Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik OPV Signal von µV Bereich verstärken


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von Jasmin N. (Firma: Jassi) (jasmin_89)


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Hallo, ich muss ein Signal aus dem µV Bereich Verstärken damit es in dem 
Bereich von 0-10 Volt kommt. Wie stelle ich das an? Ich benötige da ja 
einnen nicht invertierenden OPV. Aber benötige ich da nur einen oder 
muss ich da mehrerer OPV's hintereinanderschalten? Und wenn ja wie sieht 
da so ein Schaltbild aus?

Ich kenne mich in ET eigentlich gar nicht aus aber ich müsste nur eine 
grobe Skizze ausarbeiten damit ich dies richtig verstehe :)

Benötige ich für so eine Verstärung von einem Faktor von 1.000.000 nur 
einen OPV? Sähe da eine Skizze da so wie das Bild im Anhang aus?

Danke und LG,
Jasmin

von Drifting away from Arbeitspunkt (Gast)


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Oh, das ist eine harte Karte...
Du wirst das nicht mit einem OPV erreichen können, sondern mehrere 
Stufen
kaskadieren müssen. Es gibt extra sog. "Zero-Drift" OPV für solche 
Sachen, denn die Drift eines normalen OPV ist schon höher als Dein 
Meßsignal. Hier hat sich schon mal einer an einer ähnlichen Aufgabe 
verbraucht, da kannst Du Anregungen lesen:

Beitrag "Gesucht geeigneter OPV für Verstärkung von µV einer Thermosäule"

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Kannst du deine Lösung auf Wechselspannunng beschränken? Das würde 
einiges erheblich vereinfachen.

von Michael B. (laberkopp)


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Jasmin N. schrieb:
> Hallo, ich muss ein Signal aus dem µV Bereich Verstärken damit es
> in dem
> Bereich von 0-10 Volt kommt. Wie stelle ich das an? Ich benötige da ja
> einnen nicht invertierenden OPV.

Na ja, 1 Mio ist eine Menge, welche Frequenz hat denn das Signal ?
Man setzt besser x1000 und x1000 hintereinander.
Aber letztlich kommt es auch die benötigte Messgenauigkeit an.

Mit der Leerlaufverstärkung (der Eingangsspannungsdifferenz des OpAmps) 
von 10 Mio wird aus z.B. 5uV am +In Eingang raufgeregelt bis der -In 
Eingang auf 4.55uV kommt, dann liegen 0.45uV zwischen beiden Eingängen, 
macht mit 10 Mio 4.55V am Ausgang, und das reicht, sind aber knapp 10% 
Abweichung vom Messwert.

Ausserdem liegen 10uV Vollausschlag in der Nähe der 
Eingangsfehlerspannung eines OpAmp, selbst die besten (TLC2652) 
erreichen nicht 1uV, so was wie ein LMP2021 hat schon 5uV, also 50% 
Fehler. Dein Signal ist also zu klein, um es sinnvoll verstärken zu 
können.

Bleiben die Zuleitungen der Bauteile, Kupfer mit Blei verlötet macht 
schon 13.5uV wenn eine Lötverbindung 'Hinleitung' nur 1 GradC wärmer ist 
als die
andere 'Rückleitung', und ruiniert dir deinen Messwert (Thermoelement).

Solche Spannung zu messen, womöglich noch mit einer Auflösung von 1/1000 
also 10nV, ist also eine hohe Kunst, bei deinem Kenntnisstand kannst du 
das einfach VERGESSEN.

von Gerald K. (geku)


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Michael B. schrieb:
> Solche Spannung zu messen, womöglich noch mit einer Auflösung von 1/1000
> also 10nV, ist also eine hohe Kunst, bei deinem Kenntnisstand kannst du
> das einfach VERGESSEN.

Auch Scheitern ist sehr lehrreich!
Man kann dabei sehr viel lernen, aber man sollte mit kleinen 
Verstärkungen anfangen.

von Ach Du grüne Neune (Gast)


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So könnte der Verstärker ausschauen, aber der LM358 ist dafür ungeeignet 
und du wirst massiv die Offsetprobleme bekämpfen müssen. AC ist deshalb 
einfacher in den Griff zu bekommen.

Beitrag "Re: OPV bzw Verstärker mV-V"

von HildeK (Gast)


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Jasmin N. schrieb:
> Benötige ich für so eine Verstärung von einem Faktor von 1.000.000 nur
> einen OPV?
Grundsätzlich nein. Viele haben zwar eine Leerlaufverstärkung von bis zu 
1e6, aber dann kann man nur ein paar Hz verstärken.

> Sähe da eine Skizze da so wie das Bild im Anhang aus?
ja, eine Stufe sieht prinzipiell so aus.

Jasmin N. schrieb:
> muss ich da mehrerer OPV's hintereinanderschalten? Und wenn ja wie sieht
> da so ein Schaltbild aus?

Du kannst mehrfach das oben gezeigte Schaltbild hintereinander hängen. 
Bei zweien mit je 1000 Verstärkung, bei dreien mit je 100 Verstärkung. 
Die Faktoren multiplizieren sich.

Aber glücklich wirst du damit nicht. 1µV Offset am Eingang liefern dir 
1V Offset am Ausgang. Wenn du AC-Signale (welche Frequenz?) verstärken 
willst, kann man das leicht mit Koppel-Cs reduzieren, bei DC wird dein 
Ausgangssignal quasi ein Zufallsgenerator.
Und wenn du nicht perfekt aufbaust, dann werden eingekoppelte 
Störsignale um ein vielfaches größer sein als dein Nutzsignal.
Abgesehen davon musst du erst mal einen OPA finden, bei dem weit 
unterhalb vom Nutzsignal das eigene Rauschsignal liegt und der praktisch 
Null Offset produziert.

von Achim B. (bobdylan)


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Jasmin N. schrieb:
> Hallo, ich muss ein Signal aus dem µV Bereich Verstärken

Was ist das für ein Signal? Wo kommt es her?

von Stephan S. (uxdx)


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Ich werfe mal den OPA388 (oder OPA2388) von TI ins Rennen

- Ultra-low offset voltage: ±0.25 μV
- Zero drift: ±0.005 μV/°C
- Low noise: 7.0 nV√Hz at 1 kHz

https://www.ti.com/product/OPA388

von JASMIN (Gast)


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Danke soweit für eure rührenden Bemühungèn, aber ich verstehe nur
Bahnhof......

von Guest (Gast)


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JASMIN schrieb:
> Danke soweit für eure rührenden Bemühungèn, aber ich verstehe nur
> Bahnhof......


Dann würde ich erstmal kleine Brötchen Backen und mit was einfacherem 
anfangen. Solche Spannungen verstärkt man für gewöhnlich auch nicht so 
stark. Eher wenig und dafür genau messen.

von Gerald K. (geku)


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Ich würde es mit OPVs versuchen, die zur Verstärkung von Nervenströmen 
dienen EEGs , z.B. INA2126PA. Im beiliegenden DB wird in Figure 2 
gezeicht wie die Eingangsoffsetspannung kompensiert werden kann. Wichtig 
ist eine niedrige Drifft dieser Spannung und ein niedriges Rauschen.

von Beobachter (Gast)


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JASMIN schrieb:
> aber ich verstehe nur
> Bahnhof......

...dann kannst du dich direkt mit Kyle Plüsch in eine Reihe einreihen 
lassen!

von Drifting away from Arbeitspunkt (Gast)


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JASMIN schrieb:
> Danke soweit für eure rührenden Bemühungèn, aber ich verstehe nur
> Bahnhof......

Jaja -schon klar. Da Du aber nicht die Autorin des Threads bist, ist das 
völlig Rille, was Du verstehst.

von Beobachter (Gast)


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Drifting away from Arbeitspunkt schrieb:
> Da Du aber nicht die Autorin des Threads bist...

Ach jaa, jetzt sehe ich das erst. Dann habe ich das wohl falsch 
beobachtet. Sorry :/

von Jasmin N. (Firma: Jassi) (jasmin_89)


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Vielen Dank für die Antworten. Ihr habt mir schon weitergeholfen :) In 
etwa so wie in dem Post von "Ach Du grüne Neune" hab ich es mir auch 
vorgestellt

von Jasmin N. (Firma: Jassi) (jasmin_89)


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Ich habe mir eine kleine Skizze angefertigt. Könnte in so etwa die 
Schaltung aussehen? Mir geht es nicht darum dass alles perfekt 
abgestimmt und berücksichtigt sein muss. Ich möchte nur ein besseres 
Verständnis für solche Schaltungen bekommen. Ich habe angenommen dass 
das Signal von 25µV auf einen Bereich von 0-10 Volt verstärkt werden 
soll.

Wäre froh über eine kurze Rückinfo.

LG,
Jasmin89

von Udo S. (urschmitt)


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Jasmin N. schrieb:
> Mir geht es nicht darum dass alles perfekt
> abgestimmt und berücksichtigt sein muss.

Na ja, wenn du die ganzen Details wie Thermospannungen, Offset, 
Bandbreite oder Drift nicht berücksichtigen willst, dann stimmt das so 
in etwa.
Nur dass dann dein Fehler mit ein bischen Pech bei deutlich mehr als 
100% liegt.

von Drifting away from Arbeitspunkt (Gast)


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Udo S. schrieb:

> Na ja, wenn du die ganzen Details wie Thermospannungen, Offset,
> Bandbreite oder Drift nicht berücksichtigen willst, dann stimmt das so
> in etwa.


Och nö.

Er nun wieder...

Daß die Formel für die Berechnung der Verstärkung eines 
nichtinvertierenden OPV falsch ist, das stört Dich gar nicht?

@Jasmin

V= 1+(R2/R1)

Wobei R2 der Kollege vom Ausgang zum nichtinvertierenden Eingang ist.
Du kannst auch einen der beiden Widerstände mit einem geraden Wert 
vorgeben und erhältst dann nur beim 2. so schräge Werte, bei denen Du 
stückeln mußt.

von HildeK (Gast)


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Bei den kleinen Spannung und dann Rauschquellen in Form von 990k 
Widerständen: du wirst dein Signal im Rauschen nicht finden können ....

Udo S. schrieb:
> Bandbreite
Bei einer geplanten Verstärkung von max. 100 pro Stufe wird sie noch 
immer einige zig kHz sein - über die erforderliche Bandbreite stand noch 
nichts in den Anforderungen von Jasmin.

von Wolfgang (Gast)


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Jasmin N. schrieb:
> IMG_0765.jpg
U_Ax als Variablenname für eine Verstärkerung ist schon arg 
gewöhnungsbedürftig.
Warum hast du dich im Alphabet nicht einen Buchstaben weiter getraut?

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Jasmin N. schrieb:
> Mir geht es nicht darum dass alles perfekt
> abgestimmt und berücksichtigt sein muss

Das wird aber nötig sein. Denn der erste OPA wird seinen eigenen 
Eingangs-Offset bereits um Faktor 100 verstärkern. Mal angenommen, das 
wären handelsübliche 5mV, dann sind es an dessen Ausgang schon 500mV. 
Der zweite Verstärker bräuchte dann schon eine Versorgungsspannung über 
50V damit dieser Offset ihn nicht in die Sättigung treibt. Und der 
dritte OPA hat eh keine Chance mehr, seinen Zweck zu erfüllen.

von Ach Du grüne Neune (Gast)


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Drifting away from Arbeitspunkt schrieb:
> V= 1+(R2/R1)

Das ist doch die gleiche Formel die Jasmin auch verwendet hat, nur eben 
in einer anderen Schreibweise. Es kommt in beiden Fällen das gleiche 
Ergebnis raus (Die Schrift kann ich nur nicht so gut entziffern).

V= (R2 + R1)/R1

von Harald W. (wilhelms)


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Jasmin N. schrieb:

> Mir geht es nicht darum dass alles perfekt
> abgestimmt und berücksichtigt sein muss.

Wenn Du wirklich Spannungen im µV-Bereich verstärken willst,
muss schon "alles perfekt abgestimmt" sein. Die Schaltung ist
da eher unwichtig. Viel wichtiger ist die Auswahl geeigneter
Bauelemente und der richtige Aufbau. Ich hab das Buch zwar
nicht selbst gelesen, aber bei "The Art of Electronics" von
Horowitz/Hill findet man da wohl einige wichtige Hinweise.

von Guest (Gast)


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Ach Du grüne Neune schrieb:
> Drifting away from Arbeitspunkt schrieb:
>> V= 1+(R2/R1)
>
> Das ist doch die gleiche Formel die Jasmin auch verwendet hat, nur eben
> in einer anderen Schreibweise. Es kommt in beiden Fällen das gleiche
> Ergebnis raus (Die Schrift kann ich nur nicht so gut entziffern).
>
> V= (R2 + R1)/R1

Ist doch normal das sich hier Leute rumtreiben die nicht verstehen was 
sie machen. Die Formel von Wikipedia zu nutzen ist das eine sie zu 
verstehen ist was gang anderes. Außerdem ist Formeln umstellen doch eine 
hohe Wissenschaft wie kannst du verlangen das das jemand kann....

von Der müde Joe (Gast)


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1. Stufe, Verstärkung um Faktor 2, Zero-Drift, etc.
2. Stufe, Verstärkung um Faktor 5
3. Stufe, Verstärkung um Faktor 10
4. Stufe, Verstärkung um Faktor 100
5. Stufe, Verstärkung um Faktor 100

Die ersten beiden Stufen müssen recht gute OPVs sein, präzise im 
uV-Bereich. Wenn Du im mV-Bereich bist, ist die Qualität der verwendeten 
OPVs nicht mehr so tragisch.

Du kannst die Schaltung mit einem Einfach-OPV (Low-Offset) und einem 
Vierfach-OPV (Low-Drift) aufbauen. Oder exemplarisch von Analog Devices: 
ADA4523-1 für die ersten beiden Stufen, kostet unter 1 Euro. Ist ein 
superneuer OPV. Im Nachgang dann weiter verstärken mit ADA4522-4.

Generell gibt es die besseren OPVs nicht so sehr in 
vierfach-Kombinationen, meistens als einzelnen oder Doppel-OPV. Wirst 
also mehrere ICs brauchen.

Meine praktischen Erfahrungen gehen hinunter bis auf 10uV. Das war schon 
recht schwierig.

von HildeK (Gast)


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Ach Du grüne Neune schrieb:
> Das ist doch die gleiche Formel die Jasmin auch verwendet hat, nur eben
> in einer anderen Schreibweise. Es kommt in beiden Fällen das gleiche
> Ergebnis raus (Die Schrift kann ich nur nicht so gut entziffern).
>
> V= (R2 + R1)/R1

Das stimmt schon, nur in ihrem Schaltplan hat sie die Widerstände falsch 
eingetragen - R1 und R2 sind jeweils vertauscht. So machen die Stufen 
nur ein klein wenig mehr als v=1.

von Ach Du grüne Neune (Gast)


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HildeK schrieb:
> R1 und R2 sind jeweils vertauscht.

Jaa, so rum wird ein Schuh daraus. Jetzt kann ich die Schrift auch 
besser entziffern. Danke.

990k und 10k für OPV1 & OPV2 (je v=100)
39k und 1k für OPV3 (v=40)

von Wolfgang (Gast)


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Harald W. schrieb:
> Wenn Du wirklich Spannungen im µV-Bereich verstärken willst,
> muss schon "alles perfekt abgestimmt" sein. Die Schaltung ist
> da eher unwichtig. Viel wichtiger ist die Auswahl geeigneter
> Bauelemente und der richtige Aufbau.

Besser wäre, ein Konzept zu wählen, bei dem man nicht schon aus Prinzip 
mit Problemen zu kämpfen hat und sich nicht auch noch Gedanken um den 
Temperaturausgleich zwischen den Anschlussstellen machen muss.

Jeder Radioempfänger mach einem vor, wie man Spannungen im µV-Bereich 
relativ komplikationslos verstärken kann. Das Geheimnis ist eine von 0 
verschiedene Trägerfrequenz.

Was ist das für ein Signal, dass da verstärkt werden muss?

von Axel S. (a-za-z0-9)


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Der müde Joe schrieb:
> 1. Stufe, Verstärkung um Faktor 2, Zero-Drift, etc.
> 2. Stufe, Verstärkung um Faktor 5

Und warum das? Warum nicht eine einzelne Stufe mit Verstärkung 10?

> 3. Stufe, Verstärkung um Faktor 10

Oder gleich die ersten 3 Stufen zusammenfassen zu einer mit V=100?

> 4. Stufe, Verstärkung um Faktor 100
> 5. Stufe, Verstärkung um Faktor 100

Hier siehst du es ja auch als machbar an.

> Die ersten beiden Stufen müssen recht gute OPVs sein, präzise im
> uV-Bereich.

Eine etwas schwammige Aussage. Wichtig ist, daß der erste OPV eine 
geringe Offsetspannung hat und vor allem eine geringe Offsetdrift. Ein 
Zero-Drift OPV ist IMHO Pflicht. Der hat dann auch gleich eine geringe 
absolute Offsetspannung.

von HildeK (Gast)


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Axel S. schrieb:
> Wichtig ist, daß der erste OPV

Wichtig ist auch, dass der erste OPA eher viel verstärkt, denn nur dann 
kannst du den Rauschbeitrag der aktiven Elemente gering halten. Es mag 
sein, dass man beim ersten dann etwas zurückhaltend ist, wenn hohe 
Verstärkung auch große Widerstände (Widerstandsrauschen) bedeutet. Da 
gibt es sicher ein Optimum.
Aber v=2 für die erste Stufe erscheint mir auch viel zu wenig, da sollte 
'der müde Joe' noch den Grund nennen, wie er zu dem Vorschlag kommt ...

von Jens G. (jensig)


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Ich schon interessant, wie ihr eine unklar gestellte Frage so zu 
beantworten versucht.
Hat denn die TO-In eigentlich schon mal erwähnt, was für ein Signal das 
überhaupt ist? Auser von der Größe des Signals wurde doch bisher nichts 
weiter gesagt, oder?

von MaWin (Gast)


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Jens G. schrieb:
> Hat denn die TO-In eigentlich schon mal erwähnt, was für ein Signal das
> überhaupt ist?

Wozu. Jasmin hat ihr Zeug so in ihre Ausaurbeitung geschrieben, und die 
chinesischen Elektroniker die jetzt das Pflichtenheft der deutschen 
Mutterfirma umsetzen sollen, schütteln wieder verzweifelt den Kopf ob 
der Inkompetenz und weltfremden Ahnungslosigkeit der Leute, die in 
Deutschland leben und arbeiten, und wissen, dass sie wieder selbst die 
Kuh vom Eis holen müssen.

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