Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Wechselspannung zum Messen auf Y-Achse verschieben


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von AnfängersuchenHilfe (Gast)


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Hallo Mikrocontroller Gemeinde!

Wir sind gerade an einem Schulprojekt für Jugend forscht, haben aber 
etwas Schwierigkeiten bei folgendem Problem:

Wir möchten eine Wechselspannung von +-12V (Spitze, nicht effektiv) auf 
der Y-Achse verschieben, sodass der Sinus nicht mehr zwischen -12 und 
+12 V schwankt, sondern einfach nach oben verschoben wird, sodass wir 
z.B. einen Sinus haben der zwischen 0 und 24V schwankt (kann auch z.B. 
0-12V oder so sein), welchen wir dann über einen Spannungsteiler auf 
z.B. 0-5V runterbringen. Hierbei soll keine Phasenverschiebung durch den 
Einbau von Kondensatoren oder so stattfinden.

Diese 0-5V möchten wir dann mit einem ADC digitalisieren, per SPI 
weitergeben und an einen uC weiterreichen.

Unser Lehrer hat uns schon den Tip gegeben, dass wir das mit einem 
Operationsverstärker machen sollen, wir verstehen jedoch nicht so recht 
wie wir den verschalten sollen, und vor allem: welchen wählen wir aus?!

Wir haben versucht bei Mouser einen zu finden, das ist aber kläglich 
gescheitert.

Wir würden uns über Hilfe sehr freuen!
Liebe Grüße und Dank
Lena, Felix, Yusuf und Georgina

: Verschoben durch Moderator
von Marco G. (grmg2010)


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Der Tip des Lehrers ist genau richtig. Ihr benötigt einen OP, der auf 
den vorhandene Sinus eine Gleichspannung aufaddiert (Offset).
Eine Einführung findet ihr hier : 
https://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/0209092.htm

Zur Auswahl ist es wichtig einige weitere Parameter zu kennen, z.b. die 
Frequenz des Eingangssignals.

Gruß

: Bearbeitet durch User
von hallo (Gast)


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Tipp:

Ihr benötigt die zwie OP-Grundschaltungen:

Addierer: zum aufaddieren der Gleichspannung auf den Sinus.
Spannungsfolger: Zur Korrektur der Phasenverschiebung von 180° bedingt 
durch den Addierer.

Auswahl des OP's:

Stichpunkte: Frequenzen der Sinusspannung und die Slew Rate des OP's. 
Slew Rate wird im Datenblat des OP's angegeben.

Spannungsversorung des OP's darf den Bereich der vorgegebenen Spannung 
nicht unterschreiten. Ansonsten Spannung runter teilen.

von Harald W. (wilhelms)


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AnfängersuchenHilfe schrieb:

> Wir möchten eine Wechselspannung von +-12V (Spitze, nicht effektiv) auf
> der Y-Achse verschieben, sodass der Sinus nicht mehr zwischen -12 und
> +12 V schwankt, sondern einfach nach oben verschoben wird, sodass wir
> z.B. einen Sinus haben der zwischen 0 und 24V schwankt (kann auch z.B.
> 0-12V oder so sein), welchen wir dann über einen Spannungsteiler auf
> z.B. 0-5V runterbringen.

Hier im Tutorial nach Spannungsteiler mit Offset suchen.

von AnfängersuchenHilfe (Gast)


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Hey! Vielen Dank schonmal für die Hilfe!

Die Frequenz des Eingangssignals beträgt 50 Hz, bzw entspricht dem was 
halt gerade aus der Steckdose kommt.
Aus Sicherheitsgründen ist davor ein Trafo (glauben wir) der lediglich 
die Spannung für uns runtertransformiert, die Frequenz ist aber die 
selbe (auf dem Anschluss den wir nutzen steht zumindest 50Hz).

Wir werden uns eure Tips erstmal durchlesen und dann bestimmt nochmals 
Fragen.

Danke!

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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AnfängersuchenHilfe schrieb:
> -12 und +12 V ... welchen wir dann über einen Spannungsteiler auf z.B.
> 0-5V runterbringen. Hierbei soll keine Phasenverschiebung durch den Einbau
> von Kondensatoren oder so stattfinden.
Ich nehme dafür gerne einen Spannungsteiler mit Offset:
Siehe Spannungsteiler und 
http://www.lothar-miller.de/s9y/categories/30-Analogeingang

> Aus Sicherheitsgründen ist davor ein Trafo (glauben wir)
Scheint sinnvoll. Denn sonst würdet ihr direkt am Netz herumbasteln. Und 
das gibt in 50% der Fälle Probleme...

BTW: wofür braucht ihr den Phasenbezug? Um den Nulldurchgang zu 
erkennen?

: Bearbeitet durch Moderator
Beitrag #5200873 wurde von einem Moderator gelöscht.
von AnfängersuchenHilfe (Gast)


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Wir wollen die Spannung zwischen Leiter und Neutralleiter messen, die 
durch ein Windrad erzeugt wird. Das Windrad baut eine andere 
Arbeitsgruppe und gibt wohl eine Wechselspannung von +- 12V aus.

Auf der Seite 
http://www.lothar-miller.de/s9y/categories/30-Analogeingang
die du gepostet hast wird aber garkein Operationsverstärker benutzt um 
den Gleichspannungsanteil hinzuzufügen, jetzt ist Verwirrung angesagt 
:-D

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Geht ganz einfach:
1
                     (- +)
2
              100k   10µF
3
24V AC In o---[===]---||---+
4
                           |
5
                   10k     |     10k
6
         +5V o----[===]----+----[===]----|GND
7
                           |
8
                           |
9
                           o
10
                          zum ADC

Die beiden 10k Ohm Widerstände sorgen für eine Ruhespannung von 2,5V, 
damit sowohl positive als auch negative Halbwellen gemessen werden 
können.

Der 100k Ohm Widerstand bildet zusammen mit den 10k Ohm Widerständen 
einen Spannungsteiler. Wechselspannungsmäßig muss man die beiden 10k Ohm 
parallel geschaltet betrachten. Er teilt die Eingangsspannung also durch 
21.

Der 10µF Kondensator entkoppelt die DC Seite mit ihren 2,5V Offset von 
der AC Seite. Bei 50Hz hat er einen Wechselstrom-widerstand von etwa 318 
Ohm, fällt also kaum ins Gewicht.

Damit kannst du Spannungen bis +/- 52,5V Spitze messen, was 37V AC 
entspricht.

: Bearbeitet durch User
von AnfängersuchenHilfe (Gast)


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Danke für die anschauliche Skizze und Erklärung!

Uns ergibt sich aber nicht, weshalb die beiden 10k Widerstände parallel 
gesehen werden müssen.

Der Strom von 24V AC läuft doch über 100k und 10 k zu GND.

Und können wir bei dieser Schaltung der Stromversorgung des ADC, der 
Quelle der 5V DC und den 24v AC den selben GND geben, führt das nicht 
irgendwo zu Problemen?

Bedanken uns herzlichst im Voraus!

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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> Uns ergibt sich aber nicht, weshalb die beiden 10k
> Widerstände parallel gesehen werden müssen.

Schau Dir dieses Bild an:
1
                o  Eingang  o
2
                |           |
3
                |           |
4
    +---[===]---+---[===]---+
5
    |                       |
6
    +----------||-----------+


Die Platine und auch das Netzteil enthalten Abblock-Kondensatoren 
zwischen VCC und GND. Diese Kondensatoren stellen für Wechselspannung 
einen Kurzschluss dar.

Jetzt ersetze den Kondensator durch einen Kurzschluss und voilla: Du 
hast zwei parallel geschaltete Widerstände.

> Der Strom von 24V AC läuft doch über 100k und 10 k zu GND.

Er läuft auch über den anderen 10k Widerstand zu +5V.

> Und können wir bei dieser Schaltung der Stromversorgung des ADC, der
> Quelle der 5V DC und den 24v AC den selben GND geben

Du kannst nicht nur, du musst. Sonst funktioniert sie nicht.

: Bearbeitet durch User
von AnfängersuchenHilfe (Gast)


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na super! in dem Fall vielen Dank!

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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AnfängersuchenHilfe schrieb:
> Auf der Seite
> http://www.lothar-miller.de/s9y/categories/30-Analogeingang
> die du gepostet hast wird aber garkein Operationsverstärker benutzt um
> den Gleichspannungsanteil hinzuzufügen, jetzt ist Verwirrung angesagt
Richtig. Da wird einfach die Spannung mit dem "ersten Spannungsteiler" 
heruntergeteilt und mit einem "zweiten Spannungsteiler" ein Offset von 
2,5V aufaddiert. Zweckmäßigerweise wird der gemeinsame 
(Masse-)Widerstand der beiden Spannungsteiler zusammengefasst.
Einfach mal ein paar Minuten drüber nachdenken...

Ähnlich macht es auch Stefan Us, allerdings ist seine Schaltung wegen 
des Kondensators nur für Wechselspannungen geeignet. Und wie war die 
Aufgabe: "kein Kondensator"? ;-)

Stefan U. schrieb:
>> Der Strom von 24V AC läuft doch über 100k und 10 k zu GND.
> Er läuft auch über den anderen 10k Widerstand zu +5V.
Das war nur die halbe Erklärung, denn damit ist der Stromkreis mental 
noch nicht geschlossen...
AnfängersuchenHilfe schrieb:
> Uns ergibt sich aber nicht, weshalb die beiden 10k Widerstände parallel
> gesehen werden müssen.
Weil in der Spanungsversorgung ein dicker Kondesator sitzt und die 
deshalb für Wechselspannungen als annähernd 0 Ohm angesehen werden 
kann.

AnfängersuchenHilfe schrieb:
> Und können wir bei dieser Schaltung der Stromversorgung des ADC, der
> Quelle der 5V DC und den 24v AC den selben GND geben, führt das nicht
> irgendwo zu Problemen?
Du musst den Strom, der aus dem Trafo in die Schaltung in den µC fließt 
über Masse wieder zur AC-Quelle zurückführen. Dann hast du einen 
Stromkreis. Sonst fließt kein Strom und ohne Stromfluss funktioniert die 
Schaltung nicht wie geplant.

: Bearbeitet durch Moderator
von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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>>Und wie war die Aufgabe: "kein Kondensator"? ;-)

Das muss ich übersehen haben.

> Hierbei soll keine Phasenverschiebung durch den
> Einbau von Kondensatoren oder so stattfinden.

In meinem Schaltungsentwurf tritt keine nennswerte Phasenverschiebung 
auf. Man müsste mal prüfen, ob das den Anforderungen genügt.

Zur Not könnte man statt 10µF einen viel größeren Kondensator verwenden, 
um dessen Einfluss noch weiter zu reduzieren. Aber ich denke, dafür 
bräuchte man schon einen guten Grund.

von Harald W. (wilhelms)


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AnfängersuchenHilfe schrieb:

> Wir wollen die Spannung zwischen Leiter und Neutralleiter messen, die
> durch ein Windrad erzeugt wird.

Dann solltet Ihr die Spannung direkt vor Ort messen und digitalisieren.
Das Digitalsignal lässt sich dann problemlos, z.B. mit Optokopplern
galvanisch trennen. Wenn der AD-Wandler schnell genug ist, z.B. 100
Messungen pro Periode macht, lässt sich bei gleichzeitiger Messung
des Stroms auch leicht die Wirkleistung messen.

von AnfängersuchenHilfe (Gast)


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Harald W. schrieb:
> Dann solltet Ihr die Spannung direkt vor Ort messen und digitalisieren.
> Das Digitalsignal lässt sich dann problemlos, z.B. mit Optokopplern
> galvanisch trennen. Wenn der AD-Wandler schnell genug ist, z.B. 100
> Messungen pro Periode macht, lässt sich bei gleichzeitiger Messung
> des Stroms auch leicht die Wirkleistung messen.

Das ist ja die Grundfrage, aber dem ADC können wir die Spannung ja nur 
weitergeben, wenn die negative halbschwingung weg ist, bzw mit einem 
Offset nach oben verschoben

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Man könnte auch einfach negative Spannungen negativ lassen und sich 
damit abfinden, dass der ADC nur die positiven Halbwellen messen kann. 
Der 100k Ohm Widerstand sorgt dann schon dafür, dass der ADC bei 
negativen Halbwellen nicht kaputt geht.

von Harald W. (wilhelms)


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AnfängersuchenHilfe schrieb:

> Das ist ja die Grundfrage, aber dem ADC können wir die Spannung ja nur
> weitergeben, wenn die negative halbschwingung weg ist, bzw mit einem
> Offset nach oben verschoben

Man könnte an dieser Stelle ja auch einen AD-Wandler mit bipolaren
Eingang verwenden. Ausserdem sollte aus den bisherigen Beiträgen
doch schon klar sein, das eine Offsetverschiebung eher trivial
mit ein paar Widerständen zu lösen ist.

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Harald W. schrieb:
> eine Offsetverschiebung trivial mit ein paar Widerständen zu lösen ist.
Die Offsetverschiebung selbt braucht sogar nur 1 einzigen Widerstand.
Denn die andern 2 sind ja dafür da, die +-12V auf +-2,5V zu reduzieren, 
die dann mit dem Offsetwiderstand um 2,5V auf 0..5V angehoben werden.

von AnfängersuchenHilfe (Gast)


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> Man könnte an dieser Stelle ja auch einen AD-Wandler mit bipolaren
> Eingang verwenden. Ausserdem sollte aus den bisherigen Beiträgen
> doch schon klar sein, das eine Offsetverschiebung eher trivial
> mit ein paar Widerständen zu lösen ist.

Das haben wir uns auch schon gedacht. Wir sind uns aber nicht sicher, ob 
ein ADC mit bipolarem Eingang dann hinten per SPI ein rein positives 
digitales Signal mit der Vorzeicheninformation weitergibt.

grüße

von Harald W. (wilhelms)


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AnfängersuchenHilfe schrieb:
>> Man könnte an dieser Stelle ja auch einen AD-Wandler mit bipolaren
>> Eingang verwenden. Ausserdem sollte aus den bisherigen Beiträgen
>> doch schon klar sein, das eine Offsetverschiebung eher trivial
>> mit ein paar Widerständen zu lösen ist.
>
> Das haben wir uns auch schon gedacht. Wir sind uns aber nicht sicher, ob
> ein ADC mit bipolarem Eingang dann hinten per SPI ein rein positives
> digitales Signal mit der Vorzeicheninformation weitergibt.

Dafür wurden die Datenblätter erfunden. Ich habe irgendwie den
Eindruck, das Ihr Euch an irgendwelchen unwichtigen Nebenfragen
festbeisst und die wirklich wichtigen Probleme in den letzten
drei Tagen vor der Abgabe lösen wollt.

von AnfängersuchenHilfe (Gast)


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Abgabe ist in 6 Monaten.

Wir haben die Schwierigkeit dass wir vieles von dem kauderwelsch in den 
Datenblätttern nicht verstehen, dazu ist es noch auf Englisch.
Der Name  AnfängersuchenHilfe kommt nicht von ungefähr, wir besuchen die 
10. Klasse...aber Danke

von Harald W. (wilhelms)


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AnfängersuchenHilfe schrieb:

> Wir haben die Schwierigkeit dass wir vieles von dem kauderwelsch in den
> Datenblätttern nicht verstehen,

Für die speziellen Fachwörter hilft Google weiter. Oder auch
dieses Forum.

dazu ist es noch auf Englisch.

Elektronische Projekte ohne gewisse Englischkenntnisse zu
verwirklichen, ist von vornherein zum Scheitern verurteilt.
Ich denke, Ihr macht das in der Gruppe. Da sollte doch
mindestens einer mit guten Englischkenntnissen dabei sein.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Moment mal, die Daten die der ADC am SPI Anschluss ausgibt sind digital. 
Ob diese Daten Vorzeichen enthalten, oder nicht, kann Dir doch 
vollkommen egal sein. Du musst es lediglich in der mathematischen 
Weiterverarbeitung berücksichtigen.

Oder willst du mir weis machen, dass der verarbeitende Computer negative 
Zahlen nicht verarbeiten kann?

von AnfängersuchenHilfe (Gast)


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> Oder willst du mir weis machen, dass der verarbeitende Computer negative
> Zahlen nicht verarbeiten kann?

Mir geht es darum, dass ich nicht weiß was hinten bei einem bipolaren 
ADC rauskommt.
Angenommen ich hab einen bipolaren ADC der am analogen eingang +-2,5V 
abkann, was kommt dann hinten am SPI Ausgang raus? einfaches digitales 
Signal von 0-3,3v bzw 0-5v?

von Harald W. (wilhelms)


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AnfängersuchenHilfe schrieb:

> einfaches digitales Signal von 0-3,3v bzw 0-5v?

"Digitale Volts" gibts nicht. Dort kommt ein Zahlenwert raus.
Was Ihr mit diesen Zahlen macht, ist Sache des von Euch
geschriebenen Programms.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Wie bereits mehrfach gesagt findest du die Antwort im Datenblatt. Wenn 
du das nicht verstehst, könntest du es uns ja mal zeigen und wir helfen 
Dir beim Übersetzen.

Aber du rückst ja nicht einmal die Chip-Bezeichnung raus, wie soll man 
Dir da helfen?

Das ist so als ob du fragst: Wie viel Motoröl brauche ich für mein 
geheimes Auto, und wie kann ich sicher sein, dass es das richtige Öl 
ist?

von AnfängersuchenHilfe (Gast)


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oh, ja das war blöd von uns, Entschuldigung.
wir haben uns das nun so überlegt:

über einen Spannungsteiler teilen wir die Spannung, und mit einem 3. 
Widerstand, wie es uns Lothar Miller empfohlen hat, fügen wir ein Offset 
hinzu.

In Falstad hat das genau so funktioniert wie wir es uns erhofften.

Die Spannung über dem Widerstand, von dem wir dann mit dem ADC die 
Spannung abgreifen wollen, schwankt nun zwischen +0,45V und +2,85V.

Zum ADC:
Er muss mindestens 16Bit aufweisen, und wenn möglich eine analoge und 
digitale Versorgungsspannung von 3,3V mögen.

Haben nun diesen hier gefunden: ADS1246

Würde der passen?

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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16 Bit ist schon sehr Anspruchsvoll. 24bit erst Recht.

Ohne Erfahrung würde ich dringend raten, nicht mehr als 12 Bits zu 
verwenden, sonst endet das in einer riesen Enttäuschung.

von Dergute W. (derguteweka)


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Moin,

AnfängersuchenHilfe schrieb:
> Haben nun diesen hier gefunden: ADS1246
>
> Würde der passen?
Von eueren Anforderungen her: Ja.
Das Datenblatt sieht auch angenehm umfangreich aus, d.h. da wird 
ziemlich viel erklaert.
Aber: Lest da mal rein, ob euch das dann auch alles so irgendwie mal 
einleuchtet, was da steht.
Und: Koennt ihr das Ding auch verarbeiten, d.h. kriegt/macht ihr da ne 
Platine und loetet das von Hand drauf (Das kann man prinzipiell schon 
noch machen, aber eher nur, wenn man schon ne Weile SMD-Bauteile 
geloetet hat - nicht als Anfaenger)?
(Der Abstand zwischen 2 Pins ist 0.65mm, ein Pin ist ungefaehr 0.2 bis 
0.3mm breit, d.h. die Luft - also da, wo keine Loetzinnbruecken sein 
duerfen zwischen 2 Pins ist nur 0.35 bis 0.45 mm).

<oppa-erzaehlt-vom-krieg>
Als ich so ungefaehr in euerem Alter war, hab' ich mal mit einem 8 bit 
ADC (ZN427) auf Lochraster (in Verbindung mit einem Sinclair ZX81) 
gebastelt. Das hat schon so ungefaehr hingehauen, aber von den 8 bit, 
die der gewandelt hat, waren auf den letzten 2 Bit nur noch Stoerungen. 
D.h. es war eigentlich nur ein 6 bit Wandler. Von daher ist das mit den 
16 Bit oder gar 24 Bit schon etwas ambitioniert bis blauaeugig.
</oppa-erzaehlt-vom-krieg>

Gruss
WK

von Lutz H. (luhe)


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Stefan U. schrieb:
> Geht ganz einfach:

Genial

von Harald W. (wilhelms)


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Dergute W. schrieb:

> Von daher ist das mit den
> 16 Bit oder gar 24 Bit schon etwas ambitioniert bis blauaeugig.

Wenn man von den 16 oder 24Bit auch die letzten 2...3 Bit "weg-
schmeisst", sollte das schon klappen. Natürlich braucht man dann
auch ein sorgfältig aufgebautes Analogteil vor den Wandlern.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Ich fürchte eher, dass von den 24 Bit am Ende nur 10 Bit übrig bleiben, 
weil die ganze Schaltung um den Chip herum nicht gut genug sein wird.

Aber lasst ihn mal probieren, manche Erfahrung muss man einfach selbst 
machen um sie zu verinnerlichen.

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Stefan U. schrieb:
> Ich fürchte eher, dass von den 24 Bit am Ende nur 10 Bit übrig bleiben
Ich denke auch. Ein Anfänger darf froh sein, wenn er einen 12-Bit 
Wandler bis aufs letzte Bit ausnutzen kann...

AnfängersuchenHilfe schrieb:
> Haben nun diesen hier gefunden: ADS1246
> Würde der passen?
Wenn du die Technik hast, um die Do's und Don'ts vom Kapitel 10.3 (und 
auch das Kapitel 11) einzuhalten. Im Besonderen sehe ich da die 
Anforderung an eine Multilayer-Leiterplatte ziemlich am Anfang:
"Do use a single ground plane for analog and digital grounds."

Mein Vorschlag: nimm einen handlichen 12 Bit Wandler mit SPI 
Anschluss. Und wenn der funktioniert und es sich herausstellt, dass er 
nicht reicht, dann seht euch nach 16 Bit um. Alles drüber hinaus ist 
rausgeworfenes Geld, denn "sogar" für 16 Bit braucht man Erfahrung mit 
dem Umgang mit solchen Bauteilen.

BTW: was ist denn eigentlich die eigentliche Aufgabe? Wozu diese hohe 
Genauigkeit?

: Bearbeitet durch Moderator
von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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> nimm einen handlichen 12 Bit Wandler mit SPI

Zum Beispiel den MCP3204 oder MCP3208.

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