Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Arduino Analogeingang - leider nur sehr kleine Spannungsdifferenz (0,4V)


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von Roth (Gast)


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Ein Temperatursensor soll über den Arduino Analogeingang überwacht 
werden. Er liefert eine Spannung zwischen Umin=0,1 und Umax=0,5 Volt. 
Die Differenz beträgt also nur 0,4 Volt. Das entspricht etwa 20°C (Umin) 
und 100°C (Umax).

Ich habe nicht erwartet, dass die Spannungsdifferenz über den zu 
messenden Bereich so klein ist. Wenn die Referenzspannung 5 Volt 
beträgt, wird die Messung vermutlich entsprechend ungenau.

Meine Frage ist jetzt, ob und wie ich dem Analogeingang sagen kann, dass 
die Referenz nur, sagen wir mal, 1 Volt beträgt. In der Skala von 1 Volt 
würde dann die Messung genauer, denn die 1024 Stufen des Arduino 
Analogeingang würden sich dann nicht auf 5, sondern nur auf 1 Volt 
beziehen.

Ich hoffe, es ist rübergekommen, was ich beabsichtige. Ich freue mich 
über alle Tipps, wie ich die Aufgabe lösen kann.

von Olaf (Gast)


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> Ich hoffe, es ist rübergekommen, was ich beabsichtige. Ich freue mich
> über alle Tipps, wie ich die Aufgabe lösen kann.

Theoretisch koenntest du eine externe Referenzspannung von 1.25V 
anschliessen, oder vielleicht sogar intern einschalten. Ob das geht sagt 
dir das Datenblatt deines Mikrocontrollers. Ansonsten hat die Menschheit 
zur Loesung deiner Probleme den Operationsverstaerker erfunden.

Olaf

von m.n. (Gast)


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Roth schrieb:
> Wenn die Referenzspannung 5 Volt
> beträgt, wird die Messung vermutlich entsprechend ungenau.

Dann stell sie doch auf 1,1 V; siehe Datenblatt.

von Thomas F. (igel)


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Roth schrieb:
> Meine Frage ist jetzt, ob und wie ich dem Analogeingang sagen kann, dass
> die Referenz nur, sagen wir mal, 1 Volt beträgt.

Der Atmega328 hat eine interne Referenzspannung von 1,1V. Eingestellt 
wird das im ADMUX-Register.

Inwieweit die Arduino-Programmierwelt das unterstützt weiß ich nicht, 
evtl. muss man das "von Hand" programmieren.

von Roth (Gast)


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Arduino ist doch im Prinzip Atmega. Ist AnalogReference() vielleicht die 
Lösung?

von Axel S. (a-za-z0-9)


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Roth schrieb:
> Ein Temperatursensor soll über den Arduino Analogeingang überwacht
> werden. Er liefert eine Spannung zwischen Umin=0,1 und Umax=0,5 Volt.
> Die Differenz beträgt also nur 0,4 Volt. Das entspricht etwa 20°C (Umin)
> und 100°C (Umax).
>
> Ich habe nicht erwartet, dass die Spannungsdifferenz über den zu
> messenden Bereich so klein ist.

Fortgeschrittene Bastler verlassen sich nicht auf ihre Erwartungen, 
sondern lesen das Datenblatt des Sensors, um zu entscheiden ob er 
überhaupt paßt und/oder ob sie das Signal noch analog verarbeiten 
müssen, bevor sie es in einen ADC-Kanal ihres µC füttern können.

Stichwort Signalkonditionierung.

> Wenn die Referenzspannung 5 Volt
> beträgt, wird die Messung vermutlich entsprechend ungenau.

Das muß man nicht vermuten, sondern kann es auch ausrechnen. Ein 10-Bit 
ADC hat bei 5V Referenzspannung eine Auflösung von ca. 5mV. Der 400mV 
Bereich des Sensors wird also in 80 Schritte aufgelöst, was ziemlich 
genau 1° Temperaturauflösung ergibt. Der Fehler des ADC ist in der 
gleichen Größenordnung. Ob das für eine "Überwachung" (du hast nicht 
"Messung" geschrieben) reicht, weißt nur du selber.

> Meine Frage ist jetzt, ob und wie ich dem Analogeingang sagen kann, dass
> die Referenz nur, sagen wir mal, 1 Volt beträgt.

Wenn der µC auf deinem Arduino ein ATMega328 ist, dannn kann man die 
Referenzspannung des ADC auf 1.1V umschalten und zumindest prinzipiell 
könnte am am AREF-Pin des µC auch eine externe Referenzspannung von z.B. 
1V anlegen und dann ebenfalls auf diese Referenzspannung umschalten.

Ob das Arduino-Framework das unterstützt, weiß ich nicht. Aber Google 
findet für "arduino analogread referenzspannung umschalten" einen 
Hinweis auf 
https://www.arduino.cc/reference/de/language/functions/analog-io/analogreference/. 
Das sieht doch schon mal gut aus.

Es könnte wie eine gute Idee erscheinen, die Referenzspannung extern auf 
0.4V zu legen. Ist es aber nicht. Der ADC funktioniert unterhalb einer 
bestimmten Größe der Referenzspannung nicht mehr. Bzw. der Fehler wird 
astronomisch groß. Datenblatt des µC lesen!

von jemand (Gast)


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Man könnte das analoge Signal auch einfach verstärken, bevor man es in 
den ADC füttert. Das ist es, was man normalerweise tun würde.

Man nehme dazu einen OPV und einen nicht invertierenden Verstärker mit 
einem GAIN von z.B. 10.

von Arduino Fanboy D. (ufuf)


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jemand schrieb:
> Man nehme dazu einen OPV und einen nicht invertierenden Verstärker mit
> einem GAIN von z.B. 10.

Einige AVR/Arduinos haben das eingebaut.
Das Arduino Framwork kann da von Hause aus nicht damit umgehen, aber bei 
Bedarf kann ich eine Klasse, welche das kann, hier publizieren

: Bearbeitet durch User
von Peter D. (peda)


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Bis 125°C bieten sich auch digitale Sensoren an.
Entweder als Chip (DS18B20) oder als Sensor im Metallrohr:
https://www.conrad.de/de/makeblock-temperatursensor-1549329.html

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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jemand schrieb:
> Man könnte das analoge Signal auch einfach verstärken, bevor man es in
> den ADC füttert. Das ist es, was man normalerweise tun würde.

Normalerweise verwendet man eine stabile Referenz-Spannung, nicht VCC. 
Es sei denn, die Messung selbst liefert Spannungen relativ zu VCC.

Für den Fall des TO scheint mir die interne 1,1V Referenz sehr gut 
geeignet. Ein zusätzlicher Verstärker würde das Signal nur unnötig 
verfälschen.

von jemand (Gast)


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Stefanus F. schrieb:
> Für den Fall des TO scheint mir die interne 1,1V Referenz sehr gut
> geeignet. Ein zusätzlicher Verstärker würde das Signal nur unnötig
> verfälschen.

Mir fällt Offset und Rauschen ein. Beides ist bei der Anwendung kein 
Problem - einen ordenltichen OPV vorausgesetzt. Ich werf mal einen 
OPA340 ins Rennen.

Bei einem GAIN von 10 wäre der Offset <2,5mV (der OPV hat 250µV), und 
das Rauschen durch den OPV liegt bei 25nV/SQRT(f) was zu irgenwas im 
µV-Bereich führt. Also alles total wurscht.

Welche weiteren "Verfälschungen" du meinst, müsstest du schon näher 
ausführen.

Das man eine Referenz verwendet ist geschenkt. Das geht bei diesem 
Arduino-gelumpe halt nicht gescheit. Man kann die interne nehmen, aber 
so super ist die auch nicht.

von Arduino Fanboy D. (ufuf)


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jemand schrieb:
> Das geht bei diesem
> Arduino-gelumpe halt nicht gescheit.
Was meinst du damit?

Oder ist das einfach nur wieder so ein fürchterlich dummer Arduino 
Bashing Spruch?

: Bearbeitet durch User
von Michael U. (amiga)


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Hallo,

Arduino ist eben hier Reizwort...
Allerdings hat ein Teil der Arduino-User auch dazu beigetragen.
Doku lesen scheint unbeliebt zu sein.
https://www.arduino.cc/reference/en/language/functions/analog-io/analogreference/

analogReference(INTERNAL) hätte man sonst wohl selbst gefunden.

Gruß aus Berlin
Michael

: Bearbeitet durch User
von Arduino Fanboy D. (ufuf)


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Roth schrieb:
> Die Differenz beträgt also nur 0,4 Volt. Das entspricht etwa 20°C (Umin)
> und 100°C (Umax).
Wie nennt sich der Sensor?

von Axel S. (a-za-z0-9)


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Stefanus F. schrieb:
> Normalerweise verwendet man eine stabile Referenz-Spannung, nicht VCC.

Das ist nicht notwendig ein Widerspruch.

Je nachdem welcher Arduino das ist und wie man ihn mit Spannung 
versorgt, kommt Vcc aus einem Spannungsregler (oder evtl. auch nicht). 
Die Spannung aus dem Spannungsregler ist im Zweifel ebenso stabil wie 
die interne Referenzspannung. Ist ja auch die gleiche technische 
Grundlage heutzutage; nämlich eine Gandgap-Referenz.

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


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Axel S. schrieb:
> Die Spannung aus dem Spannungsregler ist im Zweifel ebenso stabil wie
> die interne Referenzspannung.

Nein, ist sie nicht, weil sie "im Zweifel" zum Beispiel vom Laststrom 
abhängt, der bei getakteten CMOS Schaltungen Prinzip-bedingt extrem 
schwankt. Dazu kommt Spannungsabfall an den Leitungen, insbesondere auch 
den Leitungen innerhalb des IC Gehäuses.

von m.n. (Gast)


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Michael U. schrieb:
> Doku lesen scheint unbeliebt zu sein.

Das sagst Du was!
Womöglich noch die Anforderungen mitzuteilen ist absolut 'uncool' ;-)

von Michael U. (amiga)


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Hallo,

Roth schrieb:
> Meine Frage ist jetzt, ob und wie ich dem Analogeingang sagen kann, dass
> die Referenz nur, sagen wir mal, 1 Volt beträgt. In der Skala von 1 Volt
> würde dann die Messung genauer, denn die 1024 Stufen des Arduino
> Analogeingang würden sich dann nicht auf 5, sondern nur auf 1 Volt
> beziehen.

das war seine Frage auf die ich geantwortet haben.
Die hätte er eigentlich in 3 Minuten googeln selbst beantworten können.

Ob er mit der so erreichbaren Auflösung und Genauigkeit klarkommt muß er 
doch selber wissen...

Gruß aus Berlin
Michael

von jemand (Gast)


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Arduino Fanboy D. schrieb:
>> Das geht bei diesem
>> Arduino-gelumpe halt nicht gescheit.
> Was meinst du damit?
>
> Oder ist das einfach nur wieder so ein fürchterlich dummer Arduino
> Bashing Spruch?

Du kannst auf einen Arduino uno (so als Beispiel) gar keine externe 
ADc-Referenz draufbauen.
Der ATMEGA der dort drauf ist, hat keinen VREF-Pin soweit ich sehe. Und 
das ist völlig unnötigerweise so, denn ein ATMEGA-128 an Sich hätte 
serwohl einen Eingang für eine Referenzspannung. Man hätte halt ein 
Package mit entsprechendem Pin nehmen können.

Es wäre somit für <0,1€ problemlos möglich gewesen, eine saubere und 
genaue Referenz zu verbauen (eine olle TL431 von mir aus).

Das man das nicht getan hat, spricht Bände. Dass das bisher keiner der 
Arduino-Jünger gemekt hat, ebenso.

von Arduino Fanboy D. (ufuf)


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jemand schrieb:
> Das man das nicht getan hat, spricht Bände. Dass das bisher keiner der
> Arduino-Jünger gemekt hat, ebenso.

Das einzige was hier Bände spricht, ist deine herzerfrischende 
Kenntnisfreiheit, gepaart mit gottähnlicher Überlegenheit.

Ja, beim UNO gibt es keinen Pin namens Vref.
Allerdings einen mit dem Namen Aref.
Wofür der wohl gut ist...

jemand schrieb:
> ATMEGA-128
Was ist das?
Mit einem UNO hat das nichts zu tun, oder?

von Roth (Gast)


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Michael U. schrieb:
> Doku lesen scheint unbeliebt zu sein.
Ihr Laberköppe ;)

Axel S. schrieb:
> Fortgeschrittene Bastler verlassen sich nicht auf ihre Erwartungen,
> sondern lesen das Datenblatt des Sensors, um zu entscheiden ob er
> überhaupt paßt und/oder ob sie das Signal noch analog verarbeiten
> müssen, bevor sie es in einen ADC-Kanal ihres µC füttern können.
Nee das geht leider nicht immer.

Arduino Fanboy D. schrieb:
> Wie nennt sich der Sensor?
Er wird bei VW 'G2' genannt.

G2 ist sowohl in ZE als auch in das KI integriert.

G2 wird von meiner Schaltung ZUSÄTZLICH abgegriffen, also in eingebautem 
und systemintegrierten Zustand. Die G2 Widerstands-Kennlinie habe ich, 
aber die nützt mir nichts, weil da eben noch eine Blackbox 
(VW-Kühlwassersystem) dranhängt, zu deren 'Erforschung' ich tatsächlich 
keine Zeit und auch keine Lust habe.

Die von mir gemessenen Werte (0,1 bis 0,4V) lassen vermuten, dass VW 
einen Spannungsteiler mit relativ kleinem Widerstand verwendet. Aber 
eben nur vermuten.

Den resultierenden Wert, den von mir genannten Spannungsbereich, muss 
ich so verwenden, denn anpassen kann und darf ich ihn nicht, weil da 
noch mehr dran hängt, u.a. das MSG (Motorsteuergerät). Also habe ich den 
Wert (über einen möglichst großen Widerstand) abgegriffen und so MEINER 
Steuerung zugefügt. Beim Messen, was da eigentlich an Spannung-von-bis 
auftritt, kam ich auf den o.g. Spannungsbereich.

von Roth (Gast)


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Und .... danke an alle :)

auch an die "Laberköppe" ^^ :)

von jemand (Gast)


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Arduino Fanboy D. schrieb:
> Ja, beim UNO gibt es keinen Pin namens Vref.
> Allerdings einen mit dem Namen Aref.
> Wofür der wohl gut ist...

Du hast recht!
Das habe ich tatsächlich übersehen. Da hat jemand den sogar mitgedacht 
und den auf die Stiftleiste geklemmt.

In dem Fall ist es sogar sinnvoll möglich, eine Referenz zu verwenden. 
Danke für die Korrektur.

Was dsa Problem:
Die sinnvollste Lösung für das Problem ist ein Verstärker, nicht eine 
niedrigere Referenzspannung.

von Michael U. (amiga)


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Hallo

jemand schrieb:
> Du hast recht!
> Das habe ich tatsächlich übersehen. Da hat jemand den sogar mitgedacht
> und den auf die Stiftleiste geklemmt.
>
> In dem Fall ist es sogar sinnvoll möglich, eine Referenz zu verwenden.
> Danke für die Korrektur.

leider aber nur halb mitgedacht: AVCC ist nicht gefiltert und einen 
Kondensator zwischen AREF und AGND an sinnvoller Stelle gibt es auch 
nicht.

Wenn es mein Projekt wäre würde ich es trotzdem testen, AREF auf 
internal, Sensor ran und Werte begutachten. 100nF könnte man auch 
testweise zwischen dem AREF-Pin und dem benachbarten GND am UNO 
anstecken.

Es hängt doch stark von der Anwendung ab, ob es so ausreicht.
Ich zumindest messe hier die Luftfeuchte auch nicht mit 2 Stellen hinter 
dem Komma, auch wenn es der Sensor angeblich können soll.
Ich brauche diese Auflösung praktisch einfach nicht.
Ich bräuchte z.B. auch im Auto die Kühlwassertemperatur nichtmal auf 1 
Grad genau und auch nicht zwingend mit 1 Grad Auflösung.

Gruß aus Berlin
Michael

von Axel S. (a-za-z0-9)


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Stefanus F. schrieb:
> Axel S. schrieb:
>> Die Spannung aus dem Spannungsregler ist im Zweifel ebenso stabil wie
>> die interne Referenzspannung.
>
> Nein, ist sie nicht, weil sie "im Zweifel" zum Beispiel vom Laststrom
> abhängt, der bei getakteten CMOS Schaltungen Prinzip-bedingt extrem
> schwankt.

Albern. Wenn man dem AREF-Pin wie vom Hersteller empfohlen (und wohl von 
den meisten Arduinos auch umgesetzt) einen Abblockkondensator spendiert, 
dann ist die Referenzspannung tiefpaßgefiltert. Vielleicht doch erstmal 
das Datenblatt lesen.

von Roth (Gast)


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Michael U. schrieb:
> Es hängt doch stark von der Anwendung ab, ob es so ausreicht.
Kommt mal wieder runter. Ich will die Kühlwassertemperatur des Fahrzeugs 
anzeigen. Mit der original Kühlwassertemperaturanzeige des Cockpits. Die 
ist ohnehin nur "Pi-mal-Daumen". Also keine Dr-Arbeit vermuten ;)

Der (für mich) relativ kleine Spannungsbereich, den ich im Range 20 bis 
100° C gemessen habe, ließ mich Probleme mit einer halbwegs genauen 
Datenerfassung vermuten. Das Problem ist ja nun gelöst durch die 
Möglichkeit der Anpassung der Referenzspannung. Danke nochmal.

Für alle, die das Wort "Plateaufunktion" noch nie gehört haben (ich 
gehörte auch dazu), will ich auch den Grund des Ganzen erörtern.

VW hat in der Anzeige der Kühlwassertemperatur eine sogenannte 
"Plateaufunktion" implementiert. Die hat laut VW den Zweck, 
Alarmstimmung (und Anrufe) besorgter Fahrer bei vermeintlich "zu hoher 
Kühlwassertemperatur" zu vermeiden. Im Temperaturbereich zwischen ca. 75 
und 107°C wird nicht mehr die tatsächliche Temperatur, sondern IMMER 
90°C angezeigt.

Da ich die genaue Temperatur sehen will, stört mich das. An die 
Original-Umrechnungstabelle im EPROM das KI komme ich natürlich nicht so 
einfach ran. Also habe ich mir was anderes ausgedacht: Schrittmotor von 
der Platine ablöten (Foto) und mit einem eigenen uC ansteuern.

Der Arduino nur zum Testen. Im Auto ist mir der zu groß.
Wenn hinterher alles funzt, spendiere ich dem Projekt eine eigene 
Platine. Vermutlich ATMega.

So, Spekulationen können aufhören, jetzt wisst ihr es ;)

von Roth (Gast)


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Info zur Fahrerberuhigungs-Aktion von VW, der Plateau-Funktion:

https://www.t4-wiki.de/wiki/Plateau-Funktion

ähm
warum muss ich jetzt gerade an den VW-Dieselskandal denken ..... ^^

von Maddin L. (tet-guru)


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Servus!

wenn es nur das Ziel hat die Kühlmitteltemperatur bei VW im Bereich um 
90Grad exakter angezeigt zu bekommen?

Als Vorschlag zum probieren: Einfach einen preiswerten (5Euro ebay) 
ELM327 China Bluetooth Clone + Torque Android APP. Die Kühlmittel-Temp 
ist dort meistens enthalten.

Ob dieser Wert auch Plateau gefiltert ist würde ich mal bezweifeln.

Beste Grüße!
Maddin

PS. Der tip passt nur für OBD-II fähige FAhrzeuge. Benzin ab 2001, 
Diesel ab 2003 laut wiki.

: Bearbeitet durch User
von GroberKlotz (Gast)


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Frage des TO:
Meine Frage ist jetzt, ob und wie ich dem Analogeingang sagen kann, dass
die Referenz nur, sagen wir mal, 1 Volt beträgt. In der Skala von 1 Volt
würde dann die Messung genauer, denn die 1024 Stufen des Arduino
Analogeingang würden sich dann nicht auf 5, sondern nur auf 1 Volt
beziehen.

Antwort (kurz und bündig) - vgl.Arduino Referenz-Seite:
https://www.arduino.cc/reference/en/language/functions/analog-io/analogreference/

analogReference() [Analog I/O]
Description:
Configures the reference voltage used for analog input (i.e. the value 
used as the top of the input range). The options are:
Arduino AVR Boards (Uno, Mega, etc.)

DEFAULT: the default analog reference of 5 volts (on 5V Arduino boards) 
or 3.3 volts (on 3.3V Arduino boards)

INTERNAL: an built-in reference, equal to 1.1 volts on the ATmega168 or 
ATmega328P and 2.56 volts on the ATmega8 (not available on the Arduino 
Mega)

INTERNAL1V1: a built-in 1.1V reference (Arduino Mega only)
INTERNAL2V56: a built-in 2.56V reference (Arduino Mega only)

EXTERNAL: the voltage applied to the AREF pin (0 to 5V only) is used as 
the reference.

mfG Grober Klotz

von Michael U. (amiga)


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Hallo,

und welchen entscheidenden Vorteil hat Deine Antwort jetzt gegenüber 
meiner von 17.09.2018 11:09?

Gruß aus Berlin
Michael

: Bearbeitet durch User
von Viktor B. (coldlogic)


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@Roth:

Was sagt eigentlich der TÜV dazu? So ein ähnliches Projekt hab ich auch 
mal machen wollen, aber rechtlich ist man da äußerst beschränkt. Mal 
angenommen, man verursacht einen Kurzschluss o.ä.?

von Roth (Gast)


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Viktor B. schrieb:
> Was sagt eigentlich der TÜV dazu?
Wenn die Abgaswerte des verwendeten Arduinos stimmen, ist das ok. Meiner 
erfüllt die Werte ;)

von Zeno (Gast)


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Wieso scheidet bei Deiner Anwendung ein Verstärker mit OPV aus? Ein 
nichtinvertierender Verstärker mit OPV ist von Haus aus hochohmig, d.h. 
er belastet Deinen Messpunkt nicht mehr als der Eingang des Arduino. 
Wenn Du ganz sicher gehen willst nimmst Du halt einen OPV mit FET 
Eingang - der ist dann sehr hochohmig.
Man kann auch über einen Doppel-OPV nachdenken. Der erste OPV wird als 
Spannungsfolger geschalten (Verstärkung 1) und dient zur Entkopplung. 
Der zweite OPV macht die eigentliche Verstärkung.

von Roth (Gast)


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Zeno schrieb:
> Wieso scheidet bei Deiner Anwendung ein Verstärker mit OPV aus?
Gegenfrage: Was nützt mir ein Operationsverstärker, wenn das auch ohne 
geht?

von Alex G. (dragongamer)


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jemand schrieb:
> Die sinnvollste Lösung für das Problem ist ein Verstärker, nicht eine
> niedrigere Referenzspannung.
Wieso soll eine Lösung die zusätzliche Bauteile erfordert, die 
sinnvollste sein?

Klar, es kommt darauf an welche Genauigkeit man erwartet. Wie oben 
jemand vorgerechnet hat, kommt man schon bei 5V ref, auf eine Auflösung 
von 1°.
Der Sensor wird kaum erheblich genauer als das sein.

von Nico W. (nico_w)


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Wenn man einen Spannungsfolger einbaut, könnte der ggf. nen floatenden 
Pin abfangen? Was passiert denn wenn der kleine Käfer startet oder 
hängen bleibt? Nicht das du dann da noch irgendwas zurück schickst.

von m.n. (Gast)


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Nico W. schrieb:
> Wenn man einen Spannungsfolger einbaut, könnte der ggf. nen floatenden
> Pin abfangen? Was passiert denn wenn der kleine Käfer startet oder
> hängen bleibt? Nicht das du dann da noch irgendwas zurück schickst.

Man greift das Signal einfach über einen Widerstand (1 MOhm) ab. 
Leckströme bei feuchter Luft dürften eine höhere 'Last' Darstellen. Am 
ADC-Eingang liegt zudem ein 10 nF Kondensator nach GND.

Nein, man macht keine 10000 Messungen/s.

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