Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Spannungsteiler Analogeingang?


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von Markus B. (mosha86)


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Hallo liebe Community,

ich stehe gerade auf dem Schlauch, wie das oft bei so einfach anmutenden 
Dingen ist.

Folgende Situation:

Ich habe einen dsPIC33 µC mit 3.3V Versorgungsspannung und 
entsprechenden  Analogeingängen, die NICHT 5V abkönnen.

Daran möchte ich nun einen Luftdrucksensor betreiben, der am Ausgang 
Spannungen zwischen 0.5V und 4.5 V generiert (siehe Zeichnung)

Ich weiß, dass ich um eine Kalibirierung nicht herumkomme, aber dafür 
habe ich softwareseitig schon Lösungen.

Meine Frage bezieht sich nun auf den Spannungsteiler, den ich verwenden 
muss,
um die 0.5V ... 4.5V  auf 0.33V ... 3.0V zu skalieren.

Das Teilerverhältnis muss demnach 2:1 ausfallen.

Jetzt stellt sich mir die Frage: Wie stelle ich den Eingang des µC in 
einem Ersatzschaltbild für belastete Spannugsteiler dar?

Ist mein Aufbau (siehe Zeichnung) so korrekt?
Ich werde 0,1% präzise Widerstände verwenden, was völlig ausreichend für 
die Genauigkeit ist.

Sind meine Überlegungen so weit richtig?

: Bearbeitet durch User
von Andrew T. (marsufant)


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Die Position von 10k und 5k Widerstand bitte vertauschen!

von Peter II (Gast)


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Markus B. schrieb:
> Jetzt stellt sich mir die Frage: Wie stelle ich den Eingang des µC in
> einem Ersatzschaltbild für belastete Spannugsteiler dar?
>
> Ist mein Aufbau (siehe Zeichnung) so korrekt?

nein, naja fast richtig.

ein Eingang am ADC ist sehr hochohmig - damit kannst du einfach von 
einem unbelastete Spannugsteiler ausgehen.

Im Zweifelsfall im Datenblatt nachschauen wie hoch der 
Eingangswiderstand ist.

von Markus B. (mosha86)


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Andrew Taylor schrieb:
> Die Position von 10k und 5k Widerstand bitte vertauschen!

Ach ja richtig, blöder Fehler.
Danke

Peter II schrieb:
> Markus B. schrieb:
>> Jetzt stellt sich mir die Frage: Wie stelle ich den Eingang des µC in
>> einem Ersatzschaltbild für belastete Spannugsteiler dar?
>>
>> Ist mein Aufbau (siehe Zeichnung) so korrekt?
>
> nein, naja fast richtig.
>
> ein Eingang am ADC ist sehr hochohmig - damit kannst du einfach von
> einem unbelastete Spannugsteiler ausgehen.
>
> Im Zweifelsfall im Datenblatt nachschauen wie hoch der
> Eingangswiderstand ist.

Ok, Danke. Die Überlegung mit dem hochohmigen Eingang hatte ich schon,
war mir allerdings nicht ganz sicher, ob ich nicht trotzdem für eine 
bessere Genauigkeit berücksichtigen muss.

Danke für die sehr schnellen Antworten

von Mike (Gast)


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Empfehle einen OPV zur anpassung. Allgemein immer als Eingangsschaltung 
sinnvoll. Nahezu unendlicher Eingangswiderstand. Somit keine 
Signalverfälschung.

R_Eingang 33k Ohm
R_Koppelwiderstand 100k Ohm

Grüße

Mike

von MaWin (Gast)


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Mike schrieb:
> Empfehle einen OPV zur anpassung.

Ich empfehle, erst in das Datenblatt zu gucken, dann auszurechnen welche 
optimalen Widerstandswerte zu welchem Fehler führen, und erst dann einen 
OpAmp einzubauen, wenn damit was bisher nicht reichte verbessert werden 
kann.

Aber das ist Leuten die nicht nachlesen ud nicht nachdenken wollen ja zu 
viel Arbeit, die zahlen lieber beim Aufwand drauf.

3.75k Quellimpedanz wären übrigens beim AVR ok, sogar 30k zu 15k.

von Mike (Gast)


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Datenblatt bei opv ^^ nur für Pinbelegung nötig. Bezüglich Beschaltung 
gibt es keine Unterschiede...

Zudem wurde ein Umwandlungsverhältniss vorgegeben und dazu passen die 
genannten Widerstände exakt...

Draufzahlen? Bauteilkosten <1€

LM741 25cent
3 Widerstände ein Kondensator weniger als 50cent....

Nur zu klein dimensionierter Koppelwiderstand führt zu 
Schwingungsverhalten. Größer 10k Ohm kann dies nicht mehr passieren...

Zudem ein Eingangssignal belastet man nicht mit einem Widerstand zu 
Masse, da das Signal verfälscht wird.

von Mike (Gast)


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Temperaturabhängigkeit von Widerstände ganz zu schweigen. Auch wegen 
unterschiedlichem Spannungsabfall an Widerstände ergibt sich eine 
unterschiedliche Leistungsabgabe der Widerstände und zu einer 
Unterschiedlichen erwärmung. Somit alles andere als Messtauglich.

Zudem siehe belasteter Spannungsteiler. Nicht berechenbar, wenn 
Folgeschaltung keine konstante Leistungsaufnahme auf weist. Und das ist 
praktisch bei keiner Schaltung der Fall.

Ausser man bastellt nur eine poplige LED-Lichterkette oder so. Aber 
sowas qualifiziert sicher nicht im Bereich Signalverarbeitung...

von Markus B. (mosha86)


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Danke Mike für die Ausführungen.

Ich werde das beherzigen.

Leider gefällt mir dein Ton nicht. Schließlich bin ich ein Neuling auf 
dem Gebiet und nein, ich bin nicht zu faul, Datenblätter zu lesen.

Ist ja toll für Dich, dass du schon so viel Ahnung hast und für Dich das 
alles selbstverständlich ist, aber es gibt halt Leute, die lernen noch 
dazu.

Kann ja nicht jeder als Genie geboren sein.

Spare Dir also bitte deine Arroganz, Danke.

von Harald W. (wilhelms)


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Mike schrieb:

> Datenblatt bei opv ^^ nur für Pinbelegung nötig. Bezüglich Beschaltung
> gibt es keine Unterschiede...

Nun, viele OPVs fangen bei Verstärkungen unter 1 an zu schwingen...

von Route_66 H. (route_66)


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Markus B. schrieb:
> Ist ja toll für Dich, dass du schon so viel Ahnung hast

An dem Beitrag von Mike sieht man aber, daß er KEINE Ahnung hat!

Mike schrieb:
> LM741 25cent

von MaWin (Gast)


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Mike schrieb:
> Draufzahlen? Bauteilkosten <1€
>
> LM741 25cent

Wo soll denn die Versorgungsspannugn herkommen für den LM741 ? Der 
nötige Spannungsw3andler kostet dich schon mnehr als 1 EUR, da wird das 
mit dem 1 EUR gesamtkosten nichts.

Wenn man auf dem Stand von 1972 ist .. einfach mal die Klappe halten.

von Mike (Gast)


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Mein Fehlgriff im Ton ging speziell an Mawin. Tut mir leid, wenn es 
persönlich genommen hast.
Kann solche Leute nicht ab haben die nur Foren stöbern und selber nicht 
konstruktiv beitragen...

BTW min. Versorgungsspannung für LM741 >4,5V

nicht vorhanden? @Mawin
Datenblatt lesen und verstehen ist nicht das selbe ;)

Qualitativ bringt ein teurerer OPV bei dieser Anwendung nichts.

von Michael B. (laberkopp)


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Mike schrieb:
> Datenblatt lesen und verstehen ist nicht das selbe ;)

Merkt man bei dir.

von Mike (Gast)


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Wie du meinst. Hobbyelektroniker oder gelernt?

von Achim S. (Gast)


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Mike schrieb:
> BTW min. Versorgungsspannung für LM741 >4,5V

ein mit 4,5V versorgter LM741 kann mit Spannungen unter 1V nicht 
arbeiten, wenn man Pech hat klemmt es auch schon bei 2V. Also ist das 
Nachschalten diese OPVs hier keine so gute Idee...

Die statische Belastung des Spannungsteilers durch den ADC Eingang kann 
man meist vergessen (genaueres sagt das Datenblatt ;-)

Die dynamische Belastung durch den geschalteten Sampling-Kondensator im 
ADC kann evtl. störend sein. Bei einer langsamen Signalquelle wie dem 
Drucksensor lässt sich das aber leicht durch einen Kondensator hinter 
dem Teiler beheben.

von Markus B. (mosha86)


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Ok Mike, schon gut.
Ich muss mir das alles jetzt eh erst mal durchlesen und verstehen.

Das ganze findet auf einem Board mit stabilen 12V, 5V und 3.3V statt.

D.h., einen extra Spannungsregler für den OpAmp bräuchte ich nicht, da 
schon vorhanden.

Ich les' mich da mal etwas tiefer in die Materie ein.

Wie sieht es denn mit allgemeinem Schaltlärm aus? Sollte ich die analoge 
Masse eventuell gesondert auslegen?

An dem µC laufen 2 SPIs, 2 UARTs, 1 CAN und 1 I2C, also finden da schon 
einige Dinge statt.

Bin halt mehr so der Firmwareentwickler und habe noch nicht so viel 
Erfahrung mit der Hardware und Schaltungstechnik.

von Axel S. (a-za-z0-9)


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Markus B. schrieb:
> Ich muss mir das alles jetzt eh erst mal durchlesen und verstehen.
> Das ganze findet auf einem Board mit stabilen 12V, 5V und 3.3V statt.
> D.h., einen extra Spannungsregler für den OpAmp bräuchte ich nicht, da
> schon vorhanden.

Der LM741 paßt trotzdem nicht. Auch wenn du den mit +12V und GND 
versorgst, er kommt am Ausgang nicht unter ~1.5V (das Datenblatt 
garantiert gar nur 3V). Dito kommt er mit Eingangsspannungen unter 3V 
nicht klar.

> Wie sieht es denn mit allgemeinem Schaltlärm aus? Sollte ich die analoge
> Masse eventuell gesondert auslegen?

Ich würde einfach vom ADC-Eingang nach GND (vulgo: parallel zum unteren 
Widerstand des Spannungsteilers) einen hinreichend großen Kerko 
plazieren. Z.B. 100nF. Der filtert einerseits Störungen raus und puffert 
andererseits die Spannung, wenn der µC den Hold-Kondensator an den 
ADC-Pin legt.


XL

von Frank (Gast)


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Mike schrieb:
> Empfehle einen OPV zur anpassung. Allgemein immer als
> Eingangsschaltung
> sinnvoll. Nahezu unendlicher Eingangswiderstand. Somit keine
> Signalverfälschung.
Welchen Eingangswiderstand der OPV hat hängt von diesem ab. Der 
Mikrocontroller ist CMOS und hat meist einen sehr hohen 
Eingangswiderstand. Beim OPV kommt dazu der Offsetspannungsfehler des 
OPV, zzgl. anderen Fehlern.

Du hast grundsätzlich Recht, falls es sich um eine analoge Schaltung 
handeln würde, dann würde ein OPV zur Pufferung sehr viel Sinn machen, 
aber bei einem hochohmigen Eingang ggf. nicht. Also rechnen wir mal 
nach:

Also nehmen wir mal folgendes an: 0,1% Widerstandsgenauigkeit, 5K und 
10K Widerstände:

Der Eingangswiderstand ist parallel zum 10 KOhm Widerstand:
Widerstandsfehler: +/- 10 Ohm (9990 - 10010 Ohm).
Dieser Fehler sollte nicht wesentlich überschritten werden, also legen 
wir mal 1 Ohm als zusätzlichen Fehler durch den Eingangswiderstand fest.

Das ist 10^4 größer als der Widerstand, somit muß der Eingangswiderstand 
mindestens 100 Megaohm betragen um nur einen 0,01% zusätzlichen Fehler 
zu erzeugen.

So jetzt habe ich mal das Datenblatt des Mikrocontrollers angesehen und 
herausgefunden, das im schlimmsten Fall der Eingangswiderstand nur 412,5 
KOhm für einen analogen Eingang beträgt. Typisch liegt der Wert sicher 
höher, aber gehen wir mal von dem aus.

Das wäre ein Fehler von 2,4%. Also doch lieber einen OPV dazwischen. Als 
OPV brauchst Du einen Rail to Rail Input/Output, dann kannst Du ihn bei 
3,3 Volt betreiben.

Theoretisch könntest Du auch sagen, ich kalibriere das und behebe dieses 
Problem in Software. Man könnte auch mal messen wie groß der 
Eingangswiderstand bei Deiner MCU nun tatsächlich ist.

An OPVs kannst Du bspw. einsetzen: LMV601, LMV611, OPA337, OPA347, 
OPA348, AD8515,  usw., Du kannst natürlich auch einen anderen OPV 
einsetzen. Wichtig ist das er mit 3,3Volt oder 5 Volt alleinig versorgt 
werden kann. Auch der Einsatz eines LM358/LM324 ist möglich, wenn er mit 
5 Volt versorgt wird.

Der Fehler durch den Offset ist dann ca. 0,1%. Du kannst auch präzisere 
Typen verwenden, sollte Dir das zu viel sein.

von Frank (Gast)


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Nachtrag: Für sehr hohe Genauigkeit empfehle ich Dir den MAX4238 als 
OPV. Der ist von den Präzisionstypen sehr günstig (ca. 1 Euro) und der 
Fehler ist dann nur <0,00006% (0,6 ppm) durch den OPV (also irrsinnig 
klein). Den bitte ebenfalls an +5 Volt betreiben.

von Markus B. (mosha86)


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Frank schrieb:

> "Sehr viele nützliche und anschauliche Informationen"
>

Vielen Dank!

von Axel S. (a-za-z0-9)


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Frank schrieb:

> ... rechnen wir mal nach:

[snip]

Den Aufwand, den du dir gemacht hast, in Ehren. Aber das ist leider 
weitgehend am Thema vorbei.

Markus B. schrieb:
> Ich weiß, dass ich um eine Kalibirierung nicht herumkomme, aber dafür
> habe ich softwareseitig schon Lösungen.

Kalibrierung

Das heißt, das exakte Teilerverhältnis ist egal, weil es von der 
Kalibrierung mit erfaßt wird. Normale 1% Widerstände reichen vollkommen 
aus. Ein statischer Eingangswiderstand des ADC würde so ebenfalls mit 
rauskalibriert (allerdings hat er den gar nicht, s.u.)

Weiterhin wird das Signal mit dem µC-internen ADC verarbeitet. Wie breit 
wird der sein? Vielleicht 10 Bit? Dann ist das LSB 1/1024 des Endwerts. 
Anders ausgedrückt: 1000ppm. Der Fehler des ADC (INL, Offset, Noise) 
wird ebenfalls in dieser Region liegen. Es ergibt überhaupt keinen Sinn, 
andere Glieder der Meßkette wesentlich genauer machen zu wollen.

Es gilt zwei Dinge zu betrachten:

1. Belastung des Sensors durch den Eingangsspannungsteiler. Der Sensor 
sieht in der derzeitigen Auslegung 15K. Mangels Angaben zum Sensor 
können wir nicht sagen, ob das ok ist oder nicht.

2. Fehler am ADC-Eingang durch den Spannungsteiler. Aus Sicht des ADC 
hat seine Signalquelle einen Eingangswiderstand von 3.33K. Wenn man 
meine Empfehlung beachtet, parallel dazu 100nF.

Jetzt gibt es zwei Störeinflüsse:

2a) statische Leckströme aus dem ADC-Pin in den Spannungsteiler. Müßte 
man im Datenblatt nachschlagen. Sind auf jeden Fall temperaturabhängig - 
deswegen wäre es wichtig, den Temperaturbereich zu kennen, den der µC 
später mal abkönnen muß. Auf jeden Fall hat der ADC-Eingang keine 
Widerstandscharakteristik - die Leckströme sind nicht linear von der 
anliegenden Spannung abhängig.

2b) der dynamische Ladestrom des Hold-Kondensators. ADC in µC sind alle 
ähnlich aufgebaut. In der Sample-Phase wird der Kondensator der 
Sample&Hold-Stufe an den µC-Pin geschaltet (Analog-Multiplexer). In 
dieser Zeit muß sich der Hold-Kondensator (um die 10pF) komplett 
aufladen können. Die Zeitkonstante \tau = R_ext*C_hold muß Faktor 3..4 
unter der Sample-Zeit liegen. Der von mir vorgeschlagene 100nF 
Kondensator überbrückt R_ext kapazitiv und liefert den benötigten Strom 
ohne wesentlichen Spannungseinbruch.

Von AVR gibt es Empfehlungen des Herstellers. Demnach darf R_ext bis 10K 
betragen ohne daß die Genauigkeit des ADC leidet (bei maximaler 
Samplerate, wohlgemerkt). Für PIC gibt es sicher ähnliche Angaben. Und 
ich würde auch nicht erwarten, daß die Werte drastisch anders sind.

Es gibt derzeit keine Indikation daß ein OPV erforderlich wäre. Wenn 
überhaupt, dann zwischen dem Sensor und dem Spannungsteiler.


XL

von MaWin (Gast)


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Axel Schwenke schrieb:
> Normale 1% Widerstände reichen vollkommen aus.

Humbug.

Da kommt dann so was raus wie mein Schwimmbadthermometer: Bei 20 GradC 
hat das Wasser angeblich 22, bei 30 GradC angeblich 24.

Normale 1% Widerstände haben durchaus 100, wenn nicht 200ppm/K, also 
0.37% bei 37 GradC Umgebungstemperaturänderung. Das entspricht 1 GradC 
des PT1000, oder sogar 2.

Man merkt mal wieder: Die wahre chinesische Qualität wird von dummen 
deutschen Ingenieuren entworfen.

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