Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Analog Frontend für hochohmige Spannungsmessung


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von Johannes B. (papapuuh)


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Hallo liebes Forum,

ich würde Euch hier gerne bitten, über meine zwei Schaltungen an der Uni 
einen Blick zu werfen. Ich bin für Verbesserungen oder bei der 
Austreibung (grober) Schnitzer sehr dankbar. Bitte seht es mir nach, ich 
bin noch Rookie auf dem Gebiet der Analogtechnik. ?

Beide Schaltungen sind recht ähnlich, so dass ich mir dachte, sie 
gemeinsam in ein Thema zu packen.

Ich versuche mich so knapp wie möglich, aber doch ausreichend deutlich 
zu halten, so dass nicht zu viel Text zu lesen ist.



Zur 1. Schaltung:

Erwünschte Funktion:

Es ist die Spannung über einen NTC (Rtemp) möglichst ohne Beeinflussung 
abzugreifen und meiner eigenen Hardware zu zuführen. Alles links vom 
Eingangsfilter ist vorbestimmt (Fremdhardware). Ich dachte an einen 
InAmp (AD8422), der mit leichter Verstärkung und Offset (U2) an „REF“ 
die Spannung vom NTC (ca. 0,5…4V) auf ca. -4.5V…4,5V abbildet. U_Rtemp 
sollte natürlich kaum verändert werden, damit die Fremdhardware nicht 
durcheinander kommt. Die beiden Spannungsteiler aus R11 bis R14 sind 
dazu gedacht bei abgestöpselter Fremdhardware, einen definierten Pegel 
zu haben. U3 mit der +-5,5V Versorgung ist der Versuch, als potentielles 
Opfer höhere Spannungen als ca. +-5,5V von der nachgeschalteten Hardware 
fernzuhalten (ADC->uC und parallel National Intruments Modul). Die 
+-5,5V werden später linear aus den +-15V erzeugt.

Zur 2. Schaltung:

Erwünschte Funktion:

Die Spannung einer Lithium-Ionen-Zelle soll erfasst werden (-5V bis 
+5V). Der 150 Ohm Widerstand R3 ist wiederum fix vorgegeben 
(Fremdhardware). Es handelt sich auch um mehrere Zellen (16 Stück), die 
alle mit dergleichen Schaltung gemessen werden. Es gibt diese Schaltung 
also dann 16x parallel. Wiederum dergleiche InAmp (AD8422) verstärkt 
diesmal mit GAIN=1 und ohne Offset die Spannung der Zelle. Neben dem 
Filter davor gibt es R2 und R4, welche a) bei abgestöpselter Zelle den 
C1 entladen (langsam) und b) einen definierten Pegel für den AD8422 
herstellen sollen. Diese R’s müssen sehr hochohmig sein, damit die Zelle 
sich nicht allzu sehr selbst entlädt (<1uA bei 5V). Ansonsten hat U3 die 
gleiche Aufgabe wie in der anderen Schaltung. Es hängt am Ausgang wieder 
ein ADC und das NI-Modul parallel. Ach ja, ich hätte gerne eine 
Genauigkeit von weit besser als ein mV.

Sicher gibt es viel zu verbessern und damit viel zu lernen für mich und 
hoffentlich auch andere. Vielen lieben Dank im Voraus für alle Tipps, 
auch welche, die mit indirekten Dingen dieser Schaltungen zu tun haben. 
?

Sonnige Grüße
Johannes

von Klaus R. (klara)


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Johannes B. schrieb:
> Zur 1. Schaltung:

Was sollen die Zenerdioden an den Versorgungsspannungen? Traust Du den 
eigenen Spannungsquellen nicht?

R11 bis R14 scheinen mir auch merkwürdig? Was sollen die denn bezwecken?
mfg Klaus

: Bearbeitet durch User
von Johannes B. (papapuuh)


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Hallo Klaus,

die Dioden haben den Sinn, dass zum Beispiel beim Einschalten der 
Versorgung und falls eine der Spannungen früher da ist als die andere, 
der Strom durch den OP einen ungefährlichen Weg findet. Das hatte ich so 
bei TI in einem Lehrgangsvideo verstanden. Ich hoffe ich habe das 
korrekt umgesetzt.


Die Widerstände R11 bis R14 haben den Sinn, dass bei wegfallendem 
Schaltungsteil auf der linken Seite (alles links von Rtemp, 
einschließlich Rtemp-> es ist nichts an dem Kanal angeschlossen) der OP 
eine definierte Spannung bekommt und am Ausgang dann sich eine Spannung 
einstellt, die leicht außerhalb des Bereiches liegt, der mit Temp.sensor 
abgefahren werden kann.
--> Erkennung in der Software es ist nichts angeschlossen.

Beste Grüße
Johannes

von PB (Gast)


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Johannes B. schrieb:
> Hallo liebes Forum,
>
> ich würde Euch hier gerne bitten, über meine zwei Schaltungen an der Uni
> einen Blick zu werfen.


Hallo Johannes, dein Posting kommt mir bekannt vor,
die Schaltung hatten wir doch letztens schon einmal hier im Forum.


> Sicher gibt es viel zu verbessern und damit viel zu lernen für mich
wenn wir deine Aufgaben lösen, lernst du nichts.

Also, sei nicht so faul .

von Klaus R. (klara)


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Johannes B. schrieb:
>
> die Dioden haben den Sinn, dass zum Beispiel beim Einschalten der
> Versorgung und falls eine der Spannungen früher da ist als die andere,
> der Strom durch den OP einen ungefährlichen Weg findet.

Die Zenerdioden sind als Überspannungsschutz geschaltet. Einen anderen 
Sinn ergeben sie nach m.E. nicht. Habe ich auch so noch nie gesehen.

Ein symmetrischer OP kann auch asymmetrisch betrieben werden, zumindest 
meistens. Deswegen dürfen die Versorgungsspannungen auch unterschiedlich 
schnell hochlaufen.

>
> Die Widerstände R11 bis R14 haben den Sinn, dass bei wegfallendem
> Schaltungsteil auf der linken Seite (alles links von Rtemp,
> einschließlich Rtemp-> es ist nichts an dem Kanal angeschlossen) der OP
> eine definierte Spannung bekommt und am Ausgang dann sich eine Spannung
> einstellt, die leicht außerhalb des Bereiches liegt, der mit Temp.sensor
> abgefahren werden kann.
> --> Erkennung in der Software es ist nichts angeschlossen.

Ok, im Datenblatt gibt es da einen Hinweis, daß die Eingänge wegen des 
Bias nicht schwimmen sollen. Aber dann genügen auch zwei Widerstände, 
jeweils gegen AGND. Im einem Bild wurde da auch ein 10 M Widerstand 
verwendet.

Der 10 µF zwischen den Eingängen ist auch enorm. Er soll wohl nicht nur 
HF unterdrücken.

mfg klaus

: Bearbeitet durch User
von Peter M (Gast)


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Johannes B. schrieb:
> Hallo liebes Forum,
>
> ich würde Euch hier gerne bitten, über meine zwei Schaltungen an der Uni
> einen Blick zu werfen. Ich bin für Verbesserungen oder bei der
> Austreibung (grober) Schnitzer sehr dankbar. Bitte seht es mir nach, ich
> bin noch Rookie auf dem Gebiet der Analogtechnik.


'Lerning by doing'

'Ausprobieren, Fehler machen und aus den Fehlern lernen'

von Johannes B. (papapuuh)


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Hallo Klaus, Peter und PB.

vielen Dank Klaus für deine Anregungen. Die Diodengeschichte habe ich 
wie gesagt von TI.

https://training.ti.com/ti-precision-labs-op-amps-electrical-overstress-eos-1?cu=14685

Ab ca. 5min20sec kommt der Fall.

Der 10uF ist sicherlich zu groß gewählt, danke für den Hinweis. Den 
werde ich noch verkleinern. Meine Absicht war es gewesen, alles was 
nicht durch soll, kommt auch nicht rein, :-D. Ich habe vorne nichts 
schnelleres als 10 Hz.

@PB
Dir fehlen die Infos zu beurteilen, ob ich faul bin/war oder nicht. Also 
bitte ich dich, mir auch so etwas nicht zu unterstellen. Des Weiteren 
hätte ich es nett gefunden, wenn du mir ein Stichwort oder den Link zu 
deinem besagten Thread genannt hättest. Ich konnte leider nichts finden, 
woraus ich schlauer geworden wäre.

@Peter
Ich sehe ein Forum als Hilfe an, nicht immer jedes Rad neu erfinden zu 
müssen. Mein Credo ist natürlich auch, mach Fehler und lerne daraus. 
Dennoch fände ich es schön, Anregungen zu bekommen. Ich erwarte nicht, 
dass mir hier alles vorgekaut wird, jedoch hatte ich mir erhofft, 
Meinungen nach der Art zu bekommen: Schau mal da hin, das ist nicht so 
rosig oder schau da nach, da steht etwas zu deinem Problem. Stattdessen 
kommen Beiträge, die weder mir noch den Verfassern noch den Mitlesern 
etwas nützen. Muss nicht sein in meinen Augen. Danke.

von Klaus R. (klara)


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Johannes B. schrieb:
> vielen Dank Klaus für deine Anregungen. Die Diodengeschichte habe ich
> wie gesagt von TI.
>
> 
https://training.ti.com/ti-precision-labs-op-amps-electrical-overstress-eos-1?cu=14685
>
> Ab ca. 5min20sec kommt der Fall.

Das ist für rauhe Umgebungen sicher angesagt. Ich hatte mal so etwas wie 
ein EMP durch einen Blitz in der Nachbarschaft. Danach habe ich die 
Eingänge eines Muxers mit TVS-Dioden gesichert.

Hier der Typ. Sind aber wirklich winzig und selbst mit Lupe schwer zu 
löten.
http://www.ti.com/product/TPD2EUSB30

Johannes B. schrieb:
> Der 10uF ist sicherlich zu groß gewählt, danke für den Hinweis. Den
> werde ich noch verkleinern. Meine Absicht war es gewesen, alles was
> nicht durch soll, kommt auch nicht rein, :-D. Ich habe vorne nichts
> schnelleres als 10 Hz.

Hauptsache Du nimmst Kerkos.
mfg klaus

: Bearbeitet durch User
von Michael B. (laberkopp)


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Johannes B. schrieb:
> Sicher gibt es viel zu verbessern

Hmm, die Frage ist doch nicht was "am Besten" ist (das ist dann auch am 
teuersten), sondern was nötig ist. So wie ich das sehe, willst du 2 
Spannungen messen die sicher unter 5V liegen da es trotz 2 gezeichneten 
nur 1 LiIon Zelle ist, und darfst dich mit den Schaltungen galvanisch 
verbinden.

Warum nicht:
1
  +5V        .     
2
   |         .     +-----------+-- VCC
3
  2k2        .     |           |
4
   |         .     |       +------
5
   +----+---------|+\      |
6
   |    |    .    |  >--+--|AD0
7
  10k   |    . +--|-/   |  |
8
   |   NTC   . |        |  |
9
 --+    |    . +--------+  | Differenzbildung in Software
10
   |    |    .             |
11
  15k   +---------|+\      |
12
   |    |    .    |  >--+--|AD1
13
 --+    |    . +--|-/   |  |
14
   |    |    . |        |  |
15
  10k   |  : . +--------+  |
16
   |    |  | .             |
17
   +----+  +------|+\      |
18
   |       | .    |  >--+--|AD2
19
  2k2    LiIon +--|-/   |  |
20
   |       | . |        |  |
21
 --+-------+ . +--------+  +------
22
   |       | .  TLV2404        |
23
  150R     +-------------------+--- GND
24
   |         .             
25
  GND        .
Die TLV2404 sind besondere OpAmps: Die erlauben 5V an den Eingaängen 
auch wenn ihre eigene Versorgung ausgefallen ist ohne dass Ableitströme 
fliessen (wie beim LM324 auch...). Die Belastung der Messschaltung liegt 
damit immer unter 1nA. Der Messfehler bei 390uV bzw. 880uV typisch je 
anch Modell. Wer will, kann noch 100k Widerstände vor die OpAmp-Eingänge 
setzen als ESD Schutz. Wegen des geringen Eingangsstroms führen sie 
nicht zu Messfehlern.

: Bearbeitet durch User
von Elektrolurch (Gast)


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Johannes B. schrieb:

> @PB
> Dir fehlen die Infos zu beurteilen, ob ich faul bin/war oder nicht. Also
> bitte ich dich, mir auch so etwas nicht zu unterstellen.

Die Infos entnimmt er deinen Fragen.

von Johannes B. (papapuuh)


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Danke Klaus und Michael.

Ich probiere nun noch ein bissl im Spice rum und baue dann mal testweise 
was auf.

Die Spannungsmessung, @Michael, rückt sehr nah in meinen Fokus wie von 
dir vorgeschlagen. Ich muss nur noch checken, ob die parallel 
angeschlossenen Messgeräte das auch so mögen oder mir da einen Strich 
durch die Rechnung machen.

Die Differenzrechnung bei der Temp.messung in der Software erst zu 
machen, ginge auch sehr gut, wenn ich nicht 16 Kanäle hätte. Dann wird 
es mit den hardwareseitigen Eingängen zu knapp. -> Muss mir also was 
single-ended ausdenken.

Natürlich hast du Recht, dass ich mich mit "am Besten" unglücklich 
ausgedrückt hatte. Es ist aber auch so, dass Geld bei diesem Projekt 
kaum eine Rolex spielt...vorerst jedenfalls..;-)

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