Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Eingangssignal Verstärken (mit MC1458P?)


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von Phillip H. (philharmony)


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Hallo zusammen
Ich möchte zwei 1,5V-Signale (Clock- und Data von einem 
Digitalmessschieber) in einen Arduino einlesen, der auf 5V läuft.
In meiner Bastelkiste hab ich noch einen MC1458P gefunden, also ein Dual 
OPV.
Die Idee wäre jetzt, per Inverting Amplifier Circuit 
(https://www.arrow.de/research-and-events/articles/fundamentals-of-op-amp-circuits, 
Schaltung 2) die 1,5V zu verdreifachen. Leider bekomme ich maximal 1,8V 
hin mit 3kOhm/1kOhm oder höher, ab ca 10/1 nimmt das Ausgangssignal 
sogar ab.
Jetzt ist mein Verständnis und vor allem meine Praxiserfahrung mit 
Operationsverstärkern durchaus dünn, drum erstmal die Frage: Ist ein 
OPV, und insbesondere der Verwendete überhaupt für die Anwendung 
sinnvoll?
Und wenn ja, wo liegt mein Denkfehler?
Masse von 5V-Quelle, Eingangssignal und V- vom OPV hängen zusammen, V+ 
ist an 5V, das Signal vom Messchieber mit 1kOhm am inverting input A, 
Output mit 10kOhm zurück an inverting input. Non-Inverting-Input geht 
auf Masse. Daher sollte nach meiner Überlegung ja eigentlich der Output 
-10mal höher sein als der Input, begrenzt durch die 5V supply, was aber 
nicht so eintrifft.
Wäre dankbar für den einen oder anderen Hinweis
Viele Grüße
Phillip

von HildeK (Gast)


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Phillip H. schrieb:
> Wäre dankbar für den einen oder anderen Hinweis

Wir wären dankbar für ein SchaltBILD, nicht SchaltPROSA!

von Klaus R. (klara)


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Phillip H. schrieb:
> In meiner Bastelkiste hab ich noch einen MC1458P gefunden, also ein Dual
> OPV.

Hast Du auch ein Datenblatt gefunden?

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/mc1458.pdf

Dort steht das der MC1458P mindestens mit +/- 5 V betrieben werden 
sollte.
So wie ich Dich verstanden habe, hast Du den OPV mit +5 V versorgt. Dann 
hast Du einen invertierten Betrieb vorgesehen. Wenn Du + 1,5 V am 
Eingang anschließt, bekommst Du -4,5 V heraus. Eine negative Spannung 
hast Du aber nicht, sondern nur die + 5V.

Bei +/-15 V Versorgung schafft der OPV nur +/-12 V. Also die restlichen 
3 V schafft er nicht. Folglich, wenn der OPV überhaupt nur mit + 5V 
laufen würde, könnte er Dir so und so nur +2 V liefern. Du benötigst 
einen Rail2Rail OPV und die 3. Schaltung, einen Nicht-invertierenden 
Verstärker.
mfg Klaus

: Bearbeitet durch User
von Phillip Hommel (Gast)


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Ok, danke für die Hinweise. Ist denn ein OPV dann überhaupt "the way to 
go"?

von Stefan F. (Gast)


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Die Spannung Digitaler Signale verstärkt man eher mit Pegelwandlern, 
gerne auch einzelne Transistoren. Operationsverstärker sind eher für 
analoge Signale gedacht.

von Phillip H. (philharmony)


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Ich habe mir jetzt mal den Artikel zu den Pegelwandlern hier auf der 
Seite durchgelesen 
(https://www.mikrocontroller.net/articles/Pegelwandler), aber so richtig 
viel weiter bin ich jetzt noch nicht:
Der Messchieber wir von einer Knopfzelle betrieben, als Output über 
einen USB-Stecker bekomme ich Gnd, 1,5V, Clk und Dat. Für die 1,5 auf 5V 
werden im Artikel nur bidirektionale Typen aufgelistet, die dann aber 
beide Spannungsversorgungen brauchen. Ich bin aber nicht sicher, ob ich 
die 1,5V auf dem Stecker wirklich dafür hernehmen kann, denn man kann 
einen Button zwischen die und Gnd schalten und damit den Messschieber 
nullen. Dh das ist wohl eher ein Input mit Pullup?

Ist die Pegelwandlung 1,5 auf 5V wirklich so speziell? Fertige Boards 
finde ich vor allem für 3,3 auf 5V, aber nichts für meine Anwendung. 
Habt ihr einen Tipp für mich?

von Manfred (Gast)


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> Die Spannung Digitaler Signale verstärkt man eher mit Pegelwandlern

Schaue mal das Datenblatt vom Texas TXS0108E an:
"1.2 V to 3.6 V on A Port and 1.65 V to 5.5 V on B Port"

Die gibt es als fertige Platinchen billig beim Chinesen und ich setze 
sie bei Einzelstücken ein, auch, wenn ich nicht alle acht brauche.

Wenn Du andere Bauteilquellen hast, der 0108 hat auch kleinere 
Geschwister mit weniger Kanälen.

Den Einsatz bipolarer Transistoren sehe ich kritisch, da diese 
Basisstrom wollen, den die Schieblehre vermutlich nicht liefert. Wenn 
eine Invertierung des Signals unkritisch ist, könnte ein BS170 FET zum 
Einsatz kommen.

von Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)


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Ich würde da eher einen Komparator a la LM393 benutzen. Man kann auch 
OpAmps dazu missbrauchen, aber die sind meistens langsam, wenn sie in 
Sättigung gehen.
Der LM393 hat OC Ausgänge und kann damit so gut wie jeden Ausgangspegel 
erzeugen. Und er läuft ab etwa 2V Betriebsspannung.

: Bearbeitet durch User
von Phillip H. (philharmony)


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Braucht der TXS0108E die 1,5V am A-Port nur als referenz oder zieht er 
da auch Strom?
Ich müsste am Ende 3 Messschieber anschließen, können die alle auf einen 
TXS0108E, oder müsste es für jeden ein eigener sein?

von Jörg R. (solar77)


Angehängte Dateien:

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Wie wäre es damit? 2 Transistoren und 4 Widerstände. Die Signale kommen 
zwar invertiert zum uC, aber das kann ja per Software wieder umgekehrt 
werden.

von Phillip H. (philharmony)


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Ja, die Schaltung mit den Transistoren habe ich auch schon gefunden, 
aber da war eben die Befürchtung dass die Batterie den Basisstrom nicht 
(lange) liefert. Ist das unbegründet?
Die Pullups könnte man sich sogar sparen da die Arduinos interne haben.

von Bingo (Gast)


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Ich würde einen Optokoppler nehmen. Erstens bist du völlig getrennt vom 
Stromkreis des Messschiebers und zweitens kannst du den Pegel auf 5V 
"verstärken"

von Manfred (Gast)


Angehängte Dateien:

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Matthias S. schrieb:
> Ich würde da eher einen Komparator a la LM393 benutzen.

Du meinst eher LM339 bzw. LM2901 " Quad Differential Comparators", wo 
auch Texas zu dusselig war, das im Datenblatt korrekt zu schreiben. 
Damit war ich in der Prüftechnik an hochohmigen CMOS, der Vorschlag 
gefällt mir und ist wohl die beste Lösung.

Phillip H. schrieb:
> Braucht der TXS0108E die 1,5V am A-Port nur als referenz oder zieht er da auch 
Strom?

Schaue ins Datenblatt, er braucht dort typ. 1,5µA, die kann man 
ertragen. Ohne die Versorgung beider Seiten wird er nicht funktionieren.

> Ich müsste am Ende 3 Messschieber anschließen,

Bei gemeinsamer Masse wäre das kein Problem. Ich nehme an, Du willst 
eine Maschine aufrüsten, hast also alle drei sowieso an der selben 
Versorgung?

Egal, der LM339 ist ein guter Vorschlag, brauchst' eben zwei von.

Phillip H. schrieb:
> aber da war eben die Befürchtung dass die Batterie den Basisstrom nicht (lange) 
liefert.

Schrieb ich auch, würde ich nicht machen.

von Jörg R. (solar77)


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Manfred schrieb:
> Den Einsatz bipolarer Transistoren sehe ich kritisch, da diese
> Basisstrom wollen, den die Schieblehre vermutlich nicht liefert. Wenn
> eine Invertierung des Signals unkritisch ist, könnte ein BS170 FET zum
> Einsatz kommen.

Phillip H. schrieb:
> Ja, die Schaltung mit den Transistoren habe ich auch schon gefunden,
> aber da war eben die Befürchtung dass die Batterie den Basisstrom nicht
> (lange) liefert. Ist das unbegründet?

Stimmt, der Basistrom belastet die Versorgung des Messschiebers zu 
stark. Darlington geht auch nicht weil dann die Spannung vom Messchieber 
nicht ausreicht.

BS170 geht auch nicht, die erforderliche Gatespannung ist zu hoch.

Also doch der OPV als Komparator.

: Bearbeitet durch User
von Michael B. (laberkopp)


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Phillip H. schrieb:
> Ist ein
> OPV, und insbesondere der Verwendete überhaupt für die Anwendung
> sinnvoll?

Nein.

Der hat ersten einen viel zu kleinen Aussteuerungsbereich, der MC1458 
ist ja ein Doppel-uA741 und braucht als negative Versorgung 3V weniger 
als das Signal und als positive Versorgung 3V mehr als das Signal, 
ausserdem ist er zu langsam für die Digitalsignale.

Mach es einfach so, wie alls die Digitalmesschieber auswerten:

http://www.nerdkits.com/videos/digital_calipers_dro/hispeedreadout.png
http://www.nerdkits.com/videos/digital_calipers_dro/

Dann kann der PC sogar dessen Knöpfe drücken.

Phillip H. schrieb:
> aber da war eben die Befürchtung dass die Batterie den Basisstrom nicht
> (lange) liefert.

Bei 100k und 1.5V Batterie vs. 0.7V Transistorbasisspannung fliessen 
7uA, da reicht selbst eine LR44 (120mAh) 2 Jahre. Ausserdem: Wer an 
einen Messchieber ein Kabel anschliesst, kann ihn darüber gleich mit 
Strom versorgen.

von Stefan F. (Gast)


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Bingo schrieb:
> Ich würde einen Optokoppler nehmen.

Die Batterie des Messschiebers dürfte dafür langfristig zu schwach sein. 
Wahrscheinlich auch der Mikrochip in dem Gerät.

> Ausserdem: Wer an einen Messchieber ein Kabel anschliesst, kann
> ihn darüber gleich mit Strom versorgen.

Stimmt auch wieder.

von Phillip Hommel (Gast)


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Ok, ich werd mal testen, ob ich über den Stecker die Stromversorgung 
machen kann. Irgendwie ist mir noch nicht ganz klar, was das 4. Kabel 
genau macht.
Zum einen messe ich gegen Masse 1.5V, wenn ich jedoch clc oder data 
Messe, sind die immer bei -1,5V,und zwar egal ob gegen Masse oder gegen 
das ominöse 4. Kabel gemessen, das leuchtet mir nicht so wirklich ein...

von Bingo (Gast)


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Was spricht dagegen einen einfachen FET zu nehmen mit Vorwiderstand 
damit das Gate nicht zu schnell geladen wird (kleinerer Ladestrom)

von Lothar J. (black-bird)


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Welcher "einfache FET" kann denn mit <=1,5V voll ausgesteuert werden?

Blackbird

von Michael B. (laberkopp)


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Phillip Hommel schrieb:
> Irgendwie ist mir noch nicht ganz klar, was das 4. Kabel
> genau macht.

Es wird bei deinem Messschieber nicht anders sein, als bei allen 
anderen.

von (Gast)


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Michael B. schrieb:
> Es wird bei deinem Messschieber nicht anders sein, als bei allen
> anderen.

?

von (Gast)


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von (Gast)


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Es gibt ja auch Mikrocontroller mit eingebauten Komparatoren, 
optimalerweise mit MUX zum Auswählen des Signaleingangs.

von Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)


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Manfred schrieb:
>> Ich würde da eher einen Komparator a la LM393 benutzen.
>
> Du meinst eher LM339 bzw. LM2901 " Quad Differential Comparators"

Nö, ich meine schon de LM393, weil ein Dual Komparator für zwei Signale 
reicht. Der TE hat, wie er schreibt, Clock und Data. Fügt man die 
Pullups am Ausgang hinzu, passt der Chip direkt an die Stelle des 1458, 
den er bisher probiert hat.

Manfred schrieb:
> wo
> auch Texas zu dusselig war

Texas hat alles richtig beschrieben. Es gibt als Quad Komparator den 
LM139, 239 und den 339, sowie den LM2901. Die Beschriftung im DB mit 
LMx39x ist also korrekt. Aber wir brauchen hier nur den LM193, 293 oder 
393.

: Bearbeitet durch User
von Bingo (Gast)


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Welchen Arduino hast du? Schau doch mal im Handbuch von dem 
Mikrocontroller nach ob da was von Comparator steht. Nach meinem 
Kenntnissstand haben alle Atmels sowas!

von Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)


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Bingo schrieb:
> Nach meinem
> Kenntnissstand haben alle Atmels sowas!

Aber leider nur einen.

von HildeK (Gast)


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Lothar J. schrieb:
> Welcher "einfache FET" kann denn mit <=1,5V voll ausgesteuert werden?

Streng nach Datenblatt wohl eher keiner.
Aber:
- die Anwendung erfordert keine DS-Ströme im Amperebereich, zur 
Auswertung am Arduino reichen auch locker 100µA .... 500µA.
- für eine Einzelanwendung kann man sich durchaus mal die typische 
Kennlinie anschauen und einen Typ ausmessen, ob er diese einigermaßen 
erfüllt.
So sehe ich z.B. beim IRLML6344 im Diagramm, dass er typisch bei 1.5V 
UGS noch mehr als 1A kann (wenn ihm nicht zu kalt ist). Damit sollte 
sich ein Strom von z.B. 500µA (5V an 10kΩ) doch noch schalten lassen ...

von Phillip H. (philharmony)


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Wow, also erstmal bin ich ziemlich baff wie viele Möglichkeiten es da 
wohl gibt. Am einfachsten ist es wohl wirklich, mit einem kleinen 
Transistor, soweit die externe Stromversorgung möglich ist.
Die 1,5V dafür kann ich mir per Spannunsteiler aus den 5V für den 
Arduino machen oder? Dafür müsste der OPV ja geeignet sein, per 
Spannungsfolger-Schaltung. Hab ich den Teil wenigstens richtig 
verstanden?

von HildeK (Gast)


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Phillip H. schrieb:
> Am einfachsten ist es wohl wirklich, mit einem kleinen
> Transistor, soweit die externe Stromversorgung möglich ist.
> Die 1,5V dafür kann ich mir per Spannunsteiler aus den 5V für den
> Arduino machen oder? Dafür müsste der OPV ja geeignet sein, per
> Spannungsfolger-Schaltung. Hab ich den Teil wenigstens richtig
> verstanden?

Mal doch einfach mal auf, was du meinst.
Der Transistor wird von den 5V am Arduino versorgt.
Bisher war der Ansatz, dass der Messschieber Signale mit 1.5V liefert, 
musst du den jetzt auch noch versorgen? Bisher war hier von einer 
Knopfzelle die Rede! Wenn doch, ja es geht auch mit einem OPA, aber eher 
nicht mit dem MC1458. Mit einem anderen billigen, dem LM358 könnte es 
eher gehen. Oder gleich mit einem R2R.
Je nach Stromaufnahme des Messschiebers reicht da auch ggf. nur ein 
Spannungsteiler mit einem Elko als Puffer. Ansonsten würde ich zwei 
Dioden (ev. + 1 Schottky) als Stabilisierung verwenden.

von Phillip H. (philharmony)


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Ich MUSS ihn nicht versorgen, wenn es aber geht, warum sollte ich dann 
Knopfzellen nutzen, wenn das DRO (3-Achsen Display) was ich bauen möchte 
sowieso ne Spannungsversorgung hat. Die Sorge war, dass die einfachste 
der Schaltungen (zumindest für meinen Wissensstand), mit einem 
Transistor und Pullup zu arbeiten zu viel Basisstrom für die Knopfzellen 
zieht. Daher könnte ich eben den ganzen 1,5V teil auch extern Versorgen. 
Dazu muss ich aber eben eine hinreichend stabile 1,5V Quelle 
realisieren.
Da ich eben bisher noch nie mit einem Operationsverstärker gearbeitet 
habe, fehlen mir die Praxiswerte, was da jeweils am besten geeignet ist. 
Magst Du kurz erläutern, warum der LM358 dafür besser geeignet ist? LG

von Manfred (Gast)


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Phillip H. schrieb:
> Die Sorge war, dass die einfachste
> der Schaltungen (zumindest für meinen Wissensstand), mit einem
> Transistor und Pullup zu arbeiten zu viel Basisstrom für die Knopfzellen zieht.

Als weitere Frage steht im Raum, wieviel Strom der Ausgang treiben kann.

> Daher könnte ich eben den ganzen 1,5V teil auch extern Versorgen.
> Dazu muss ich aber eben eine hinreichend stabile 1,5V Quelle
> realisieren.

Das kann ein LM317 ohne Probleme.

> Da ich eben bisher noch nie mit einem Operationsverstärker gearbeitet
> habe, fehlen mir die Praxiswerte, was da jeweils am besten geeignet ist.

Ich denke, dass die Komparatorbausteine LM393 oder LM339 den besten Weg 
darstellen. Der Komparator ist nicht viel anders als ein 
Operationsverstärker. Die benannten Typen haben kein Problem mit Deinem 
geringen Signalpegel und brauchen fast keinen Strom am Eingang. Da macht 
es wenig Sinn, krampfhaft einen klassischen OP verwenden zu wollen - 
ausser, Du hast die in der Schublade.

Die LM339 sind (mit leicht abweichenden Daten) auch noch als MC3302 / 
LM3302 unterwegs.

von HildeK (Gast)


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Phillip H. schrieb:
> Magst Du kurz erläutern, warum der LM358 dafür besser geeignet ist?

Das Hauptproblem ist, dass der Ausgang beim 358 bis fast an 0V 
herankommen kann, ebenso die Eingänge. Außerdem arbeitet er ab 3V. Das 
ist bei vielen anderen nicht der Fall.
Der 1458 muss im schlechtesten Fall 3V Abstand von den Rails habe - am 
Ein- und am Ausgang. Deshalb kann er keine 1.5V am Ausgang abliefern, 
außer du versorgst ihn mit +/-5V.

von Dietrich L. (dietrichl)


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Manfred schrieb:
> Das kann ein LM317 ohne Probleme.
> ...
> Ich denke, dass die Komparatorbausteine LM393

Genau so ist es bei der "Schieblehrenanzeige SLA 1" von ELV realisiert: 
LM317 für die 1,5V-Versorgung und LM393 für Clock und Data. Und das 
funktioniert einwandfrei.

von Phillip H. (philharmony)


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Ok, vielen Dank für all die tollen Tipps. Ich hab die nächsten Tage eh 
keine Zeit zum basteln und mir derweil mal ein paar LM393 und 317er 
bestellt.
Zunächst will ich eh erstmal auf dem Breadboard irgendwie das Signal auf 
5V anheben, damit ichs im Arduino einlesen kann.

von Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)


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Phillip H. schrieb:
> Zunächst will ich eh erstmal auf dem Breadboard irgendwie das Signal auf
> 5V anheben, damit ichs im Arduino einlesen kann.

Mir hat es immer Spass gemacht, auf dem Steckbrett mit OpAmps und 
Komparatoren rumzuspielen. Probier die invertierende und die nicht 
invertierende Schaltung aus. Wichtig ist beim LM393 nur, das am Ausgang 
ein Pullup gegen Plus da ist (z.B. 1k) oder eine LED mit Vorwiderstand 
gegen Plus, damit man auch was sieht.
Ist der Minus Eingang höher als der Plus Eingang wird die LED leuchten 
(Ausgang ist auf Masse). Ists umgekehrt, springt der Ausgang auf Plus 
und die LED geht aus. Der eine Eingang bstimmt also die Schaltschwelle 
und am anderen liegt das Eingangssignal.
Es ist sinnvoll, wenn du dir noch ein oder zwei Potis mit 
Steckbrettdrähtchen machst. Können z.B. 10k oder 100k Typen sein.

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