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!
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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!
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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.
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?
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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?
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).
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?
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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.
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.
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?
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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.
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
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
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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?
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.
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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.
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.
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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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