Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik OPV Schwankung - Shuntmessung


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von Johannes K. (hudlbergajoe)


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Hallo Leute,

ich will für eine Projektarbeit einen AMR-Sensor mithilfe eines Shunt 
kalibrieren.
Dafür habe ich mir eine Platine mit den erforderlichen Bauteilen machen 
lassen.
Ich habe alle Teile die andere Funktionen erfüllen als die in den 
Bildern gezeigten, ausgelötet.
Aktuell komme ich bei der Verstärkung des Spannungssignals vom Shunt 
nicht weiter:

Die Messung soll wie links im Bild 1 gezeigt ablaufen. Das Shunt-Signal 
wird verstärkt und am Delta-Sigma-Modul umgewandelt.
Rechts sieht man die Ansteuerung des Netzteils per GPIOy: Falls dass 
Signal high ist, schaltet der MOSFET und REM-SB wird gegroundet.
Im Versuch ist der DSUB Stecker aber nicht drin, also fließt da kein 
Strom zwischen Netzteil und Platine.
Jetzt zum Problem: Die Schaltstellung hat einen Einfluss auf die 
Spannung von P1 zu DGND (mit Multimeter gemessen).
Manchmal sind die Werte korrekt, wenn die LED leuchtet, manchmal nicht. 
Entlöte ich die LED, dann sind die Werte immer korrekt (Spannung von P1 
sinkt dann um ca. 20%).

Der zweite Punkt den ich untersucht hab sieht man in Bild 2:
Der Mikrocontroller ist nur per +5V und GND mit der Platine verbunden.
Auf GPIOx vom Mikrocontroller hab ich ein PWM-Signal erzeugt, welches 
den DSM dann takten soll (10 MHz).
Wenn ich jetzt wieder wie in Bild 1 (ohne LED) die verstärkte Spannung 
am P1 messe, ist diese korrekt.
Aber: Schließe ich ein Kabel am PIN des GPIOx an (nur anschließen, nicht 
verbinden mit irgendwas), dann sinkt die Spannung am P1 wieder wie oben.
Habe ich das Kabel angeschlossen, und Muxe den GPIO nicht mit dem 
PWM-Modul des Mikrocontroller, dann gehts, nur wenn das Clock-Signal 
wirklich auf den PIN gemuxt wird gehts nicht mehr.
Ich habe dann aus Neugier den Strom gemessen der zwischen Platine und 
Mikrocontroller fließt.
Er betrug 16,6 mA auf +5V und auf GND. Stecke ich jetzt ein Kabel auf 
den PIN des GPIOx, dann sinkt der Strom auf beiden Leitungen um ca. 0,1 
mA.

Ich kann mir da leider keinen Reim draus machen und verstehe den 
Zusammenhang nicht.
Weiß jemand von euch da weiter? Wie gehe ich beim Fehler finden weiter 
vor? Was könnte die Ursache sein?

PS:
- Spannungsmessung direkt am Shunt ergab immer den korrekten Wert egal 
welcher GPIO wie geschaltet war.
- Die Glättungskondensatoren und Vorwiderstände vom Delta-Sigma-Modul 
sind nicht alle eingezeichnet, wurden aber wie in der Layoutempfehlung 
(Datenblatt) berücksichtigt.
- Habe baugleichen Ersatz-Mikrocontroller benutzt, gleiches Ergebnis
- Clock-Signal auf anderem PIN erzeugen und dann einstecken bringt das 
gleiche Ergebnis.
- USB 2.0 oder USB 3.0 ändert nichts.

: Verschoben durch Moderator
von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Johannes K. schrieb:
> Die Messung soll wie links im Bild 1 gezeigt ablaufen.
Die Eingangsspannung muss mindestens (V–) + 1.5 betragen, und am Ausgang 
sieht es nicht viel besser aus. Nimm einen Opamp, der R2R sowohl an den 
Eingängen wie auch am Ausgang kann.

: Bearbeitet durch Moderator
von Johannes K. (hudlbergajoe)


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Laut Datenblatt kann der OpAmp minimal (V-)-0,5 und (V+)+0,5 an den 
Signalpins, sollte also bis -0,5 Volt funktionieren, wobei eh nur GND 
erreicht wird.
Außerdem würde er doch dann generell nicht funktionieren und nicht 
sporadisch manchmal andere Werte anzeigen oder?

von nachtmix (Gast)


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Meinst du nicht, dass es klug wäre dem OPA auch in der +IN Leitung einen 
430 Ohm Widerstand zu spendieren und dann beide Eingänge mit Klemmdioden 
zu versehen?
Ich denke dabei daran, was an diversen parasitären Induktivitäten 
passiert, wenn die 250A plötzlich unterbrochen werden.

von nachtmix (Gast)


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Johannes K. schrieb:
> Manchmal sind die Werte korrekt, wenn die LED leuchtet, manchmal nicht.
> Entlöte ich die LED, dann sind die Werte immer korrekt

Die LED überlastet den GPIO und deshalb wird der IGBT nicht mehr sauber 
angesteuert und REM-SB flattert.
Spendier der Lampe eine Pufferstufe, oder setze dort einen 
Logic-Level-MOSFET ein.

von my2ct (Gast)


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Lothar M. schrieb:
> Nimm einen Opamp, der R2R sowohl an den
> Eingängen wie auch am Ausgang kann.

Zitat aus dem Datenblatt OPA196: "Rail-to-Rail Input and Output"
https://www.ti.com/lit/ds/symlink/opa196.pdf

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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my2ct schrieb:
> Zitat aus dem Datenblatt OPA196
Hoppla, da hatte ich einen Zahlendreher beim Abtippen...  :-/

nachtmix schrieb:
> Meinst du nicht, dass es klug wäre dem OPA auch in der +IN Leitung einen
> 430 Ohm Widerstand zu spendieren
Oder korrekterweise gleich 430||1k3 = 330 Ohm, aber das macht bei einem 
derart niederohmigen Aufbau und max. 50nA Leckstrom den Kohl nicht fett.

> und dann beide Eingänge mit Klemmdioden zu versehen?
Dann aber welche mit geringem Leckstrom...
Und auch die Eingangsbeschaltung etwas hochohmiger machen, denn R2R am 
Ausgang kann der OP nur bei geringer Belastung. Aber das ist ja erst mal 
offenbar nicht das Problem, denn die OP-Schaltung an sich funktioniert 
ja augenscheinlich.

Johannes K. schrieb:
> Aber: Schließe ich ein Kabel am PIN des GPIOx an (nur anschließen, nicht
> verbinden mit irgendwas)
5cm oder 5m?

> Was könnte die Ursache sein?
Hört sich nach irgendeinem Masse- oder Versorgungsproblem an. Wenn schon 
die hier sichtbasen Massen "DGND" oder "DGNDµC" heißen: welche anderen 
Massen hast du noch?
Die Masse deiner "Netzteilsteuerung" hängt aber auch mit an der Masse, 
auf die sich der Mosfet (für den du übrigens das Symbol eines IGBT 
verwendest!) bezieht?

> Wie gehe ich beim Fehler finden weiter vor?
Zeichne mal einen Schaltplan mit der kompletten Versorgungsstruktur und 
der Masseführung beider beteiligten Komponenten.

von Johannes K. (hudlbergajoe)


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Danke schon mal für die Antworten:

@nachtmix:
Im Datenblatt sowohl unter Layoutempfehlungen als auch unter 
Applications ist kein Widerstand für +IN vorgesehen. Unter 7.3.7 heißt 
es zudem dass schon diverse Stromführungsdioden sowie zwei Widerstände 
am Eingang integriert sind.

@nachtmix:
REM-SB flattert nicht weil am DSUB im Versuch nix angesteckt ist (steht 
in meinem Text).

@Lothar M.:
Ich hab damals bei der Auslegung auch hier einen Beitrag erstellt, wo 
mir zu niederohmigen Widerständen am OPV geraten wurde, da das stabilere 
Werte bezüglich des Stroms und damit der Spannung ergibt.

> 5cm oder 5m?
Normales Brücken-Kabel, ca. 10 cm lang. Nicht leitend mit meinen Fingern 
verbunden.

Es gibt nur einen Ground: DGND vom Mikrocontroller, der ist mit dem 
Ground von der Platine, mit einer Seite des Shunt und mit dem DGND von 
der Netzteilsteuerung verbunden. Da im DSUB im Versuch nix steckt, ist 
das ja nur n kleines Reservoir und über den MOSFET sollte nix fließen.
Das uC hab ich beim zweiten Bild nicht eingetragen. Hab sonst keine 
Massen.
Hoppala, es ist ein normaler MOSFET und kein IGBT. Geht für ne Skizze 
halt schneller ohne den Mittelpfeil :)

> Zeichne mal einen Schaltplan mit der kompletten Versorgungsstruktur und
> der Masseführung beider beteiligten Komponenten.
Den hab ich. Ich wollte nur die ganzen Teile die ich mittlerweile 
ausgelötet hab nicht in meiner Zeichnung, da sie ja keine Rolle für die 
jetzige Situation spielen sollten.

Ich werd jetzt mal höherohmige Widerstände am OPV testen, vielleicht 
liegt es daran.

: Bearbeitet durch User
von 2 Cent (Gast)


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Johannes K. schrieb:
> Was könnte die Ursache sein?
Check: Probiers mal mit niederinduktiven und niederohmigen 
GND-Leitungen. Also kurze, dicke Drähte.

HTH

von Johannes K. (hudlbergajoe)


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So ich hab jetzt - denke ich - den Grund für Problem 1 aus Bild 1 
gefunden:
Der Spannungsunterschied kommt von der Änderung der Stromstärke die über 
die Groundlayer abfließen muss (Größenordnung wenige Millivolt). Darauf 
gekommen bin ich, als ich an verschiedenen Stellen der Groundplatte 
gemessen hab und leichte Unterschiede festgestellt habe.

Jetzt häng ich an Problem 2 aus Bild 2:
Der Spannungsunterschied zwischen Ground am Delta-Sigma-Modul und dem 
verstärkten Signal des OPV ist soweit konstant, egal ob ich die LED 
schalte (und damit den DSUB) oder nicht.

Auf PIN 38 habe ich das CLK Signal von 10 MHz eingestellt. Wenn ich 
jetzt auf PIN 38 ein Signalkabel lege (10 cm lang) und nirgends verbinde 
(!) dann hab fällt der Spannungsunterschied am Eingang vom 
Delta-Sigma-Modul auf 0 Volt ab.

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