Hallo,
ich habe bisher verschiedene kleine Messsysteme gebaut. Diese bestanden
meist aus einer einfachen Eingangsbeschaltung, einem 12 Bit ADC (über
I2C) und einem Atmega. Der Atmega hat die daten an ein kleines Programm
zur Auswertung an den PC gesendet.
Gemessen wurden verschiedene Spannungen von 0 bis 5 / 10V /20V , je nach
Spannungsteiler.
Eingangsbeschaltung --> 12 Bit ADC (über I2C) --> Atmega --> PC
Die einfache Eingangsbeschaltung besteht aus einem Spannungsteiler (je
nach anliegender Spannung)und einer Überspannungsschutzdiode.
Jetzt soll so ein Eigenbau an einem anderem Institut verwendet werden.
Die Genauigkeit reicht vollkommen aus. Jedoch möchte ich zuvor noch
einige Dinge in die Eingangsbeschaltung verändern.
Anforderungen der Eingangsbeschaltung:
- zuverlässiger Schutz für den ADC,
im Fall einer legt eine zu hohe Spannung an.
Schutz bis ca. 25V --> reicht die Diode als Schutz aus?
- Integration eines variablen Verstärkers,
damit der Messbereich des ADC (0 bis 5V) vollkommen genutzt werden
kann
Verstärkung des OPs muss über den MC einstellbar sein.
- Integration eines variablen analogen Tiefpassfilters
Grenzfrequenz des Filters soll über den MC einstellbar sein.
Könnt ihr mir für die einzelnen Anforderungen Schaltungsbeispiele als
Empfehlung geben?
Danke
Martin
Als Schutz reichen Dioden. Die großen Überspannungsschutzdioden haben
aber zu viel Leckströme und Kapazität. Man sollte eher 2 Diode
antiparallel habe, falls Wechselspannung anliegt. Wenn der Widerstand
groß genug (z.B. 50 K Ohm) ist reicht als Diode auch eine 1N4148 oder
ähnliches. Der Widerstand sollte aber genügend Leistung vertragen und
Spannungsfestigkeit haben (ggf. 2 Widerstände in Reihe). Es ist dann
auch möglich das die Schaltung Netzspannung ohne Schaden übersteht.
Wenn man Wechselspannungen messen will, wird man bei den
Spannungsteilern vermutlich auch Kapazitäten parallel zu den
Widerständen brauchen.
Variable Verstärker gibt es fertig, z.B. PGA204, PGA205, mcp6s91 und
viele andere mehr. Man kann das auch zu Fuß mit analogen CMOS Schaltern
und einem normalen OP machen.
Für den variabelen Filter gibt es die Filter mit geschalteten
Kondensatoren - die Grenzfrequenz ist dabei Proportional zu einer
Steuerfrequenz von z.B. 0,1 - 10 MHz, die der µC bereitstellen kann. Für
hohe Signalfrequenzen oder wenn man sehr wenig Störungen braucht, müsste
man eine andere Lösung finden, z.B. mit Digitalen Poties, PGAs, CMOS- DA
Wandlern als Teil eines aktiven Filters.
Wenn man mit wenigen Frequenzen auskommt, gehen auch separate Filter und
dann ein Multiplexer zur Auswahl, alternativ auch die Kondensatoren
und/oder Widerstände wie bei Widerstandsdekaden elektronisch
zusammenschalten.
Ich hab mal mit LTspice eine kleine Schaltung mit folgenden funktionen
aufgebaut.
-> der invertierende Verstärker kann mit der Referenzspannung und einem
digitalen Potentiometer eine Variable Spannung von +/- 5V liefern.
Mit der Spannung soll das Messsignal aus dem negativen in den positiven
Bereich gehoben werden.
-> die Spannung wird invertiert
-> der Summierer addiert das zu messende Signal und die variable
Referenzspannung und hebt das +/- Signal in den positiven Bereich.
Leider ergibt sich alles negativ, durch die Invertierung. diese wird
jedoch durch den nächsten Schritt kompensiert.
-> mit dem Verstärker soll der Messbereich des ADC möglichst vollkommen
ausgenutzt werden, in dem das messsignal möglichst in den Bereich von 0
bis 5V skaliert wird. Durch die Invertierung wird die Invertierung des
Summierers aufgehoben und es ergibt sich ein Signal im positiven
Bereich.
Könntet ihr die Schaltung mal begutachten und Empfehlungen abgeben?!?!?
Ist das so realisierbar?
Welche Dimensionen sollte ich für die Widerstände einplanen?
Welchn Verstärker und welches digitale Poti mit 2 Ausgängen und I2C
würdet ihr nehmen?
Grüße Martin
mir fällt grad ein , dass ich mit dieser Schaltung die Spannung Ue1 des
Summierers nie auf 0 bekomme.
Ich könnte auch einen I2C Multiplexer nehmen der zwischen verschiedenen
Spannungen umschalted, aber da hab ich keine feine Abstufung und ich
wollte möglichst flexibel bleiben.
multiplexer:
http://www.nxp.com/#/pip/pip=[pip=PCA9544A]|pp=[t=pip,i=PCA9544A]
was gibt es da sonst noch?
Martin schrieb:> mit dem Verstärker soll der Messbereich des ADC möglichst vollkommen> ausgenutzt werden, in dem das messsignal möglichst in den Bereich von 0> bis 5V skaliert wird. Durch die Invertierung wird die Invertierung des> Summierers aufgehoben und es ergibt sich ein Signal im positiven> Bereich.
Such mal nach “Voltage Controlled Amplifier“. Eventuell kann man aus
einem PWM-Ausgang oder notfalls per R2R-Netzwerk Steuersignale
A-D-Wandeln und damit die Verstärkung steuern.
Martin schrieb:> Jetzt fehlt nur noch eine Lösung zu dem variablen Tiefpassfilter
Einen Tiefpass als Sallen-Key? Butterworth etc. mit realen Bauteilen
bringt vllt. Stress mit sich, aber ist die Präzision allemal wert. Nenn
mal ne Hausnummer für Flankensteilheit und gewünschtem Phasenverlauf.
Darf an einer Dekade niedriger
schon mal was mit 180° aber erst -20dB durch den Tiefpassfilter kommen?
mfg mf
Bei dem Tiefpass hab ich mich jetzt zu einem digitalen Filter
entschieden. Damit bin ich am flexibelsten und meine Schaltung wird
nicht ganz so umfangreich.
Insgesammt handelt es sich um 12 Messeingänge.
Gemessen werden sollen Signale mit:
- maximalen Abtastrate von 500Hz
- typische Abtastrate 100 bis 200Hz
- analoge Signale von beschleunigungsaufnehmern, Drehwinkelsensoren,
drucksensoren
Die Digital Potis sollte man als Verstellbaren Spannungsteiler und nicht
als Verstellbaren Widerstand verwenden. Das Verhältnis der Widerstände
stimmt ganz gut, aber der Absolutwert und der Temperaturkoeffizient der
Widerstände ist eher schlecht.
Die gezeigte Schaltung taugt also nichts. Es macht auch nicht viel Sinn
die Verstellung besonders fein zu machen. Für die letzten 20% oder 50%
kann man lieber einen etwas besseren AD Wandler nehmen. Eine analoge
Umschaltung braucht man eher für Faktoren von 1/2/4/8 so wie es ein
PGA204 liefert.
Der Vorgeschlagene Multiplexer paßt auch nicht - der ist zum Verteilen
von I2C Signalen. Da schon eher so etwas wie 75HC4051 oder wenn es
genauer werden soll ADG408 oder was ähnliches.
Den Filter digital zu realisieren ist eine gute Idee, vor allem bei so
niedriger Frequenz. Ein Tiefpassfilter als Antialiasing Filter sollte
aber schon noch Analog aufgebaut sein. Der muss dann aber ggf. nicht
mehr Verstellbar sein, wenn die Hardware erstmal immer eher schneller
(z.B. mit 1 kHz) abtastet und dann für die langsameren Raten mittelt.
...nächster Entwurf.
--> eingang wie bei einem Oszi
--> Impedanzwandler
--> Verstärker über Multiplexer
--> Offset über Summierer & digital Poti
--> Überspannungsschutz
--> ADC
Den Impedanzwanderl habe ich in vielen anderen Messschatlungen gesehen.
was bringt der mir wirklich?
Welche Widerstände würdet ihr mir empfehlen? ... Genauigkeit und
Dimensionen
Ist die Offset einstellung über das Poti so ok?
Welche Chips würdet ihr für die Spannungs versorgung verwenden?
Als Versorgungsspannung sind 12V vorhanden.
Danke Ulrich für deine Hilfe.
Leider findet man unter PGA's oder VGA's nicht wirklcih eine große
Auswahl :-(
hab bei Maxim, analog, Linear und NS gesucht
Grüße Martin
Servus!
ich bin auch an so einer Schaltung interessiert.
ich habe mir letzten ein kleines CAN messystem mit dem at90can gebaut.
An eine besondere Beschaltung des ADC habe ich nicht gedacht... anfänger
fehler :(
Da ich aber sensoren mit 3V, 5V und 10V pegeln habe muss ich mir auch
noch sowas machen.
Martin schrieb:> ...nächster Entwurf.
funktioniert diese Schaltung???
Grüße!
So im Prinzip könnte die Schaltung schon funktionieren. Man braucht
aber die passenden Versorgung, und die Verstärkungseinstellung ist nicht
gut, weil der Widerstand des MUX mit eingeht. Es fehlt auch noch eine
Bandbreitenbegrenzung realtiv weit vorne in der Schaltung.
Die Frage nach der Spannungsversorgung ist schon mal gut. Dazu müsste
man noch genauer angeben was genau gemessen werden soll: positive und
Negative Spannung ? , Massebezogen oder Differenzspannugen.
Die Verstärkungsumschaltung macht man besser als nicht invertierender
Verstärker, und bei der Offseteinstellung wäre zu überlegen das vor der
Verstärkung zu machen. Wenn die Spannung am Eingang größer als die
Versorgungsspannung wird, bräuchte man einen Teiler gleich am Eingang
und da ggf. eine Relais als Schaltelement.
Hallo Ulrich,
so bin jetzt endlich wieder mal zu hause und kann mich richtig
einloggen.
vielen Dank dass du so eine Geduld mit mir hast.
Aber mit soetwas habe ich mich noch nicht so viel beschäftigt.
Es sollen Spannungen mit +/- 10V Massebezogen gemessen werden.
vorhandene Versorgungsspannung ist eine 12V Batterie.
Ich habe mir grade nochmal den pga204 angeschaut, jedoch bin ich da
ziemlich gefixd mit den verstärkungen. (PGA204: G=1, 10, 100, 1000V/V)
Ich hätte gern auch eine Verstärkung von 0,5 fpr den Fall, dass die
Eingangspannung zu groß ist.
Und da bin ich glaube ich mit einem MUX variabler, da ich ja meine
Faktoren selber dimensionieren kann oder?
Wie kann ich den Widerstand des Mux berücksichtigen? Wo finde ich
soetwas im Datenblatt?
Was meinst du mit "Es fehlt auch noch eine Bandbreitenbegrenzung realtiv
weit vorne in der Schaltung."
Ulrich schrieb:> Die Verstärkungsumschaltung macht man besser als nicht invertierender> Verstärker, und bei der Offseteinstellung wäre zu überlegen das vor der> Verstärkung zu machen. Wenn die Spannung am Eingang größer als die> Versorgungsspannung wird, bräuchte man einen Teiler gleich am Eingang> und da ggf. eine Relais als Schaltelement.
--> ich werde deine Vorschläge gleich noch umsetzten.
kann ich dich auch irgendewie direkt errichen?
Grüße martin
Ulrich schrieb:> Die Verstärkungsumschaltung macht man besser als nicht invertierender> Verstärker, und bei der Offseteinstellung wäre zu überlegen das vor der> Verstärkung zu machen. Wenn die Spannung am Eingang größer als die> Versorgungsspannung wird, bräuchte man einen Teiler gleich am Eingang> und da ggf. eine Relais als Schaltelement.
und wenn ich Offset mit Verstärker tausche und einen nicht
invertierender Verstärker verwende, dann habe ich folgende Probleme.
--> der Verstärker beeinflusst das Offset
--> Bei einem nicht invertierender Verstärker gibt es keine Verstärkung
< 1
--> mein Signal könnte größer als die Eingangsspannung werden
--> momentan finde ich es gut, dass sich die Invertierung aufhebt.
momentan verkleinere ich bei einem zu großen Signal zuerst die Amplitude
und dann korrigiere ich den Offset.
Meintest du das... siehe anhang mit Bandbreitenbegrenzung am Eingang?
Der Impedanzwandler am Eingang kann schon nicht mit einer Spannung von
mehr als der Versorgung klar kommen. Eine Verstärkung kleiner 1 dahinter
ist also kaum sinnvoll. Wenn man ein so großes Eingangssignal hat, dann
müsste der invertierende Verstärker schon den Eingang bilden. Wegen des
eher kleinen Eingangswiderstandes ist das aber nicht immer gut möglich.
Da wäre dann zu überlegen die Spannung anzuheben, oder einen
Spannungsteiler am Eingang zu haben. Ein sehr hoher Eingangswiderstand (
> 100 MOhm) und eine Spannung bis über die Versorgung ist halt nur sehr
schwer machbar.
Ob man den Offset auf den Eingang oder den Ausgang bezogen rechnet hängt
von der Anwendung ab. Wenn der Offset vor dem Verstärker dazu kommt,
dann hat man halt immer den gleichen Wert bezogen auf den Eingang. Als
Vorteil kann man so auch Viel Offset abziehen und den kleinen Rest
feiner auflösen. Wegen der AC Kopplung am Eingang ist ohnehin die Frage
ob man den Offset überhaupt braucht - viel kann man da jedenfalls nicht
gebrauchen.
Ob man insgesamt eine Invertierung hat, ist eher nebensächlich, das kann
ggf. die Software wieder richtig darstellen.
Bei der Schutzschaltung am Eingang sollten die Dioden hinter den
Widerstand. 820 K am Eingang sind auch recht viel. Schon etwa 100 K
reichen normal aus um den Strom zu begrenzen, selbst wenn da 230 V
anliegen sollten. Wegen der Spannungsfestigkeit aber ggf. als 2 mal 47 K
in Reihe.
Wenn man nur Abtastraten bis 500 Hz braucht, sollte der Verstärker auch
nicht viel Breitbandiger werden. Höherfrequente Signal könnten sonst
später Störungen in Form von Offsetspannungen (durch Gleichrichtung an
OP Eingängen) oder vorzeitigem Übersteuern erzeugen. Wo man das Limit
hin legt, hängt vom AD Wandler ab - viel mehr als ca. 2 kHz werden aber
kaum gebraucht - die stören nur und sollten ohnehin im Antialiasing
Filter hängen bleiben.
Es ist wirklich die Frage ob die Einstellung im analogen Bereich
wirklich der beste Weg ist. Eine Alternative wäre z.B. ein höher
Auflösender Wandler (z.B. LTC2440, nur als ein Beispiel) - da wäre dann
ein einfacher Impedanzwandler schon ausreichend und man hätte bessere
Daten mit weniger Schaltungs-Aufwand.
