Hallo,
in der Uni basteln wir mit Piezos herum. Ein neuer (100µm Hub) Piezo kam
heute an, welcher einen DMS Sensor hat in Vollbrücke (siehe Anhang).
Wir haben einen Controller am PC, der mehrere 16Bit ADC und DAC mit
50kHz (-10V - +10V) hat.
Bei passender Verstärkung sollte also eine theoretische Auflösung von
etwa 1,5 nm herauskommen (100000 nanometer / 2^16)
Wir haben also ein Auflösungsvermögen von etwa 300µV (wenn der ADC genau
ist)
Der DMS Streifen liefert uns mit einem k-Faktor von k=2 bei 100µm und 5V
Spannung:
V_mess= 5V 2 10^-4 m = 10^-3V = 1 mV
würden wir also das Signal mit 10000 verstärken können, hätten wir -10 -
+10Volt zu messen, und es wäre auf 1,5 nanometer genau.
Ich weiß, dass es so nur wäre, wenn alles perfekt ist.
Gibt es eine Möglichkeit, das Signal relativ gut um 10 000 zu
verstärken?
Zur Verständnis, wir machen mit den Piezo "Force-Curves". Hierbei wird
die Spitze etwa 1-2µm Richtung Oberfläche bewegt, bis die Spitze
aufsitzt. Dann wird sie danach wieder zurück gezogen. Man sieht dabei,
dass die Spitze kurz vor der Oberfläche angezogen wird (Snapin), und
beim wegfahren kurz hängen bleibt (Snapoff). Diese Force-Curves dauern
etwa 9ms und es werden dabei 450 Datenpunkte aufgenommen. Der
Dehnungsstreifen wird benötigt, da es beim Piezo aus- und wieder
einfahren einen Piezo-Creep gibt, welcher einer Hysterese entspricht.
Die Piezo Auslenkung ist also nicht (exakt) proportional zur
Auslenkungsspannung.
Gerald m. schrieb:> Gibt es eine Möglichkeit, das Signal relativ gut um 10 000 zu> verstärken?
Mir würde spontan ein Instrumentenverstärker als Schaltung einfallen.
danke schonmal.
Du meinst also einfach aus 3 OPV einen Instrumentenverstärker selber
bauen? Die meisten Instrumentenverstärker die ich finde (wälze gerade
Datenblätter) gehen nämlich nur bis G=1000, und die meisten sind dann
relativ schlecht bei der Geschwindigkeit.
Was sind denn "normale" Werte beim Bau des Instrumentenverstärkers?
die ersten beiden differenzverstärker je 50x, der danach dann 100x?
Das Problem bei den Instrumentenverstärkern ist, dass ich keine Ahnung
habe, welcher modern sein könnte, und so etwas eventuell schafft.
Gibt es OPV die zu empfehlen sind beim bau eines
Instrumentenverstärkers?
Bei so hohen Verstaerkeung muss man erst mal den DC Anteil loswerden,
sonst wird da nichts draus. Dh man muss AC gekoppelt Arbeiten. Das
sollteaber moeglich sein, da es ja nur um dynamische Ereignisse geht.
Die erforderliche Bandbreite ist viel zu hoch fuer einen opAmp alleine.
Naemlich 50k * 10k = 500 M, So eine Verstaerkung wird etwas 3 OpAmps in
Serie benoetigen. Jede macht eine Verstaerkung von 25 oder so.
Nimm einen guten Instrumentenverstärker mit G=100 und dahinter einen
guten Operatuionsverstärker mit G=100. Damit haben beide
Verstärkerstufen noch eine vernünftige Bandbreite.
Mit nur einem OPV wird es wohl nichts werden. Mehrere hintereinander
wäre schon besser. Man sollte nur daran denken, daß man alles was man am
Eingang einfängt (auch Störungen und Rauschen) vielfach verstärkt.
Welchen Widerstand hat die Brücke? Einzelwiderstand = Brückenwiderstand.
Diese Verstärkung bei der Bandbreite halte ich für völlig
illusionorisch!
Schon bei 1000-facher Verstärkung geht alles im Rauschen unter - mal
selber nachrechnen!
Nur wenn die Brücke niederohmig wäre (< 400 Ohm) könntest du mit einem
ultra rauscharmen Instrumentenverstärker was machen - da ist der AD8428
mit Abstand der Beste (und Schnellste GBW 7GHz!) - mit fester,
2000-facher Verstärkung.
Sobald aber der Brückenwiderstand höher ist (was ich annehme), überwiegt
das Stromrauschen.
Dann müsstest du einen INA mit FET-Eingangsstufe nehmen, der dann aber
ein hohes Spannungsrauschen hat. Schaust du bei Analog Devices und
Linear Technology...
Auf jeden Fall wird deine theoretische Auflösung Theorie bleiben, ich
beschäftige mich schon lange mit DMS-Messungen.
Die Brücke hat einen Widerstand von 1kOhm
Edit: und ja, dass dies nur theoretische Werte sind ist mir bewusst.
Auch wenn ich Faktor 10 schlechter bin, ist es immer noch besser als
ohne.
Alternativ könnte ich auch mit einem lockin-verstärker arbeiten, und mit
ein paar kHz ein Signal ausgeben.
Doch eine Eigenbau Variante fände ich auch ganz cool, und gäbe eventuell
ein eigenes Kapitel in der Diplomarbeit
Ja, habe ich hinterher gesehen.
Für den Fall (1K, 50kHz) hast du mit dem AD8428 (B-Grade) eine einfache,
hochgenaue Schaltung.
Mit dem LT1028 wären etwas bessere Werte möglich, aber die Schaltung
wäre aufwendiger, da dessen GBW nur für 100-fache Verstärkung reichen
würde.
Falls möglich, eine hohe untere Grenzfrequenz verwenden und mit einem
Kondensator an FIL die obere Grenzfrequenz auf max 50kHz begrenzen.
In der Messtechnik gibt es auch eine Art von "Unschärferelation":
Entweder genau und langsam, oder schnell und ungenau...
Gerald m. schrieb:> Wir haben also ein Auflösungsvermögen von etwa 300µV (wenn der ADC genau> ist)
* 10.000 bedeutet, Du willst 30nV messen.
Das ist sportlich.
Hallo,
funktioniert das so wie in dem Schaltplan?
die Brücke wird mit 5V betrieben. (ich habe hier -15, -5, 0, 5 und 15V)
Bei Maximalauslenkung liegt 1mV, diese wird mit dem AD8428 um 2000
verstärkt auf 0..2V zu GND
Danach kommt noch ein OPV, bei dem mittels Spannungsteiler ein Offset
von 1V erzeugt wird, welche das noch um Faktor 10 verstärkt.
Ich hoffe ich habe das richtig gemacht. Am AD8428 ist an den Filter
Ausgängen ein 4,7nF Kondensator, welcher mit dem internen 6kOhm
Widerstand einen Lowpass bei etwa 5kHz erzeugt.
5kHz deswegen, da wir mal unsere ForceCurves FourierTransformiert haben,
und ab etwa 4kHz da nicht mehr viel passiert.
Kondensatoren (100nF?) an die Versorgungsspannung von OPV und AD8428?
edit:
Achja, der AD8428 war nicht in der Bibliothek von MultiSim, deshalb
hängt er als schematische Zeichnung im Schaltplan
Für den Fall, dass auch eine Kauflösung in Frage kommt:
http://www.mf-instruments.de/de/http://www.mf-instruments.de/de/products/?id=0005
Die verkaufen solche Verstärker.
Bandbreite 1MHz, Verstärkung bis 1000.
Auf Nachfrage können die auch einen Vorverstärker Faktor 10 einbauen.
Komplett parametrisierbar mit verschiedenen Verstärkungen,
DC-Offset-Korrektur und variablen Tiefpass als Anti-Aliasing-Filter.
Am Ausgang wird das Signal dann auf 0 bis 10V Skaliert.
Gesamtfehler (Linearität, Verstärkung, Versorgungsspannung) lag glaube
bei 0,3%.
so, hinten am OPV hatte ich einen Fehler.
jetzt ziehe ich einfach die Referenzspannung des AB8428 per
Spannungsteiler auf -1Volt.
Der Verstärker hinten dran kann dann "normal" angeschlossen werden
Aeh. Ja. Ohne Lock-in wird das eh nichts. Den kann man auch selbst
bauen. Hab ich mal fuer diesen Frequenzbereich gebaut, das geht sehr
gut. auch bei einer solchen Verstaerkung. Die Frage ist eher wi kann man
den Prozess anpassen.
Hi,
also das mit dem Lock-in Versuchen wir auf jeden Fall noch. Unser
(uralt) Lock-in der im Moment nicht benutzt wird, kann Frequenzen bis
100kHz ausgeben, und das zurückkommende Signal analog auf 1V heraus
geben. Bei 5kHz hätte er also Zeit über 20 Perioden zu integrieren. Das
sollte gut gehen.
Nichtsdestotrotz wäre eine Variante für 15€ durchaus wert zu testen. Da
Elektronik bei mir etwas her ist, wollte ich dennoch gerne wissen ob das
Schema oben zumindest theoretisch funktioniert.
Danke nochmal an alle
So, einen hab ich noch.
Habe nun noch 2 Zener Dioden hinzugefügt, die verhindern sollen, dass
eben über +-10Volt hinten heraus kommen (gerade wenn man die Vollbrücke
andersherum anschließt).
Gerald m. schrieb:> diese wird mit dem AD8428 um 2000 verstärkt
Aber beim Layout und der Entkopplung aufpassen, mit einer UGBW von 7GHz
hast du da schnell einen Sender gebaut...
1
AD8428 ... results in a 3.5 MHz bandwidth at a gain of 2000
2
for an equivalent gain bandwidth product of 7 GHz.
Sehe 3 Fehler:
DMS-Brücke falsch angeschlossen - wenn oben +5V, dann muss GND UNTEN
sein und rechts/links ist Signal.
Wenn du ein Ausgangssignal von +/-10V brauchst, dann muss der
Ref-Eingang auf GND!
Ansonsten:
Der Ref-Eingang muss niederohmig angesteuert werden, also
Spannungsteiler (mit Siebkondensator auf GND) auf einen OPA als
Spannungsfolger. Dann zu REF.
Das mit den Zehnerdioden macht man so nicht, und wenn dann ohne die
Serienwiderstände. Wenn die Genauigkeit der Ausgangsspannung nicht so
wichtig ist ( <5%) schließt man die Zehnerdioden anti-seriell und
parallel zu R3. Ansonsten gibt es noch eine Begrenzerschaltung mit
NPN+PNP-Transistoren (auch in der Gegenkopplung) - mal googeln.
Tipp:
Wenn man das Maximum herausholen will, verwendet man einen Digitalfilter
hinter dem AD-Wandler. Damit unterdrückt man alle Frequenzen die man
nicht braucht.
PPS: Für die Platine:
- eine Lage als Massefläche verwenden!! D.h. mindestens 2-lagige
Platine.
- Siebkondensatoren an +/- Versorgungsspannungseingang zu Masse: 100nF
ker. und parallel 10µF...100µF Tantal.
- zusätzlich 100nF ker. direkt zu AD8428-Versorgungspins und zu Masse.
- beide Brückensignale komplett(!) mit GND-Inseln umschließen (mit
etlichen Vias "durchnageln"), auch zwischen FIL+/- und Eingang+/- eine
dünne Schirmleitung!
- eventuell EMI-Filter (3 PP/PE-Kondensatoren) am Eingang vorsehen.
Sonst abgeschirmte Leitung zu den DMS.
wheat.png
(180 KB)
