Eingangswiderstand OpAmp, ADC

[Akku S. (akkusativ)]

Hallo,

Ich hätte eine Frage zu Eingangswiderständen. Hier erstmal der 
Hintergrund:

Ich möchte für ein Uni-Projekt mit u.a. NTCs Temperaturen (max: -40 bis 
100°C) messen. Durch einen Spannungsteiler soll die am NTC abfallende 
Spannung i.A. der Temperatur linearisiert werden und anschließen mit 
einem ADC gemessen werden. Je genauer das ganze klappt, umso besser. Am 
Ende soll das ganze auf eine Platine kommen.

(Ein) Problem bei der Geschichte ist: der Strom duch den NTC erwärmt 
diesen und verfälscht das Ergebnis. Dem entgegenwirkend bietet sich ein 
NTC mit hohem R25 und ein entsprechend hoher Vorwiderstand an. 
Allerdings hat ein ADC ja auch nur einen endlich hohen 
Eingangswiderstand und belastet durch die Messung den Spannungsteiler. 
Nun suche ich Werte um den Eingangswiderstand verschiedener ADCs 
abschätzen zu können.

Im Datenblatt vom MCP3550 (1) von Microchip stehen nun folgende Werte, 
zu denen ich Fragen habe:

Analog Input Sampling Capacitor - ist das die Kapazität die der 
Spannungsteiler sieht, wenn der ADC misst?

Differential Input Impedance - ist das die Impedanz zwischen den 
Eingängen, bzw. in meinem Fall vrmtl. zwischen Spannungseingang und 
Masse?


Ferner wird auf der Platine ein Instrumentenverstärker für die 
Verstärknung von Thermoelementen sein. Wie groß sind denn da die 
typischen Eingangswiderstände? Falls die (deutlich) größer als von ADCs 
wären, könnte ich den nicht auch als Impedanzwandler mit Verstärkung 1 
für den NTC hernehmen? Oder bin ich mit der überlegung eher auf dem 
Holzweg?

Danke schonmal für Antworten! Falls ich mich unverständlich ausgedrückt 
haben sollte, kann man gerne nachfragen.

(1)  http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/21950c.pdf

[Pandur S. (jetztnicht)]

Ein NTC betreibt man mit einem Seriewiderstand der gleich gross ist wie 
der Widerstand um den interessanten bereich. Wenn man also um 25 Grad 
messen will, nimmt man gleich den R25 des NTC als Vorwiderstand. zB 10k. 
Die Linearisierung macht man dann per Software.

[Akku S. (akkusativ)]

Danke jetztnicht Für die schnelle Antwort! So habe ich mir das ganze 
auch vorgestellt. Das Problem ist, dass die Wärmeverlustleistung durch 
den Strom an NTC nicht über die Temperatur linear ist. Somit ist auch 
die Eigenerwärmung am NTC, die die Messung verfälscht nicht immer 
gleich! Je höher der R25 am NTC ist, desto geringer ist die 
Eigenerwärmung. Da der NTC aber parallel zum ADC nach Masse geschalten 
ist, mache ich mir sorgen, dass der ADC das Messergebnis bei einem zu 
hohen NTC-Widerstand verfälscht.

[Akku S. (akkusativ)]

Hier nochmal zur Verdeutlichung.

In Bild 1 sieht man den Vorwiderstand, den NTC und den ADC mit einem 
gedachten Eingangswiderstand (mir ist klar, das das stärkstens 
vereinfacht ist).

Bild 2 zeigt den Widerstand eines NTCs über der temperatur in Kelvin. 
R25 ist 5kOhm, B ist c.a. 4000K.

Bild 3 zeigt die Spannung am NTC über der Temperatur.

Bild 4 zeigt die durch den Strom entstehende Wärmeverlustleistung in 
miliwatt. Die ist nicht besonders viel zugegebenermaßen, aber bei dem 
verwendeten NTC beträgt die Eigenerwärmung auch nur 1.2mW/K.

[Arc N. (arc)]

Akku S. schrieb:
> Ferner wird auf der Platine ein Instrumentenverstärker für die
> Verstärknung von Thermoelementen sein. Wie groß sind denn da die
> typischen Eingangswiderstände? Falls die (deutlich) größer als von ADCs
> wären, könnte ich den nicht auch als Impedanzwandler mit Verstärkung 1
> für den NTC hernehmen? Oder bin ich mit der überlegung eher auf dem
> Holzweg?

Das kann alles mögliche sein... bspw.
AD620 z.B. 10 GOhm // 2 pF differential und common mode,
AD8224 10 TOhm // 6 pF diff und comm

Problem bei Instrumentenverstärkern kann hier je nach 
Spannungsversorgung der Eingangsspannungsbereich sein. Bspw. AD8224 bei 
dem dieser bei 5V Single Supply von -0.1 V bis 2.9 V reicht. Zu beachten 
die "schönen" Graphen unter Input Common-Mode Voltage Range vs. Output 
Voltage o.ä...
Anderes Problem kann das ziemlich hohe Rauschen bei niedrigen 
Verstärkungen sein: AD8224 bspw. 5 uVp-p, 0.1 Hz - 10 Hz auf den Eingang 
bezogen oder die Nicht-Linearität der Verstärkung je nach 
Eingangs-/Ausgangsspannung

Passende ADCs gäbe es auch z.B. ADS1248, der, je nach Datenrate, eine 
effektive Eingangsinpedanz von bis zu 5 GOhm hat. Der hätte auch interne 
Stromquellen und Inst-Verstärker, um beide Messaufgaben erledigen zu 
können
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ads1248.pdf

[Pandur S. (jetztnicht)]

Wenn man sich sorgen wegen der eigenerwaermung macht, muss man die 
Speisung des spannungsteiler heruntersetzen, oder eine hochohmigere 
Konfiguration waehlen. Ich verwend zB standardmaessig NTC-10k, 10k @ 
2.5V. Ein vernuenftiger ADC hat einen hohen Eingnagswiderstand von 10M 
oder mehr.

[Akku S. (akkusativ)]

@Arc Net:

Super, vielen Dank! Ich lass mir das erstmal durch den Kopf gehen, aber 
der ADS1248 könnte ein super Treffer sein. Ich wälze mich nun erstmal 
durch das Datenblatt.


@Jetzt Nicht:

Auch vielen Dank! das mit 2,5V ist vermutlich eine gute Idee, weil die 
Wärmeverlustleistung ja quadratisch mit der Spannung steigt. Der 
womögliche Fehler durch den internen PGA des ADS1248 ist wahrscheinlich 
kleiner als der eingesparte messfehler durch Eigenerwärmung, denke ich.



Ich werd jetzt erstmal das Datenblatt lesen und melde mich dann bei 
weiteren Fragen wieder.

THX!

[Harald W. (wilhelms)]

Akku S. schrieb:

> (Ein) Problem bei der Geschichte ist: der Strom duch den NTC erwärmt
> diesen und verfälscht das Ergebnis.

Deswegen schaltet man den Messstrom in vielen Temperaturmessschaltungen
immer nur kurz während der Messung ein. Dann ist die mittlere Wärme-
belastung meist vernachlässigbar.

[Akku S. (akkusativ)]

Ich komme mit der Referenzspannung und dem Spannungsbereich des ADS1248 
nicht so ganz klar. Ich bin, was praxis angeht leider sehr unerfahren. 
Was mir klar ist, ist dass der ADC eine Referenzspannung benötigt um 
natürlich die eingangssannung zu vergleichen und einen entsprechenden 
Binärwert zu liefern.

Wobei es jetzt konkret hängt: Angenommen ich möchte mit dem ADS1248 
wirklich spannungen am NTC im Bereich von 0 bis 5V messen. Der ADC hängt 
versorgungsmäßig ebenfalls genau an den 5V und ist masseseitig auf dem 
gleichen (masse)potenzial wie der NTC (das bild soll das nochmal 
verdeutlichen).
Nun verwirren mich die Angaben im Datenblatt. Ich kann mir irgendwie 
keinen vernünftigen Reim auf die Angaben "Voltage reference input", 
"Full-scale input voltage" und vorallem "Common-mode input range" 
machen. Der maximale "Voltage reference input" scheint 4V zu sein. 
heisst das, ich kann maximal zwischen 0V und 4V messen? Oder kann ich 
Vref auf 2,5V setzten und dann von 0V bis 5V messen?

Hab im Internet schon geschaut, aber ich kapiers leider nicht :/

[HildeK (Gast)]

Vorweg: ich habe mit dem ADS1248 noch nicht gearbeitet.
Akku S. schrieb:
> Voltage reference input scheint 4V zu sein
Das ist der Bereich für die Referenzspannung, die du anlegen kannst. So 
wie ich das sehe, liegt er zwischen ß.5V und 4V für eine 5V Versorgung.

Akku S. schrieb:
> Oder kann ich
> Vref auf 2,5V setzten und dann von 0V bis 5V messen?

Du kannst nur zwischen 0V und Vref messen. Wenn du 2.5V an Vref anlegst, 
dann eben nur bis 2.5V. RefN sei auf 0V.

Zu deiner Eigenerwärmung:
Wenn ich NTC an einem (Prozessor-)ADC betreibe, dann schalte ich 
(manchmal) den Messpfad kurz vor der Messung über einen IO-Pin und FET 
ein. Der Grund ist aber eher beim Stromsparen zu suchen.

[Frank (Gast)]

Akku S. schrieb:
> Analog Input Sampling Capacitor - ist das die Kapazität die der
> Spannungsteiler sieht, wenn der ADC misst?
Ja

> Differential Input Impedance - ist das die Impedanz zwischen den
> Eingängen, bzw. in meinem Fall vrmtl. zwischen Spannungseingang und
> Masse?
Ja. Üblicherweise gibt es noch einen zweiten Widerstand zu Masse das ist 
dann die "Input Impedance" (ohne "Differential").

> Ferner wird auf der Platine ein Instrumentenverstärker für die
> Verstärknung von Thermoelementen sein. Wie groß sind denn da die
> typischen Eingangswiderstände? Falls die (deutlich) größer als von ADCs
> wären, könnte ich den nicht auch als Impedanzwandler mit Verstärkung 1
> für den NTC hernehmen? Oder bin ich mit der überlegung eher auf dem
> Holzweg?
Nein Du bist nicht auf dem Holzweg. Wenn Dir der ADC-Widerstand zu groß 
ist kannst Du das machen (allerdings eher mit OPV als 
Instumentenverstärker). Allerdings mußt Du berücksichtigen, daß der 
Verstärker einen zusätzlichen Fehler einbringt und ebenfalls einen 
endlichen Eingangswiderstand hat.

Die Eingangswiderstände können erheblich variieren von KOhm bis Gigaohm, 
je nach Baustein.

Was die Vref anbelangt: Da muß man sich jeden ADC genau ansehen. Da gibt 
es folgende Möglichkeiten: Sei Vref = x
a) von -Vref bis +Vref (häufig)
b) von -1/2Vref bis +1/2Vref (häufig)
c) von -2Vref bis +2Vref (selten)
d) von 0 Vref bis +Vref (selten)
e) andere (selten)

Der TI ADS1248 ist vom Typ a)
Mit der eingebauten Referenz kannst Du von -2,038 bis +2,038 Volt 
messen.
Du bräuchtest somit einen Spannungsteiler am Eingang.
Wenn Du den Baustein mit 5 Volt betreibst und eine externe 5 Volt 
Referenz verwendest kannst Du auch von -Ref bis +Ref messen (also -5 
Volt bis + 5 Volt). Aber Achtung! Ist die Referenz z.B. 4,995 Volt 
kannst Du nur bis 4,995 Volt messen, würdest Du dann 5 Volt anlegen kann 
es auch passieren, daß der ADC keine Messung ausspuckt sondern 
"OVERRANGE" o.ä. ausgibt!
Wenn Du also wirklich bis 5 Volt messen willst -> Spannungsteiler