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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Super-guter Instrumentenverstärker gesucht!


Autor: Gerhard (Gast)
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Moin!

Ich habe hier eine Meßbrücke, deren Ausgang verstärkt werden will 
(Drucksensor). Brückenspannung ist 5V, Ausgangsspannung von beiden 
Zweigen im "Ruhezustand" ca. 2,5V. Die maximale Differenzspannung wird 
etwa +/- 100mV. Das ganze soll jetzt verstärkt werden für einen 
A/D-Wandler.

Problem: Ich habe definitiv nur eine unsymmetrische, aber sehr saubere 
Versorgungsspannung von 5V. Das ist auch gleichzeitig die Referenz und 
der Eingangsbereich vom A/D-Wandler.

Mit anderen Worten:

-100mV bis +100mV Differenzspannung abbilden auf 0..5V bei 
Gleichtaktspannung von 2,5V auf beiden Eingängen und Versorgungsspannung 
5V.

Dabei kommt es sehr auf geringe Drift und vor allem geringe 
Temperaturabhängigkeit an. Die Schaltung muß richtig gut werden.

Hat da jemand einen heißen Kandidaten? Bei AD und TI habe ich mich schon 
durchgeklickt und nichts passendes gefunden außer dem AD623. Aber der 
kommt mit der Gleichtaktspannung nicht zurecht und ist auch nicht 
wirklich "rail-to-rail".

Grüße der Gerhard.

Autor: Gast (Gast)
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AMP04 von Analog Devices ist recht ordentlich, wenn der Drucksensor was 
ganz Edles ist. Ansonsten reichen wohl auch einfache OPs + Widerstände.

Autor: JetztAber (Gast)
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Die Halbleiterindustrie produziert vornehmlich Dreck, ausser vielleicht 
einem Baustein, wo bei auch der nur halb taugt, interessant...

Das Problem ist doch eher trivial. Mit Bandbreite gegen Null.

Autor: Gasst (Gast)
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Du suchst etwas, was Du garnicht brauchst.

Der Drucksensor ist so "ungenau" und driftet "deutlich" mit der 
Temperatur, daß ein einfacher OPV zur Verstärkung völlig ausreichend 
ist.
RR-Ausgang ist ebenfalls eine fragliche Forderung. Man braucht immer 
Reserven für Übersteuerung, sodaß nur 2/3 des ADC-Bereiches für den 
vollen Meßbereich des Sensors sinnvoll sind.

Prüfe doch auch, ob Dein ADC nicht schon mit +/-100mV klarkommt oder 
verwende einen entsprechenden (z.B. mit 12Bit).

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo Gerhard,

> Ich habe hier eine Meßbrücke, deren Ausgang verstärkt werden will
> (Drucksensor). Brückenspannung ist 5V, Ausgangsspannung von beiden
> Zweigen im "Ruhezustand" ca. 2,5V. Die maximale Differenzspannung wird
> etwa +/- 100mV. Das ganze soll jetzt verstärkt werden für einen
> A/D-Wandler.
+/-100 mV ist schon recht ordentlich. Das braucht man fast nicht mehr zu 
verstärken. Manche meinen ja auch, ein normaler OPAMP reicht schon aus. 
Das ist bei den Pegeln sicherlich überlegenswert.

> -100mV bis +100mV Differenzspannung abbilden auf 0..5V bei
> Gleichtaktspannung von 2,5V auf beiden Eingängen und Versorgungsspannung
> 5V.
Bei TI würde ich unter "Instrumentation" OPAMP schauen; die Bauteile 
heißen INA...
Du kannst aber auch einen Zero Drift OPAMP nehmen wie den AD8638 und ihn 
als Differenzverstärker (bzw. Instrumentenverstärker) verschalten.

> Dabei kommt es sehr auf geringe Drift und vor allem geringe
> Temperaturabhängigkeit an. Die Schaltung muß richtig gut werden.
Hast Du Dir schonmal überlegt, das Signal digital auszulesen? Z. B. mit 
einem ADS1232 von TI? Da das Bauteil eine ratiometrische Messung macht, 
kommt es auf die Stabilität der 5V nicht so an.

> Hat da jemand einen heißen Kandidaten? Bei AD und TI habe ich mich schon
> durchgeklickt und nichts passendes gefunden außer dem AD623. Aber der
> kommt mit der Gleichtaktspannung nicht zurecht und ist auch nicht
> wirklich "rail-to-rail".
Das wundert mich aber schon.


Gruß,
  Michael

Autor: Gerhard (Gast)
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Danke schonmal.

Klar driftet der Sensor mehr als der Verstärker. Da aber der Sensor 
direkt auf dem Chip einen Temperatursensor hat, kann ich über diesen 
eine digitale Temperaturkompensation machen.

Deshalb möchte ich natürlich, daß der Rest der Schaltung so wenig wie 
möglich driftet, um wirklich nur den Einfluß der Sensortemperatur 
drinzuhaben. Ein paar Grad Unterschied zwischen Sensortemperatur und 
Rest der Schaltung sind da auf jeden Fall relevant. Der Sensor ist 
sauteuer und saugut.

Bei meinen Experimenten bisher mit einem 24 bit A/D direkt angeschlossen 
hatte ich zu viel Rauschen drin, deshalb möchte ich jetzt erst 
verstärken.

Rail-to-rail muß wirklich nicht sein, stimmt schon, aber bei einer 
unsymmetrischen 5V-Versorgung kommt man halt mit "normalen" OPs nicht 
mehr auf einen vernünftigen, linearen Bereich zwischen den Rails.

Wie gesagt, AD623 schien mir geeignet, ist aber eigentlich "Murks", wenn 
man mal genauer ins Datenblatt schaut. Der schafft nämlich abhängig von 
der Gleichtakt-Eingangsspannung keinen vernünftigen Ausgangsbereich 
mehr.

Kann man den AD8206 zweckentfremden, was meint ihr? Der ist eigentlich 
als Verstärker für einen Strom-Shunt gedacht, passt aber von den 
Parametern her ganz gut.

Autor: Gasst (Gast)
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>..sauteuer und saugut.

Grunz, grunz.
Die Drucksensoren, die ich kenne und die schön teuer sind, liefern auch 
nur Werte mit +/-0,25% Gesamtgenauigkeit. Dafür reicht ein 10Bit ADC.

Als einzelner OPV wäre der OPA340 schon voll ausreichend. Schöne 
Instrumentenverstärker wären der AD620 oder sein BB Gegenstück INA128. 
Diese sind aber erst für genaue Meßbrücken mit mV-Ausgangsspannung 
notwendig.
Einfache ADCs mit 12Bit sind z.B. die MCP32xx.

Autor: Gerhard (Gast)
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Ok, wir reden hier aber über eine Gesamtgenauigkeit des Systems von 
0,01% bezogen auf den Endwert im Temperaturbereich von -20 bis +50 Grad 
Celsius.

Die Auflösung des A/D-Wandlers hat nichts mit der Genauigkeit des 
Sensors zu tun. Die Auflösung des Sensors selbst ist ja quasi beliebig. 
Mit einem hochauflösenden A/D-Wandler kann ich dann auf der digitalen 
Seite mit beliebig komplexen Korrekturfunktionen die (vorher 
auszumessenden) Fehler des Sensors rausrechnen. Anders kommt man nicht 
zu der geforderten Genauigkeit.

Mit einem "24bit"-Wandler erreiche ich dann in der Praxis eine Auflösung 
von 18 bis 19 Bit.

Autor: Berti (Gast)
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INA155 ?

Autor: Oliver Döring (odbs)
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0,01% FS sind ambitioniert. Da spielt schon die Nicht-Linearität von 
Verstärker und A/D-Wandler eine Rolle. Möglich ist es aber. Was ist denn 
die Anwendung?

Am besten geeignet würde ich...

AD8223, AD627, INA118

...halten. Letzterer funktioniert bei einfacher +5V-Versorgung nicht 
mehr so toll. Der '8223 ist noch recht neu und nicht überall erhältlich.

Mein Vorschlag daher: AD627.

Eins muß dir aber klar sein: Mit einer symmetrischen Versorgung werden 
Offset und Offsetdrift besser, auch wenn Eingangs- und Ausgangssignal 
nie negativ werden.

Wenn du eine Temperaturmessung im Sensor machst, brauchst du bei der 
Offsetdrift (AD627: 3µV/°C) nur die Temperaturdifferenz zwischen 
Instrumentenverstärker und Sensor berücksichtigen, also bestenfalls ein 
paar Grad. Das wird nicht dramatisch sein.

Da du sicher vorhast, den REF-Eingang auf die halbe Betriebsspannung zu 
legen: Nicht über Spannungsteiler! Der Ref-Eingang muß niederohmigst 
sein, also einen Impedanzwandler davor setzen.

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo,

> Bei meinen Experimenten bisher mit einem 24 bit A/D direkt angeschlossen
> hatte ich zu viel Rauschen drin, deshalb möchte ich jetzt erst
> verstärken.
Bei 100mV Signalen vom Sensor liegt das Rauschproblem beim Sensor, nicht 
beim Verstärker.

Oder Du machst grundlegende Dinge verkehrt, z. B.
- fehlende Massefläche
- unsaubere Spannungsversorgung (empfehlenswert: Linearregler mit
  100nF/100µF an Ein- und Ausgang, 100nF an jedem Baustein)
- Trennung von Analog- und Digitalteil vergessen (Empfehlenswert:
  Masseflächen von Analog- und Digitalteil an einem einzigen Punkt
  verbinden, analoge und digitale Versorgungsspannung mit einer
  Ferritperle 1000 Ohm HF-mäßig entkoppeln).

Und dann solltest Du Dir trotzdem den ADS1232 nochmal anschauen, auch 
wenn Du meinst, daß TI und Analog nichts Geeignetes im Programm haben 
und daß AD-Wandler schlecht sind.
Ich denke nämlich, Du hast bloß nicht sorgfältig genug geschaut. Es gibt 
Dutzende Spezialbausteine für Meßbrücken. Der ADS1232 ist m. E. einer 
der besten.


Gruß,
  Michael

Autor: Rolf Riller (ultra-low)
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kann mich nur für eine lösung mit 24adc anschliessen.
CS5534, AD7794. da hast du alles in einem ic. bessere ergebnisse holst 
du nicht raus. sind eigentlich für genau deinen zweck konzipiert. kannst 
softwaremässig rumspielen wie du willst.

Autor: Gasst (Gast)
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>Ok, wir reden hier aber über eine Gesamtgenauigkeit des Systems von
>0,01% bezogen auf den Endwert im Temperaturbereich von -20 bis +50 Grad
>Celsius.

Wenn jemand zuvor so schwammige Forderungen wie "super-gut" formuliert, 
glaube ich, daß obige Ansprüche an das Gesamtsystem eher einer 
unerfüllbaren Wunschvorstellung entsprechen.
Dafür ist selbstverständlich ein ADC mit Differenzeingängen die beste 
Lösung und kein Instrumentenverstärker mit 10kHz BW bei 1000facher 
Verstärkung.
Und wenn tatsächlich obige Forderungen ein Muß darstellen, ist jeder 
Aufwand gerechtfertigt, der zum Ziel führt; und wenn es drei "saubere" 
Versorgungsspannungen sein müssen, weil es sonst nicht anders ginge.

Mich würde die Alterung vom Sensor in dem genannten Temperaturbereich 
interessieren. Vielleicht soll ja auch täglich neu kalibriert werden.

Autor: Martin Laabs (mla)
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Bei 24Bit will man differentiell arbeiten. Und zwar komplett. Auch sind 
dedizierte Versorgungslagen für GND und Vcc ein Muss. Bei Deinen 
Genauigkeitsanforderungen gibt es keine geeigneten Widerstände mehr. Die 
sind nämlich nur bis 0.1% bezahlbar. Also musst Du Dir eine 
Kalibrierschaltung ausdenken. Mit der kannst Du dann gleich den Offset 
der Verstärker herausrechnen. Eine entsprechend genaue Referenz brauchst 
Du auch - selbst wenn Du ratiometrisch misst. Gibt es aber nicht von der 
Stange - also gegen ein entsprechendes Normal kalibrieren. Weil es aber 
immer noch eine Temperaturabhängigkeit gibt am Besten einen Ofen um die 
Schaltung bauen der sie auf konstanter Temperatur hält.
Das Rauschen wird damit aber höher - wird aber nicht so sehr viel mehr 
werden. Aber weil Dein Wert sowieso verrauscht ist wirst Du nachher noch 
Oversampling und anschließende Filterung betreiben müssen. Hier auch auf 
entsprechend präziese Datentypen achten.
Ich denke das ganze wird nicht mehr im vierstelligen Eurobereich zu 
entwickeln und bauen zu sein... (Ich habe gerade eine ähnliche Platine 
für Magnetfeldmessung vor mir liegen ...) Ich habe als Verstärker einen 
differentiellen ADC Treiber vergewaltigt der eigentlich für SDR 
Anwendungen gedacht ist. Hat den Vorteil, dass er bei so niedrigen 
Frequenzen sehr linear ist und genug Leistung am Ausgang liefert. Denn 
das Problem der Ladung der Samplingkondensatoren im ADC möchte auch 
bedacht werden.

Viele Grüße,
 Martin L.

Autor: Arc Net (arc)
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Martin Laabs wrote:
> Bei 24Bit will man differentiell arbeiten. Und zwar komplett. Auch sind
> dedizierte Versorgungslagen für GND und Vcc ein Muss.

Zwei Lagen davon eine (so weit es geht alleine für) GND reichen bei den 
vorgeschlagenen ADCs und einem entsprechenden Layout.

> Bei Deinen Genauigkeitsanforderungen gibt es keine geeigneten
> Widerstände mehr. Die
> sind nämlich nur bis 0.1% bezahlbar.

Was heißt bezahlbar: 0.01% von z.B. Vishay, Caddock, Precision Resistor, 
RCD, SPC/multicomp(Newark) etc. gibt's z.T. für weniger als 1$ in 
Einzelstückzahlen, die Vishay VSMP 0.01%, 0.2 ppm/K gibt's ab 10 € in 
Einzelstückzahlen. Von Microbridge gibt es Widerstände bei denen der 
Widerstand und der TC eingestellt/programmiert werden können.
Der Fehler bei den günstigen liegt bei 0.01% + 25 ppm/K * (50 - -20) ~ 
0.012%. Wenn der initiale Fehler bekannt ist, entsprechend weniger.

> Also musst Du Dir eine
> Kalibrierschaltung ausdenken. Mit der kannst Du dann gleich den Offset
> der Verstärker herausrechnen. Eine entsprechend genaue Referenz brauchst
> Du auch - selbst wenn Du ratiometrisch misst.

Einen Widerstand

> Gibt es aber nicht von der
> Stange - also gegen ein entsprechendes Normal kalibrieren. Weil es aber
> immer noch eine Temperaturabhängigkeit gibt am Besten einen Ofen um die
> Schaltung bauen der sie auf konstanter Temperatur hält.

Der Ofen ist hier sinnlos siehe VSMP von Vishay oder Microbridge 
Rejustor oder man misst die Temperaturdrift der gesamten Schaltung im 
Klimaschrank und gleicht das nachher per Software aus...

> Denn das Problem der Ladung der Samplingkondensatoren im ADC möchte auch
> bedacht werden.

siehe oben: das spielt bei den vorgeschlagenen ADCs (hier) keine Rolle.

> Viele Grüße,
>  Martin L.

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo Martin,

niemand hat von wirklichen 24 Bit Auflösung gesprochen. Es ging um eine 
maximale Ungenauigkeit von 0.01%. Die hat aber anscheinend sein 
"super-guter" Sensor schon nicht, sonst würde das 100mV-Signal nicht so 
fürchterlich rauschen, daß er von einfachen OPV wegkommen wollte. Und 
wer weiß, welche systematischen Fehler dieser super-gute Sensor hat. Daß 
er teuer ist, glaube ich ja sofort, aber deshalb muß er noch lange nicht 
gut sein.

Aber er kann natürlich einen 24-Bit-Wandler nehmen. Dann wackeln eben 
die letzten paar Bit.


Gruß,
  Michael

Autor: Gerhard (Gast)
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Danke für eure vielen Hinweise.

Die Sensoren kosten schon alleine ein paar hundert Euro, sind aber von 
Hause aus selbstverständlich nicht genau genug. Sie haben einen 
Wahnsinns-Offset, eine Wahnsinns-Temperaturabhängigkeit und der 
Scale-Fehler beträgt von Hause aus locker 0,5% FS. Die geforderte 
Gesamtgenauigkeit kann man nur mit einer nachträglichen Kompensation 
dieser Fehler erreichen. Der Vorteil des Sensors ist allerdings, daß er 
einen Temperatursensor direkt auf dem Chip hat und die "nicht 
kontrollierbaren" Fehler wie die Lageabhängigkeit oder die Alterung im 
Vergleich zu anderen Sensoren relativ gering sind.

Deshalb brauche ich auch keine 0,01%-Widerstände in meiner Schaltung 
oder hochgenaue Referenzen. Was ich brauche, ist eine Schaltung, die bei 
Änderung der Umgebungseinflüsse stabil ist. Die Widerstände mit mehr 
Toleranz, aber sehr geringen Temperaturkoeffizienten sind da schon 
interessanter.

Wie gesagt, wahrscheinlich wird die Gesamtschaltung ungefähr die gleiche 
Temperatur haben wie der Sensor, aber "ungefähr" ist in diesem Falle 
nicht genug. Die "unkontrollierbare" (weil unbekannt) Temperaturdrift 
von Schaltung und A/D-Wandler muß so gering wie möglich sein. Die 
Temperatur vom Sensor ist bekannt.

Selbstverständlich wird gegen ein Normal kalibriert. Und zwar in Form 
eines automatischen Kalibrators, der die entsprechende Genauigkeit hat 
und die Drücke auch selbst anfahren kann. Das ganze sieht dann so aus, 
daß man mit der Schaltung in den Klimaschrank geht, und für viele 
Temperaturpunkte zwischen -20 und +50°C jeweils den gesamten 
Druckbereich durchkalibriert.

Was rausfällt, ist eine zweidimensionale Matrix, die als Eingangswerte 
den gemessenen rohen Temperaturwert und den gemessenen rohen Druckwert 
von meiner Schaltung in einen kalibrierten Druck umwandelt. Zwischen den 
Punkten in der Tabelle kann dann auf geeignete Weise interpoliert 
werden, dazu muß ich noch ein bisschen forschen.

Also gut, wenn ihr meint, ohne negative Betriebsspannung läuft nichts, 
dann muß eben eine her. Allerdings verträgt der Sensor keine 10V 
Brückenspannung. Aber die Lösung, direkt auf den A/D-Wandler zu gehen, 
hat in der Praxis nicht so gut funktioniert. Es handelte sich übrigens 
um einen LTC2412.

Es gibt Sensoren mit 0,01% Genauigkeit von der Stange zu kaufen. 
Natürlich kosten die im fünfstelligen Bereich, aber sie sind klein und 
leicht und funktionieren auch mit piezoresistiven Sensoren und einer 
nachträglichen Korrektur auf der digitalen Seite. Also muß es irgendwie 
gehen.

Autor: Arc Net (arc)
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Gerhard wrote:
> Also gut, wenn ihr meint, ohne negative Betriebsspannung läuft nichts,
> dann muß eben eine her. Allerdings verträgt der Sensor keine 10V
> Brückenspannung. Aber die Lösung, direkt auf den A/D-Wandler zu gehen,
> hat in der Praxis nicht so gut funktioniert. Es handelte sich übrigens
> um einen LTC2412.

Peak-To-Peak-Noise beim LTC2412 sind irgendetwas um 5-6 uV (ohne die 
restlichen Rauschquellen...)

Die genannten ADS1232 und AD7794 liegen da um eine Größenordnung 
niedriger.
Beide brauchen keine negative Betriebsspannung.
Beim AD7794 mit passender/m Referenz/Referenzwiderstand kann man sich 
eine aufwendige externe Kalibrierung (größtenteils) sparen, da die 
interne Offset/Gain-Kalibrierung diese Fehler automatisch ausgleichen 
kann (der Fehler liegt dann jeweils in der Größenordnung des Rauschens 
bei der gewählten Wandlungsrate).

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