Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Verständnissfrage OP Schaltung


von Dietmar B. (theq)


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Hallo,

habe ein paar Verständnissfragen ...

Die Schaltung soll das Delta der abfallenden Spannung messen.
dU = U(t0) - U(t1)


Das Signal wird mit dem Schalter 2 mal abgetastet. Mit der ersten 
Abtastung wird der invertierende Eingang des OP gespeist, mit der 
zweiten der nicht-invertierende. Nach dem OP kommt dann ein ADC ...
Das ganze passiert periodisch.

1) Wieso werden überhaupt beide Eingänge des OP genutzt. Man könnte doch 
den nicht-invertierenden auf GND legen und beide Abtastungen an den 
invertierenden Eingang schalten. Aktuell wird die 2te Abtastungen doch 
wieder von der 1ten abgezogen.

2) Wieso wird der, im Moment der Abtastung, nicht genutzte Eingang über 
den R7/R8 nach GND gelegt? ... statt ihn offen zu lassen

3) Was macht der C10? Bei der 2ten Abtastung ergibt das ja mit R1 einen 
Tiefpass am nicht-invertierenden Eingang.

Vielen Dank schon mal!

: Bearbeitet durch User
von Joe F. (easylife)


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Dietmar B. schrieb:
> Hallo,
>
> habe ein paar Verständnissfragen ...
>
> Die Schaltung soll das Delta der abfallenden Spannung messen.
> dU = U(t0) - U(t1)

...wobei die Grafik für das Eingangssignal unglücklich ist, denn delta_U 
ergibt sich durch das zeitlich versetzte Abtasten des Signals auf der 
Zeitachse.

> Das Signal wird mit dem Schalter 2 mal abgetastet. Mit der ersten
> Abtastung wird der invertierende Eingang des OP gespeist, mit der
> zweiten der nicht-invertierende. Nach dem OP kommt dann ein ADC ...
> Das ganze passiert periodisch.
>
> 1) Wieso werden überhaupt beide Eingänge des OP genutzt. Man könnte doch
> den nicht-invertierenden auf GND legen und beide Abtastungen an den
> invertierenden Eingang schalten. Aktuell wird die 2te Abtastungen doch
> wieder von der 1ten abgezogen.

In der Schaltung ist eine "low-cost" Sample- und Hold Stufe enthalten.
In Schalterposition 4-3 wird C10 über R1 aufgeladen, und kann die Ladung 
eine Weile lang beibehalten, da er über einen großen Widerstand (R13) 
entladen wird.

Dies sollte aber IMHO passieren, bevor der Schalter auf 1-3 gesetzt 
wird.
In dieser Position hat der Verstärker ein Gain von ca. (-)200.
Somit verstärkt er die Differenz vom zuvor im Sample-and-hold 
"gespeicherten" Spannungswert und dem aktuellen Spannungswert um den 
Faktor (-)200.

In dieser Schalterstellung sollte also auch die ADC Messung passieren, 
nicht in Stellung 4-3.
Dementsprechend würde ich C11 auch deutlich kleiner dimensionieren, denn 
hier möchte man keine TP Wirkung haben, um relativ zeitnah zum 
Umschalten auf 1-3 den ADC sein Werk verrichten zu lassen.
Je länger man wartet, desto ungenauer wird es, da C10 stetig entladen 
wird.

>
> 2) Wieso wird der, im Moment der Abtastung, nicht genutzte Eingang über
> den R7/R8 nach GND gelegt? ... statt ihn offen zu lassen

Sehr gute Frage. R8 ist hier absolut störend, da er den Sample & Hold 
Kondensator C10 unnötig schnell entlädt.

> 3) Was macht der C10? Bei der 2ten Abtastung ergibt das ja mit R1 einen
> Tiefpass am nicht-invertierenden Eingang.

Wie gesagt, Sample & hold.
Die Abtastrate ist bei einer solchen Schaltung sehr limitiert, da der 
Kondensator nur relativ langsam "umgeladen" werden kann (über R1).



>
> Vielen Dank schon mal!

: Bearbeitet durch User
von Dietmar B. (theq)


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> ...wobei die Grafik für das Eingangssignal unglücklich ist, denn delta_U
> ergibt sich durch das zeitlich versetzte Abtasten des Signals auf der
> Zeitachse.

hoffe das ist nicht zu verwirrend. Es soll nicht das Delta zwischen 
Abtastung 1 und Abtastung 2 gemessen werden, sondern das Delta zwischen 
Periode1 U(t0) und Periode2 U(t1), usw.

von Joe F. (easylife)


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Dietmar B. schrieb:
> Es soll nicht das Delta zwischen
> Abtastung 1 und Abtastung 2 gemessen werden, sondern das Delta zwischen
> Periode1 U(t0) und Periode2 U(t1), usw.

Achso, dann macht das Bild zum Eingangssignal natürlich Sinn.

Aber die gesamte Schaltung nicht.

In dem Fall würde man vernünftigerweise einen einfachen Verstärker 
bauen, sich den Analogswitch sparen, und den ADC jede Periode einzeln 
erfassen lassen.
Die Differenz kann man dann ja digital ermitteln.
Hast du ja unter 1) auch schon ganz richtig beschrieben.

Der einzige Grund es so zu machen läge darin, einen hohen 
Verstärkungsfaktor für die Differenz zu benötigen.
Der ist aber in Schalterstellung 4-3 nicht gegeben.

Welchen Pegel hat denn das Eingangssignal, und wie hoch ist das zu 
erwartende und zu messende delta_U?

: Bearbeitet durch User
von Sven S. (schrecklicher_sven)


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Joe F. schrieb:
> einen hohen
> Verstärkungsfaktor für die Differenz...
> Der ist aber in Schalterstellung 4-3 nicht gegeben.

Doch, nur invertiert.
Hat hier wirklich noch keiner den Differenzverstärker erkannt?

von Dietmar B. (theq)


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Vielen Dank! Das hat mir schon mal sehr weiter geholfen.

> In dem Fall würde man vernünftigerweise einen einfachen Verstärker
> bauen, sich den Analogswitch sparen, und den ADC jede Periode einzeln
> erfassen lassen.

Ich vermute das geht nicht wirklich, da das Signal ziemlich rauscht und 
von Periode zu Periode "anders" aussieht und daher erst mal mit 
Analogtechnik integriert/gemittelt werden soll bevor man es mit einem 
low cost ADWandler/µC  auswerten kann.


> Welchen Pegel hat denn das Eingangssignal, und wie hoch ist das zu
> erwartende und zu messende delta_U?

Das Eingangssignal fällt von 5V auf 0V innerhalb von ca. 10...30µs.
Periodendauer ist unkritisch (1kHz).
Das delta_U bewegt sich irgendwo bei 100mV.


Noch ein evtl. wichtiges Detail. Es kann sein, dass das Delta der 2ten 
Abtastung für das Gesamtergebnis wichtiger ist als das der ersten 
(obwohl es kleiner ist als das Delta der ersten).

von Joe F. (easylife)


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Sven S. schrieb:
> Doch, nur invertiert.
> Hat hier wirklich noch keiner den Differenzverstärker erkannt?

Na doch, aber die Verstärkung ändert sich mit der Schalterstellung.
In Position 1-3 ist sie 2200K/10K = 220 (vorausgesetzt die Quelle ist 
niederohmig), in Schalterstellung 4-3 nur noch 2200K/1010K = 2.2

Dietmar B. schrieb:
> Noch ein evtl. wichtiges Detail. Es kann sein, dass das Delta der 2ten
> Abtastung für das Gesamtergebnis wichtiger ist als das der ersten
> (obwohl es kleiner ist als das Delta der ersten).

Irgendwie verstehe ich immer noch nicht, was eigentlich abgetastet wird.
Ist es
a) ein fallendes Eingangssignal, das an 2 zeitlich versetzten Stellen 
erfasst wird, und das Delta zwischen diesen 2 Stellen ist interessant 
(so sieht es im oberen Bild aus, in dem die Schalter zeitlich versetzt 
geschaltet werden)

oder

b) ein fallendes Eingangssignal, das sich immer wieder mit leichten 
Variationen wiederholt, und es sollen 2 dieser Signalverläufe verglichen 
werden.
Das passt dann zu dem Bild auf der linken Seite, in dem 2 
unterschiedliche Signalverläufe (Perioden) erfasst werden, und zwar mit 
gleichem relativen zeitlichen Versatz zum Beginn des fallenden Signals.
Es passt aber wiederum nicht zu den anderen Bildern...
Denn dann müsste "Switch 1-3" und "Switch 4-3" im oberen, mittleren Bild 
an der gleichen zeitlichen Stelle sein (nur eben um 1 Signalperiode 
versetzt).

Wie wird überhaupt der Schalter und der ADC zum Signal synchronisiert?

: Bearbeitet durch User
von Sven S. (schrecklicher_sven)


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Joe F. schrieb:
> Na doch, aber die Verstärkung ändert sich mit der Schalterstellung.

Schau doch bitte nochmal gaaanz genau hin, ehe Du sowas phantasierst.

von Joe F. (easylife)


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Sven S. schrieb:
> Joe F. schrieb:
>> Na doch, aber die Verstärkung ändert sich mit der Schalterstellung.
>
> Schau doch bitte nochmal gaaanz genau hin, ehe Du sowas phantasierst.

Naja, ich weiss ja nicht, ob du es verstanden hast. Erkläre doch bitte, 
was du meinst.
Die Rechnung des Verstärkungsfaktors siehst du ja in meinem Beitrag.

von Joe F. (easylife)


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Dietmar B. schrieb:
> Das Eingangssignal fällt von 5V auf 0V innerhalb von ca. 10...30µs

Das passt absolut nicht zusammen. Die 100n müssten ja in ca. 1us oder 
kürzer umgeladen werden (> 1 MHz).

Solche Frequenzen filtern die Tiefpässe (10K/100n) fast komplett weg 
(Grenzfrequenz 160 Hz).

Wo kommt denn diese Schaltung her?

: Bearbeitet durch User
von Sven S. (schrecklicher_sven)


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Joe F. schrieb:
> Naja, ich weiss ja nicht, ob du es verstanden hast.

Ups, da habe ich den Einfluss von R7 nicht realisiert.

Joe F. schrieb:
> in Schalterstellung 4-3 nur noch 2200K/1010K = 2.2

2200K/1010K + 1 = 3,2 ist richtig.

von Dietmar B. (theq)


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sorry für die Konfusion ... ich hab beim reverse engineering einen 
Fehler gemacht.
In Schalterstellung 3-2 sind beide Eingäng des OP über R7/8 (1M) nach 
GND geschaltet (siehe neues Schaltbild).

> Irgendwie verstehe ich immer noch nicht, was eigentlich abgetastet wird.
> Ist es
> a) ...

> oder

> b) ein fallendes Eingangssignal, das sich immer wieder mit leichten
> Variationen wiederholt, und es sollen 2 dieser Signalverläufe verglichen
> werden.
ja, das ist gemeint

> Das passt dann zu dem Bild auf der linken Seite, in dem 2
> unterschiedliche Signalverläufe (Perioden) erfasst werden, und zwar mit
> gleichem relativen zeitlichen Versatz zum Beginn des fallenden Signals.
> Denn dann müsste "Switch 1-3" und "Switch 4-3" im oberen, mittleren Bild
> an der gleichen zeitlichen Stelle sein (nur eben um 1 Signalperiode
> versetzt).
ja, ganau so ist es.

Es wird wohl 2-mal abgetastet weil die 2te Abtastung wichtiger ist als 
die 1te. D.h. die 2te (am OP+) müsste demnach auch höher verstärkt 
werden als die 1te bzw. "höhergewichtig" in das integrierte/summierte 
Ergebnis eingehen.

Das Original:
http://maker2016.altervista.org/tiny.pdf

von Joe F. (easylife)


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OK, es geht also um einen Metalldetektor.

Dietmar B. schrieb:
>> b) ein fallendes Eingangssignal, das sich immer wieder mit leichten
>> Variationen wiederholt, und es sollen 2 dieser Signalverläufe verglichen
>> werden.
> ja, das ist gemeint

Jein.
Primär willst eigentlich mit der Schaltung die Spannungs-Differenz 
eines Signalverlaufes mit einem Abstand von 25us messen.

Da das Eingangssignal recht verrauscht ist, und dadurch jeder "Peak" 
leicht unterschiedlich aussieht, werden viele (nicht nur 2(!)) Peaks 
integriert.

Dein Bild 6 ist daher nicht wirklich zutreffend.
An den OP-Amp Inputs liegt ein durch die Tiefpässe integriertes Signal 
an, das nur durch sehr viele Pulse langsam auf den gewünschten Wert 
steigt oder sinkt.


Diese Schaltung ist aber offensichtlich sehr alt und basiert auf 
analogen Schaltungsteilen zur Auswertung.

Du hast ja vor, einen ADC und dementsprechend auch eine digitale 
Auswertung zu verwenden, und daher stelle ich mal folgende Idee in den 
Raum:

Um das Signal im Abstand von 25us 2x abzutasten reicht dir eine 
Samplingrate von 40 KHz aus.
Hochauflösende 100..200 KSps ADCs kosten heute so gut wie nichts mehr 
(~5 EUR Bereich).

Daher würde ich den ganzen Analogteil auf einen einfachen Verstärker 
reduzieren, die Pulse an den entsprechenden Stellen mit dem ADC 
erfassen, und das Integrieren digital erledigen.
Damit bist du wesentlich genauer, schneller und flexibler in Bezug auf 
alle relevanten Parameter:
- Abstand der 1. Messung zum Pulsbeginn kann (digital) eingestellt 
werden
- Abstand der 1. und 2. Messung kann eingestellt werden
- Integrationszeit (Anzahl der zu integrierenden Pulse) kann eingestellt 
werden

: Bearbeitet durch User
von Wolfgang (Gast)


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Joe F. schrieb:
> Daher würde ich den ganzen Analogteil auf einen einfachen Verstärker
> reduzieren, die Pulse an den entsprechenden Stellen mit dem ADC
> erfassen, und das Integrieren digital erledigen.

Gegenüber der Analogdifferenzbildung verschenkst man dabei fast 8 Bit 
des ADC.
Ist das eine gute Idee?

von Joe F. (easylife)


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Ich denke schon, denn durch die vorliegende Schaltung entsteht zwar eine 
Verstärkung der Differenz, die einzelnen Pulse gehen aber durch die 
Abschwächung durch die Tiefpässe nur zu einem sehr kleinen Teil in die 
Messung ein.
Ein 16, 18 oder 24-bit ADC bietet genügend Auflösung, um eine kleinere 
Verstärkung auszugleichen. Ausserdem "entsteht" durch digitales 
Integrieren ja ebenfalls eine höhere Genauigkeit.

: Bearbeitet durch User
von Dietmar B. (theq)


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noch mal vielen Dank für euren Input.

Tatsächlich wollte ich die Schaltung auch nicht 1:1 so aufbauen sondern 
an einem bestimmten Punkt den µC/ADC einbauen.
Dazu wollte ich aber erst den Analogteil verstehen um mir darüber klar 
zu werden an welcher Stelle ich den ADC einbaue (in der Gesamtschaltung 
sind ja 3 OPs hintereinander) und was das für Vor-/Nachteile mit sich 
bringt.

von Joe F. (easylife)


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Der ADC ist ja nicht der einige Unterschied. Die Auswertung benötigt ja 
einen nachgeschalteten uC, und darin liegt das eigentliche Potential.
Nicht nur, dass die Integrationszeit bei der digitalen Lösung variabel 
ist.
Auch die Pulserzeugung (Stärke, Länge) könntest du über den uC variabel 
gestalten und damit eine Unterscheidung verschiedener Metalle 
realisieren.

: Bearbeitet durch User
von Dietmar B. (theq)


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ja, das war so wie so der Plan die ganzen variablen Werte (Pulslänge, 
Abtastzeitpunkte, Gemsamtfreq., etc.) über den µC zu steuern.

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