Hallo,
ich würde gerne kleine Änderungen von kleinen Induktivitäten in
einerÄnderung einer DC-Ausgangsspannung mitbekommen.
Mein momentaner Ansatz ist die Verwendung von einem Quartz-Oszillator
mit hoher Frequenz an dem die Spule angeschlossen wird.
Die Spulenspannung soll dann mit einem Spitzenwertgleichrichter in eine
Gleichspannung umgesetzt werden.
Die somit erhaltenen Amplitudenwert möchte ich mit dem ADC von meinem µC
digitalisieren.
Eine Transientensimulation in PSPIECE mit der Schaltung im Anhang
liefert bei L = 20nH eine Spannung am Kondensator von 1,34 V und bei L =
19,7 nH bekomme ich 1,35 V.
Das wäre also mit nem gewöhnlichen 10-bit ADC feststellbar.
Das ganze funktioniert auch nur mit einem sehr kleinen Kondensatorwert,
da es sonst sehr lange dauert bis ein stationärer Endwert erreicht ist.
Ich habe gedacht, dass ich direkt mein Sample- andhold-Glied vom ADC am
Ausgang des OPVs anschließe (also dort wo sich momentan der Kondensator
befindet), weil der ADC ja auch einen kleinen Kondensator aufläd.
Das ist jetzt alles nur theoretisch und mir kommt es etwas dubios vor -
aber könnte das echt in der Realität auch funktionieren?
Kommentare:
- der Oszillator muss Sinus liefern (kann man im Bild erahnen)
- der OP ist viel zu langsam!! (NS-Datenblatt: bandwidth (unity gain)
1 MHz)
- ist der Kondensator zu klein, frisst der Sample and Hold des ADC alles
weg
- ggf. Impedanzwandler dahinter schalten
- Offsetspannung der OPs nicht vergessen
Ob die Berücksichtigung dieser Punkte allerdings zum Erfolg führt, weiß
ich auch nicht :-((
Gruß Dietrich
Danke für deine Anmerkungen, Dietrich.
Dietrich L. schrieb:> der OP ist viel zu langsam!! (NS-Datenblatt: bandwidth (unity gain)> 1 MHz)
Das habe ich auch gesehen, aber spielt das hier eine Rolle? Ich möchte
mehr oder minder stationäre Endwerte messen und ich habe mir halt
vorgestellt, dass da schon im laufe der Zeit "genügend Output hinten
rauskommt" um den Kondensator auf die Amplitude aufzuladen.
Hm...außerdem klappts ja in der Simulation auch, und da sollte ja ein
reales Bauteilverhalten modelliert sein. Also soll heißen, die Spannung
die am Kondensator am Ende erreicht wird, ist die Spannung, mit der auch
der Oszillator schwingt.
> - der Oszillator muss Sinus liefern (kann man im Bild erahnen)
Das sollte auch nicht so wichtig sein. Die Induktivität sorgt schon
dafür, dass das kein Rechteck bleibt :)
> ist der Kondensator zu klein, frisst der Sample and Hold des ADC alles> weg
Ich dachte, dass der Kondensaotr sowieso ganz wegkommt.
Stattdessen soll da dann direkt der ADC mit seinem Sample und Hold
Kondensator hinkommen. Wenn man lange genug sampled, ist der Effekt ja
derselbe - würd ich sagen.
> ggf. Impedanzwandler dahinter schalten
Hab ich auch überlegt, brauch ich aber in dem Fall glaub ich dann gar
nicht. Zumindest nicht, wenn ich direkt den ADC hinhänge.
Hm, aber gut, vielleicht doch ganz gut. Nur: Wenn ich nen
Impedanzwandler nehmen würde, wir soll sich dann der Kondensator wieder
entladen?
Ich würd gern alle 50 ms einen Messwert aufnehmen.
> Offsetspannung der OPs nicht vergessen
Jop, aber die müsste man durch ne Kalibration kompensieren können.
Nee, nee - irgendwas ist hier faul.
Ich hab es jetzt nochmal simuliert mit 1 MHz - dann kommt natürlich eine
andere Spannung heraus. Das sehe ich noch ein, weil jetzt ja die
Reaktanz von L nen anderen Wert hat.
Die Wechselspannung an der Spule hat jetzt einer Amplitude von 94 mV
(was sich natürlich auch über die Spannungsteiler-Rechnung per Hand
ergibt) ABER die Spannung die hinten am Kondensator rauskommt liegt bei
ca. 150 mV. Das kann doch nicht gehen.
Wo liegt der Fehler?
rene p schrieb:>> der OP ist viel zu langsam!! (NS-Datenblatt: bandwidth (unity gain)>> 1 MHz)>> Das habe ich auch gesehen, aber spielt das hier eine Rolle? Ich möchte> mehr oder minder stationäre Endwerte messen und ich habe mir halt> vorgestellt, dass da schon im laufe der Zeit "genügend Output hinten> rauskommt" um den Kondensator auf die Amplitude aufzuladen.> Hm...außerdem klappts ja in der Simulation auch, und da sollte ja ein> reales Bauteilverhalten modelliert sein. Also soll heißen, die Spannung> die am Kondensator am Ende erreicht wird, ist die Spannung, mit der auch> der Oszillator schwingt.
Du schriebst:
> Das ganze funktioniert auch nur mit einem sehr kleinen Kondensatorwert,> da es sonst sehr lange dauert bis ein stationärer Endwert erreicht ist.
Da dachte ich mir, langsam darf nicht...
Aber so ganz wohl fühle ich mich nicht bei einem so langsamen OP.
Der Eingang sieht ja immerhin die hohe Frequenz. Und bis sich das Signal
bis zum Ausgang durchgekämpft hat, ist die Spitze schon vorbei...
>> - der Oszillator muss Sinus liefern (kann man im Bild erahnen)>> Das sollte auch nicht so wichtig sein. Die Induktivität sorgt schon> dafür, dass das kein Rechteck bleibt :)
Nein, bei einem Rechteck "sitzen" die hohen Frequenzen in den Flanken,
und die erzeugen die Spitzen Deiner Messspannung. D.h.: die Steilheit
der Flanke bestimmt Deinen Spitzenwert und ist bestimmt nicht stabil.
>> ist der Kondensator zu klein, frisst der Sample and Hold des ADC alles>> weg> Ich dachte, dass der Kondensaotr sowieso ganz wegkommt.> Stattdessen soll da dann direkt der ADC mit seinem Sample und Hold> Kondensator hinkommen. Wenn man lange genug sampled, ist der Effekt ja> derselbe - würd ich sagen.
Nein, üblicherweise wird der Sample-Kondensator des ADC erst zum Wandeln
für kurze Zeit an den Eingang geschaltet und dann in der Hold-Phase vom
Eingang getrennt. Dann erst erfolgt das Wandeln, die zu messende
Spannung "steht" dann im Kondensator.
>> ggf. Impedanzwandler dahinter schalten>> Hab ich auch überlegt, brauch ich aber in dem Fall glaub ich dann gar> nicht. Zumindest nicht, wenn ich direkt den ADC hinhänge.
s. oben
> Hm, aber gut, vielleicht doch ganz gut. Nur: Wenn ich nen> Impedanzwandler nehmen würde, wir soll sich dann der Kondensator wieder> entladen?
Z.B. über einen µC-Ausgang + FET
Gruß Dietrich
rene p schrieb:> Die Wechselspannung an der Spule hat jetzt einer Amplitude von 94 mV> (was sich natürlich auch über die Spannungsteiler-Rechnung per Hand> ergibt) ABER die Spannung die hinten am Kondensator rauskommt liegt bei> ca. 150 mV. Das kann doch nicht gehen.>> Wo liegt der Fehler?
Immer noch mit 1pF? Ist die Ausgangsspannung eine Gleichspannung? Die
Diode hat ja auch eine Kapazität und könnte da rummachen...
Nach welcher Zeit hast Du 150mV? Der Bias-Strom des Minus-Eingangs
könnte den Kondensator aufladen...
Gruß Dietrich
> Aber so ganz wohl fühle ich mich nicht bei einem so langsamen OP.> Der Eingang sieht ja immerhin die hohe Frequenz. Und bis sich das Signal> bis zum Ausgang durchgekämpft hat, ist die Spitze schon vorbei...
Ok, bin überzeugt - Frequenz runter oder andere OPV. Momentan Frequenz
runter, damit es mit PSPIECE noch geht :)
> Nein, üblicherweise wird der Sample-Kondensator des ADC erst zum Wandeln> für kurze Zeit an den Eingang geschaltet und dann in der Hold-Phase vom> Eingang getrennt. Dann erst erfolgt das Wandeln, die zu messende> Spannung "steht" dann im Kondensator.
Ja, das ist mir klar. Hab nur gedacht, das es eigentlich ja worscht is,
wenn man die Samplezeit hoch genug setzt. Aber egal.
Mein Haupt-Verständnisproblem hab ich ja grade beschrieben (Spannung am
Kondensator höher als Spannung vom Oszillator).
Ich glaube, das hat irgendwas mit dem simulierten Verhalten der Diode zu
tun. Nur kann ich es überhaupt nicht nachvollziehen.
Dietrich L. schrieb:> Immer noch mit 1pF? Ist die Ausgangsspannung eine Gleichspannung? Die> Diode hat ja auch eine Kapazität und könnte da rummachen...>> Nach welcher Zeit hast Du 150mV? Der Bias-Strom des Minus-Eingangs> könnte den Kondensator aufladen...
Hab das Bild von der Kondensatorspannung aus der Simulation mal
angehängt.
Ich habe jetzt auch mal die 1pF in 1nF geändert.
Die Frequenz ist bei 1 MHz.
Die 148 mV sind wie man sieht nach ca. 40 ms erreicht.
rene p schrieb:> Ja, das ist mir klar. Hab nur gedacht, das es eigentlich ja worscht is,> wenn man die Samplezeit hoch genug setzt.
Wenn man sie denn hoch genug einstellen kann. Außerdem ist z.B. beim
ATmega8 zwischen Eingangspin und Kondensator ein Widerstand von
1...100kOhm (!!). Was da die Spitzenwertgleichrichtung draus macht?
Gruß Dietrich
Dietrich L. schrieb:> Außerdem ist z.B. beim> ATmega8 zwischen Eingangspin und Kondensator ein Widerstand von> 1...100kOhm (!!). Was da die Spitzenwertgleichrichtung draus macht?
Ok gut, also ein Impedanzwandler danach. Dann hat man seine Ruhe.
Hier übrigens nochmal des ganze als Bild ohne Diode angehängt.
Eingezeichnet sind Kondensator und Spulenspannung.
Jetzt ist die Kondensatorspannung niedriger als die Spulenspannung. Das
liegt wohl irgendwie am OPV. Aber anscheinend ist die Diode "Schuld" an
der Überhöhung der Spannung. Nur warum?
rene p schrieb:> Jetzt ist die Kondensatorspannung niedriger als die Spulenspannung. Das> liegt wohl irgendwie am OPV.
Ja, 1MHz ist halt immer noch zu schnell, sodass der Ausgang dem Eingang
nicht folgen kann.
Was ich noch gesehen habe:
Versorgst Du den OP wirklich mit +/-1,5V? Dann gibt es 2 Probleme.
1. Input Common-Mode Voltage Range geht von V- bis V+ −1,5V bei 25°C,
und V- bis V+ −2V im gesamten Temperaturbereich => sehr knapp.
2. Output Voltage Swing: der Ausgang geht (bei 10kOhm Last) typ. nur bis
V+ -2V. Im Leerlauf (Dein Fall) wird es auch nicht bedeutend mehr sein
(siehe Innenschaltung des OP). Zusammen mit der Diode geht das also gar
nicht.
Ob das die Ursache für die zu hohe Spannung ist, ist Spekulation. In
jedem Fall betreibst Du den OP außerhalb der Spezifikationen.
Also: anderer OP oder höhere Spannung (z.B. +/-5V)
sonstiger Vorschlag:
Teste mal mit Oszillator-Amplitude = 0, was der Ausgang dann macht (mit
und ohne Diode).
Gruß Dietrich
> Ja, 1MHz ist halt immer noch zu schnell, sodass der Ausgang dem Eingang> nicht folgen kann.
1 MHz Bandbreite des OPVs bedeuten meines Erachtens, das 1 Mhz noch
"durchkommen".
> Also: anderer OP oder höhere Spannung (z.B. +/-5V)
Ok höhere Spannung
> Teste mal mit Oszillator-Amplitude = 0, was der Ausgang dann macht (mit> und ohne Diode).
Mit Diode liegen bei 0 Hz 80-100 mV (in Abhängigkeit der
Versorgungsspannung) am Kondensator an.
Ohne Diode gibts eine Schwingung im µV-Bereich. Also da passiert eher
nichts.
Also scheinbar ist wirklich die Diode irgendwie mit verantwortlich.
Der Wert von R spielt auch eine Rolle bzgl. der Abweichung der
Kondensatorspannung zur Spulenamplitude :/ merk ich grad. Für sehr
kleine R (0.01) verschwindet die Abweichung
Dein Erachten hat leider auf die Bauteilparameter keinen Einfluss. Das
ist 1Mhz bei Verstärkung=1. Und diese aktiven Gleichrichter basieren auf
dem Prinzip dass die Diodenkennlinie durch brachialen Einsatz von
Gegenkopplung und/oder durch Stromsteuerung geradegebogen wird. Dafür
brauchst Du aber ordentlich Verstärkung.
Interessanterweise werden manchmal Komparatoren statt OPVs für diese
Schaltungen verwendet, beim LM311 im DB wird zB ein "peak detector"
beschrieben.
Und: Nimm Schottky-Dioden, damit machst Du es dem OPV leichter. Aber
nimm so etwas wie eine BAS43; als Gleichrichter für Stromversorgungen
ausgelegte Schottky-Dioden haben zT furchtbare Sperrströme.
> Dein Erachten hat leider auf die Bauteilparameter keinen Einfluss. Das> ist 1Mhz bei Verstärkung=1.
Hm, mein Fehler war wohl zu denken, dass ich nur eine Verstärkung von 1
brauche. Aber dein nächster Absatz erklärt natürlich warum man mehr
braucht - dass man gegen die Diode kämpfen muss, hab ich nicht bedacht
bzw. nicht gewusst. Ok also mal mit 10 000 Hz probieren.
> Interessanterweise werden manchmal Komparatoren statt OPVs für diese> Schaltungen verwendet, beim LM311 im DB wird zB ein "peak detector"> beschrieben.
Hab mir die Schaltung mal angeschaut
(http://202.114.36.12/huan/pdf%5Ccompare%5Clm311-ti.pdf, S11).
Ich versteh aber absolut nicht, warum da hinten die Spitzenspannung
"rauskommen" soll.
Das gestrichelte Rechteck ist der LM311 nehm ich an...?
> nimm so etwas wie eine BAS43
Dafür hab ich kein Pspice Modell gefunden :/
Was könnt ich sonst noch nehmen?
Die Spannung hat aber noch nen Temperaturbeiwert und ist stromabhängig.
Für Ströme sind Dioden übrigens weit linearer als für Spannungen :)
Ansonsten bieten sich eben Schottkys (geringere Spannung) oder
Germaniumdioden (bei sehr kleinen Strömen sind die Spannungen sehr
gering) an...
> Die Spannung hat aber noch nen Temperaturbeiwert und ist stromabhängig.
Wenn der Kondensator geladen ist, fließt doch kein Strom mehr :]
Das mit der Temperatur ist allerdings blöd :/
> Ansonsten bieten sich eben Schottkys (geringere Spannung)
Aber auch Temperaturbeiwert!?
> Germaniumdioden (bei sehr kleinen Strömen sind die Spannungen sehr> gering)
Das wäre natürlich gut, weil wie gesagt am Ende kein Strom mehr fließen
sollte...
Jetzt mal eine Grundsatzfrage bzgl. der Anwendung.
Wozu brauchst Du das überhaupt? Wie willst Du das in der Praxis
einsetzen? Weist Du was 20nH etwa ist, und dann noch eine Änderung von
0,3nH (=300pH)?
Sieh mal bei http://www.b-kainka.de/bastel95.htm. Auch wenn das nur für
lange Spulen gilt, hast Du schon mal einen Eindruck über die
Größenordnung der Geometrie.
Bei http://www.adt-audio.de/ProAudio_Grundlagen/Induktivitaet/Kabel.htm
habe ich gefunden: "10 Meter Kupferdraht haben also eine Induktivität
von etwa 0.5 Mikro-Henry."
D.h.: 0,3nH entspricht 6mm Kupferdraht. Und das ist bei dem Aufbau einer
Schaltung auch zu berücksichtigen (Geometrie).
Zusammenfassung: unabhängig von Deiner Schaltung und Simulation ist das
ganze nicht wirklich einfach :-((
Gruß Dietrich
jop, aber wenn man die Induktivität keine klassische Spule ist, sondern
einfach nur eine geätzte Leiterbahn (z.B. eine Spirale), dann kommt man
schnell in diese kleine Größenordnung runter :)
Sorry, dass ich oben Spule geschrieben habe :[
schaltplan2.jpg
(55 KB)
