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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik OP-Schaltung rauscht


Autor: Bernhard (Gast)
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Hallo ihr alle,

zur Konditionierung eines Messwerts habe ich die angehängte Schaltung
aufgebaut. Sie macht aus einer Eingangsspannung von 0 bis 5 V eine
Spannung von ungefähr 0,3 bis 4,7 V.
Die Schaltung funktionert, aber das Ausgangssignal rauscht mit einer
Amplitude von 0,7 V bei 2,5 V Eingangsspannung. Weiteres kann ich dazu
leider nicht sagen, da ich kein Oszi zur Hand habe.

Der LM258 wird mit 7,5 V betrieben und ist mit einem 100 nF-Kondensator
versehen. Der zweite Teil des OP ist natürlich auch beschaltet. Die
Versorgungsspannung rauscht kaum messbar (<10 mV), das Eingangssignal
mit 8 mV. VCC ist 5,3 V und rauscht auch nicht nennenswert.

Nun meine Frage: Wie kommt das gewaltig verrauschte Ausgangssignal
zustande? Habe ich an der Schaltung etwas falsch gemacht?

MfG und danke im Voraus,
Bernhard

Autor: karadur (Gast)
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Hallo

sieht nach Oszillation aus. Was sollen die 56k wenn der OP als Buffer
läuft. Den C würde ich mal herausnehmen. Der könnte zum Schwingen
führen.

Autor: Bernhard (Gast)
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Danke für deine Antwort.
Ohne diesen 56 k-Widerstand würden bei 5 V Eingangsspannung außerdem
mehr als 5 V herauskommen.
Der Kondensator soll sehr hochfrequente Störungen herausfiltern. Ohne
ihn hatte ich bei anderen Schaltungen schon Probleme, deshalb habe ich
etwas Bedenken auf ihn zu verzichten.

Autor: karadur (Gast)
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Hallo

wenn R80=0 dann können die 56k keinen Effekt haben.
Wenn der C nach GND geht ok, aber so kann die Schaltung schwingen.

Autor: Detlev Tietjen (Gast)
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Hallo,

Warum nicht eine andere Schaltung verwenden (siehe Anhang). R2 und R3
bilden eine Spannungsquelle von 2.5V und einem Innenwiderstand der der
Parallelschaltung von R2 und R3 entspricht. Diese bildet dann wiederum
einen Spannungsteiler mit R1.
Dimensionierung: R3/(R2+R3) = 2.5V/VCC
                 R1/(R2 || R3) = 0.3V / (2.5V - 0.3V)
Der LM358 dient dann noch als Impedanzwandler. Bei der Ansteuerung noch
den Eingangswiderstand (R1 + (R2 || R3)) beachten!

Autor: Dietmar (Gast)
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100k parallel zu 2MOhm und 100 pF ergeben ein Eingangsfilter, einen
Tiefpaß mit fg rund 16,7 kHz, wenn die vorangehende Schaltung
niederohmig ist: fg = 1/(2*Pi*R*C) mit R = 100kOhm parallel zu 2MOhm.

Wie ist denn der Eingang beschaltet?

Und wie der Ausgang?

Für sich alleine, kann man die OP-Stufe nicht betrachten.

Gruß

Dietmar

Autor: Dietmar (Gast)
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@Detlev Tietjen:

R2 und R3 sind vielleicht entbehrlich, da sie wiederum eine Kopplung
zur (für einen OP evtl. zu schlecht gesiebten) VCC haben?

Nur R1 alleine, als Impedanzwandler?

Zur Spannungsbereichsanpassung gibt es geeignetere Schaltungen, die
nicht mit Betriebsspannungen gekoppelt sind.

Gruß

Dietmar

Autor: Bernhard (Gast)
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Hallo Detlev,
deine Schaltung macht genau das, was ich eigentlich erreichen wollte.
Wenn ich die Widerstände hoch groß halte, dann müsste sie eigentlich
perfekt sein.

Hallo Dietmar,
vor der Schaltung kommt ein Spannungsteiler mit 6,8 k über 1,2 k, den
ich aber nicht verändern kann. Hinter dem OP kommt eine
track-and-hold-Schaltung (danch der AD-Wandler eines µC). Dass sich die
Schaltung sämtliche Störungen von der VCC-Seite einfängt ist sicherlich
kritisch, aber diese Spannung sieht sehr sauber aus und ein paar mV an
Störungen (nur halt keine 700) machen mir nichts aus.

Muss ich bei der Detlevschen Schaltung noch irgendwelche Cs zur
Störunterdrückung einbauen?

Viele Grüße,
Bernhard

Autor: Detlev Tietjen (Gast)
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Hallo Bernhard,

>Muss ich bei der Detlevschen Schaltung noch irgendwelche Cs zur
>Störunterdrückung einbauen?

Nein. Nur sauber aufbauen.

Autor: Bernhard (Gast)
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@ Detlev
Nachdem ich deine Schaltung aufgebaut habe (ich weiß, dass die 2,5 V so
nicht stimmen, ist nur zur Probe), habe ich jetzt die Ursache des
Schwingens gefunden. Wenn ich den Analogschalter der
Eigenbau-Track-And-Hold-Schaltung schließe, dann schwingt der OP; Der
Impedanzwandler ist also nicht stabil bei kapazitiver Belastung durch
C46.

Wie bekomme ich die Schaltung stabil, wenn ich den Schalter schließe?
Mit einer zusätzlichen Last (R gegen GND)?

Viele Grüße,
Bernhard

Autor: Bernhard (Gast)
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Und hier die Schaltung.

Autor: Detlev Tietjen (Gast)
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@Bernhard

Es wird wahrscheinlich reichen, C17 herauszunehmen. Wie kommst du
eigentlich auf die Idee, zwischen den Eingängen eines OpAmp einen
Kondensator zu schalten? Habe ich zuvor noch nie gesehen. Mein Tipp:
Lass das.

Falls es wider Erwarten doch nicht daran liegt: Im Anhang ist die
Schaltung mit einem zusätzlichen Widerstand. Diesen sollte man, wie
dort zu sehen, immer mit in die Rückkopplung mit einbeziehen. Das gilt
übrigens auch für IC6b in deiner Schaltung.

Dass die 100nF Blockkondensatoren nur dann Sinn machen, wenn sie
möglichst nahe am IC sind, muss ich hoffentlich nicht  mehr erwähnen.

Autor: Dietmar (Gast)
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@Bernhard, Detlev Tietjen:

"Wie kommst du eigentlich auf die Idee, zwischen den Eingängen eines
OpAmp einen Kondensator zu schalten? Habe ich zuvor noch nie gesehen.
Mein Tipp: Lass das."

Sorry, habe das auch nicht sofort bemerkt: Der Kondensator zwischen +
und - am OP muß raus. Das schwingt garantiert, da der OP eingangsseitig
damit kurzgeschlossen ist und nicht arbeiten kann. Möglicherweise ist
das die Ursache für die Schwingungen. Er muß, wenn überhaupt, zwischen
+ am OP und Masse anliegen: Als Tiefpaß in der Eingangsschaltung, da
ist es OK.

Also:

Im Grunde, braucht es nur R36 (100k) und den OP alleine, eventuell noch
C19 vom + Eingang direkt nach Masse, als Tiefpaß und Störunterdrückung.

Bitte entferne R8, R29 und R26 ersatzlos, dann wird es besser.

Wenn R80 0 Ohm hat, (Verbindung von OP Ausgang nach OP negativem
Eingang), dann ist die Verstärkung 1 und die Schaltung ist ein
Impedanzwandler (Entkopplung von Meßkreis und Mikrocontroller). So ist
das sicher gewollt.

Gruß

Dietmar

Autor: Detlev Tietjen (Gast)
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@Dietmar:
Vielleicht hast du die Aufgabenstellung nicht verstanden. Es geht
darum, die Eingangsspannung 0..5V linear auf 0.3V..4.7V umzusetzen.
Deshalb müssen R8 und R26 sein. Wie soll das denn sonst funktionieren?

@Bernhard:
Die Widerstände sind wahrscheinlich zu groß. Der LM358 hat einen
Bipolareingang und zieht normalerweise 45nA, im Extremfall bis zu 250nA
Strom. Das würde zu einem Offset von bis zu 55mV führen. Der ist dann
auch noch der Schwankung von Bauteil zu Bauteil unterworfen. Wenn die
Spannungsquelle am Eingang einen zu großen Innenwiderstand hat, musst
du halt entweder einen Impedanzwandler vorschalten oder einen anderen
OpAmp mit FET-Eingang nehmen, z.B CA3130 (ist aber nur einfach).

Autor: Dietmar (Gast)
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@Detlev Tietjen:
#
Wenn R8 (oder war es R80?) 0 Ohm hat, ist die Verstärkung = 1, da gibt
es kein Vertun!

Wenn du da was anderes möchtest: Die Verstärkung berechnet sich für den
nicht invertierenden OP wie folgt: v = (R80 + R26) / R26, und das gibt
in deiner Schaltung 1.

Gruß

Dietmar

Autor: Dietmar (Gast)
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@Bernhard, Detlev Tietjen:

Um den Eingangsspannungsbereich 0..5V an eine Ausgangsspannung
0,3..4,7V anzupassen, bedarf es einer Bereichsanpassungsschaltung.
Ein OP in nicht invertierender Schaltung, so wie hier, hat
"mindestens" einen Verstärkungsfaktor von 1. Beim invertierenden
OP-Verstärker kann man Verstärkungen kleiner als 1 erreichen.

Und, warum können nicht die vollen 0..5V verwendet werden, wenn der
AD-Eingang des Mikrocontrollers das akzeptiert?

Die Bereichsanpassung (Anpassung einer Eingangsspannung zu einer
verstärkten Ausgangsspannung, mit vorgegebenen Grenzen) funktioniert
auch mit nur 1 OP, sieht aber etwas anders aus.

Für weitere Fragen, kann ich das gerne mal nachschlagen.

Gruß

Dietmar

Autor: Detlev Tietjen (Gast)
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@Dietmar:
Ich kenne die OpAmp Grundschaltungen. Es ist aber so, dass vor dem
Verstärker ein Spannungsteiler ist (siehe oben). Daher ist die
Gesamtverstärkung des Systems kleiner 1. Schau dir doch die Schaltung
einmal in Ruhe an und berechne die Ausgangsspannung in Abhängigkeit von
der Eingangsspannung.

Ich vermute, dass die Umsetzung sein muss, weil der Analogschalter nur
mit diesem Spannungsbereich arbeiten kann.

Autor: Dietmar (Gast)
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@Detlev Tietjen:

Analogschalter arbeiten auch über den gesamten Spannungsbereich, und
warum sollte der dann dort anders sein als 0..5V?

Die kann man dann doch über den AD-Wandler auswerten, oder?

Na, dann ist ja fast alles klar!

Wegen der Unannehmlichkeiten, sollten dann aber dennoch R8, R29 und R26
ersatzlos raus und C19 an Masse gelegt werden.

Gruß

Dietmar

Autor: Dietmar (Gast)
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@Bernhard:

"vor der Schaltung kommt ein Spannungsteiler mit 6,8 k über 1,2 k,
den
ich aber nicht verändern kann."

Elektroniker "erfinden" manchmal Bauteile und Schaltungen hinzu, aber
das ist allen Ernstes dann oft eine "Verschlimmbesserung" der
Schaltung.

Wie ich sehe, ist die Eingangsschaltung auch niederohmig genug
(Spannungsteiler 6,8k, 1,2k), um komplett auf den OP und die umgebende
Schaltung verzichten zu können. (Die verfälscht, durch Offset am OP
z.B., zusätzlich die Werte).

Warum nicht direkt von dort auf den AD-Eingang des Mikrocontrollers???

Mit dem Kondensator am Eingang dort?

Gruß

Dietmar

Autor: Bernhard (Gast)
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@ Dietmar
Bitte akzeptiere einfach, dass ich die Bereichsumsetzung benötige.
Vielleicht habe ich mir dabei ja mehr gedacht als du erraten hast.
Selbes gilt für die Track-And-Hold-Schaltung.

Also gut, da ihr den 100pF-Kondensator alle nicht mögt lasse ich ihn
halt weg :)
Ein sehr erfahrener E-Ingenieur aus dem Bereich Analogtechnik hat mir
erklärt, dass genau dieser Kondensator schon oft gute Dienste geleistet
hat, da er hochfrequente Spanungen (Impulse) herausfiltert. Bei genau
diesen Schaltungen.

Die Instabilität der Schaltung rührte offensichtlich von C46 her.
Nachdem ich diesem 470 Ohm im Reihe und (vor dem Analogschalter) 4,7
kOhm gegen GND verpasst habe, ist die Schaltung jetzt statbil.

Viele Grüße,
Bernhard

Autor: Alexander (Gast)
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naja, eigentlich ist das eine Mitkopplung (ein R ist ja 0). Schaut net
gut aus für den C. Kein Wunder, daß das schwingt.

Autor: Dietmar (Gast)
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@Bernhard:

Arbeite oft auch mit OP-Schaltungen und habe ein Gespür dafür, was
nicht ganz sauber ist. Nun, das war der Kondensator zwischen positivem
und negativem Eingang, der virtuell bei höheren Frequenzen den OP und
dessen Regeleigenschaften kurzschließt: Eine hohe Slew Rate wird damit
vernichtet.

Selbstverständlich, arbeitet man gelegentlich mit Schaltungstricks, um
die Anwendung zu vereinfachen, oder bei gleichem Ergebnis preislich zu
verringern, das ist sehr legitim, aber über die ist man erst im Bilde,
wenn man länger mit der Schaltung gearbeitet hat. Ich kenne das von
eigenen Anwendungen her.

Und, hat das denn jetzt geklappt mit dem Rauschproblem?

Viel Erfolg!

Gruß

Dietmar

Autor: Bernhard (Gast)
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@ Dietmar

Also wie gesagt läuft die Schaltung jetzt ordentlich. Die 100
pF-Kondensatoren sind weg, der 220 nF-C hat einen Serienwiderstand und
der erste Impedanzwandler eine "Grundlast" bekommen.

Viele Grüße und vielen Dank an (fast) alle,
Bernhard

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