Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Operationsverstärker für ADC Level-Shifting Problematik


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von Tobias R. (tobir)


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Ausgangslage:
Am 10-bit ADC Eingang (0V-1V) des ESP8266 (ESP-12E) will ich einen 
Drucksensor (MPX2050DP) auslesen. Im Datenblatt des MPX2050DP ist zu 
entnehmen, das der Sensor bei typ. 10V arbeitet und mit 1mV Offset bei 
50kPa (max) einen Vollausschlag von 41mV ausgeben würde (Auflösung 
0.8mV/kPa)

Nach dem Vermessen von zwei MPX2050DP kommt bei 50kPa an +Vout jedoch 
6130mV an. Bei 0kPa tatsächlich 6090mV.

Mein erster Gedanke war natürlich durch einen einfachen Spannungsteiler 
(560Ohm:100Ohm) von 6090mV auf 900mV herunter zu kommen. Natürlich 
konnte ich daraufhin die "Full Scale Span" von 40mV nicht mehr messen, 
da diese auch durch den Teiler dividiert wurde.

Daraufhin las ich mich, in das für mich neue Thema, 
"Operationsverstärker" ein und besitze nun mehrere LM358.
Auf dem Steckbrett konnte ich einige Aufbauten versuchen:

Differenzverstärker:
R1:10 kOhm
R2:5 kOhm
R3:10 kOhm
R4:12 kOhm
Vin2:5V

ADCRangeConverter
R1:900Ohm
R2:1kOhm
R3:12kOhm
Vmess:6130mV
Vref:12V
Vss:12V

Bei keinem der Versuche, konnte ich die 40mV nachvollziehbar messen. Ihr 
könnt mir bestimmt sagen, ob ich grundsätzlich auf dem richtigen Weg bin 
oder mit welcher Schaltung man ein solches, sicher gängiges Problem, 
löst. Ich Zweifel gerade ob OPV überhaupt dafür herzunehmen sind...

von hinz (Gast)


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Du brauchst einen Instrumentenverstärker!

von Klaus R. (klara)


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Tobias R. schrieb:
> Bei keinem der Versuche, konnte ich die 40mV nachvollziehbar messen.

Vielleicht gibt Dir Dieser Artikel Denkanstöße. Mit LTspice kannst Du 
die Schaltung ja für Deine Belange anpassen.

Beitrag "Re: pcm1803 und Eingangsbereich von +-5V?"
mfg klaus

: Bearbeitet durch User
von der schreckliche Sven (Gast)


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Der Differenzverstärker ist aber nur dann einer, wenn R1+2 und R3+4 
jeweils gleich sind.

von hinz (Gast)


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der schreckliche Sven schrieb:
> Der Differenzverstärker ist aber nur dann einer, wenn R1+2 und
> R3+4
> jeweils gleich sind.

Bei dem Sensor ist ein einfacher Differenzverstärker nicht sinnvoll, es 
braucht schon einen richtigen Instrumentenverstärker.

von MaWin (Gast)


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Tobias R. schrieb:
> Daraufhin las ich mich, in das für mich neue Thema,
> "Operationsverstärker" ein und besitze nun mehrere LM358.

Es ist weitgehend nutzlos, zum Messen von 40mV Vollausschlag den 
billigsten aller billigen OpAmps zu kaufen der schon 7mV Fehler bringt.

Tobias R. schrieb:
> Nach dem Vermessen von zwei MPX2050DP kommt bei 50kPa an +Vout jedoch
> 6130mV an.

Es spielt überhaupt keine Rolle, welche Spannung an +Vout (in Bezug zu 
GND) herauskommt, nur die Differenzspannung zwischen +Vout und -Vout ist 
relevant.

hinz schrieb:
> Du brauchst einen Instrumentenverstärker!

Im Prinzip richtig.

Tobias R. schrieb:
> Im Datenblatt des MPX2050DP ist zu entnehmen, das der Sensor bei typ.
> 10V arbeitet

Nicht unbedingt. Er funktioniert auch an 5V, und liefert dann 20mV. 
Wichtig wäre, dass seine Versorgungsspannung in direktem Bezug zur 
Referenzspannung des ADC steht. Verwendet der VCC 5V als Referenz, 
sollte der Sensor auch daran hängen, oder an einem mit 12V versorgten 
OpAmp, der die Referenzspannung x 2 verstärkt liefert, um ratiometrisch 
davon abgeleitete 10V zu bekommen.

Offset und Steigungsfehler gleicht man heute eigentlich in Software aus. 
Leider ist die Ausgangsimpedanz des MPX2050DP extrem ungenau, die 
einfache Schaltung
1
      +5V     +5V           +5V
2
       |       |             |
3
 +-MPX2050DP--|+\            |
4
 |     |      |  >------+-- ADC
5
 +-----(---+--|-/       |    |
6
       |   |   |        |    |
7
       |   +---(--250k--+    |
8
       |       |             |
9
      GND     GND           GND
mit ordentlichem R2R OpAmp wie MCP6V11 liefert also vielleicht nur halb 
so viel Auflösung wie erwartet (erwartet wären Messwerte von 206 über 
512 (0pa) bis 818 (50kpa) wobei ich jetzt gar nicht weiss ob der Sensor 
Druck von einer und Druck von der anderen Seite verträgt).

von Theor (Gast)


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Tobias R. schrieb:
> Ausgangslage:
> ... bei
> 50kPa (max) einen Vollausschlag von 41mV ausgeben würde (Auflösung
> 0.8mV/kPa)

Es könnte sinnvoll für Dich sein, in diesem Punkt ganz präzise zu sein:
Im Datenblatt steht, bzw. ich verstehe es so, dass die 
Spannungsdifferenz zwischen -Vout und +Vout, zwischen dem niedrigsten 
und dem höchsten Betriebsdruck 40mV beträgt. (Wenn man erstmal Offset 
und Linearität beiseite lässt). Das betreffs, der relevanten 
Potentialdifferenz eine detailliertere Aussage.
Es scheint mir so, als wenn Du +Vout in Bezug auf Minus der 
Betriebsspannung misst. In dem Datenblatt aber, wird  über diese 
Potentialdifferenz gar keine absolute Aussage gemacht (abgesehen von der 
Betriebsspannung selbst).

> Nach dem Vermessen von zwei MPX2050DP kommt bei 50kPa an +Vout jedoch
> 6130mV an. Bei 0kPa tatsächlich 6090mV.
Das deutet darauf hin, dass Du tatsächlich in Bezug auf Minus der 
Betriebsspannung misst. Im übrigen aber darauf, dass der Sensor grob 
erstmal funktioniert.

> [...]

Aus dem Gesagten ergibt sich, dann folgende grobe Struktur.
Es reicht ein Differenzverstärker, der den Vollausschlag von 40mV auf 
die 1V maximalen Input des ADC verstärkt - also grob 25-fach. Wegen der 
möglichen Eingangsdifferenz von runter bis zu 0V, sollte es ein 
Operationsverstärker sein, der entweder auch eine negative 
Betriebsspannung hat oder der ohne große Fehler, bis zu 0V ausgeben 
kann.

Ich hoffe, das hilft Dir etwas weiter.

Viel Erfolg.

von Tobias R. (tobir)


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Danke Euch allen!
Das bringt mich alles irgendwie weiter - ich werde mich melden, sobald 
ich's hab.

von dms freak (Gast)


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Schau dir mal den LT1167 an, damit sollte es preisgünstig gehen. Oder 
den INA118.

von Klaus R. (klara)


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Oder den INA333. Low-Power, Zero-Drift, Precision Instrumentation 
Amplifier.
Habe ich bei mir für PT1000 eingesetzt.

Features

    Low Offset Voltage: 25 µV (Maximum), G ≥ 100
    Low Drift: 0.1 µV/°C, G ≥ 100
    Low Noise: 50 nV/√Hz, G ≥ 100
    High CMRR: 100 dB (Minimum), G ≥ 10
    Low Input Bias Current: 200 pA (Maximum)
    Supply Range: 1.8 V to 5.5 V

http://www.ti.com/product/INA333
mfg klaus

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