Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Wandlung Signal bipolar in Signal unipolar


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von H. B. (communicator9)


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Ich möchte ein variables Sinussignal aus einem bipolar versorgten 
Operationsversärker in ein massebezogenes Signal zur Messung mit einem 
Analog Digital Wandler umwandeln.
Stromversorgung bipolar (OP) = +/- 3V
Eingangsbereich AD-Wandler (unipolar) = 0-3,3V
Signal aus dem OP = 0-6Vss
Der AD-Wandler hat nur massebezogene Eingänge, keine differenziellen 
Eingänge.
Ich habe das ganze schon mal mit einer Addierer OP Schaltung versucht, 
aber das funktioniert nur bei einer konstanten Amplitude.
Das ganze kapazitiv anpassen ist für meine Anwendung zu langsam, da das 
Signal zu lange braucht um bis zum Massepotential zu "wandern".
Wie löst man sowas mit relativ geringem Aufwand?

von MaWin (Gast)


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Addierer klingt gut, erst 1:2 Spannungsteiler, dann 1.5V oder besser 
1.65V addieren, man kann zwar -3V...3V auch durch einen Spannungsteiler 
10k:10k zu 3.3V in 0.15V...3.15V umsetzen, aber dss erfordert eine 
referenzgenaue 3.3V Spannungsquelle.

von MiMa (Gast)


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Habe die Signalquelle und der ADC denn eine gemeinsame Masse?
Wenn nicht, dann schalte das bipolare Signal auf die Masse vom ADC und 
mach einen 1:1 Spannungsteiler.

von H. B. (communicator9)


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MaWin schrieb:
> Addierer klingt gut, erst 1:2 Spannungsteiler, dann 1.5V oder besser
> 1.65V addieren, man kann zwar -3V...3V auch durch einen Spannungsteiler
> 10k:10k zu 3.3V in 0.15V...3.15V umsetzen, aber dss erfordert eine
> referenzgenaue 3.3V Spannungsquelle.

Aber das funktioniert doch nur wenn die Eingangsspannung einen festen 
Wert hat?
Aber meine Eingangsspannung kann ja irgendwo zwischen 0 und 6Vss liegen.

von H. B. (communicator9)


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MiMa schrieb:
> Habe die Signalquelle und der ADC denn eine gemeinsame Masse?
> Wenn nicht, dann schalte das bipolare Signal auf die Masse vom ADC und
> mach einen 1:1 Spannungsteiler.

Haben gemeinsame Masse.

von MiMa (Gast)


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H. B. schrieb:
> MiMa schrieb:
>> Habe die Signalquelle und der ADC denn eine gemeinsame Masse?
>> Wenn nicht, dann schalte das bipolare Signal auf die Masse vom ADC und
>> mach einen 1:1 Spannungsteiler.
>
> Haben gemeinsame Masse.

Umso besser. Das bipolare Signal ist doch bestimmt symmetrisch um 
ground?
Brauchst also nur das positive mit dem ADC zu messen und fertig.

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


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H. B. schrieb:
> MaWin schrieb:
>> Addierer klingt gut, erst 1:2 Spannungsteiler, dann 1.5V oder besser
>> 1.65V addieren, man kann zwar -3V...3V auch durch einen Spannungsteiler
>> 10k:10k zu 3.3V in 0.15V...3.15V umsetzen, aber dss erfordert eine
>> referenzgenaue 3.3V Spannungsquelle.
>
> Aber das funktioniert doch nur wenn die Eingangsspannung einen festen
> Wert hat?

Kommt darauf an, was du mit "funktioniert" meinst.

> meine Eingangsspannung kann ja irgendwo zwischen 0 und 6Vss liegen.

Das ist eine Angabe der Amplitude. Für den ADC ist aber nicht die 
Amplitude ausschlaggebend, sondern der Bereich der Momentanwerte. Ein 
Sinussignal symmetrisch zu GND kann bei 6V Amplitude Momentanwerte 
zwischen -3V und +3V annehmen. Der vorgeschlagene Abschwächer reduziert 
das auf -1.5V .. +1.5V. Und nach dem Addieren von 1.65V kommen wir zu 
+0.15V .. +3.15V. Das liegt eindeutig innerhalb des Meßbereichs des ADC 
von 0..3.3V. Insofern funktioniert das schon.

Wenn nun allerdings dein Signal eine geringere Amplitude hat, dann 
verringert sich die Amplitude nach Abschwächer/Addierer genauso. Bei 
z.B. 4Vss sind es nachher +0.65V .. +2.65V am ADC. Und im Extremfall von 
0Vss erhält dein ADC eine Gleichspannung von 1.65V. Hattest du etwas 
anderes erwartet? Was? Und warum?

von H. B. (communicator9)


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MiMa schrieb:
> H. B. schrieb:
>> MiMa schrieb:
>>> Habe die Signalquelle und der ADC denn eine gemeinsame Masse?
>>> Wenn nicht, dann schalte das bipolare Signal auf die Masse vom ADC und
>>> mach einen 1:1 Spannungsteiler.
>>
>> Haben gemeinsame Masse.
>
> Umso besser. Das bipolare Signal ist doch bestimmt symmetrisch um
> ground?
> Brauchst also nur das positive mit dem ADC zu messen und fertig.

Der AD-Wandler ist in einem DSP und ich muss das Signal recht exakt 
abtasten und auswerten um bestimmte Verzerrungen festzustellen.
Da reicht es nicht nur die eine Halbwelle zu messen.

von H. B. (communicator9)


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Axel S. schrieb:
> H. B. schrieb:
>> MaWin schrieb:
>>> Addierer klingt gut, erst 1:2 Spannungsteiler, dann 1.5V oder besser
>>> 1.65V addieren, man kann zwar -3V...3V auch durch einen Spannungsteiler
>>> 10k:10k zu 3.3V in 0.15V...3.15V umsetzen, aber dss erfordert eine
>>> referenzgenaue 3.3V Spannungsquelle.
>>
>> Aber das funktioniert doch nur wenn die Eingangsspannung einen festen
>> Wert hat?
>
> Kommt darauf an, was du mit "funktioniert" meinst.
>
>> meine Eingangsspannung kann ja irgendwo zwischen 0 und 6Vss liegen.
>
> Das ist eine Angabe der Amplitude. Für den ADC ist aber nicht die
> Amplitude ausschlaggebend, sondern der Bereich der Momentanwerte. Ein
> Sinussignal symmetrisch zu GND kann bei 6V Amplitude Momentanwerte
> zwischen -3V und +3V annehmen. Der vorgeschlagene Abschwächer reduziert
> das auf -1.5V .. +1.5V. Und nach dem Addieren von 1.65V kommen wir zu
> +0.15V .. +3.15V. Das liegt eindeutig innerhalb des Meßbereichs des ADC
> von 0..3.3V. Insofern funktioniert das schon.
>
> Wenn nun allerdings dein Signal eine geringere Amplitude hat, dann
> verringert sich die Amplitude nach Abschwächer/Addierer genauso. Bei
> z.B. 4Vss sind es nachher +0.65V .. +2.65V am ADC. Und im Extremfall von
> 0Vss erhält dein ADC eine Gleichspannung von 1.65V. Hattest du etwas
> anderes erwartet? Was? Und warum?

Ich hätte halt gern ein Signal ohne Offset.

Bei einem Sinussignal am Eingang der Schaltung von -3...+3V hätte ich 
gern am Ausgang der Schaltung ein Sinussignal von 0...+3V zum Eingang 
des ADC.

Bei einem Sinussignal am Eingang der Schaltung von -2...+2V hätte ich 
gern am Ausgang der Schaltung ein Sinussignal von 0...+2V zum Eingang 
des ADC.

Bei einem Sinussignal am Eingang der Schaltung von -1...+1V hätte ich 
gern am Ausgang der Schaltung ein Sinussignal von 0...+1V zum Eingang 
des ADC.

usw.

von MiMa (Gast)


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H. B. schrieb:
> Der AD-Wandler ist in einem DSP und ich muss das Signal recht exakt
> abtasten und auswerten um bestimmte Verzerrungen festzustellen.
> Da reicht es nicht nur die eine Halbwelle zu messen.

Dann

H. B. schrieb:
> Ich hätte halt gern ein Signal ohne Offset.

Dann bau dir einen Präzisionsgleichrichter. Dazu noch einen Komperator 
um zu detektieren ob das Signal positiv oder negativ ist.

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


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H. B. schrieb:
> Axel S. schrieb:
>> Hattest du etwas anderes erwartet? Was? Und warum?
>
> Ich hätte halt gern ein Signal ohne Offset.

Wie soll das gehen mit einem unipolaren ADC? Entweder verschiebst du 
dein Signal (vulgo: Offset). Oder schneidest eine Halbwelle ab.

> Bei einem Sinussignal am Eingang der Schaltung von -3...+3V hätte ich
> gern am Ausgang der Schaltung ein Sinussignal von 0...+3V zum Eingang
> des ADC.
>
> Bei einem Sinussignal am Eingang der Schaltung von -2...+2V hätte ich
> gern am Ausgang der Schaltung ein Sinussignal von 0...+2V zum Eingang
> des ADC.
>
> Bei einem Sinussignal am Eingang der Schaltung von -1...+1V hätte ich
> gern am Ausgang der Schaltung ein Sinussignal von 0...+1V zum Eingang
> des ADC.

Das wäre dann "abschneiden"

Allerdings schreibst du auch:

H. B. schrieb:
> Da reicht es nicht nur die eine Halbwelle zu messen.

Präzisionsgleichrichter ginge auch. Aber dann verlierst du die 
Information über die Polarität. Dir fällt bestimmt gleich ein Grund ein, 
warum das nicht geht.

von Bezugspotential (Gast)


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Axel S. schrieb:
>> Ich hätte halt gern ein Signal ohne Offset.
>
> Wie soll das gehen mit einem unipolaren ADC? Entweder verschiebst du
> dein Signal (vulgo: Offset). Oder schneidest eine Halbwelle ab.

Ja, das sind die bekannten Vorgehensweisen.

Ich fürchte, daß weder wir ihm, noch er uns, folgen können/kann:

H. B. schrieb:
> Ich hätte halt gern ein Signal ohne Offset.
>
> Bei einem Sinussignal am Eingang der Schaltung von -3...+3V hätte ich
> gern am Ausgang der Schaltung ein Sinussignal von 0...+3V zum Eingang
> des ADC.
>
> Bei einem Sinussignal am Eingang der Schaltung von -2...+2V hätte ich
> gern am Ausgang der Schaltung ein Sinussignal von 0...+2V zum Eingang
> des ADC.
>
> Bei einem Sinussignal am Eingang der Schaltung von -1...+1V hätte ich
> gern am Ausgang der Schaltung ein Sinussignal von 0...+1V zum Eingang
> des ADC.

Das ist aber gar nicht die Definition von "ohne Offset", sondern von
"Offset müßte automatisch variabel anpassend sein, so daß die negative
Spitze immer auf GND(ADC) zu liegen kommt."

Der Offset ist nämlich die Verschiebung der "Mitte" des Sinus.

Einige Gedanken dazu (nicht zwingend hilfreich...):

Was Du willst, könnte man vielleicht mit einer relativ komplexen 
Kombina- /Addi-tion mehrerer Standard-Schaltungen erreichen (ganz 
ehrlich - ich kann Dir nicht sagen, wie genau, da in meinem Kopf eine 
immer dem Eingangspegel Vp entsprechende, diesem also automatisch 
folgende [sowieso in der Dynamik nur begrenzt machbar], 
variable-DC-"Referenz" dazu nötig wäre... ["", weil auch noch hochgenau 
nötig... was ich als nahezu unmöglich betrachte] --- ich sehe da absolut 
schwarz).

Und: Bist Du wirklich sicher, daß diese "feste Linie", auf der die 
negativen Spitzen liegen, tatsächlich auf GND(ADC) liegen soll, und 
nicht etwas höher...? Mißt Dein ADC gerne nahe an / direkt auf GND?

Fragen über Fragen... THD-Messung hielt ich ja für "schon erfunden"?

von Felix R. (felix_r698)


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Sinus heißt AC-Kopplung. Also nimm nen ausreichend großen und guten 
Koppel-C über einen entsprechenden Spannungsteiler (also mit 1,65V 
Mitte). Dein MSB ist das Vorzeichen, bei 0 (also negativ) dann die 
übrigen Bits invertiert.

: Bearbeitet durch User
von H. B. (communicator9)


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Bezugspotential schrieb:


> Das ist aber gar nicht die Definition von "ohne Offset", sondern von
> "Offset müßte automatisch variabel anpassend sein, so daß die negative
> Spitze immer auf GND(ADC) zu liegen kommt."
>
> Der Offset ist nämlich die Verschiebung der "Mitte" des Sinus.
>
> Einige Gedanken dazu (nicht zwingend hilfreich...):
>
> Was Du willst, könnte man vielleicht mit einer relativ komplexen
> Kombina- /Addi-tion mehrerer Standard-Schaltungen erreichen (ganz
> ehrlich - ich kann Dir nicht sagen, wie genau, da in meinem Kopf eine
> immer dem Eingangspegel Vp entsprechende, diesem also automatisch
> folgende [sowieso in der Dynamik nur begrenzt machbar],
> variable-DC-"Referenz" dazu nötig wäre... ["", weil auch noch hochgenau
> nötig... was ich als nahezu unmöglich betrachte] --- ich sehe da absolut
> schwarz).
>
> Und: Bist Du wirklich sicher, daß diese "feste Linie", auf der die
> negativen Spitzen liegen, tatsächlich auf GND(ADC) liegen soll, und
> nicht etwas höher...? Mißt Dein ADC gerne nahe an / direkt auf GND?
>
> Fragen über Fragen... THD-Messung hielt ich ja für "schon erfunden"?

Genau so sehe ich das auch.
Ich müsste den Offset automatisch variabel anpassen, damit das rauskommt 
was ich will.
Ist mir schon klar dass das nur mit Analogtechnik nicht so einfach ist, 
wenn es so einfach wäre könnte ich das Problem auch selbst lösen - 
deshalb frage ich hier ja auch die Profis.
Ich werde es jetzt nur mit einem addierer versuchen und den Bereich an 
den AD-Wandler so anpassen dass ich bei einem Sinus von -3V...+3V in den 
AD-Wandler einen Sinus von 0...3V bekomme.
Ich kann bei niedrigeren Eingansspannungen im DSP den Offset ja 
rausrechnen.

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


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H. B. schrieb:
> Bezugspotential schrieb:
>
>> Das ist aber gar nicht die Definition von "ohne Offset", sondern von
>> "Offset müßte automatisch variabel anpassend sein, so daß die negative
>> Spitze immer auf GND(ADC) zu liegen kommt."

> Genau so sehe ich das auch.
> Ich müsste den Offset automatisch variabel anpassen, damit das rauskommt
> was ich will.

Aha. Dann ist es also wirklich das, was du willst? Das war bisher beim 
besten Willen nicht aus deinen Worten zu entnehmen.

Und nun die Masterfrage: Warum willst du das? Was ist deiner Meinung 
nach der Vorteil eines solchen variablen Offsets gegenüber einem 
konstanten Offset in der Mitte des ADC-Erfassungsbereichs?

Eine derartige Verschiebung (auch wenn ich den Sinn darin nicht erkennen 
kann) kannst du einfachst auch nach der AD-Wandlung machen. Einfach das 
Minimum des digitalen Signals über mindestens eine Periode des Sinus 
suchen und dann alle Samples um dieses Minimum nach unten verschieben.

von MaWin (Gast)


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H. B. schrieb:
> Aber das funktioniert doch nur wenn die Eingangsspannung einen festen
> Wert hat?

Nein.
Wenn Eingangsspannung und Addierspannung fest wären, dann braucht man 
gar keine Elektronik weil die Ausgangsspannung ja immer dieselbe wäre, 
also fest, also per Spannungsteiler aus der Versorgungsspannung 
erzeugbar wäre.

Ein Addierer mit OpAmp kann gut eine zeitvariable Spannung zu einer 
festen Spannung addieren und bekommt eine zeitvariable Spannung am 
Ausgang.
Aber bei dir reicht schon ein Spannungsteiler.

von H. B. (communicator9)


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Axel S. schrieb:
> H. B. schrieb:
>> Bezugspotential schrieb:

> Eine derartige Verschiebung (auch wenn ich den Sinn darin nicht erkennen
> kann) kannst du einfachst auch nach der AD-Wandlung machen. Einfach das
> Minimum des digitalen Signals über mindestens eine Periode des Sinus
> suchen und dann alle Samples um dieses Minimum nach unten verschieben.

Genau so mache ich es jetzt auch.
THX

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