Differenzeingang für Soundkarten-Oszi

[Maxi (Gast)]

Hallo!

Ich möchte mir zum Spaß und zur Übung ein Soundkarten-Oszi bauen. Ja, 
ein einfacher Spannungsteiler reicht auch, aber ich möchts ein bisschen 
komfortabler.
Mein Problem ist jetzt folgendes: Im Anhang ist die Eingangsstufe eines 
Kanals dargestellt. Die beiden Sinusquellen links bilden zusammen mein 
zu messendes Signal.
Ich möchte natürlich einen Differenzverstärker haben, da ich nicht nur 
Spannungen gegen Masse sondern auch Differenzen messen können möchte.

Beim normalen Oszi ists ja auch so, dass man pro Kanal zwei Kontakte hat 
und die Differenzspannung über diesen gemessen wird.

Habe die Schaltung mal durchsimuliert, leider kommt am Ausgang gar nix 
an. Lege ich zwischen die beiden Sinusquellen noch eine Masse, gehts 
(logisch).

Wie kann ich denn jetzt erreichen, dass ich einen hohen 
Eingangswiderstand habe (deswegen der Instrumentenverstärker) und ich 
mit zwei Kontakten eine Differenzspannung messen kann? Mit drei 
Kontakten wärs ja kein Ding, dann könnt ich den dritten auf Masse in der 
zu messenden Schaltung legen und alles wäre gut, aber das möchte ich 
nicht.

Liebe Grüße, Max

[Benedikt K. (benedikt)]

Maxi wrote:

> Beim normalen Oszi ists ja auch so, dass man pro Kanal zwei Kontakte hat
> und die Differenzspannung über diesen gemessen wird.

Nicht direkt. Einer davon ist auch Masse, genauso wie bei einer 
Soundkarte.


Was bei deiner Schaltung fehlt, ist ein Massebezug: Die Schaltung 
funktioniert nur solange die zu messende Spannung kleiner ist als die 
Betriebsspannung der OPs. Daher verbindet man meist die Eingänge über 
hochohmige Widerstände mit GND um einen Massebezug zu haben.

[Maxi (Gast)]

hey!

Aber bei einem zweikanal-oszi kann dich doch zwei verschiedene 
Differenzspannungen messen, ohne dass sich die beiden "Masse"-Leitungen 
in die Quere kommen bzw. die beiden Messpunkte auf selbes Potential 
legen, oder?

Also wenn ich jeweils an die Plus-Eingänge der OPs 10M nach Masse 
simuliere, funktioniert alles gut. Bis wieviel Mega-Ohm kann man denn da 
gehen, dass der Eingangswiderstand schön hoch ist, aber die Schaltung 
noch funktioniert? Bei Simulationen ist ja alles immer eher ideal 
gedacht...

Aso, und die zu messende Spannung bleibt immer kleiner als die 
Betriebsspannung der OPs, das hatte ich mir schon überlegt :)

[Benedikt K. (benedikt)]

Maxi wrote:
> Aber bei einem zweikanal-oszi kann dich doch zwei verschiedene
> Differenzspannungen messen, ohne dass sich die beiden "Masse"-Leitungen
> in die Quere kommen bzw. die beiden Messpunkte auf selbes Potential
> legen, oder?

Nein. Dann gibt es einen Kurzschluss auf der Masseleitung.

>
> Also wenn ich jeweils an die Plus-Eingänge der OPs 10M nach Masse
> simuliere, funktioniert alles gut. Bis wieviel Mega-Ohm kann man denn da
> gehen, dass der Eingangswiderstand schön hoch ist, aber die Schaltung
> noch funktioniert? Bei Simulationen ist ja alles immer eher ideal
> gedacht...

Je hochohmiger die Widerstände werden, desto größer wird der 
Offsetfehlt. Da eine Soundkarte aber fast immer sowiso AC gekoppelt ist, 
dürfte das weitestgehend egal sein, solange der Fehler nicht so groß 
wird, dass die OPs übersteuern. Rein gefühlsmäßig würde ich aber nicht 
höher als etwa 10M gehen.

[Raimund R. (corvuscorax)]

Nun man kann schon mit einem Zwei-Kanal-Oszi differentiell Spannungen 
messen. Dafür gibt's meistens zwei Schalter (evtl. auch via Software), 
der Eine invertiert einen der beiden Kanäle (meistens den Zweiten) und 
der andere 'sagt' das die beiden Signale addiert auf Kanal 1 angezeigt 
werden sollen. Voilá, heraus kommt das Differenzsignal.

Elektrisch funktioniert es aber nur dann ordnungsgemäss, wenn die 
Schaltung in der gemessen wird (und hierbei nur mit den zwei 
Tastkopfspitzen - die Masse wird nirgends angeschlossen) keine 
galvanische Verbindung mit dem PE- bzw. N-Leiter der Steckdose aufweist!

Kann man im Zweifelsfall ganz einfach mit einem Ohmmeter überprüfen:
Wenn zwischen PE-Anschluß am Schuko-Stecker und der GND-Buchse etwa Null 
Ohm zu messen sind (was insbesondere bei vielen analogen Oszilloskopen 
der Fall sein dürfte - wie z.B. auch bei meinem bereits betagtem Hameg 
204), gilt hier äußerste Vorsicht bei derartigen Messungen. Wenn man 
Glück hat springt evtl. nur der FI-Schalter heraus.

Di ganze Sache funktioniert deswegen, weil am Eingang ein 1 MOhm 
Widerstand zw. dem Innenleiter und der Abschirmung der BNC-Buchse liegt 
(wenn ein 1:1-Tastkopf zum Einsatz kommt). Durch den Eingangsabschwächer 
kann man dann entsprechend hohe Differenzspannungen messen - erst recht 
wenn man zusätzlich noch 10:1- oder gar 100:1-Tastköpfe verwendet, die 
dann sogar 10 MOhm bzw. 100 MOhm Eingangswiderastand bieten.

Genau das gleiche müsstest du bei deinem Differenzverstärker machen. 
Spendier ihm z.B. 1 MOhm Eingangswiderstände (vom Plus-Eingang zur 
internen Masse und einmal vom Minus-Eingang zur internen Masse, die auch 
die Masse für die Versorgungsspannung der OpAmps deines 
Differenzverstärkers ist). Sollen höhere Spannungen gemessen werden, so 
sind lediglich entsprechende Vorwiderstände nötig, die mit den bereits 
vorhanden 1 MOhm-Widerständen einen Spannungsteiler bilden (z.B. 9 MOhm 
für einen 10:1-Teiler, wie beim entsprechenden 10:1-Oszi-Tastkopf auch). 
Im NF-Bereich reicht vmtl. noch ein rein ohmscher Spannungsteiler aus, 
während mit höheren Frequenzen ein zusätzlicher kapazitiver hinzukommen 
muss, um das gewünschte Teilerverhältnis über den gewünschten 
Frequenzbereich korrekt einzuhalten.

Die Eingangsspannung direkt an den OpAmps (zu ihrem 
Masse-Bezugspotential gemessen) darf, wie schon 'Benedikt K.' erwähnt 
hatte, nie die Versorgungsspannung der OpAmps überschreiten.

Eines gilt es noch besonders zu erwähnen: In Verbindung mit dem PC ist 
die 'Masse' auch auf PE-Potential (galvanische Verbindung) und man 
könnte z.B. theoretisch mit einem 100:1-Tastkopf direkt Netzspannungen 
messen (was ich auf keinen Fall empfehlen möchte).Bei einer 
Versorgungsspannung der OpAmps von ±15V sind bei den meisten Typen 
Eingangsspannungen bis ±12V zu verarbeiten, was dann mit einem 
100:1-Teiler immerhin ±1200V wären, aber wegen der galvanischen Kopplung 
kann hier im Fehlerfall Netzpotential anliegen. Wer möchte tue dies auf 
eigene Gefahr, ich kann und werde keine Haftung für derartigen 
Leichtsinn übernehmen!