Grenzfrequenz - Temperaturkompensierter Logarithmierer

[Max P. (mpause)]

Hallo allerseits,

ich bin momentan dabei mir eine Schaltung zur Widerstandsmessung 
aufzubauen. Diese soll einen Messbereich von 10kOhm bis 10GOhm abdecken.
Dazu habe ich eine Logarithmiererschaltung (temperaturkompensierter 
Logarithmierer) aus Tietze/Schenk verwendet.
Die Schaltung habe ich zunächst mit LTSpice simuliert und anschließend 
aufgebaut.

Simulation und Schaltung stimmen überein. Messbereich und Genauigkeit 
sind ausreichend. Allerdings bereitet mir die Performance Probleme.

Folgendes Problem:
Die Eingangsspannung meiner Schaltung wird mit 0.5Hz gepulst(PULSE_AVCC, 
Schaltung anbei). Bei großen Messwiderständen (größer 10Meg) führt die 
Kapazität von C5(1nF) zu einer relativ großen Zeitkonstanten.

Der angehängte Signalverlauf macht das Problem deutlich. Der Verlauf 
wurde mit einem Eingangswiderstand von 1,11G Ohm aufgenommen. Wie man 
sieht dauert es ca. eine Sekunde bis sich das Ausgangssignal V(out) dem 
Eingangssignal (PULSE_AVCC) gefolgt ist.

C5 ist laut Tietze/Schenk optional und dient der Stabilisierung der 
Schaltung. Wenn ich die Kapazität von C5 verringere fängt die Schaltung 
allerdings an zu Schwingen.

Die Dimensionierung der Bauteile habe ich anhand einer Application Note 
von National vorgenommen.

http://www.dmf.unisalento.it/~panareo/Application_note/AN-30.pdf


Falls Ihr Ideen habt, wie ich die Flankensteilheit meines 
Ausgangssignals, mit "geringem Aufwand" (zusätzliche R ,L, C, ein 
weiterer OP) verbessern kann, wäre ich euch sehr dankbar.

Gruß

Max

[Pandur S. (jetztnicht)]

Ist eine Temperaturkompensation bei einer Frequenz ungleich null 
wirklich so wichtig?
Und dann wegen der extrem kleinen Stroeme die Bipolaren durch FET 
ersetzen.

Was fuer Werte werden denn angestrebt?

[Bastler (Gast)]

DieKennlinie der Bipolaren ist aber zentraler Bestandteil der Funktion 
dieser Schaltung! Est eher die Frage zu stellen, warum der Eingangsstrom 
so klein sein muß? Kann da ein Buffer helfen?

[Max P. (mpause)]

Danke für eure Antworten

> Was fuer Werte werden denn angestrebt?

Ich würde gerne bis 10GOhm am Eingang messen können. Bei einer Kapazität 
von 1nF(C5) wird die Schaltung allerdings zu träge. Siehe Signalverlauf 
anbei.

>  Est eher die Frage zu stellen, warum der Eingangsstrom
> so klein sein muß? Kann da ein Buffer helfen?

Was meinst du mit Buffer? Eine Art Integrator?

Eingangsspannung und Messbereich kann ich leider nicht beeinflussen. 
3.3V verwende ich überall auf meiner Platine.

[Pandur S. (jetztnicht)]

Zu langsam bedeutet ? Welche Signalfrequenz sollte denn noch gemessen 
werden koennen.

10GOhm bedeutet Eingangsstroeme um die 100pA. Die Leckstroeme der Caps 
und die Eingangsstroeme des OpAmp sollten noch ein Stueck drunter 
liegen.

[Max P. (mpause)]

> Zu langsam bedeutet ? Welche Signalfrequenz sollte denn noch gemessen
> werden koennen.

Es wäre toll wenn ich Signale mit einer Frequenz von 1Hz messen könnte.

> 10GOhm bedeutet Eingangsstroeme um die 100pA. Die Leckstroeme der Caps
> und die Eingangsstroeme des OpAmp sollten noch ein Stueck drunter
> liegen.

Das Übertagungsverhalten (Eingangswiderstand zu Ausgangspannung) ist im 
statischen Fall (3.3V Gleichspannung am Eingang) o.k. und weicht nur 
wenige mV von der Simulation ab (Siehe Übertragungskennlinie).

Das Problem ist der dynamische Betrieb. Dort macht sich der geringe 
Eingangsstrom und die Kapazität von C5 bemerkbar.

[Bastler (Gast)]

Was bedeutet "Meßwiderstand"?
Soll das der Eingangswiderstand einer Spannungsmessung sein?
Dann einen OpAmp als Puffer davor. Elektometerschaltung, Out an In-, 
Signal an In+, guter FET-Op mit wenig Offset.

[Helmut S. (helmuts)]

Man muss schon sehr gute Gründe haben um überhaupt einen Logarithmierer 
einzusetzen. Damit die Schaltung überhaupt viele Dekaden kann, muss man 
einen sehr genauen(teuren) Dualtransistor kaufen. Mit zwei getrennten 
Transistoren funktioniert das ganze nicht. Mir fällt kein Messgerät ein 
das Widerstände auf diese Art misst. Das sollte einem zu denken geben.

Ich empfehle keinen Logarithmierer zu nehmen sondern Reedrelais oder 
"low leakge analog switches" für die Bereichsumschaltung damit überhaupt 
auf 1% Genauigkeit kommt.

Welche Genauigkeit möchtest du denn erreichen?

[Martin S. (led_martin)]

Wenns ums (automatisierte?) messen von Widerständen geht, vielleicht 
noch eine Idee: Zeiten kann man, dank Mikrocontroller, leicht über 
mehrere Dekaden genau messen. Warum nicht mit dem Prüfling, und einem 
bekannten Kondensator einen Tiefpass aufbauen, und dessen 
Zeitverzögerung messen. Braucht eigentlich, neben dem Mikrocontroller 
nur einen Komparator mit sehr hochohmigem, und kapazitätsarmen, Eingang. 
Eventuell ist sogar der controller-interne Komparator verwendbar, 
vielleicht mit einem guten OP als Pufferstufe davor.

Mit freundlichen Grüßen - Martin

[Christoph db1uq K. (christoph_kessler)]

Messgeräte für große Widerstandswerte hatten früher eine Handkurbel. 
Damit wurde ein Stromgenerator für mehrere hundert Volt angetrieben.
Für eine schnelle Messung braucht man höhere Spannungen.

Bei Reichelt gibts für ca. 25 € ein Digitalmultimeter, das bis 40 GOhm 
misst. Nach Kurzschließen der Messtrippen dauert es fast eine Minute, 
bis wieder der Anzeigewert "unendlich" erreicht ist.

[Max P. (mpause)]

Bastler schrieb:
> Was bedeutet "Meßwiderstand"?
> Soll das der Eingangswiderstand einer Spannungsmessung sein?

Also, die Schaltung wird so aktuell zur Feuchtemessung von Granatsand in 
einer Trocknungsanlage verwendet. Am Ende einer 1m langen Sonde wird der 
Widerstand zwischen zwei Kontakten gemessen (Abstand 25cm).

Über materialspezifische Kennlinien kann dann über den Widerstand und 
die Temperatur auf die Feuchte geschlossen werden. Der Messbereich 
reicht dabei von Feucht ca. 10kOhm bis Trocken ca. 10GOhm 
(Logarithmischer Verlauf).

Um Elektrolyseeffekte (stehendes Material) an den Elektroden zu 
verhindern wechselt die Polarität an der Messelektrode, momentan mit 
0.5Hz.

>Welche Genauigkeit möchtest du denn erreichen?

Messbereich und Genauigkeit sind in Ordnung. Alles wunderbar. Lediglich 
die Ansprechzeit im oberen Messbereich (größer 1GOhm) könnte besser 
sein.

Sofern Ihr gute Ideen, zur Modifikation der "derzeitigen" Schaltung 
habt, wäre ich euch sehr dankbar.

Gruß

Max

[Pandur S. (jetztnicht)]

Eine steuerbare Stromquelle auf den Testwiderstand und die Spannung 
Messen. Die Steuerbare Stromquelle mit geschalteten Widerstanden und der 
ueblichen Stromquellenschaltung. Man muss nur einem Ultra low bias Opamp 
verwenden.

Feuchte Messung bei extrem niedriger Leitfaehigkeit, welche eh 
vordringlich durch Restsalze bestimmt ist, wurd ich eher mit einem 
Kondenser, mit diesem Medium als Dielektrikum durchfuehren. Also zwei 
Platten, den Sand dazwischen und die Kapazitaet messen. Mit AC
Die Frage ist dann, wie verhaelt sich der Sand zum Wasser in Bezug auf 
die Dielektrizitaetskonstante. Quarz hat etwa 3, Wasser hat 80 bei DC