Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Genaue Funktion eines Schaltungsteiles


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von Thomas F. (devil13)


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Hallo,

ich versuche gerade den angehäfteten Schaltungsausschnitt zu verstehen.
Er soll einen einstellbaren Spannungsoffset auf eine Spannung addieren.

Meiner Auffassung nach finden sich folgende Bestandteile wieder:
1) R12 bildet enen Spannungsteiler, der am Beinchen 2 des gleichen 
Widerstandes eine Spannung zwischen +V und -V einstellt.
2) Der OPV IC3B bildet mit R8 und R9 einen nichtinvertierenden 
Verstärker mit der Verstärkung 100.
3) nach der Erklärung aus dem OPV Bereich 
(http://www.mikrocontroller.net/articles/Operationsverst%C3%A4rker-Grundschaltungen#Nichtinvertierender_Verst.C3.A4rker_mit_Offset) 
bilden 1) und 2) zusammen einen Nichtinvertierender Verstärker mit 
Offset

Sind meine Vermutungen richtig?
Und mir ist nicht klar, welche Funktion R10 und R11 haben?!
C11 dient doch lediglich der Spannungsglättung bei unstabielen 
Spannungsquellen oder?

Vielen Dank!

von amateur (Gast)


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R10 kannst Du als Gleichspannungsmäßig in Reihe zu R9 betrachten.
C11 verbiegt den Frequenzgang bzw. die Verstärkung. Liegt ja parallel zu 
R10.
Mir R12 kannst Du die mittlere Ausgangsspannung kräftig durch die Gegend 
schubsen.
Die Dimensionierung von R11 und R12 erscheint mir allerdings etwas 
komisch. Sie dürfte allerdings einen recht großen Einfluss auf die 
Verstärkung haben.
Schmeiß das Teil doch mal in den Simulator.

von Thomas F. (devil13)


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amateur schrieb:
> Schmeiß das Teil doch mal in den Simulator.

Welchen nehme ich da am besten?

von amateur (Gast)


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Ich benutze den von Linear (LTSPICE), auch aus Kostengründen.

von B. S. (bestucki)


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> Welchen nehme ich da am besten?
LTSpice zum Beispiel

Hier noch was interessantes zum Thema Offset und OPAMPs:
http://www.analog.com/library/analogDialogue/archives/35-02/avoiding/avoiding.pdf

von amateur (Gast)


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Ich vergaß: Wenn die Deinen OP nicht in der Liste haben, nimm 'nen 
anderen. Wenn möglich keinen Rail-To-Rail. Der Knilch scheint bipolar zu 
werkeln. Übermäßig hochfrequent, wegen der 100n, scheint's ja nicht 
zuzugehen.

von amateur (Gast)


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Interessanter Artikel. In den Beispielen hängt der invertierende 
Eingang, gleichspannungsmäßig meistens in der Luft.

von B. S. (bestucki)


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> Interessanter Artikel. In den Beispielen hängt der invertierende
> Eingang, gleichspannungsmäßig meistens in der Luft.

Jepp, das ist unschön und hab AD deswegen auch schon eine Mail 
geschrieben -> keine Reaktion. Bei meinen Schaltungen hab ich jedenfalls 
den invertierenden Eingang hochohmig an Masse angeschlossen.

von amateur (Gast)


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Zwei mal 100 Ohm in Reihe = Hochohmig. - Na ja - Wird allerdings auch 
Zeit, dass ich in die Heia komme. Sorry

von B. S. (bestucki)


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Uh! Jetzt wo ichs (nach 3-4 Jahren) wiedermal anschaue, seh ichs auch. 
Hätte mir den zusätzlichen R sparen können. Verhält sich ohne 
Eingangssignal (Gleichspannung am nicht-invertierenden Eingang) als 
Spannungsfolger. Tja, geschadet hat er nicht... Jetzt weiss ich 
wenigstens, warum sie mir damals nicht zurückgeschrieben haben :)

von B. S. (bestucki)


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Um zurück zum Thema zu kommen:

> Sind meine Vermutungen richtig?
Ja

> Und mir ist nicht klar, welche Funktion R10 und R11 haben?!
Die teilen die Spannung an Pin 2 des Potis nochmals herunter -> siehe 
belasteter Spannungsteiler.

> C11 dient doch lediglich der Spannungsglättung bei unstabielen
> Spannungsquellen oder?
Nein. Wechselspannungsmässig bildet der Kondensator einen Kurzschluss. 
Dies ist notwendig, da ansonsten das Poti und die beiden 100R 
Widerstände die Verstärkung beeinflussen.

Bei deiner Schaltung werden Störungen auf der Betriebsspannung direkt in 
das Ausgangssignal eingekoppelt (siehe mein Link weiter oben). Ob das in 
deiner Anwendung stört oder nicht, kannst nur du beantworten. Wenn du 
z.B. mit deiner Schaltung eine Endstufe ansteuerst und die Phasenlage 
ungünstig ist, kann es passieren, dass die Schaltung beginnt zu 
schwingen oder sich das Signal auslöscht (weil die Endstufe Störungen 
mit der selben Frequenz wie das Nutzsignal auf die Betriebsspannung 
prägen kann).

von Purzel H. (hacky)


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Das Ganze ist ein DcVerstaerker der eine in kleinen Grenzen einstellbare 
Verstaerkung von 50  hat, welche dann bei AC auf 100 geht.
 Oder so aehnlich. einen offset kann man auch noch einstellen.

von Jobst M. (jobstens-de)


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amateur schrieb:
> Übermäßig hochfrequent, wegen der 100n, scheint's ja nicht
> zuzugehen.

Hmmm. Doch. Sobald der 100n fast die gesamte Wechselspannung wegfängt, 
ist der Innenwiderstand des einstellbaren Spannungsteilers 
nebensächlich. Dann wird dort nur noch Offset eingestellt.

Thomas: Wo ist die Schaltung verbaut? Welche Frequenzen werden 
verarbeitet?


Gruß

Jobst

von amateur (Gast)


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Interessante Schaltung!

Bei Mittenstellung des Poties ist das ganze ein Tiefpass mit 3,???kHz 
Grenzfrequenz.
Aber wie heute Nacht bereits vermutet:
Bei kleiner Verstimmung (550:450 Ohm) des Potentiometers flippt die 
Schaltung aus. Mächtige Dämpfung, bestenfalls eigenartiger Frequenzgang.

von B. S. (bestucki)


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amateur schrieb:
> Bei Mittenstellung des Poties ist das ganze ein Tiefpass mit 3,???kHz
> Grenzfrequenz.

Das liegt daran, dass du einen realen OPAMP verwendet hast. Ich hab die 
Sache mal mit einem Idealen simuliert. In den Bildern ist der 
Frequenzgang sowie die Auswirkungen von Störungen auf der 
Betriebsspannung bei verschiedenen Potistellungen zu sehen.

EDIT:
Hellgrüne Kurve: Ra=100R, Rb=900R
Braune Kurve: Ra=900R, Rb=100R

von Thomas F. (devil13)


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Wow! Mit so tatkräftiger Unerstützung habe ich garnicht gerechnet :)
Vielen Dank euch allen schonmal.

Jobst M. schrieb:
> Thomas: Wo ist die Schaltung verbaut? Welche Frequenzen werden
> verarbeitet?

Ja, die Frage nach dem Was, Wie und Wofür ist durchaus berechtig und 
darum verliere ich einfach mal nen püaar Worte dazu und schreibe mal den 
aktuellen Stand der Dinge auf.


(leider weiß ich nicht, wie man Bilder im Text plaziert und darum 
schreibe ich einfach der Einfachheit halber mehrere Antworten)

Zuerst was das ganze soll
Gebaut werden soll ein EKG Verstärker. Teile der Schaltung kommen aus 
einer Fachzeitschrift (u.A. der Offsetgeber von ganz oben). Und um die 
Frage nach der Frequenz zu beantworten, die Frequenz des Signales bewegt 
sich deutlich unter 20 Hz ... eigentlich so 1-2 Hz.

Der Stand der Dinge
Bisher funktioniert alles recht gut. Mein Herzsignal ist schon sehr 
deutlich zu sehen. Allerdings sollen die Spannungskurven später noch an 
einen Microcontroller weiterverarbeitet und ausgewertet werden und muss 
daher gä#nzlich positiv sein. Ganz zum Schluss soll die EKG Kurve auf 
einer 8 x 27 LED Anzeige (h x b) dargestellt werden.


Die Bestandteile der Reihenfolge nach
1. Elektroden am Probanden
2. Instr. Verstärker
3. Hochpass 2. Ordnung
4. Tiefpass 2. Ordnung
5. Verstärker + Offset
...

Im folgenden die einzelnen Bestandteile etwas genauer und auch einige 
Messwerte.
(die Schaltungen sind von links (Eingang) nach rechts (Ausgang) zu 
lesen)

von Thomas F. (devil13)


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Instr Verstärker und Hochpass

Verwendet wurde hier der INA114 (Datenblatt im Anhang).
Der Hochpass soll verhindern, das das Signal wegdriftet (den Offset, 
welcher sich mit der Zeit ändert, entfernen).
Dieser Teil ist nicht aus der Zeitschrift.
Verwendet wurde ein Bessel-Hochpass 2. Ordnung mit Sallen-Key-Struktur. 
Die Knickfrequenz ist bei 0,1Hz.

Das dieser Teil seine Arbeit bis hier hin macht, kann man schön am Oszi 
sehen. Spannungsdrifts werden ausgeglichen und ein Bild vom 
Ausgangssignal des Hochpasses ist im Anhang.
Das Signal bewegt sich in einem Bereich von ca. -200mV bis 400mV und bei 
rund 1,2Hz.

von Thomas F. (devil13)


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Tiefpass

Der Tiefpass soll uns die Störungen z.B. durch das Stromnetz 
rausfiltern.
Verwendet wurde hierzu ein Butterworth Tiefpass 2. Ordnung mit 
Sallen-Key-Struktur. Die Knickfrequenz ist bei rund 25Hz.

Auch dieser Teil der Schaltung funktioniert gut und liefert das 
erwartete Ergebnis.
Die 50Hz werden stark gedämpft. Im Anhang ist ein Bild von Messwerten 
hinter dem Tiefpass.
Die untere Linie markiert 0V und die obere 5V. Da der Atmega 5V 
verarbeten kann, soll das Signal im letzten Schritt noch entsprechend 
verstärkt werden.

von Thomas F. (devil13)


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Verstärker und Offset

Hier soll nun ein Offset derart auf das Signal gegeben werden, dass es 
sich im Bereich zwischen ca. 0 und 5V bewegt.
Soweit ich die Schaltung verstanden habe, soll an dem Poti (R12) der 
Offset eingestellt werden. Das funktioniert in gewissen grenzen auch 
recht gut.
Im Bild ist wieder die 0 und 5V Grenze zu sehen. Der Offsetz ist nun so 
eingestellt, dass das Signal positiv ist, wird jedoch bei ca. 1,8V 
Abgeschnitten. Die OPV's arbeiten mit +/- 5V und dürften doch eigentlich 
nicht schon dort abschneiten.

Verkleinere ich am Widerstand R8 die Verstärkung verkleinert sich auch 
der Offset und das Signal rutscht wieder nach unten.


daher nun die Frage
Zum einen, ist an der Schaltung irgendwas falsch? Sie kommt aus dem 
Magazin. Wie ist dieses Verhalten zu erklären (dass bereits bei 1,8V 
abgeschnitten wird)? Wie könnte man das Problem umgehen (alternative 
Schaltung oder wie diese geändert werden kann).

Erneut vielen Dank!

von paul (Gast)


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von Thomas F. (devil13)


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paul schrieb:
> http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ina128.pdf
> schau mal auf seite 11!

Versteh nicht, inwiefern mir das helfen soll?!?

kannst du bitte ein paar Worte dazu verlieren :)

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