Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Differentielles Signal verstärken


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von Blubber1 (Gast)


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Guten Abend!

Ich hab folgendes Problem: Ein Analog-Frontend liefert mir ein 
differentielles Signal. Der "-"-Ausgang liegt fest auf 1,25V. Der 
"+"-Ausgang bewegt sich im Bereich von 1,25V +/-190mV.

Für einen ADC mit differentiellem Eingang (der hat ein Vorzeichen-Bit) 
würde ich gerne dieses Signal verstärken, um den ADC-Bereich 
bestmöglichst auszunutzen (Ref 2,5V). Aus den 1,25 +/-190mV sollen 
deshalb 1,25 +/- 1,25V werden.

Der OP ist natürlich kein TL074 ... Das wird ein Rail-To-Rail OP-Amp wie 
OPA2340 ...

Im Anhand eine Skizze, wie ich mir das gedacht hatte ... Weiß jemand, ob 
das so funktioniert?

Vielen Dank!

von Joe F. (easylife)


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Dein ADC hat keinen echten differenziellen Eingang.

Datenblatt:
"The MCP3201 provides a single pseudo-differential input. The IN+ input 
can range from IN- to VREF (VREF +IN-). The IN- input is limited to ±100 
mV from the VSS rail. The IN- input can be used to cancel small sig- nal 
common-mode noise which is present on both the IN+ and IN- inputs."

Daher solltest du deinen Eingangsverstärker sowieso so aufbauen, dass er 
aus dem differenziellen Signal ein auf Vref/2 bezogenes, unsymmetrisches 
Signal macht (mit entsprechender Verstärkung).

von Blubber1 (Gast)


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Joe F. schrieb:
> Daher solltest du deinen Eingangsverstärker sowieso so aufbauen, dass er
> aus dem differenziellen Signal ein auf Vref/2 bezogenes, unsymmetrisches
> Signal macht (mit entsprechender Verstärkung).

Ja genau ... Ich dachte, das hätte ich gemacht :)

Oder hab ich dich da falsch verstanden? Hmmm :)

Oh MCP3201 ist auch falsch, es ist der MCP3301 ... Großes Entschuldigung 
dafür!

> The MCP3301 13-bit A/D converter features full
> differential inputs

von Blubber1 (Gast)


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Ach da fällt mir ein ... Nach dem OP kann ich das Signal ja asymmetrisch 
weiter verwenden ... Ich hab da vmtl nur einen kleinen Offset bezogen 
auf 1,25V, aber den kann ich raus rechnen :)

Naja, mein Problem ist, ich hab das genauso aufgebaut und getestet und 
die digitalisierten Werte schwanken um +/- 50 bei 13Bit ... Irgendwas 
muss ich da falsch gemacht haben, deshalb wollte ich um Rat fragen, ob 
ich irgendwas grundlegendes falsch gemacht habe, was den Experten sofort 
auffällt :)

von Joe F. (easylife)


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Blubber1 schrieb:
> Naja, mein Problem ist, ich hab das genauso aufgebaut und getestet und
> die digitalisierten Werte schwanken um +/- 50 bei 13Bit ... Irgendwas
> muss ich da falsch gemacht haben, deshalb wollte ich um Rat fragen, ob
> ich irgendwas grundlegendes falsch gemacht habe, was den Experten sofort
> auffällt :)

Was heisst "schwanken"? Rauschen?

Ein Problem deiner Schaltung ist, dass die ADC Inputs mit 
unterschiedlichen Impedanzen getrieben werden.

Woher beziehst du Vref für den Wandler?

Welche Frequenzen hat dein Eingangssignal (min/max)?
Wenn du kein DC digitalisieren musst, empfiehlt sich ein Auskoppelung 
des Eingangssignals, um den Offset zu eliminieren.

: Bearbeitet durch User
von Blubber1 (Gast)


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Joe F. schrieb:
> Was heisst "schwanken"? Rauschen?

Ja, sieht nach Rauschen aus ... Ich werd morgen mal mit dem Oszi schauen 
... Hab heute leider keins da.

> Ein Problem deiner Schaltung ist, dass die ADC Inputs mit
> unterschiedlichen Impedanzen getrieben werden.

Hmm, das ließe sich beheben ... Mein OP hat noch einen weiteren 
ungenutzten, den ich als Impedanzwandler für den Bezugspunkt verwenden 
könnte. Das probier ich auf jedenfall aus :)

> Woher beziehst du Vref für den Wandler?

Die kommen von einem LM4140-2,5 ... Hab das Bauteil aus dem Schaltplan 
des LMP91200 Dev-Boards.

> Welche Frequenzen hat dein Eingangssignal (min/max)?
> Wenn du kein DC digitalisieren musst, empfiehlt sich ein Auskoppelung
> des Eingangssignals, um den Offset zu eliminieren.

Nahezu 0Hz ... Also DC :)

von Joe F. (easylife)


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Blubber1 schrieb:
> Die kommen von einem LM4140-2,5 ... Hab das Bauteil aus dem Schaltplan
> des LMP91200 Dev-Boards.

Also sollte IN- auch sinnvollerweise auch auf 2.5V gebracht werden.
>
>> Welche Frequenzen hat dein Eingangssignal (min/max)?
>> Wenn du kein DC digitalisieren musst, empfiehlt sich ein Auskoppelung
>> des Eingangssignals, um den Offset zu eliminieren.
>
> Nahezu 0Hz ... Also DC :)

Naja, also entweder willst du Gleichspannung messen, oder 1Hz reicht 
noch aus.
Mit Auskoppelkondensatoren machst du dir in jedem Fall das Leben 
leichter.

Mit 22uF kommst du bei 1Hz noch auf -3dB.
Wenn's DC sein muss: Kondensatoren weglassen, und mit Offset leben.

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von Blubber1 (Gast)


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Joe F. schrieb:
> Naja, also entweder willst du Gleichspannung messen, oder 1Hz reicht
> noch aus.
> Mit Auskoppelkondensatoren machst du dir in jedem Fall das Leben
> leichter.

Muss leider Gleichspannung sein ... Der LMP91200 misst den PH-Wert einer 
Lösung und der ändert sich über Stunden eher nur leicht.

Joe F. schrieb:
> Also sollte IN- auch sinnvollerweise auch auf 2.5V gebracht werden.

Ah! Da ist evtl einer meiner Denkfehler ... Dachte, die Differenz der 
Signale darf nicht >2,5V werden und dass das in Ordnung ist, wenn jeder 
Eingangspin für sich selbst innerhalb der Betriebsspannungsgrenzen des 
ADCs ist ... Da werd ich mir was überlegen :)

von Joe F. (easylife)


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Blubber1 schrieb:
> Muss leider Gleichspannung sein

Dann versuche es mal so wie im Anhang. C6 war bei der vorherigen 
Schaltung noch falsch (unsinnig).

Nachtrag: sorry für die unnötig großen Bilder, irgendwie kommt mein 
Screenshot-Programm neuerdings auf die dämliche Idee Bilder nicht mehr 
1:1 zu skalieren.

C5 und C4 kann man dann auch größer machen, wenn deine Signal-Frequenz 
so gering ist. Mit je 2.2nF hättest du eine Grenzfrequenz von ca. 1.3KHz 
- gut gegen Rauschen.

: Bearbeitet durch User
von Blubber1 (Gast)


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Joe F. schrieb:
> Dann versuche es mal so wie im Anhang.

Ui, das sieht interessant aus ... Wenn ich es richtig verstehe ist das 
ein Subtrahierer mit VRef als Offset ... Genial :)

Vielen Dank, das probier ich morgen gleich mal aus!

von Joe F. (easylife)


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Blubber1 schrieb:
> Wenn ich es richtig verstehe ist das
> ein Subtrahierer mit VRef als Offset

Genau, mit integriertem Low-Pass.
Um noch einen draufzusetzen: mit einem zusätzlichen Kondensator vor dem 
Op-Amp kann man aus dem Filter einen entsprechend steileren 2nd Order 
Filter machen (siehe Anhang).
Da du ja ein entsprechend langsames Eingangssignal hast, kannst du 
zusätzlich entsprechend schneller samplen und dann in Firmware 
ordentlich Mitteln (100 Werte oder so). Dann dürfte dein Rauschen gegen 
0 gehen.

: Bearbeitet durch User
von Blubber1 (Gast)


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Vielen vielen Dank für deine Hilfe! :)

von Günter Lenz (Gast)


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Blubber1 schrieb:
>Der "-"-Ausgang liegt fest auf 1,25V. Der
>"+"-Ausgang bewegt sich im Bereich von 1,25V +/-190mV.

Dann geht aber der Vorteil der Differenziellen Übertragung
verloren. Signalquelle und Empfängereingang sollte möglichst
symetrisch sein.

von Joe F. (easylife)


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Günter Lenz schrieb:
> Dann geht aber der Vorteil der Differenziellen Übertragung
> verloren.

Das kann man so nicht sagen. Wenn die "1.25V konstant" über das gleiche 
Kabel kommen (und mit gleicher Impedanz wie das Nutzsignal getrieben 
werden), handelt es sich im Prinzip um ein differenzielles Signal mit 
Gleichanteil, der durch den Op-Amp ja effektiv incl. Gleichtaktstörungen 
herausgefiltert wird.

von Simon K. (simon) Benutzerseite


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Was soll der Unsinn? Der adc ist voll differenziell, also nimm einfach 
einen fully differential opamp und fertig.

von Blubber1 (Gast)


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Vlt noch kurz eine Erklärung, was genau dieser LMP91200 macht ... Er 
bekommt am Ref-Pin eine Referenzspannung (2,5V). Diese teilt er intern 
auf die Hälfte runter (1,25V). Diese 1,25V verwendet er als Bezugspunkt 
für die PH-Elektrode. die PH-Elektrode ist selbst eine Spannungsquelle 
mit extrem hoher Impedanz (~Gigaohm), die Spannungen zwischen -415mV 
(PH14) und +415mV (PH1) erzeugt. Dieses Bezugspotential wird auf den 
"-"-Ausgang gegeben. Die Elektrodenspannung auf "+".

So entsteht dieses seltsame differentielle Signal :)

von Blubber1 (Gast)


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Hier noch das Bild aus dem Datenblatt :)

von Joe F. (easylife)


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Simon K. schrieb:
> Unsinn

Disqualifier.

DC Offset?

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von Blubber1 (Gast)


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Wow Hammer! Rock-stable Werte! Und der Messbereich ist perfekt ... 
Vielen Dank nochmal, ich hatte das Ding schon fast aufgegeben! :)

PH4= 2455
PH7= 5

und nur das LSB toggelt ...

Vielen Dank :)

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