Guten morgen zusammen!
Ich bräuchte mal eure Hilfe bei einer OP-Schaltung. Es geht um eine
Application-Note (AN-534 von Analog Devices), bei der einem Stromgeber
ein FSK-Signal aufmoduliert wird. Die Schaltung habe ich mal nachgebaut
und sie funktioniert einwandfrei, aber ich habe es eher nach der
Try-&-Error-Methode gemacht, da ich die Beschreibung nicht so wirklich
verstehe.
Ich habe dazu mal zwei Bilder angehängt. Im ersten das aus der AN und
dazu noch ein Versuch zur Simulation des ganzen - aber auch bei dieser
komme ich nicht wirklich weiter.
Zum Bild: Ich denke erstmal schon, dass der OP definitiv falsch herum da
drin ist, meiner Meinung nach kann das so nicht funktionieren!
Wichtig hierbei ist, dass die Schaltungsmasse nicht gleich der
"LOOP"-Masse ist! Die Schaltungsmasse ist nur intern für die Elektronik,
hier kommt auch mein Problem bei der Simulation her, da ich nicht weiß,
wo ich die Masse anschließen soll...:-\
Zur Beschreibung aus der AN:
Ziel: ein 1mA-Peak-Peak-Signal auf die 4-20mA DC auzumodulieren
Dies geschieht über den Koppelkondensator Cc, welcher an C3 angekoppelt
wird.
An C1, C2 und C3 werden extern Kondensatoren angeschlossen, so dass ein
Doppel-Pol-Filter mit einer Cut-Off-Frequency von 25Hz entsteht - wie
berechne ich die Kondensatoren? Aus der AppNote werden für C1 0.01u, für
C2 0.5u und für C3 0.16u empfohlen, damit diese Bedingung erfüllt ist.
Zum Stromausgang:
Die Stromquelle links liefert einen Strom, der durch den 80k und den 40R
Widerstand fließt. Der Spannungsabfall über dem 80k gibt den Sollwert
für den OP vor (hier müsste "+" sein und nicht "-"). Der OP regelt nun
seinen Ausgang so auf, dass der Spannungsabfall über dem 40R Widerstand
gleich dem Spannungsabfall über dem 80k ist und stellt somit den
Ausgangsstrom ein. Das ist mir ja noch alles soweit klar, obwohl ich
auch hier ein bisschen Verständnisprobleme mit den unterschiedlichen
Massen habe...
Jetzt kommt das FSK-Signal dazu:
Auf der anderen Seite des Koppelkondensators sitzt ein FSK-Modem,
welches ein 500mV-Peak-Peak-Signal liefert. Vorgabe ist ein Stromhub von
+/- 0.5mA, also 1mApp.
Es gilt, den Koppelkondensator Cc zu berechnen. Das Eingangssignal an C3
muss nun so angepasst werden, dass +/-0.5mA herauskommen.
C3 und Cc sollen also nun das Signal abschwächen. Die Spannung liegt
über dem 40k am POSITIVEN OP-Eingang an. Jetzt sagt die AN, dass dieses
Signal ZWEIMAL über den 40R Widerstand fließen muss, wodurch ein
20mV-Signal notwendig ist. HIER HÖRT MEIN VERSTÄNDNIS AUF...wieso
zweimal? :-\
Jetzt wird also, nachdem diese 20mV berechnet wurden, der Attenuation
Factor berechnet:
1
20mVCc
2
----=-------
3
VhCc+C3
4
5
20mV*C3
6
Cc=---------
7
Vh-20mV
Und dazu die Filterkonstante:
1
Filterkonstante=(Cc+C3)*40k
Für ein Vh 500mVpp-Signal vom Modem und einer Filterkonstante von 25Hz
wird demnach ein Kondensator von 6.2nF benötigt.
Sorry, aber ich verstehe diese Rechnungen nicht, kann mir da vielleicht
einer weiterhelfen?
Vielen Dank für jeden Tip!
Daniel
Äh...sorry, eh gleich noch Anmerkungen zu meinem Simulationsbild kommen.
Die Spannungsquelle für den OP ist richtig herum bei mir, das war noch
ein Screenshot, bevor ich den Fehler bemerkt hatte.
Also das mit der Masse hat sich geklärt, ich habe sie jetzt außen
angeschlossen, also rechts an der Spannungsquelle - die Simulation
funktioniert jetzt - die Fragen bleiben :-)
Daniel schrieb:
> Die Application-Note ist hier:
Die App-Note ist falsch!
Sieh dir den Stromregler einfach mal an und verstehe ihn:
Der + Eingang des OPs liegt auf 0V (GND). Wenn du 1 V am 40k Widerstand
anlegst, dann müssen über dem 40 Ohm Widerstand 2 V abfallen, damit der
- Eingang über den 80k Widerstand ebenfalls wieder auf 0V (= Pegel des -
Eingangs) liegt. Und dafür ist ein Strom von 50mA nötig.
Für einen Stromhub von 1mA brauchst du also 20mV Spannungshub am 40k
Widerstand.
> Jetzt kommt das FSK-Signal dazu:
Welche Frequenz?
EDIT: da ging was mit den Anhängen schief... :-/
Hier sieht man mal das Resultat in der Realität.
Bild 1 zeigt den Ausgang am Modem und danach hinter dem Koppel-C von
6.2nF.
Wodurch wird denn hier mein Signal abgeschnitten? In der Simulation ist
es ein schöner Sinus...
>Wodurch wird denn hier mein Signal abgeschnitten?
Entweder ist Dein Eingangssignal zu bullig (zu hohe Amplitude) und
Du übersteuerst den Verstärker damit, so daß er in die Begrenzung geht,
oder das Biest ist ein Typ, der nicht bis fast zur Betriebsspannung
ausgesteuert werden kann.
MfG Paul
Daniel schrieb:> Bild 1 zeigt den Ausgang am Modem>> In der Simulation ist es ein schöner Sinus...
Richtig. Das speist du einen schönen Sinus ein. Sowas kann ich bei den
Oszibildern nicht erkennen.
Hast du deine Signalquelle (Modem) in der Simulation richtig
modelliert/beschreiben? Passt die Signalform (Trapez!=Sinus)?
Lothar Miller schrieb:> Richtig. Das speist du einen schönen Sinus ein. Sowas kann ich bei den> Oszibildern nicht erkennen.
Stimmt schon, das kommt schon aus dem Modem heraus. Da kann ich aber
nichts dran ändern, hab grad nochmal in die Datenblätter geguckt, dass
sind auch da nirgends schöne "Sinüsse". Der Ausgangsstrom in der
Schleife ist jedenfalls OK.
Lothar Miller schrieb:> Sieh dir den Stromregler einfach mal an und verstehe ihn:> Der + Eingang des OPs liegt auf 0V (GND). Wenn du 1 V am 40k Widerstand> anlegst, dann müssen über dem 40 Ohm Widerstand 2 V abfallen, damit der> - Eingang über den 80k Widerstand ebenfalls wieder auf 0V (= Pegel des -> Eingangs) liegt. Und dafür ist ein Strom von 50mA nötig.> Für einen Stromhub von 1mA brauchst du also 20mV Spannungshub am 40k> Widerstand.
Bezieht sich das jetzt auf das richtige oder falsche Bild?
Ich kann die Stromverläufe noch nicht so ganz nachvollziehen...
Also nochmal zu dem richtigen Bild.
Mal bei einer Halbwelle, jetzt die positive:
Wenn 0,5mA über den 40Ohm Widerstand fließen, dann erzeugen sie eine
Spannung von 20mV.
Soweit klar. Also muss am positiven Eingang vom OP auch 20mV anliegen.
Das Signal kommt vom Pin C3 und geht dann über den 40k an den Eingang
und dann weiter über den 80k. Ist doch eigentlich ein Spannungsteiler??
In den OP geht nichts rein. Aber hier würde sich doch die Spannung
aufteilen.
Und wohin geht der Strom dann zurück? Über den 40R in die
Schaltungsmasse oder weg nach LOOP(-) ?
Hier die LT-Spice-Datei.
Mir geht es ja eigentlich eher generell um den Stromfluss. Wo der
eingekoppelte Strom lang läuft und wieso er zweimal (laut AN) an dem 40R
Widerstand vorbeikommt. Also allgemein, wie die Modulation der
Stromschleife funktioniert und was es mit den Kondensatoren für den
Filter von 25Hz auf sich hat. Das verstehe ich halt nicht...leider! Da
wäre ich echt dankbar, wenn mir einer helfen könnte.
Die Simulation ist eh nicht 100% mit der Realität zu vergleichen, da die
"internen" Spannungen wie z.B. die 5V in der Praxis ja ebenfalls aus der
Schelife kommen und mit zum Gesamtstrom gerechnet werden müssen.
Daniel schrieb:> wieso er zweimal (laut AN) an dem 40R Widerstand vorbeikommt
"The signal appearing at the C3 pin is applied across a 40 kΩ resistor
and twice this signal is forced across the 40 Ω loop current sense
resistor."
Frei und ausführlich übersetzt heißt das:
Das Spannungssignal am C3-Pin liegt auch am 40kΩ-Widerstand an, und das
Doppelte dieses Signals muss am 40Ω-Strommesswiderstand anliegen.
Das ist — wie Lothar oben geschrieben hat — deswegen so, weil die
Spannung am 40Ω-Widerstand die gleiche wie am 80kΩ-Widerstand ist (beide
Opamp-Eingänge liegen auf dem gleichen Potential) und die Spannung am
80kΩ-Widerstand doppelt so hoch ist wie die am 40kΩ-Widerstand (durch
beide fließt der gleiche Strom).
Daniel schrieb:> Das verstehe ich halt nicht...leider! Da> wäre ich echt dankbar, wenn mir einer helfen könnte.
Bei den kryptischen Erklärungen kann ich das gut verstehen.
Stell dir einfach vor, dass der OP seine Arbeit macht, d.h. er sorgt
über die Rückkopplung dafür, dass an positivem und negativem Eingang die
gleiche Spannung liegen.
Da der Minus-Eingang fest an Masse der Meßschaltung liegt, regelt er
also auch den Plus-Eingang auf 0V. Die Summe der Ströme, die zum
Plus-Eingang fließt, muß Null sein.
Vom Shunt-Widerstand kommt ein negativer Strom U_shunt/80 kOhm (Emitter
liegt an Gnd, Spannungsabfall I*R), vom C3-Anschlußpunkt kommt
(U_C3-0V)/ 40 kOhm. Das o.g. 2:1 Verhältnis folgt also aus 80 kOhm/40
kOhm
MfG
>Zum Bild: Ich denke erstmal schon, dass der OP definitiv falsch herum da>drin ist, meiner Meinung nach kann das so nicht funktionieren!
Richtig, so bekommt er den Transistor nicht aufgesteuert.
>Wichtig hierbei ist, dass die Schaltungsmasse nicht gleich der>"LOOP"-Masse ist!
Richtig.
>Die Schaltungsmasse ist nur intern für die Elektronik, hier kommt auch>mein Problem bei der Simulation her, da ich nicht weiß, wo ich die Masse>anschließen soll...:-\
Nimm doch zwei Massen an, eine bei der Elektronik und eine bei der Last.
Dann mußt du allerdings bedenken, daß die zwei Massen gegeneinander
floaten und der DN25D im Datenblatt immer die Differenz zur "Loop Power"
aufnimmt. Also, wenn du es richtig simulieren willst, mußt du den DN25D
und seine Ansteuerung mit hineinpacken.
Zur Not kannst du die Versorgung der internen Elektronik in der
Simualtion auch mit an die "Loop Power" packen. Dann hast du an ihr eben
eine schwankende Versorgungsspannung.
>Dies geschieht über den Koppelkondensator Cc, welcher an C3 angekoppelt>wird.
Genau. Cc und C3 bilden einen kapazitiven Spannungsteiler.
>An C1, C2 und C3 werden extern Kondensatoren angeschlossen, so dass ein>Doppel-Pol-Filter mit einer Cut-Off-Frequency von 25Hz entsteht - wie>berechne ich die Kondensatoren?
Solange du nicht weißt, was in dem Kästchen "Sigma Delta DAC" drin ist,
garnicht. Letztlich ist das aber ein simples RC-RC-Filter.
>Aus der AppNote werden für C1 0.01u, für C2 0.5u und für C3 0.16u >empfohlen,
damit diese Bedingung erfüllt ist.
Dann nimm doch diese Werte.
>C3 und Cc sollen also nun das Signal abschwächen. Die Spannung liegt>über dem 40k am POSITIVEN OP-Eingang an. Jetzt sagt die AN, dass dieses>Signal ZWEIMAL über den 40R Widerstand fließen muss, wodurch ein>20mV-Signal notwendig ist. HIER HÖRT MEIN VERSTÄNDNIS AUF...wieso>zweimal? :-\
Nimm an, am oberen Ende von C3 liegt eine Spannung von 10mV. Da die
rechte Seite des 40k Widerstands auf virtueller Masse liegt, fließt
durch ihn ein Strom von 0,25µA. Dieser Strom fließt weiter durch den 80k
Widerstand und zieht den unteren Anschluß des 40R Widerstands auf -20mV.
Da die obere Seite des 40R Widerstands auf Masse liegt, fließt also aus
dem 40R Widerstand ein Strom von 0,5mA heraus.
>An C1, C2 und C3 werden extern Kondensatoren angeschlossen, so dass ein>Doppel-Pol-Filter mit einer Cut-Off-Frequency von 25Hz entsteht - wie>berechne ich die Kondensatoren? Aus der AppNote werden für C1 0.01u, für>C2 0.5u und für C3 0.16u empfohlen, damit diese Bedingung erfüllt ist.
Wenn diese Anordnung tatsächlich von einer Stromquelle gespeist wird,
dann ergibt sich mit den angegenen Caps eine Grenzfrequenz von rund 18Hz
und nicht 25Hz. Wahrscheinlich hat man sie etwas tiefer gesetzt, um mit
diesem deutlich schlapperen, nicht aktiven Tiefpaß zweiter Ordnung
genügend Dämpfung bei höheren Frequenzen zu erhalten.
>Jetzt sagt die AN, dass dieses Signal ZWEIMAL über den 40R Widerstand>fließen muss, wodurch ein 20mV-Signal notwendig ist. HIER HÖRT MEIN>VERSTÄNDNIS AUF...wieso zweimal? :-\
Du hast die Passage einfach falsch übersetzt! Da steht:
>The signal appearing at the C3 pin is applied across a 40 kW resistor>and twice this signal is forced across the 40 W loop current>sense resistor.
Da steht letztlich, daß das Signal, das am 40k Widerstand anliegt, in
doppelter Größe am 80k Widerstand abfällt und dieser Spannungsabfall
letztlich bestimmt, wieviel Strom durch den 40R Widerstand fließen muß.
Das deckt sich mit meiner obigen Erklärung:
>Nimm an, am oberen Ende von C3 liegt eine Spannung von 10mV. Da die>rechte Seite des 40k Widerstands auf virtueller Masse liegt, fließt>durch ihn ein Strom von 0,25µA. Dieser Strom fließt weiter durch den 80k>Widerstand und zieht den unteren Anschluß des 40R Widerstands auf -20mV.
20mV ist "twice the 10mV signal".
>Jetzt wird also, nachdem diese 20mV berechnet wurden, der Attenuation>Factor berechnet:>> 20mV Cc> ---- = -------> Vh Cc + C3>> 20mV * C3> Cc = ---------> Vh - 20mV>>>Und dazu die Filterkonstante:>> Filterkonstante = (Cc + C3) * 40k>>>Für ein Vh 500mVpp-Signal vom Modem und einer Filterkonstante von 25Hz>wird demnach ein Kondensator von 6.2nF benötigt.>>Sorry, aber ich verstehe diese Rechnungen nicht, kann mir da vielleicht>einer weiterhelfen?
Das ist doch ganz einfach. Die erste Gleichung steht für den kapazitiven
Spannungsteiler:
Vh = I x (Cc + C3)/w/Cc/C3
20mV = I x 1/w/C3
Also ist:
20mV/Vh = Cc/(Cc + C3)
Und das kann man jetzt wie oben nach Cc umstellen.
Das mit der Filterzeitonstante ist auch einfach zu verstehen: Bei
tieferen Frequenzen dominiert der 40k Widerstand über den 160nF Cap und
die Anordnung ist nicht länger ein kapazitiver Spannungsteiler. Damit
das nicht schon bei den Hart-Frequenzen passiert, fordert man, daß
dieser Übergang genügend tief liegt und fordert auch hier eine
Grenzfrequenz von 25Hz. Und 160nF, 6,2nF und 40k ergeben gerade eine
Grenzfrequenz von
f = 1/2/pi/40kOhm/(160nF+6,2nF)= 24Hz
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