Hallo, ich möchte für einen Versuch einen Sensor auslesen, der mit bis zu 50Mhz angeregt wird. Der Sensor ist ein resistiver Sensor, der etwa 100 Ohm Widerstand besitzt. Beim Anregen ändert er seinen Widerstand um maximal +-1% (Also +-1mV). Desweiteren darf der Sensor maximal mit 100mV betrieben werden. Die Schwingung ist immer eine Sinusschwingung und die nicht gebrauchten Frequenzen werden mit einem (digitalen) Lockin-Verstärker ausgefiltert. Ich brauche die Amplitude dieser Schwingung. Zur Referenz gibt es einen Sensor mit fast gleichen Eigenschaften, nur wird dieser nicht mit angeregt. (Siehe Bild 1) Das Signal wird über zwei Transformer (75Ohm) an einen 150MSPS ADC weitergeleitet (14Bit, 2V Peak2Peak) Mir fehlt die Erfahrung bei solchen Geschwindigkeiten zu arbeiten. Ich würde die beiden Messwiderstände in eine Wheatstonebrücke einbauen (Bild 2), mit einem Poti abgleichen, dann mit schnellen OpAmps einen diskreten Instrumentenverstärker bauen (Gain =10) und anschließend noch durch zwei Stufen je G=10 verstärken. Hierbei muss der Gain nicht genau 1000 sein, da ich nur relative Werte in der Auswertung brauche. Oder gibt es andere, bessere Möglichkeiten? Beispielsweise ohne Wheatstone Brücke für jeden Messwiderstand einen Instrumentenverstärker aufbauen mit G=10, dann für diese beiden Ausgänge wider einen Instrumentenverstärker aufbauen mit G010 und anschließend noch einmal um 10 verstärken. Solange die Bauteile unter ~100€ kosten (+Platine) ist alles ok.
Gerald G. schrieb: > Oder gibt es andere, bessere Möglichkeiten? Ich würde erst mal alles deutlich unter der relevanten Frequenz mit einem Kondensator als Hochpass abtrennen, dann intetessiert dich nicht mal der konstante Vergleichswiderstand. Dann würde ich mir überlegen, wie genau du die Amplitude erfassend must (z.B. 10 bit also auf 0.1%). Dann hast du einen Verstärker mit nach oben begrenzter Bandbreits und einen Hochpass der nach unten begrenzt. Beide beeinflussen dein Signal je nach Frequenz, z.B. Dämpfung um 3% bei 50MHz, aber das kann man rausrechnen, aus 0.97V Messwert weiss man dann dass es 1V war, wenn man weiss, das keine rekevanten anderen Frequenzanteile drin sind. Ich denke, man baut den Verstärker 2-stufig damit Rückkopplungen nicht zu Oszillationen führen. Achte drauf, dass OpAmps meist mit sattem Eingangssignal (also Differenz zwischen NonInverting und Inverting Input) in der Bandbreite gemessen werden, bei 1mV sind sie viel langsamer umd wenn man dann noch sicherstellen muss dass die Eingänge nicht weiter als 1uV abweichen, weiss man, warum die Transformatorlösung bei so geringem Eingangswiderstand recht schlau ist, sie kann die erste Stufe ersetzen.
Ok, danke schon einmal. An den Hochpass dachte ich auch, dann kann das ganze "Geraffel" um den Messwiderstand weg und ich brauche keinen Instrumentenverstärker. Das "Problem" ist, dass ich zum Kalibrieren den Sensor sehr langsam (<1kHz) biege. Aber ich denke es ist das schlauste hierfür eine extra Schaltung zu bauen. Also eine Kondensatorgekoppele, schnelle Schaltung für die Messung die nur aus zwei OPVs besteht (wenn ich denn die passenden finde) die dann in den Transformator und zum ADC geht, und eine langsame für die Kalibrierung welche direkt auf einen ADC geht (so eine habe ich sogar schon). Die Dämpfung bei niederen/hohen Frequenzen ist mir tatsächlich egal, da mich nur relative Amplituden interessieren (Es wird eine Amplitude gewählt, und bei Änderung dieser Amplitude so geregelt, dass die ursprüngliche Amplitude wieder da ist) MaWin schrieb: > Achte drauf, dass OpAmps meist mit sattem Eingangssignal (also Differenz > zwischen NonInverting und Inverting Input) in der Bandbreite gemessen > werden, bei 1mV sind sie viel langsamer umd wenn man dann noch > sicherstellen muss dass die Eingänge nicht weiter als 1uV abweichen, > weiss man, warum die Transformatorlösung bei so geringem > Eingangswiderstand recht schlau ist, sie kann die erste Stufe ersetzen. Diesen Abschnitt verstehe ich leider nicht genau. Du meinst, dass bei den Angaben im Datenblatt immer hohe Differenzen an den Eingängen des OpAmps anliegen und sie deshalb diese Frequenzen erreichen?
Na, da hast du dir ja was einfaches vorgenommen ;-) Bei 50MHz reicht es nicht, die Brücke DC-mäßig abzugleichen: du brauchst auch einen AC-Abgleich (denn parasitäre Kapazitäten von einigen pF lassen bei 50MHz vergleichbar viel Strom fließen wie deine Widerstände). Deshalb halte ich es auch nicht für eine gute Idee, einen 100Ohm Widerstand "rechts oben" durch eine "halbes" 200Ohm Poti zu ersetzen. Aus DC-Sicht mögen beide gleich sein, ihre Eigenschaften bei 50MHz sind aber völlig andere. Besser wäre, im linken Brückenzweig zwischen den beiden 100Ohm Festwiderständen einen 1Ohm Widerstand anzubringen. Parallel zu dem setzt du ein 100Ohm Poti, an dessen Schleifer du abgreifst. Das stört die AC-Symmetrie der Brücke viel weniger. Deine Verstärker sehen am Eingang eine Differenzspannung von <1mV, die Gleichtaktspannung beträgt aber satte 100mV (bei 50MHz). Es ist ziemlich schwierig, Verstärker zu finden, die bei der Frequenz noch eine gute Gleichtaktunterdrückung haben. Daher würde ich an deiner Stelle die Brücke symmetrisch betreiben, z.B. auch über einen Trafo. Sowohl das obere als auch das untere Ende sehen die 50MHz im Gegentakt. Du kannst den linken Ausgang der Brücke auf 0V festlegen, und du siehst als U_d nur noch ein Differenzsignal, keine Gleichtaktstörung. Was den Eigenbau schneller Instrumentenverstärker angeht: wenn Firmen wie AD und TI so etwas nicht integriert anbieten denke ich immer, es wird schwer das selbst besser zu machen. Gerald G. schrieb: > Ok, danke schon einmal. An den Hochpass dachte ich auch, dann kann das > ganze "Geraffel" um den Messwiderstand weg und ich brauche keinen > Instrumentenverstärker. Du meinst damit, dass du durch AC-Kopplung auf den zweiten Brückenzweig verzichten kannst? Die AC-Kopplung befreit dich nicht von den 100mV Gleichtaktschwankungen, die die selbe Frequenz haben, wie dein Messsignal.
Gerald G. schrieb: > Diesen Abschnitt verstehe ich leider nicht genau. Du meinst, dass bei > den Angaben im Datenblatt immer hohe Differenzen an den Eingängen des > OpAmps anliegen und sie deshalb diese Frequenzen erreichen? Ja, du hast ihn doch verstanden.
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ok, danke schon einmal. Jetzt bastle ich die ganze Zeit an der Simulation und habe die Antworten nicht mitbekommen... Ich schaue mir das noch einmal genau mit der Gleichtaktunterdrückung an (Beim ADA4895 ist die bei 50MHz noch bei etwa 30dB)
Ups, sorry: ich hatte die Problemstellung falsch verstanden, anhand deiner Simu habe ich es kapiert. Du hast eine DC-versorgte Brücke, und der Sensor wird mit 50MHz angeregt. Dann musst du dir nach der AC-Kopplung tatsächlich keine Gedanken um die Gleichtaktunterdrückung machen. Ich dachte, du willst eine AC-Brücke betreiben (also Versorgungsspannung mit 50MHz), und die (langsamere) Änderung des Sensorwiderstands per Lock-In detektieren. Dann wäre die Gleichtaktunterdrückung bei 50MHz wichtig, in deiner tatsächlichen Anordnung spielt sie keine Rolle.
Alles klar :) Ich habe mir gerade den Kopf darüber zerbrochen warum der Gleichtakt bei AC-Kopplung nicht herausfällt. Also einfach so wie in der Simulation aufgebaut geht das? Dann muss ja "nur" noch eine gute Platine geplant werden. edit: Achja, bei den Frequenzen tue ich mich auch schwer mit der Größenordnung der Widerstände. Passt das, oder eher hochohmiger? 50 Ohm Widerstand an den Ausgang des letzten OPVs? (Wird über SMA-Kabel an den ADC übertragen)
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Gerald G. schrieb: > Also einfach so wie in der Simulation aufgebaut geht das? Im Prinzip schon. Allerdings würde ich die Werte von C1 und R4 anders wählen (höherimpedant). Mit der aktuellen Wahl belastest du den Spannungsteiler bei der Zielfrequenz mit 100Ohm und verringerst so seine Empfindlichkeit. Also zB. C1 auf 10n und R4 auf 1kOhm..
Gerald G. schrieb: > edit: Achja, bei den Frequenzen tue ich mich auch schwer mit der > Größenordnung der Widerstände. Passt das, oder eher hochohmiger? das Feedback-Netzwerk hätte ich aus dem Bauch raus eher niederohmiger gemacht. Was sagt denn die AC-Simu? Sieht du schon ein ordentliches Peaking der Verstärkung bei hohen Frequenzen?
Gerald G. schrieb: > die dann in den Transformator und zum ADC geht, Ich meinte, daß du den ersten OpAmp durch einen Hf-Transformator ersetzen könntest, Eingangsimpedanz 50 Ohm, Ausgangsimpedanz besser zum OpAmp passend, könnte aus 1mV schon 33mV machen. Natürlich kann man den nicht für 1kHz und 50MHz gleichzeitig gut auslegen, aber ab 1mHz sollte seine Störkapazität klein genug sein.
Stimmt, hatte ich schon wieder verdrängt. Ich brauche allerdings die Frequenzen zwischen 80kHz und 50Mhz, da wird es denke ich schwer sein etwas passendes zu finden.
Gerald G. schrieb: > ok, danke schon einmal. > > Jetzt bastle ich die ganze Zeit an der Simulation und habe die Antworten > nicht mitbekommen... > > Ich schaue mir das noch einmal genau mit der Gleichtaktunterdrückung an > (Beim ADA4895 ist die bei 50MHz noch bei etwa 30dB) Es kommt noch etwas dazu, je nachdem was nach der Verstärkerschaltung folgt. Spielt es keine Rolle, wenn der Ausgang der Verstärkerschaltung eine DC-Offsetspannung von maximal 10.5 mV hat, braucht es keine weitere Massnahme. (Beachte am Schluss, es wird mehr sein!) Stört dies, dann ist bei der zweiten Verstärkerstufe in Serie zu R8 (100 Ohm) ein Kondensator nötig der etwas grösser ist als C1 bzw. C2 (mit ebenfalls 100 Ohm), damit die untere Grenzfrequnz nicht weiter angehoben wird, - falls dies stören sollte. Ich denke die Wahl fällt günstig auf 470 nF. Wie kommt es auf eine DC-Offsetspannung von 10.5 mV? Ganz einfach, der Opamp hat eine maximale aequivalente DC-Offset-Spannung von 0.35 mV und die multipliziert sich mit einem Faktor 30 (R5/R8). Ich habe jetzt grad noch wegen dem Biasstrom nachgeguckt, der mit 11 µA recht hoch ist (scheint kein FET-Opamp zu sein). Der macht zusätzlich noch mehr. Ich habe es kurz für die gegebene Dimensionierung gerechnet. Es wird zu einer totalen DC-Offsetspannung von 40 bis 50 mV am Ausgang kommen. Passiert nicht mit dem oben vorgeschlagenen 470nF-Kondensator. Verwende möglichst keine Keramik-Kondensatoren wegen dem Piezzo-Effekt bei dieser hohen Verstärkung. Gruss Thomas
Es gibt auch so etwas wie Instrumentenverstärker (nennt sich dann Differenzverstärker) für die hohen Frequenzen. Ein NE592/LM733 ginge so in die Richtung. Ein Transformator am Eingang wäre ggf. auch eine Möglichkeit. Gerade für die Kalibrierung sollte man schon mit der selben Trägerfrequenz arbeiten. Daher ist die Frage wie man so weit runter kommen soll ? Zum Treiben eines Kabels wird man in Regel einen Widerstand passend zur Kabelimpedanz am Ausgang des Verstärkers brauchen. Keramische Kondensatoren sind nicht per Se schlecht, nur die mit Klasse 2 Dielektrikum, also die für höhere Kapazitäten ab etwa 10 nF sind ggf. ein Problem. NP0 Kondensatoren sind vollkommen in Ordnung - besser als Folienkondensatoren, die man wegen der Temperaturen nicht so eng löten kann.
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