diagramm aus einer direkten Simulation 
oder wolltest du damit nur herausfinden, was ich eigentlich will ?


@Peter:
Das duerfte Sebastians Loesung sehr nahe kommen. Ich werds nochmal so 
versuchen, denn mit deiner Erklaerung kam ich etwas besser klar.

Beste Gruesse,
André

Autor: Sonic (Gast)
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Hi, guck' mal bei
people.fh-aargau.ch/staff/richard_schorpp/Dateien/Operationsverstaerker_ 
V5.pdf
unter 'Begrenzer', der Offset dürfte ja kein Problem sein.
Ist ein ganz interessantes Teil.

Autor: Sonic (Gast)
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Autor: Tom K. (ez81)
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> Am Ende muessen sich der Offset und der Maximalwert Max unabhaengig
voneinander einstellen lassen, wie es in meinem Bild im ersten
Ausgangspost eingezeichnet ist.

Also habe ich das Bild falsch verstanden, nämlich so, dass Max gegeben 
ist und später nicht mehr verstellt wird. Sorry, dann habe ich Murx 
geschrieben :(

Autor: Sebastian ... (zahlenfreak)
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Guten Morgen,
hab das auch so verstanden, dass Peter und ich das gleiche meinen.
Wichtig ist halt, dass du deine OPamps symmetrisch versorgst, weil das 
Signal zwischendurch negativ ist.
Den Uout_max kannst du ja durch die Verstärkung im letzten OPamp 
einstellen, das sollte kein Problem sein.
Hab das mal noch "graphisch" dargestellt, was ich meinte.

Eingangssignal (einmal alle Positionen durchgefahren):
^
|      *
|    *
|  *
|*_______>


Invertiert und Offset eingestellt (mit variabler Vertärkung; 
Spannungsteiler braucht man nichtmal):
^
|
|
|
|________>
|*
|   *
|      *

Uin_max (muss als festerpegel bekannt sein) dazuaddert:
^
|
|*
|   *
|_______*>

Aufs Eingangssignal draufaddiert:
^
|       *
|    *
| *
|_________>

Ich hoffe es wird klar was ich meine.

Sebastian

Autor: André K. (andre-)
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Hallo allerseits,

@Peter:
So ists fast perfekt :D. Max ist so vom Offset abhaengig, der Offset 
aber nicht von Max. Will heissen: Verstell ich Max, dann wandert der 
Offset mit (weniger gut). Verstell ich den Offset, bleibt Max stehen 
(gut).

@Sebastiam:
Die Schaltung dazu interessiert mich vorerst wenig. Das hinterher 
aufzubauen, sollte kein grosses Problem sein. Bei mir haengts an der 
Theorie :D.
Deine Idee ist nicht ganz die gleiche, wie Peters, denn du invertierst 
das Eingangssignal zu Beginn, waehrend Peter inmax abzieht. Ich habs 
nochmal simuliert und festgestellte, dass da ein kleiner Fehler drin 
sein muss.

(k = Faktor fuer Offset, nach deiner Erklaerung)
Uout = -Uin * k + Max + Uin = Uin*(1-k) + Max

Da duerfte recht schnell klar werden, dass Max und Offset vertauscht 
sind.
Es heisst also:
Uout = Uin*(1-k) + Offs , wobei k nun Max verschiebt

Erhoehe ich die addierte Spannung, aendere ich damit also den Offset, 
waehrend ich beim aendern der Verstaerkung das Maximum beeinflusse.

Bei dir:
Verstellt man den Offset, verschiebt sich Max mit.
Verstellt man Max, bleibt der Offset erhalten.

Alles in allem wohl kein besonders einfaches Problem :D. Ich ging beim 
Stellen meiner Frage leider faelschlicherweise davon aus, dass bei 
Unabhaengigkeit in eine Richtung gleichzeitig alles voneinander 
unabhaengig sei. War wohl nix. Danke nochmals fuer die Muehe.

Beste Gruesse,
André

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