Hallo zusammen:
Ich bräucht ein wenig Hilfe bei einer Verstärkungschaltung für ein
Goniometermessaufbau. Bin keine Elektrotechniker, sonder Optiker.. von
daher brauch ich kompetente Unterstützung :D
Geht Konkret darum, dass wir die Abstrahlcharakteristik von
Strahlungsquellen im MIR (2-14µm) messen wollen.
Dazu hab ich einen Thermopilesensor mit einer Verstärkung von ca 100V/W
(Eingestrahlte Leistung)
Der Detektor ist sehr klein (muss er) und dementsprechend kommt nur sehr
wenig optische Leistung auf den Detektor ==> wenige Ausgangspannung ( ca
1-100µV).
Noise Voltage des Thermopiles typ. 18 nV/Hz1/2
nicht invertierte Verstärkerschaltung ist wie oben aufgebaut:
Erstmal klar.. fragt man sich was mit den 10 Ohm soll?! Ja gute frage..
der Widerstand R3 ist ein Poti.. und ich musste es ganz runterdrehen
damit ich überhaupt etwas messen konnte.
Der untere Teil (R1 und R2) ist dazu da den Offest einzustellen, da ich
a) Offset des OPV von +0.5 mV hab und b) Hintergrundwärmestrahlung der
Umgebung hab. Da beides zusammen immer Positiv ist, reicht es wenn ich
mit der positiven Spannung auf den Spannungsteiler R1/R2 gehe und
anschließend auf den invertierten Eingang. Funktoniert auch ganz gut..
so kann ich so lange drehen bis ich 0V am Ausgang kriege (vor der
Messung).
Mit dieser Schaltung kann ich zwar die Abstrahlchrakteristik richtig
messen, aber bei höheren Intensitäten hab ich starkes Rauschen. Mit dem
Oszi scheint das ca 200 mV zu sein was mit 50 Hz schwingt. Geh ich mit
einem Normalen Spannungsmessgerät hin und (stelle auf V(wechsel), dann
zeigt mir das auch etwa 0.2 V. Die Spannung wird höher wenn sich die
optische Leistung verändert (bewegen die Strahlungsquelle schnell) und
verschwindet für kleine opt Leistungen.
(Siehe Bild Ausgangssingal.. Rauschen nur in der Peak, nicht in den
Flanken bzw nahe 0)
Woher kommen die 50 Hz? erster verdacht liegt nahe dass es von der
Versorungspannung kommt. Als Spannungsquelle verwende ich eine Karte die
im PC steckt.. an diese wird auch das Ausgangsignale geschickt und
anschließend das ganze über ein Labviewprogramm ausgelesen.
Wenn ich mit des Oszi die Spannungsquelle messe hab ich so gut wie kein
50Hz Rauschen. Also das mir die Spannungsquelle über die
Versorgungsspannung des OPV (+/-) ein Rauschen auf das Ausgangsignal
gibt ist eher unwahrscheilnich bzw. der Effekt müsste gering sein.
Denkbar wäre, dass die Spannung die ich durch den Spannungsteiler R1/R2
schicke zwar nur gering schwankt, aber diese kleine Amplitude durch den
OPV stark verstärkt wird und mein Ausgangsignal überlagert. In der
Simulation jedoch zeigt sich das nicht?!
Lieg ich damit richtig? Wenn ja wie kann ich das verhindern ohne zich
zusätzliches Kompoenten zu kaufen, oder andere Spannungsquelle? Ich
suche eine Einfache und schnell /billige Lösung. Verstärkung in 2
Stufen?
Irgendwo noch R und C einbauen? Wenn ja wie groß? Sollte ich einen
andern OPV verwenden? Tipps? Woran liegt das ganz?
Hab schon versucht am Ausgang eine R-C Gleid ranzubauen, aber das hat
entweder keine Einfluss (kleines R) bzw. senkt mir meine
Ausgangsspannung stark ab (großes R)..
Auch schon eine C (4.7 µF) zwischen Spannungsteilerausgang und Ground
eingebaut. Ebenfalls kein Einfluss. Und das Rauschen des Detektors wird
es wohl nicht sein wenn es im nV Bereich liegt?
Irgendjemand eine Vorschlag ?
Bastle schon ewig dran rum..
Hallo Dagus,
die 50Hz die du misst werden aus dem 230V-Netz eingekoppelt. Die
einkopplung von 50Hz ist generell ein Problem bei sehr hohen
Versärkungsfaktoren. Die von dir gewählte Schaltung (Nichtinvertierender
Verstärker) ist für das Verstärken von sehr kleinen Signalen mit großen
Verstärkungsfaktoren nicht unbedingt die beste Wahl, da diese Schaltung
eine schlechte Gleichtaktunterdrückung besitzt. Besser wäre hier ein
Instrumentenversärker, denn dieser besitzt eine gute
Gleichtaktunterdrückung, dh. die 50Hz einkopplungen werden unterdrückt.
Du kannst natürich auch eine 50Hz Bandsperre aus RC-Gliedern einbauen,
das kann aber im zweifelsfall dei Messsignal verfälschen, es kommt
darauf an in welchem Frequenzbereich du gerne messen möchtest.
Die 50Hz siehst du mit dem Multimeter nicht (nehmen mal an du hattest
auf Gleichspannung eingestellt), da diese sich rausmittelteln (Sinus)
Der OPA337 hat eine garantierte Leerlaufverstärkung von 100dB
(100.000-fach) und unter bestimmten Bedingungen eine typ. von 120dB
(=1.000.000-fach). Damit kannst du keine Verstärkung von 120dB mittels
äußerer Beschaltung einstellen. Die Verstärkung muss auf mehrere Stufen
aufgeteilt werden.
Dagus schrieb:> wenige Ausgangspannung ( ca 1-100µV).
Offsetspannung des OPA337 +-3mV (typ.+-500µV), also viel größer als dein
Messsignal. Abgleich hilft da auch nicht so viel, weil der
Temperaturkoeffizient der Offsetspannung mit 2µV/K vergleichsweise groß
ist. Das bringt bei 120dB Verstärkung ein Ausgangssignal von 2V/K. Auch
das Rauschen mit 6µVpp (0,1...10Hz) finde ich viel. Such dir einen
besseren OPV.
Man benötigt auf jeden Fall einen OP mit niedrigem 1/f Rauschen sonst
bekommt man nur mist heraus. Zudem sollte man auch darauf achten, das
die Offsets klein sind, sonst muss man jede Schaltung mit Potis
anpassen. Und Potis haben in Verstärkerschaltungen mit derartigen
Verstärkungen eigentlich eher nichts zu suchen.
Instrumentenersärker gibt es auch schon fertig als IC, da sind die OPs
schon mit drin und vor allem die Widerstände (R2 und R3) müssen sehr
genau aufeinander abgestimmt sein, das ist beim IA als IC schon erledigt
und du musst dir nur noch die Versärkung aussuchen (meist über externe
Widerstände) und ggf. den Offset abgleichen (Trimmer).
Als günstiges Beispiel hätte ich den INA331 oder die Luxusvariante
INA110 (Versärkerwiderstände für 10,100,200,500-fache Verstärkung schon
integriert) empfohlen, gibt aber jede menge andere.
Meine Güte mit soviel Reaktion so schnell hab ich nicht gerechnet!
Ich fasse eure Vorschläge zusammen:
a) besseren OPV raussuchen mit geringerem 1/f Rauschen und kleinerem
Offset
b) Instrumentverstärkerschaltung verwenden.
Ich bräuchte also einen Instrumtverstärker mit kleinem Offset? geringem
Rauschen und hoher Verstärkung (max 100.000 - 1.000.000).
Schafft das der INA110?
Also die meistens INA können nur bis Gain = 1000 was mir nicht reichen
wird.
Was hält ihr von dem INA122?
Zwei Stück davon nacheinander? Erste Stufe 10000 und zweite 100, so komm
ich auf meine G = 1.000.000.
Wie krieg ich den Offset weg mit nur einer positiven Spannungsquelle?
Wenn ich pech hab ist der ja z.B. negativ.
Dagus schrieb:> Was hält ihr von dem INA122?> Zwei Stück davon nacheinander? Erste Stufe 10000 und zweite 100, so komm> ich auf meine G = 1.000.000.
Nach einem Instrumentenverstärker brauchst du keinen
Instrumentenverstärker mehr, und auch keinen mit geringem Eingangsstrom
(zumindest os lange man die Rpckkopplungswiderstandswerte anpasst).
Eine Verstärung von 10000 fördert immer, daß aus Verstärkern
Oszillatoren werden.
wie krieg ich dann eine Verstärkung von 1.000.000 ohne zwei Stufen?
Ist das mit dem Eingangstrom ein Problem wenn man zwei nacheinander
schaltet?
Hab jetzt jeweils 3 Samples von OPA 335 und INA122 bestellt, und würde
vielleicht versuchen den INA122 direkt an den Detektor zu klemmen und
die Ausgangspannung dann nochmal mit dem OPA 335 zuverstärken.
Am INA122 muss ich nur noch irgendwie den Offset weggkreigen (OPV und
Umgebungsstrahlung)
Einen Instrumentenverstärker braucht man eigentlich nicht - der Sensor
ist bereits gegen Masse geschaltet, da ist so etwas wie PSRR nicht so
wesentlich, und Gleichtaktunterdrückung nicht relevant. Die 50 Hz sind
eher Einkopplungen, ggf. vom Netzteil. Wichtig ist da das Layout und die
Abschirmung.
Dem Rauchen von 18 nV/sqrt(Hz) nach zu urteilen hat der Sensor einen
Widerstand im 50 K Ohm Bereich. Da braucht man dann schon einen OP, der
auch einen kleinen Rauschstrom hat. Der OP227 oder OP27 (älter) sind vom
LF rauschen gut, haben aber eigentlich zu viel Stromrauschen. Da sollte
es bessere geben.
Je nach Frequenz (vor allem wenn unter 1 Hz gefragt ist) die
Interessiert wäre ggf. auch ein Choppper OP interessant, z.B. TLC2654,
AD8628 oder gar ADA4528-1 (eigentlich zu gut).
Die Verstärkung sollte man Aufteilen - nicht mehr als 100-1000 fach je
Stufe, und die Kompensation des Offsets eher nach der 1. Stufen. Die 2
Stufe ist nach 100 facher Verstärkung ist schon unkritisch.
Als weitere Fehlerquelle kommt noch dein Sensor in Betracht. Solche
Sensoren können durchaus schnell genug sein um auch Raumlicht zu
detektieren. Wenn also dein Versuch vielleicht nicht perfekt abgeschirmt
ist kann es sein, dass du ein tatsächliches Messignal hast.
Ulrich schrieb:> Je nach Frequenz (vor allem wenn unter 1 Hz gefragt ist) die> Interessiert wäre ggf. auch ein Choppper OP interessant, z.B. TLC2654,> AD8628 oder gar ADA4528-1 (eigentlich zu gut).
Ich werfe mal den LTC2057 in den Raum.
0.2uVpp
170fA/sqrt(Hz)
11nV/sqrt(Hz)
offset Drift 15nV/K
Gruß Anja
Anja schrieb:> Ulrich schrieb:>> Je nach Frequenz (vor allem wenn unter 1 Hz gefragt ist) die>> Interessiert wäre ggf. auch ein Choppper OP interessant, z.B. TLC2654,>> AD8628 oder gar ADA4528-1 (eigentlich zu gut).>> Ich werfe mal den LTC2057 in den Raum.> 0.2uVpp> 170fA/sqrt(Hz)> 11nV/sqrt(Hz)> offset Drift 15nV/K>> Gruß AnjaLMP2021
0.26 uVpp
350 fA/sqrt(Hz)
11 nV/sqrt(Hz)
Offset drift 20 nV/K max.
Cirrus CS3002
Open-loop Voltage Gain 300 dB typ, 200 dB min.
0.125 uVpp (1/f Grenze 0.08 Hz)
100 fA/sqrt(Hz)
6 nV/sqrt(Hz)
Offset drift 50 nV/K max.
oder der oben erwähnte ADA4528-1
0.097 uVpp
700 fA/sqrt(Hz)
5.6 nV/sqrt(Hz)
Offset drift 15 nV/K max.
Wenn es denn rein analog sein muss...
Dagus schrieb:> wie krieg ich dann eine Verstärkung von 1.000.000 ohne zwei> Stufen?
Wozu - um Himmels Willen - brauchst Du eine Verstärkung von
einer Million?
Du schreibst, dass das Messsignal im Bereich 1µV...100µV liegt.
Eine Million mal verstärkt liegt es bei 1V...100V. Was willst
Du mit einem Mess-Signal von 100V?
Fang bei den ersten Versuchen mal mit einer Verstärkung von 1000
an (ja, richtig gelesen: Eintausend!) und beschränke Dich auf
starke Signale. 10µV * 1000 gibt auch 10mV; das kann man noch
relativ leicht nachweisen.
Wenn Deine Schaltung mit tausendfacher Verstärkung und starken
Signalen funktioniert, kannst Du die Verstärkung schrittweise
vorsichtig (!) erhöhen und Dich an kleineren Signalen versuchen.
Umgebungslicht ist durch einen Filter (2-14 µm Pass) abgeschirmt.
Zusätzlich ist die Anordnung durch eine Aluminumbox abgeschirmt von der
Umgebungswärme.
Signal ist Gleichstrom und sehr klein... also irgendwas 1-10µV (100 war
übertrieben). Erste Test haben gezeigt das ich wohl 1.000.000 brauche um
was zu messen. Wie gesagt die Messung hat schon ganz gut funktioniert
nur das Rauschen war ein Problem. Ausgang brauch ich 0-5V.
Innenwiderstand des Detektors 20kOhm.
Cirrus CS3002 klingt ganz gut.. aber bei 0.125 µV brauch ich tortzdem
Offset kompensattion... Wie kreig ich das hin mit nur einer
Spannungsquelle (+5V)?
Was meint ihr mir Choppern???
Bisher habe ich auch noch nicht die fuer die Messung noetige Bandbreite
gelesen. Zu R4 gehoert noch parallel ein Kondensator.
Und wegen des Faktors IBias * RThermopile wuerde ich eine OP mit
niedrigen IBias nehmen:
http://www.analog.com/en/precision-op-amps/zero-drift-low-tcvos-amplifiers/products/index.html
Bei dem hohen Eigenrauschen der Thermopile muss der Verstaerker ja nicht
so besonders rauscharm sein. Aber auf das 1/f Rauschen ist zu achten.
Es ist denkbar, dass du dir eine sogenannte Brummschleife gebaut hast.
Schau dir mal genau die Anordnung deiner Masseleitungen an (GND). Laufen
die alle sternförmig auf einen gemeinsamen Punkt zu? Das wäre der
Idealzustand. Problematisch wird es, wenn im System irgendwo Schlaufen
in der Masseverdrahtung sind, in die das allgegenwärtige 50Hz
Wechselfeld induktiv einkoppeln kann.
Und - ganz klar - die Frage: Enthält das Messsignal (Licht) vielleicht
schon einen 50Hz Anteil?
Possetitjel schrieb:> Du schreibst, dass das Messsignal im Bereich 1µV...100µV liegt.> Eine Million mal verstärkt liegt es bei 1V...100V. Was willst> Du mit einem Mess-Signal von 100V?
Habe ich mich auch schon gefragt. :-)
Dagus schrieb:> Signal ist Gleichstrom und sehr klein... also irgendwas 1-10µV (100 war> übertrieben). Erste Test haben gezeigt das ich wohl 1.000.000 brauche um> was zu messen. Wie gesagt die Messung hat schon ganz gut funktioniert> nur das Rauschen war ein Problem. Ausgang brauch ich 0-5V.
Ohne dem TO nahe treten zu wollen, aber irgendwie hat er noch nicht
richtig den OP verstanden.
Dagus schrieb:> Wie kreig ich das hin mit nur einer> Spannungsquelle (+5V)?
Selbst bei 50 000 000 Verstärkung kann der OP mit 5 Volt, selbst r2r,
nicht mal ganze 5 Volt als Ausgang schaffen.
danke foldi für deinen sehr informativen, qualifizerenden und
hilfreichen Post, bitte mehr davon.
So jetzt aber mal wieder ernsthaft.
Die 50 Hz kommen aufjedenfall nicht aus der Umgebung oder von der
Quelle.
Denkbar wäre wirklich ein Brummschleife, da ich die GND Leitung "wild"
gelegt habt... war eben nur eine schnelle Testschaltung.
Ich würd mich erstmal bei den zahlreichen Posts bedanken und abwarten
bis die bestellen OPs da sind. Ich bau dan eine neue Schaltung auf und
vielleicht klappt es dann schon! Falls nicht meld ich mich nochmal ;)
Gruß
Dagus
Dagus schrieb:> Falls nicht meld ich mich nochmal
Der Sinn eines Forum ist der Austausch von Informationen.
Es wird Dir also keiner den Kopf abreissen, wenn Du ein mehr oder
weniger detailiertes Feedback schreibst, das umschreibt, wie Du Dein
Problem gelöst hast.
> Dagus schrieb:> Was meint ihr mir Choppern???
Hallo,
das hat nur ein! User Ch. Berger vorgeschlagen.
Ich würde das Konzept aber auch sehr empfehlen.
Ich entwickle optoelektronische Geräte (z.B. Streulichtsensoren).
Da liegen zwischen der abgestrahlten Leistung (z.B. Laser 1mW) und der
Detektionsgrenze der Sensorschaltung schon mal mehr als 12
Größenordnungen!!!
Das Rauschen ist dann auch schon mal 100-1000 fach höher als die
Auflösung des Gerätes.
Was ist aber ein Chopper (Zerhacker):
Ein Flügelrad, das du vor den Eingang der Messkammer stellst, also ein
Modulator.
http://www.laser2000.de/Photonics/Optik-Optomechanik/Motorisierte-Komponenten-fuer-Mikro-und-Makro-Anwendungen/Chopper-Lock-In/Optische-Chopper-Systeme.html
Mit einer Chopperfrequenz von mind. ca. 1kHz(besser 3...10kHz) kannst du
das Messsignal als Wechselspannungssignal per Koppelkondensator
auskoppeln und dann auch bei Bedarf recht schmalbandig Störungen raus
filtern.
Damit fällt das Problem Offset schon mal ganz raus.
Auch andere Gleichtaktstörungen wie Umgebungslicht und
Hintergrundstrahlung sind leicht zu eleminieren.
Man tasted einfach abwechselnd das "Dunkelsignal" und das "Hellsignal"
ab und bildet daraus die Differenz = "Lichtsignal" .
Für die 50Hz Störsignal, die annähernd unvermeidlich bei
DC-Signalempfang anfallen, kann man verschiedene Strategien fahren.
1) Man synchronisiert die Abtastungmit der Störfrequenz.
(Prinzip des LookIn Verstärkers, nur umgekehrt).
2) Mit einer Chopperfrequenz, die mind. 1 (besser2) Größenordnung von
der Störfrequenz entfernt ist, kann man schon normale Bandpassfilter
2...3 Ordnung nutzen, um diese Störungen recht gut weg zu filtern.
3)Alternativ kann man mit einem sehr schmalbandigen Filter z.B. LMF100
das Nutzsignal heraus filtern.
Gegen das Rauschen hilft dann natürlich auch vor allem genügend
Tiefpass.
Das kann man auch problemlos elektronisch machen. Das ist dann nur ein
Kompromiss zwischen Messgeschwindigkeit und Auflösung.
Auch in der Eingangsverstärkerstufe kann man so schon einige Tricks
anwenden, um Gleichtakteinflüsse und niederfrequente Störungen zu
unterdrücken.
Hier siehst du z.B. eine Schaltung für Fotoverstärker mit Nutzfrequenz
ca. 10kHz, die auch 50Hz schon unterdrückt (Hochpass R4,C5 )
http://uwiatwerweisswas.schmusekaters.net/Uwi/ELEKTRONIK/Opto_Laser/Fotoverst%e4rker.PDF
Gruß Öletronika
Im µV-Bereich kann man sich 50 Hz ggf. auch leicht durch induktive
Kopplung einfangen.
Bei der Schaltung ist das Layout und die Temperatur in der Schaltung
schon wichtig. Konvektion in der Luft um die Schaltung ist da ggf. schon
die größte Rauschquelle.
Ein Chopper ist einfach ein mechanischer Modulator für die Strahlung -
wegen des Thermopiles als Detektor dürfte man in der Frequenz auf
weniger als 1 kHz begrenzt sein. Es ist auch nicht sicher das man damit
weniger Rauschen bekommt als mit einem guten Chopperverstärker. Der
Vorteil ist mehr beim Hintergrund.
Dagus schrieb:> So jetzt aber mal wieder ernsthaft.
Ich habe den Blödsinn nicht geschrieben und wenn du so schlau bist, dann
würdest du zum einen nicht so einen völligen Blödsinn geschrieben haben
und zum anderen nicht hier nach Hilfe fragen.
Wo müsste man bei einer Zweistufigen Verstärkerschaltung überall
Kondensatoren einbauen (Parallel und auf Erde)?
Und wie groß sollten die sein ? (0,1 µF) ?
Kondensatoren gehören jeweils bei den OPs vom Ausgang zum inv. Eingang.
Die Größe ist nicht so kritisch, die bestimmt zusammen mit dem
Widerstand zu dem sie parallel sind die obere Grenzfrequenz.
Ein weiterer Kondensator sollte vom Eingang nach GND. Die 100 nF könnten
so etwa hinkommen - das gibt mir 10 K dann eine Grenzfrequenz von etwa
150 Hz.
sowas macht mit moduliertem licht, dann ist man eine menge probleme los.
aufgrund der traegheit des systems, dh thermopile, wuerde ich mit 1Hz
oder so choppern, und 0.1 Hz filtern. dann fallen die offset-,
temperaturdrift- und rauschprobleme schon weg. einen verstaerkungs
faktor von 100'000 macht man bequem mit 3 stufen zu je 50.
> troll schrieb:> einen verstaerkungs> faktor von 100'000 macht man bequem mit 3 stufen zu je 50.
Hallo,
es ist zu empfehlen, soviel Verstärkung wie möglich in die erste
Verstärkerstufe zu setzen um das Rauschen zu minimieren.
Gruß Öletronika
Normalerweise gilt das Energieerhaltungsgesetz, das heißt der
Operationsverstärker braucht eine Versorgungsspannung.
Üblicherweise -5V und + 5V oder -15V und +15V .
Auch bei modernen OPV mit einer kleinen Versorgungsspannung gilt:
Genau in der Mitte ist oft die Masse , das Bezugspotential des Signals.
Da es selbstverständlich ist, wird das in den Schaltungen oft
weggelassen.
Ach Lutz,
wer hier von 1 000 000 Verstärkung spricht, das mit ...
Dagus schrieb:> Cirrus CS3002 klingt ganz gut.. aber bei 0.125 µV brauch ich tortzdem> Offset kompensattion... Wie kreig ich das hin mit nur einer> Spannungsquelle (+5V)?
... machen will, mich dann für einen Spaßmacher hält, wenn ich sage,
dass er das selbst mit einer 50 000 000 -fachen Verstärkung nicht hin
kriegt und dem auch 5V nicht zum messen reichen, dem kann man nicht mehr
helfen.
Ausgangsignal.jpg
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Schaltung.jpg
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