Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik DMS Preamp Anforderugen


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von BlueAudio (Gast)


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Hi,

mal ne blöde Frage: für die Auswertung eines DMS in ner Wheatstonebrücke 
wird sieht man des Öfteren einen Instrumentenverstärker. Eigentlich 
müsste das doch bezüglich der geringen Impedanz der Brücken (i.d.R. 
<5KOhm) gar nicht sein oder übersehe ich was?

Wenn ich an die Anforderungen an einen solchen Brückenverstärker denke 
kommt mir eigentlich folgendes in den Sinn:

-Geringer Offset
-Geringer Drift vs. Temperatur

Warum also einen teuren Instrumentenverstärker bemühen?

von Martin B. (ratazong)


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Geringes Rauschen nicht vergessen. Aus der DMS kommt sehr wenig raus. 
Wenns auch wenig rauschen soll, muss ein Differenzverstärker mit relativ 
niederohmigen Bauteilen aufgebaut werden. Dann gibt es dadurch Last an 
der Brücke (für beide Brückenhäften unterschiedlich)
Da ist es hat einfacher mit instrumentation Amplifier. Der liefert von 
Haus aus auch gutes CMRR.

von Klaus (Gast)


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BlueAudio schrieb:
> Warum also einen teuren Instrumentenverstärker bemühen?

Einfach den HX711 benutzen

MfG Klaus

von Cab_leer (Gast)


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Martin B. schrieb:
> Geringes Rauschen nicht vergessen. Aus der DMS kommt sehr wenig
> raus. Wenns auch wenig rauschen soll, muss ein Differenzverstärker mit
> relativ niederohmigen Bauteilen aufgebaut werden. Dann gibt es dadurch
> Last an der Brücke (für beide Brückenhäften unterschiedlich)
> Da ist es hat einfacher mit instrumentation Amplifier. Der liefert von
> Haus aus auch gutes CMRR.

Für mein Verständnis sollte doch die Last für
Beide berückenzweige identisch sein bei einem entsprechend ausgelegten 
Differenzverstärker oder ?

Genrell gibt eine Last am DMS ja eigentlich nur eine Verringerung der 
Empfindlichkeit oder sehe ich das falsch?  Ein einer symmetrischen 
Brücke mit 4 DMs sollte das Signal ja
Auch mit Last nach wie vor linear sein

von Martin B. (ratazong)


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Cab_leer schrieb:
> Martin B. schrieb:
> Für mein Verständnis sollte doch die Last für
> Beide berückenzweige identisch sein bei einem entsprechend ausgelegten
> Differenzverstärker oder ?

(R1,R2 seien die Widerstände des klassischen Differenzverstärkers)
Ne, die sind unterschiedlich. Bei dem + Eingang des Differenzverstärkers 
hast Du R1+R2 gegen Masse als Eingangswiderstand, beim Minuseingang hast 
Du R1 gegen die Spannung den herunter geteilten U+ Eingang des OPVs. Die 
Last ist wirklich ziemlich asymmetrisch. Einen Differenzverstärker soll 
man mit deshalb Spannungsquellen an den Eingängen betreiben.

Dadurch leidet auch das CMRR und das ist das eigentlich doofe daran.
Die Versorgungsspannung der Brücke ist verrauscht und verbrummt. Die 
kommt in den Brückenausgängen in common Mode an. Und die willst Du nicht 
im Ausgangssignal haben.
Die Linearität bleibt zwar im wesentlichen erhalten, aber das ist nicht 
Alles.

von BlueAudio (Gast)


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Martin B. schrieb:
> Ne, die sind unterschiedlich. Bei dem + Eingang des Differenzverstärkers
> hast Du R1+R2 gegen Masse als Eingangswiderstand, beim Minuseingang hast
> Du R1 gegen die Spannung den herunter geteilten U+ Eingang des OPVs. Die
> Last ist wirklich ziemlich asymmetrisch. Einen Differenzverstärker soll
> man mit deshalb Spannungsquellen an den Eingängen betreiben.

Verstehe was du meinst, an dieser Stelle hatte ich mit Unterschiedlichen 
Werten für den Nichtinvertierenden und Invertierenden Zweig gerechnet.

Allerdings merkt man dann, dass dies Maximal bei V= 1 oder 2 noch 
praktikabel ist, für größere Werte gehen die Absolutwerte für die beiden 
Zweige dann immer weiter auseinander sodass wieder ein Offset durch die 
Input Bias currents entsteht..auch wenn der recht klein sein sollte bei 
entsprechenden OP-Amps.

Also ich halte fest:

Die ungleichmäßige Last führt zur Verschlechterung der CMRR, generell 
wenn die Widerstände des Diff-Amps nicht gut gematcht sind.

Zu Große Widerstandswerte würden zwar die Belastung senken allerdings 
das Rauschen erhöhen.

Eine Assymetrische Belastung der Brückenzweige hätte konkret welche 
Folgen? nur CMRR?

Grüße und Merci

von dms freak (Gast)


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Nein, nicht nur CMMR. Man kann je nach Gestaltung des Aufnehmers nicht 
davon ausgehen, dass alle DMS symmetrisch belastet sind. Bei einem 
Stauchkörper z. B. sind zwei DMS mit der Stauchung S belastet und zwei 
mit der Dehnung -0,3*S.

Damit ist eine Verschlechterung der Linearität gegeben, wenn man einen 
Differenzverstärker nimmt.

Es gibt natürlich trickreiche Alternativen zum Instrumentenverstärker. 
Z. B. in der großartigen Linear Technology AN 43, Figure 6.

Was nicht automatisch bedeutet, dass der Aufwand gering wäre.

von BlueAudio (Gast)


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Wenn ich mir das so ansehe ist die CMRR der Brücke doch eh mieserabel. 
Sobald die Brücke aus dem abgeglichenen Zustand raus geht wird auch die 
CMRR schlechter..da hilft ja auch der OP nichts mehr. Das Liegt ja 
einfach daran dass Störungen die von der Versorgung der Brücke kommen je 
nach Übersetzungsverhältnis der Brückenzweige dann unter mechanischer 
Belastung des DMS eben nicht mehr Amplitudengleich sind.

Oder habe ich einen Denkfehler? Die CMRR des OP hilft nurnoch bei 
Störungen die NACH der Brücke unterwegs sind.

Grüße

von BlueAudio (Gast)


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dms freak schrieb:
> Bei einem
> Stauchkörper z. B. sind zwei DMS mit der Stauchung S belastet und zwei
> mit der Dehnung -0,3*S.
>
> Damit ist eine Verschlechterung der Linearität gegeben, wenn man einen
> Differenzverstärker nimmt.

Kannst du mir das vllt nochmal genauer erklären? Danke!

von BlueAudio (Gast)


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Ich kann ehrlichgesagt in der Simulation selbst bei Asymmetrischer 
Stauchung/Streckung der Widerstände um einen Faktor 2 und einen Faktor 
200 bei der Abweichung der Last für die Brückenzweige keine 
Nichtlinearität festestellen??

von Martin B. (ratazong)


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Ja, die asymmetrische Belastung führt nicht nur zu schlechtem CMRR. 
Speziell der negative Eingang des Differenzverstärkers hat jaa eine 
Eigenart. Ob da Strom in die Brücke reinfließt, hängt vom Wert des 
positiven Eingangs ab. Wenn der größer als der negative Wert ist, fließt 
was raus, anderenfalls was rein. Bleibt linear bei einer DMS, ist 
trotzdem eine Fehlerquelle.

Bei dem klassischen Differenzverstärker (Spannungsquellenangesteuert 
versteht sich) ist der CMRR abhängig von den Toleranzen der Widerstände.
als Beispiel 40 dB CMRR

Wenn die Eingangsstufen des Instrumentation Amplifiers als symmetrischer 
Verstärker geschaltet ist (Beispielweise 30 dB Verstärkung), dann hat 
das Gesamtsystem (40+30)dB CMRR.

Denn bei dem symmetrischen Verstärker gehen common Mode signal 1:1 an 
die Ausgänge durch, während differentielle mit dem Verstärkungsfaktor 
verstärkt werden. Deshalb bekommt man richtig gute Werte hin.

von BlueAudio (Gast)


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Martin B. schrieb:
> Ja, die asymmetrische Belastung führt nicht nur zu schlechtem CMRR.

Kann mir das mal jemand zeigen? Meine Simulation zeigt keine schlechtere 
CMRR für asymmetrische Brückenbelastung.

von dms freak (Gast)


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Mit der Simulation könnte ich das auch nicht.

Die Nichtlinearität bezieht sich nicht auf R, sondern auf die Dehnung, 
welche proportional zur gemessenen physikalischen Größe ist. Und die 
Größe möchtest du ja messen.

von BlueAudio (Gast)


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dms freak schrieb:
> Die Nichtlinearität bezieht sich nicht auf R, sondern auf die Dehnung,
> welche proportional zur gemessenen physikalischen Größe ist. Und die
> Größe möchtest du ja messen.

Aber an der Nichtlinearität der Dehnung vs. Widerstandsänderung ändert 
doch die Verstärkertopologie nichts oder übersehe ich da etwas ?

Aktuell sehe ich noch keinen Grund warum eine statische Last am 
Brückenausgang die Linearität beeinflussen sollte?

von Martin B. (ratazong)


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BlueAudio schrieb:
> Martin B. schrieb:
>> Ja, die asymmetrische Belastung führt nicht nur zu schlechtem CMRR.
>
> Kann mir das mal jemand zeigen? Meine Simulation zeigt keine schlechtere
> CMRR für asymmetrische Brückenbelastung.


Bei Deiner Schaltung nicht. Da geht Common Mode der Brücke 1:1 zum 
Ausgang.

Die Brücke teilt die Spannung an beiden Brückenzweigen im abgeglichenen 
Zustand auf die Hälfte. Das ist auch das, was Du am Ausgang des OPAMPS 
am Ausgang siehst. (Sollte da nicht null rauskommen? 
Differenzverstärker)

Die Brücke wird normalerweise mit Gleichstrom versorgt, das mit Rauschen 
überlagert wird. Die Hälfte des Rauschens der Versorgungsspannung siehst 
Du am Ausgang Deines OPAMPS.
Wenn Du einen Instrumentation nimmst, siehst Du das nicht. Darum ging es 
mir.
Wenn die Brücke aus dem Gleichgewichtszustand heraus kommt, siehst Du 
auch auch ein wenig von dem Rauschen, aber Größenordung kleiner als bei 
einer Schaltung mit schlechten CMRR.

Wenn man nur eine Waage baut, ist das vielleicht nicht so interessant, 
aber höherfrequente Messungen am DMS haben das Problem mit dem 
(Versorgungsspannungs-) Rauschen.

von BlueAudio (Gast)


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Martin B. schrieb:
> Bei Deiner Schaltung nicht. Da geht Common Mode der Brücke 1:1 zum
> Ausgang.

Stimmt so nicht. Ich bilde die Differenz sowohl rein mathematisch als 
auch mit dem Differenzverstärker. Ich bin (idealer OP) so gut wie es die 
Toleranzen der Widerstände zulassen.  Das geht auch in der Simulation.

Verstimme ich die Brücke allerdings, dann unterdrückt die 
Differenzbildung auch keine Störungen der Brückenversorgung mehr. Und 
dabei ist es egal ob das ein Instrumentenverstärker oder sonst was ist. 
Weil es dann keine Gleichtaktstörung mehr ist, da der Ripple auf der 
Versorgungsspannung jetzt mit ungleichen Amplituden in den beiden 
Brückenzweigen erscheit.

Die daraus resultierenden Störungen liegen für eine Ausgelenkte Brücke 
sicher über dem was die CMRR eines Diff-Amp bietet.

von Martin B. (ratazong)


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BlueAudio schrieb:
> Martin B. schrieb:
>> Bei Deiner Schaltung nicht. Da geht Common Mode der Brücke 1:1 zum
>> Ausgang.
>
> Stimmt so nicht. Ich bilde die Differenz sowohl rein mathematisch als
> auch mit dem Differenzverstärker. Ich bin (idealer OP) so gut wie es die
> Toleranzen der Widerstände zulassen.  Das geht auch in der Simulation.

Hmm ok. Du bildest die Differenz. Hatte R7 übersehen . . .

Ich würde dann aber äusserst kurze Kabel nehmen wollen vom DMS zum 
Verstärker.

von BlueAudio (Gast)


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Martin B. schrieb:
> BlueAudio schrieb:
>> Martin B. schrieb:
>>> Bei Deiner Schaltung nicht. Da geht Common Mode der Brücke 1:1 zum
>>> Ausgang.
>>
>> Stimmt so nicht. Ich bilde die Differenz sowohl rein mathematisch als
>> auch mit dem Differenzverstärker. Ich bin (idealer OP) so gut wie es die
>> Toleranzen der Widerstände zulassen.  Das geht auch in der Simulation.
>
> Hmm ok. Du bildest die Differenz. Hatte R7 übersehen . . .
>
> Ich würde dann aber äusserst kurze Kabel nehmen wollen vom DMS zum
> Verstärker.

Also es geht hier auch nicht um den Aufbau einer konkreten Schaltung 
sondern generell um das Verständnis warum ein Instrumentenverstärker für 
eine Schaltung verwendet werden soll die eigentlich eine recht geringe 
Ausgangsimpedanz hat und für die eine statische Last wie es der Diff-AMP 
wäre eigentlich kein Problem darstellt (also wenigstens nicht für die 
Linearität)

Bleiben eigentlich nurnoch Themen wie Gleichtaktstörungen die auf die 
Zuleitung zwischen Messzelle und Verstärker einkoppeln und damit 
wirklich Common Mode sind und die generell guten Offset und 
Drift-Eigenschaften eins Instrumentenverstärkers.

von MaWin (Gast)


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BlueAudio schrieb:
> Warum also einen teuren Instrumentenverstärker bemühen?

Weil der DMS zwar (temperatur und temperaturausdehnungsmässig) 
kompensiert ist, aber sich dabei seine Ausgangsimpedanz ändert. Nur der 
Instrumentenverstärker tastet ab ohne dabei Fehler zu erzeugen, man will 
ja schliesslich auf x Nachkommastellen genau sein.

von BlueAudio (Gast)


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MaWin schrieb:
> BlueAudio schrieb:
>> Warum also einen teuren Instrumentenverstärker bemühen?
>
> Weil der DMS zwar (temperatur und temperaturausdehnungsmässig)
> kompensiert ist, aber sich dabei seine Ausgangsimpedanz ändert. Nur der
> Instrumentenverstärker tastet ab ohne dabei Fehler zu erzeugen, man will
> ja schliesslich auf x Nachkommastellen genau sein.

Danke! :) langsam kommen wir der Sache näher

von Klaus R. (klara)


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MaWin schrieb:
> BlueAudio schrieb:
>> Warum also einen teuren Instrumentenverstärker bemühen?
>
> Weil der DMS zwar (temperatur und temperaturausdehnungsmässig)
> kompensiert ist, aber sich dabei seine Ausgangsimpedanz ändert. Nur der
> Instrumentenverstärker tastet ab ohne dabei Fehler zu erzeugen, man will
> ja schliesslich auf x Nachkommastellen genau sein.

Und so teuer sind die auch nicht.

https://www.mouser.de/Texas-Instruments/Instrumentation-Amplifiers/INA333-Series/_/N-1z0zls6Z4fs16Z1yyhej8

Zumindest nicht wenn es genauer sein soll.
mfg Klaus

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