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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Differenzverstärker mit Offset für A/D-Wandlung


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Autor: Md M. (Firma: Potilatormanufaktur) (mdma)
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Hallo,

ich habe folgendes Problem: Ich habe zwei Signale von 0-5 Volt. Dabei 
interssiert mich die Differenz der beiden Signale, welche ich A/D 
wandeln möchte. Antialiasing und Impedanzwandlung mal unberücksichtigt, 
scheint mir ein Differenzverstärker bzw. Subtrahierer geeignet zu sein 
Soweit korrekt? Der Opamp müsste ja mit dual supply versorgt werden. Nun 
ist es ja aber so, dass ich für die Anpassung an den ADC (auch 0-5 Volt) 
ohnehin einen Offset brauche. Kann ich mir die negative 
Versorgungsspannung dann nicht auch irgendwie sparen? Leider übersteigt 
das ganze meine Erfahrungen mit Opamps. Kann mich da jemand in die 
richtige Richtung schubsen? Dass ich am Ausgang nicht an die 0 bzw. 5 
Volt komme macht übrigens nichts.

Autor: Wolfgang (Gast)
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Md M. schrieb:
> Kann ich mir die negative Versorgungsspannung dann nicht auch
> irgendwie sparen?

Das kommt auf den Spannungsbereich und die Geschwindigkeit deiner 
Signale an. Eine weitere Frage ist die Größe der Differenzspannung und 
die Genauigkeit, mit der du die messen willst. "So genau wie möglich" 
zählt nicht als Antwort ;-)
Eine weitere Rolle bei der möglichen Lösung spielen die verfügbaren 
Resourchen, i.e. was hast du für einen A/D-Wandler (Auflösung, INL, 
Geschwindigkeit) und wie sieht es bei dem mit S&H aus?

Autor: Md M. (Firma: Potilatormanufaktur) (mdma)
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Wolfgang schrieb:
> Md M. schrieb:
>> Kann ich mir die negative Versorgungsspannung dann nicht auch
>> irgendwie sparen?
>
> Das kommt auf den Spannungsbereich und die Geschwindigkeit deiner
> Signale an.

Da kann ich eigentlich noch keine klare Aussage zu machen, die genannten 
0-5 Volt werden aber auf keinen Fall über- bzw. unterschritten. 
Vermutlich bleiben beide Signale aber eher zwischen 1,5 und 2,5 Volt mit 
einer maximalen Frequenz von vielleicht 100Hz. Ich weiß aber auch das 
noch nicht genau.

> Eine weitere Frage ist die Größe der Differenzspannung und
> die Genauigkeit, mit der du die messen willst. "So genau wie möglich"
> zählt nicht als Antwort ;-)

Naja, theoretisch möglich wären 5 Volt. Realistisch ist aber 1 Volt.

> Eine weitere Rolle bei der möglichen Lösung spielen die verfügbaren
> Resourchen, i.e. was hast du für einen A/D-Wandler (Auflösung, INL,
> Geschwindigkeit) und wie sieht es bei dem mit S&H aus?

Es wird wohl ein MCP3008 werden. Auflösung ist demnach 10 Bit und INL 
+/- 1 LSB.

: Bearbeitet durch User
Autor: Jörg R. (solar77)
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Md M. schrieb:
>> Eine weitere Frage ist die Größe der Differenzspannung und
>> die Genauigkeit, mit der du die messen willst. "So genau wie möglich"
>> zählt nicht als Antwort ;-)
>
> Naja, theoretisch möglich wären 5 Volt. Realistisch ist aber 1 Volt.

Das ist die Angabe der möglichen Differenzspannung. Die geforderte 
Genauigkeit fehlt noch.


Md M. schrieb:
> Kann ich mir die negative
> Versorgungsspannung dann nicht auch irgendwie sparen? Leider übersteigt
> das ganze meine Erfahrungen mit Opamps. Kann mich da jemand in die
> richtige Richtung schubsen? Dass ich am Ausgang nicht an die 0 bzw. 5
> Volt komme macht übrigens nichts.

Nun, um ohne symetrische Versorgung auszukommen benötigst du zumindest 
einen Rail to Rail OPV, um in die Nähe von 5 Volt bzw. 0 Volt am Ausgang 
zu kommen. Ich nehme mal an das der OPV mit 5 Volt versorgt wird.

Hier nur mal ein Beispiel:

http://www.ti.com/product/OPA2345

: Bearbeitet durch User
Autor: Achim S. (Gast)
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Autor: Md M. (Firma: Potilatormanufaktur) (mdma)
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Jörg R. schrieb:
> Die geforderte
> Genauigkeit fehlt noch.

Ich sage einfach mal 0,05 Volt.

Jörg R. schrieb:
> Nun, um ohne symetrische Versorgung auszukommen benötigst du zumindest
> einen Rail to Rail OPV, um in die Nähe von 5 Volt bzw. 0 Volt am Ausgang
> zu kommen.

Kann ich machen, die Wahl des OPV nehme ich nicht als besonders kritisch 
an. Ich bin davon ausgegangen, dass ich das ganze mit dem Offset etwas 
über 0 Volt schieben kann

> Ich nehme mal an das der OPV mit 5 Volt versorgt wird.

Ist zumindest angedacht, ja.

Autor: Jörg R. (solar77)
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Was sagst du zum Vorschlag von Achim S.?

Beitrag "Re: Differenzverstärker mit Offset für A/D-Wandlung"

Autor: Wolfgang (Gast)
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Md M. schrieb:
> Vermutlich bleiben beide Signale aber eher zwischen 1,5 und 2,5 Volt mit
> einer maximalen Frequenz von vielleicht 100Hz.

> Es wird wohl ein MCP3008 werden.

Dann überlege dir mal, ob es nicht reichen würde, jedes Signal auf einen 
Eingangskanal des Wandlers zu geben und die Differenz hinterher zu 
rechnen.
Du handelst dir dabei zwar einen Zeitversatz auf Grund von 
Multiplexerumschaltung und Nacheinanderausführung der Wandlungen ein, 
sparst dir aber komplett Analogrechner für die Differenzbildung mitsamt 
seinen Fehlern. Es kommt auf die (unbekannte) Anwendung an, wie kritisch 
das ist.  Falls du die Differenz besser aufgelöst benötigst, gibt es 
auch 12Bit-Wandler ;-)

Autor: Md M. (Firma: Potilatormanufaktur) (mdma)
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Achim S. schrieb:
> Md M. schrieb:
>> Es wird wohl ein MCP3008 werden. Auflösung ist demnach 10 Bit und INL
>> +/- 1 LSB.
>
> Wenn du in Sachen ADC noch so wenig festgelegt bist: warum nimmst du
> nicht gleich einen ADC mit echten Differenzeingängen und sparst dir den
> vorgeschalteten Verstärker?
>
> https://www.digikey.de/products/de/integrated-circ...

Oh. Ich wusste gar nicht, dass es sowas gibt. Der Grund dafür, dass ich 
den MCP3008 in Betracht gezogen habe war, dass ich ihn schonmal benutzt 
habe und außerdem ein paar davon hier liegen habe und somit das Wochende 
noch nutzen kann. Bei einem Blick in meine Bauteilesammlung habe ich 
doch glatt einen ADC0804LCN entdeckt, welcher einen Differenzeingang zu 
haben scheint. Die Auflösung ist zwar nur 8 Bit, aber das sollte mir 
reichen. Ich guck mir den mal genauer an.

Autor: Achim S. (Gast)
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Md M. schrieb:
> Bei einem Blick in meine Bauteilesammlung habe ich
> doch glatt einen ADC0804LCN entdeckt, welcher einen Differenzeingang zu
> haben scheint.

Er hat einen Differenzeingang, aber nur für positive 
Differenzspannungen. Aus seinem Datenblatt:

"For VIN(−)≥VIN(+) the digital output code will be 0000 0000. "

Wenn deine Differenzspannung immer positiv ist, dann passt das. Wenn 
nicht, dann nicht.

Aber in der Liste, die ich dir weiter oben verlinkt habe, sind ein paar 
hundert unterschiedliche ADC-Typen aufgeführt, die echte 
Differenzeingänge haben und die mit 5V Versorgung auskommen und die 
10Bit Auflösung oder mehr haben. Da findet sich bestimmt ein passender 
darunter ;-)

Autor: Md M. (Firma: Potilatormanufaktur) (mdma)
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Wolfgang schrieb:
> Es kommt auf die (unbekannte) Anwendung an

Ist nichts geheimes. Es geht im Rahmen einer Abschlussarbeit um eine 
Neuauflage von dem Ding hier 
Beitrag "Re: Magnetfeld kontrollieren um Kugel zu bewegen (Kunstprojekt)" . 
Dabei geht es nicht direkt um das gleiche Thema, es wird nur als ein 
Anwendungsbeispiel herangezogen.

Der MCP3008 war auch deswegen eine Wahl, weil er an ein System 
angeschlossen werden kann und soll, welches mit 3,3 Volt betrieben wird 
und ich mich nicht auch noch mit Pegelwandlung herumschlagen muss, oder 
wenn, dann nur an den SPI-Leitungen und nicht an einem 
Parallelinterface. SPI würde ich bevorzugen, ist aber kein absolutes 
Muss. Vielleicht nehme ich doch einfach den MCP3008 und mache es, wie 
Wolfgang vorgeschlagen hat. Zeitversatz dürfte bei einem mechanischem 
System kaum eine Rolle spielen denke ich, und wenn doch, dann 
parallelisiere ich eben - das ganze soll auf einem FPGA basieren. Ich 
weiß, Kanonen auf Spatzen, aber das soll so sein.

Autor: Peter S. (Gast)
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Ich würde auch zuallererst prüfen, ob es nicht reicht zwei single ended 
Eingänge des ADCs zu verwenden, wie von Wolfgang vorgeschlagen.

Bei allem, das "in Hardware" von differenziell auf single ended wandelt, 
hast du nämlich immer das "Problem", dass ein differenzielles Signal mit 
+-5V eben einen Hub von 10V hat, den du dann irgendwie single ended 
darstellen musst.

Autor: Md M. (Firma: Potilatormanufaktur) (mdma)
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Jepp, so wird's gemacht denke ich. Ich seh schon, ich hab mich da in 
Unsinn verrannt und eine unnötige Baustelle aufgemacht.

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