Fragen zur Schaltung (Spannungsanpassung für ADC)

[Niklas (Gast)]

Hey,

ich würde gerne eine Spannung von +/-0.01 bis +/-40 V an einer Spule 
messen. Die Spule umweickelt einen Eisenkern welcher mit einer Frequenz 
von f_max=50kHz magnetisiert wird. Die Messungen dauern in der Regel 1-2 
Sekunden.

Der ADC mit dem ich das Signal Messen möchte ist der AD122S706 mit 2x 
500ksps da ich parallel an 2 Punkten messen möchte.

Zur Verfügung steht mir eine +5V Spannungsversorgung. Da das Signal für 
den ADC zwischen 0-3.3V aufbereitet sein muss hatte ich an einen 
Differenzverstärker gedacht. Per Hand schalte ich dann die Bereiche je 
nach Messung um. Im Anhang habe ich mir das ganze einmal in LTSpice 
simulieren lassen, allerdings noch ohne Tiefpassfilter. Gemäß der Formel 
für den Differenzverstärker (s.Anhang 1) kann ich das Ganze so 
umstellen, dass R1 und R4 standartmäßig 1k Ohm sind und je nach 
Anpassung R2 und R3 verändert werden müssen. Ich habe den Aufbau mal als 
Screenshot angefügt. Die Größe der Widerstände habe ich 1:1 aus der 
Rechnung noch übernommen, dass ich diese in der Praxis nicht so genau 
hinbekomme ist mir klar.

Meine Frage ist jetzt:
1. Macht so ein Aufbau Sinn oder löst man sowas generell anders / 
eleganter?
2. Bei hohen Frequenzen (>2kHz) wird das Signal nicht ganz an 0 bzw. 3.3 
angepasst ? Ich vermute das kommt durch die Kondensatoren im OpAmp ? Wie 
könnte ich das Problem lösen?


Vielen Dank schon einmal im Voraus,
Nik

[Dieter (Gast)]

Niklas schrieb:
> Meine Frage ist jetzt:
> 1. Macht so ein Aufbau Sinn oder löst man sowas generell anders /
> eleganter?
> 2. Bei hohen Frequenzen (>2kHz) wird das Signal nicht ganz an 0 bzw. 3.3
> angepasst ? Ich vermute das kommt durch die Kondensatoren im OpAmp ? Wie
> könnte ich das Problem lösen?

Zu 1: Ungünstige Lösung. Für große Spannungsteilerfaktoren wird R1 
vergrößert, um das Messobjekt gering zu belasten. Wenn das nicht 
ausreicht, wird zusätzlich R2 noch verändert (geschaltet).
Zu 2: Das liegt auch an der ungünstigen Schaltung. Mit dem zu 1 sollte 
es besser werden.

[Niklas (Gast)]

Super, danke dir Dieter für deine Hilfe, ich werde das ganze gleich 
einmal umstellen. Zudem habe ich eine weitere Fehlerursache für Punkt 2 
gefunden, das Verstärkungs-Bandbreiteprodukt (GBP) war zu niedrig. Ich 
schau mich nochmal nach anderen Opv um, welche für die Verstärkung von 
0.01 V auf 3.3 V bei 25 kHz geeigneter sind.

Viele Grüße,
Nik

[Niklas (Gast)]

Dieter schrieb:
> Für große Spannungsteilerfaktoren wird R1
> vergrößert, um das Messobjekt gering zu belasten. Wenn das nicht
> ausreicht, wird zusätzlich R2 noch verändert (geschaltet)

Hm mir fällt allerdings grad etwas auf. Wenn ich doch R1 noch größer 
wähle, dann wird R2_0.01 doch ebenfalls deutlich größer. Das Verhältnis 
muss ja gemäß der Formel gleich bleiben, da sonst nicht richtig 
Verstärkt wird. Oder habe ich da etwas falsch verstanden?

Viele Grüße,
Nik

[Dieter (Gast)]

Wenn R1 größer wird, dann wird R2 für die gleiche Spannungsteilung auch 
größer. Dadurch wird die Rückkopplung nicht mehr so niederohmig und die 
Endstufe weniger strombelastet.

[Niklas (Gast)]

Guten Morgen,

mir ist da noch etwas aufgefallen. Wenn ich das ganze im niedrigen 
Spannungsbereich simulieren lasse, funktioniert das wunderbar. Wenn ich 
mit einem 40 V Eingangssignal simuliere, wird die Spannung am Ausgang im 
Bereich von 0.3 V gekappt (s. Anhang 1). Wenn ich die Widerstände nach 
dem, Vorschlag von Dieter erhöhe, wird das Problem zwar etwas geringer, 
allerdings wird das Signal immer noch nicht sauber umgewandelt (s. 
Anhang 2). Habt ihr vielleicht eine Vermutung woher das kommt ?

Im Plot ist Rot die Spannung am Ausgang, Blau der Strom am neg. Eingang 
des OP und Grün die dort anliegende Spannung.

Vielen Dank schon einmal im Vorraus,
VG Niklas.

[Niklas (Gast)]

Hab natürlich die Anhänge vergessen hochzuladen ^^

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Niklas schrieb:
> wird die Spannung am Ausgang im Bereich von 0.3 V gekappt (s. Anhang 1).
Für diese Aufgabe (rankommen an 0V) brauchst du eine negative 
Versorgung. Denn der Ausgang des OP kommt nur annähernd ohne Last 
annähernd an 0V. Siehe Screenshot vom Datenblatt.

Niklas schrieb:
> 2. Bei hohen Frequenzen (>2kHz) wird das Signal nicht ganz an 0 bzw. 3.3
> angepasst ? Ich vermute das kommt durch die Kondensatoren im OpAmp ?
Stichwort dazu: Bandbreitenprodukt.
Wenn du 20mV auf 3,3V hochskalierst, dann brauchst du eine Verstärkung 
von mindestens ca. 200. Das multipliziert mit 50kHz ergibt ein GBP von 
50kHz*200 = 10MHz(*). Ergo: der von dir gewählte OP mit einem GBP von 
2MHz ist zu langsam.
Als Abhilfe könntest du für höhere Verstärkungen zwei OP hintereinander 
schalten.

(*)du wirst mit einem so derartig schnellen OP nette Effekte bekommen, 
wenn du beim Layout nicht gut aufpasst.

> ich würde gerne eine Spannung von +/-0.01 bis +/-40 V an einer Spule messen
Wie genau sollen die +-10mV aufgelöst werden?

> der AD122S706
Ist das ein ASIC? Google findet nichts dazu...

> ich würde gerne eine Spannung von +/-0.01 bis +/-40 V an einer Spule messen
Ein Tipp an dieser Stelle: fürs Magnetfeld einer Spule ist der Strom 
zuständig...

[Niklas (Gast)]

Hallo Lothar,
erst einmal vielen Dank für deine Mühe und deine Hilfe, das Signal habe 
ich jetzt ganz gut Skalieren können in der Simulation (s. Anhang). 
Dennoch habe ich noch ein paar Fragen:

Lothar M. schrieb:
> Für diese Aufgabe (rankommen an 0V) brauchst du eine negative
> Versorgung. Denn der Ausgang des OP kommt nur annähernd ohne Last
> annähernd an 0V. Siehe Screenshot vom Datenblatt.

Tatsächlich, ich hatte gehofft, ohne eine Ladungspumpe auskommen zu 
können, da das Problem auch nur bei Signalen über 10 V immer stärker 
auftrat hatte ich das nicht zuerst vermutet.

Lothar M. schrieb:
> Stichwort dazu: Bandbreitenprodukt.
> Wenn du 20mV auf 3,3V hochskalierst, dann brauchst du eine Verstärkung
> von mindestens ca. 200. Das multipliziert mit 50kHz ergibt ein GBP von
> 50kHz*200 = 10MHz(*). Ergo: der von dir gewählte OP mit einem GBP von
> 2MHz ist zu langsam.
> Als Abhilfe könntest du für höhere Verstärkungen zwei OP hintereinander
> schalten.
>
> (*)du wirst mit einem so derartig schnellen OP nette Effekte bekommen,
> wenn du beim Layout nicht gut aufpasst.

Komisch, da muss ich mich irgendwo vergriffen haben, wollte eigentlich 
einen mit 8,5 Mhz nehmen, aber du hast recht, 2 Mhz sind für diese 
Anwendung zu wenig. Aber müsste es nicht eine Verstärkung von 10mV auf 
3.3 V sein? Auf dem Screenshot hatte ich 50 kHz simuliert, maximal 
sollen später allerdings Frequenzen von 25kHz gefahren werden. Dann 
würde ich doch mit einer Verstärkung von 330 (3,3V/0,01V) und einer 
f_max von 25kHz bei 8.25 MHz rauskommen, das sollte doch dann passen - 
oder sollte ich besser etwas Luft einplanen? Habe mal testweise den 
AD8605 genommen, dieser hat ein GBP 10Mhz oder sollte ich besser einmal 
um das 10fache verstärken und anschließend nochmal um 33, um auf 330 zu 
kommen?

Könntest du das mit dem aufpassen beim Layout etwas konkretisieren?

Lothar M. schrieb:
> Wie genau sollen die +-10mV aufgelöst werden?

Das Ausgangssignal des ADC wird später mit einem 12 Bit ADC abgetastet.

Lothar M. schrieb:
> Ist das ein ASIC? Google findet nichts dazu...
Da habe ich ein C vergessen, es ist der ADC122S706. Dieser wird 
benötigt, da am Messaufbau an 2 verschiedenen Punkten gemessen werden 
muss zur exakt selben Zeit.

Lothar M. schrieb:
> Ein Tipp an dieser Stelle: fürs Magnetfeld einer Spule ist der Strom
> zuständig...
Ja, der wird auch gemessen, parallel muss allerdings an der sek. Seite 
die Spannung gemessen werden.

[Niklas (Gast)]

Hat ansonsten jemand Tipps?