Bias-Voltage für ADC

[Thomas M. (schwuuuuup)]

Hallo,

ich hoffe mal auf Eure freundliche Hilfe, da ich nicht mal weiß, nach 
welchen Schlagwörtern ich noch googeln muss (Bias, Offset...?) , damit 
ich meine Frage beantwortet bekomme. Ich habe jedenfalls nichts 
passendes gefunden.

Ich möchte eine elektronische Waage (0g-1000g) an meinen ATMega8 
anschließen, das ist auch alles wunderbar und klappt mithilfe eines 
Instrumentation Amplifiers auch ganz gut.

Die Waage liefert schöne lineare Werte. Allerdings verfügt die Waage 
über einen relativ schweren Waagteller und ich weiß jetzt schon, dass 
ich ein relativ großes Tara (300g-500g) haben werde. Dies kann ich 
natürlich (auf kosten der Auflösung) digital einfach durch Subtraktion 
berücksichtigen.

Schöner (und darum geht es mir hier) fände ich aber eine analoge Lösung, 
um die 10bit das ADC besser ausnutzen zu können. Oversampling habe ich 
auch erwogen, aber das verlangsamt die Messung so sehr, dass ich auf 
schnelle Gewichtsveränderungen nicht reagieren kann.

Nun bin ich leider was das Analoge angeht ein ziemlicher Noob und bin 
daher ein wenig aufgeschmissen:

Die Waage liefert mir nach Verstärkung ein Signal von 0 bis ca. 4,7V. 
(Es könnten 5V sein, aber es gibt "obenrum" das Problemchen, dass der 
Instrumentation Amplifier nicht ganz Rail-to-Rail ist, das konnte ich 
aber durch eine reduzierte ARef am ATMega ausgleichen) und komme auf 
schöne Messwerte von 0-1023.

Mit aufgeschraubtem Teller und mit leerem Gefäß liegt aber bereits 
soviel Gewicht auf der Waage, dass ich schon bei 500-600 Zählern liege.
Ich hatte auf eine Genauigkeit von 1g bei bis zu 1000g Gesamtgewicht 
gehofft, was ich mit den verbleibenden 400 Zählern nicht schaffe.

Die Frage auf den Punkt gebracht:
Kann ich dem Ausgang des Amplifiers bzw. dem Analogen Eingang irgendwie 
eine Negative Vorspannung (von ca. 1V) verpassen, um das Signal dichter 
an Null zu schieben?

Mit meinen wackligen Kenntnissen dachte ich zunächst an einen Widerstand 
zu Ground, aber damit würde ich ja einen Spannungsteiler bauen und das 
Signal verzerren, statt es zu verschieben.


Zur Sicherheit habe ich mal den Schaltplan vom Instrumentation Amplifier 
(INA125) angehängt.

Falls das wichtig sein sollte: Die Load-Cell, also die Waage selbst wird 
mit 5V angeregt und gibt eine Spannung von ca 0,000001V pro Gramm auf 
den beiden mittleren Pins aus, die verglichen zu GND eine Vorspannung 
von 2,5V haben. ( 0g -> 2,500000V, 1000g-> 2,501000V). Der 
Spannungsunterschied wird dann mit einem Gain von ca. 5000 für den µC 
verstärkt.

Vielen Dank schon mal für hilfreiche Tips.
Gruß
TOM

[Harald W. (wilhelms)]

Thomas Moll schrieb:

> Ich hatte auf eine Genauigkeit von 1g bei bis zu 1000g Gesamtgewicht
> gehofft, was ich mit den verbleibenden 400 Zählern nicht schaffe.

Das wirst Du so oder so nicht schaffen, da Auflösung ungleich
Genauigkeit ist. Hast Du denn irgendwelche Angaben, wie genau
Deine Wägezelle ist? Um eine Genauigkeit des AD-Wandlers von
besser 10 Bit (1 Promille) zu erreichen, brauchst Du einen
Wandler mit mindestens 12Bit, besser wären 14Bit. Wobei die
Genauigkeit des Analogteils noch nicht berücksichtigt ist.
Und es nützt überhaupt nichts, da Oversampling zu verwenden.
Gruss
Harald

[Thomas M. (schwuuuuup)]

Ja, dass ich mit Noise usw. nicht wirklich auf diese Präzision komme ist 
mir klar, spielt aber auch nicht wirklich eine große Rolle.

Das ziel ist es "Möglichst Gute Messungen" zu machen, nicht exakte 
Grenzwerte einzuhalten, da ich mit den Teilen arbeiten will dich ich a) 
habe und mir b) leisten kann.

Natürlich habe ich auch schon an den Einsatz von externen ADCs 
gedacht... habe da einen mit 18Bit gefunden, Das wäre aber auch wieder 
ein externes Bauteil mehr welches ich noch da zu bestellen müsste...

Aber allein schon aus edukativen Gründen wollte ich einfach mal lernen, 
wie man das erreicht.

... im Moment recherchiere ich gerade ob ich da mit (Z-)Dioden die 
Spannung nach unten verschieben kann... ginge das?

[Oldie (Gast)]

Die Z-Dioden vergiss mal gleich wieder:
Exemplarstreuunge und Temperaturgang.

Mit welcher Spannung wird denn der "Wiege-Sensor" betrieben?

Eventuell kann man davon etwas (mit stabilen OpAmps) addieren,
oder subtrahieren, um die vorhandene Auflösung besser zu nutzen.

[Thomas M. (schwuuuuup)]

Hmm... da ich das Ding vor jeder Verwendung wahrscheinlich eh (manuell, 
wenn möglich automatisch) kalibrieren und auf unterschiedliche 
Tara-Werte einstellen muss, wäre das wahrscheinlich gar nicht so 
tragisch.

Aber Stimmt... ein OpAmp-Subtrahierer ... das wäre eine idee... Ich hab 
da sogar gerade eine Sammlung von Schaltkreisen für 
Single-Supply-Anwendungen von OpAmps gefunden (Anhang)... Abschnitt 2.4 
zeigt offenbar genau was ich brauche... Danke für den Tipp, hatte in 
Meinem Kopf nicht klick gemacht.

[Amateur (Gast)]

>Oversampling habe ich
>auch erwogen, aber das verlangsamt die Messung so sehr, dass ich auf
>schnelle Gewichtsveränderungen nicht reagieren kann.

Was für Vorstellungen hast Du eigentlich von der Wandelgeschwindigkeit 
eines "normalen" A/D-Wandlers bzw. bezüglich der Variabilität der 
Auslenkung einer Waage?
Natürlich wirst Du die "Anstiegsflanke", eines auf die Waage fallenden 
schweren Gewichtes, nicht ganz erfassen können. Ob das aber 
Normalbetrieb ist?

[Thomas M. (schwuuuuup)]

Bevor es akademisch wird:
Ich weiß, wenn ich die ideale Lösung suchen würde, bräuchte ich mehr 
verlässliche Eckdaden, ich bin aber noch in der Bastel- und 
Ausprobier-Phase, und habe nur grobe werte.

Das Problem mit dem Oversampling ist, dass der µC das Befüllen der Waage 
steuert, und daher schnell wissen sollte, wann genug drauf gefüllt ist.

Und laut Oversampling-AppNote (Anhang) bin ich bei ein paar Bits schon 
bei 500 oder 100Hz... (noch langsamer wenn man auch sonst noch ein paar 
Messwertemitteln will) schließlich ist der µC ja dann nur noch mit 
Messen beschäftigt, kommunizieren und anzeigen soll er ja auch noch.
... ich gebe allerdings auch zu, dass ich da etwas bit-gierig geworden 
bin ;-)