Hallo! Bei diversen physikalischen Experimenten wie etwa der Messung der Wärmestrahlung mittels Thermosäule kommen immer wieder einmal sehr geringe Spannungen im µV-Bereich vor. Um diese messen zu können, habe ich mir zunächst einen nicht-invertierenden Verstärker mit dem AD8551 bzw. MAX4238 (sollten laut Datenblatt um die 1 µV input-offset-voltage haben). Dies funktionierte nicht perfekt, da bei sehr geringen Eingangsspannungen von z.B. 1 µV die Ausgangsspannung höher bzw. versetzt war z.B. 6 mV. Die geringen Eingangsspannungen habe ich über einen gewöhnlichen Spannungsteiler (1kOhm / 1 GOhm) gelöst. Sicherlich nicht ideal, aber ich habe nichts anderes zur Hand. Also wenn ich an den Teiler 1.4V anlege (ist das Minimum meines Selbstbau-Netzteils), so erhalte ich 5-6 mV am Ausgang. Nur wenn ich das Netzgerät abklemme und den Eingang zum OPV kurzschließe, geht die Ausgangsspannung auf 0.3 mV zurück. Spielen mir hier Thermospannungen etc. mit rein oder Störungen vom Netzteil? Um diesen offset zu beseitigen, habe ich nach dem Verstärker einen Differenzenverstärker (ebenfalls mit dem AD8551 bzw. MAX4238) mit gain = 1 angebaut in der Hoffnung, mir eben diesen offset im Bereich von 5mV zu eliminieren. Funktioniert nur bedingt. Im "höheren" Bereich ab ca. 5µV stimmen nun Ausgangsspannung und Eingangsspannung recht gut überein (Verstärkung = 1000). Nur im ganz unteren Bereich bleibt mir ein (nun zwar geringerer) offset von ca. 2mV (Ausgang 3.5 mV bei 1.5µV Eingang). Sind etwa die von mir gewählten 10kOhm Widerstände für den offset zu gering? Daher meine Frage, ob ich (wohl) mit diesen Unzulänglichkeiten leben muss oder ob es eine andere/bessere Variante gibt, Spannungen im µV-Bereich zu messen? Danke im voraus für eure Anmerkungen/Hinweise.
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Christoph E. schrieb: > funktionierte nicht perfekt, da bei sehr geringen Eingangsspannungen von > z.B. 1 µV die Ausgangsspannung höher bzw. versetzt war z.B. 6 mV. > Funktioniert nur bedingt. Im "höheren" Bereich ab ca. 5µV stimmen nun > Ausgangsspannung und Eingangsspannung recht gut überein (Verstärkung = > 1000). hab mir die Destillation erlaubt. IMO streuen Elementarspannungen ein,pH-Messgeräte z.B. haben Platinelektroden - nur so eine Idee am Rand, kann natürlich falsch sein, ist ja nur ein Lügenforum ;)
für solche Anwendungen würde ich die OPVs nicht rail to rail betreiben. Gib denen was leicht negatives (-1V?) an deren NegativSupply, oder einen Virtuellen GND leicht über deinen derzeitigen GND
Christoph E. schrieb: > Die geringen Eingangsspannungen habe ich über einen gewöhnlichen > Spannungsteiler (1kOhm / 1 GOhm) gelöst Nimm lieber 1 Ohm, 1MOHm Und ein POTI in der Rückkopplung ? Willst du messen oder spielen ? Reduziere den Spannungsteiler auch um den Faktor 100, und nutze einen Festwiderstand. Christoph E. schrieb: > so erhalte ich 5-6 mV am Ausgang. Normal, der Ausgang kann bei 20kOhm Belastung (10k) nicht weniger als 4-10mV liefern laut Datenblatt. Will man exakt auf 0V, muss man eine leicht negative Betriebsspanung an V- klemmen. Thermospannungen sind immer ein Problem, auch das Biegen der Leiterplatte führt zu Abweichungen. Ein Gain von 1000 macht die Sache nicht besser. Um Effekte durch Netzteile auszuschliessn, versorge es zum Test aus Batterien.
Michael B. schrieb: > Nimm lieber 1 Ohm, 1MOHm Und etwas Schirmung durch Metallfolie um den Eingangsbereich sowie 1uF MKP bzw. MKC parallel zu den 1 Ohm sind hilfreich, um Störungen von aussen weiter zu reduzieren.
Die geringen Eingangsspannungen habe ich über einen gewöhnlichen > Spannungsteiler (1kOhm / 1 GOhm) gelöst. Sicherlich nicht ideal, aber > ich habe nichts anderes zur Hand. Eine Option wäre noch hier doch noch mal genauer hinzuschauen, was für Widerstandsmaterialien es denn tatsächlich sind. Dickschicht oder bessere Metallschichtwiderstände? Was ist das für ein Potimaterial? etc Noch weniger thermisch bedingtes Eigenrauschenen vlt mit Metalldrahtwiderstände, aber die sind wahrscheinlich wieder zu gross und du hast dann wieder neue Probleme. Metallfolienwiderstände wären ideal, wirst Du wohl aber als Hobbyelektroniker schwer ordern können ... Viel Erfolg zum Verständnis sh. hier: https://www.eetimes.com/strategies-for-minimizing-resistor-generated-noise/#
Christoph E. schrieb: > Spielen mir hier Thermospannungen etc. mit rein oder Störungen vom > Netzteil? BTW: Du hast da Du Steckfassungen/Adapter-PCB verwendet hast durch die dortigen Materialien ebenfalls bereits Thermospannungen im uV Bereich. Das wird dann kritisch.
Bei µV-Verstärkern nimmt man normalerweise chopperstabilisierte Typen, evtl. mit AC-Bypass, je nach Anforderungen. Abschirmungen (Gehäuse) und Erdungen an der richtigen Stelle sind wesentlich für wenig Störeinfluß von außen. Die uralten Kompensationsschreiber mit 1 mV Vollausschlag auf 25 cm sind auch Mikrovolt-Verstärker. Das thermospannungsarme Lot für den Eingangsbereich ist cadmiumhaltiges Lötzinn.
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Vielen Dank einmal für die vielen, wertvollen Tipps. Zur negativen Spannungsversorgung: der pin 4 des Max4238 ist dezidiert mit GND bezeichnet. Da werde ich wohl keine negative Spannung anschließen können oder? Beim AD8551 ist das anders, bei dem ist die pin-Bezeichnung eben V-. Maximale Versorgungsspannung ist bei beiden OPV nur 6V, da muss ich natürlich auch aufpassen...
Christoph E. schrieb: > der pin 4 des Max4238 ist dezidiert mit GND bezeichnet. Da werde ich > wohl keine negative Spannung anschließen können oder? Woher soll er wissen, dass die negativ ist ?
Christoph E. schrieb: > Zur negativen Spannungsversorgung: der pin 4 des Max4238 ist dezidiert > mit GND bezeichnet. Da werde ich wohl keine negative Spannung > anschließen können oder? Schau mal z.B. hier wie es gemeint ist: http://dangerousprototypes.com/blog/2011/03/05/app-note-high-quality-white-noise-generator/ -2.5V an GND des max4238
Danke für die Hinweise... Was ich nicht ganz verstehe: warum ist pin 4 vom Max4238 dann nicht ganz normal mit V- oder Vss bezeichnet wie bei anderen auch? Nachteil einer symmetrischen Spannungsversorgung wäre halt der halbierte Messbereich. Aber ich werde es einmal wie vorgeschlagen mit -0.1V an Vss probieren... @MaWin: Das weiß er natürlich nicht, aber nachdem meine Eingangssignale auf GND bezogen sind und der pin eben auch mit GND bezeichnet ist, dachte ich mir, dass ich dort nicht tiefer gehen kann.
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Ich bin ja mal gespannt, wann die Leute kapieren, das R2R-OPs NICHT bis an die Betriebsspannung oder die Masse rankommen, sondern nur FAST. Wird dieses FAST dann noch mit einem Faktor 1000 versehen, so wird daraus - OH WUNDER - ein Etwas. Bei einer "normalen" Anwendung wird das ja auch kein Problem sein, aber... Bei so geringen Spannungen würde ich auch den Randeffekten, die beim Betrieb eines OP mit asymmetrischer Betriebsspannung entstehen, aus dem Weg gehen. Und +5V (oder was auch immer) und -0,1V sind mächtig asymmetrisch. Und noch was: Wenn ich sowieso eine zweite Spannung brauche, so kann ich auch gleich eine "richtige" erzeugen.
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Danke, Sebastian! Da ich ja den 7805 schon habe, werde ich ihn dann wie abgebildet für +/-2.5V verwenden. Oder gäbe es mit dieser Versorgungsart Probleme?
Christoph E. schrieb: > Da ich ja den 7805 schon habe, werde ich ihn dann wie abgebildet für > +/-2.5V verwenden Unsinn. Du erzeugst mit einem 7805 ja die 5V aus einer höheren Spannung, z.B. 9V. Da kannst du auch gleich negative -0.7V draus machen:
1 | +----+ |
2 | +----|7805|-- 5V |
3 | +| +----+ |
4 | 9V | |
5 | -| 1N4001 | |
6 | +--|<|---+--- 0V GND |
7 | | |
8 | +------------ -0.7V |
Passende Abblockkondensatoren dazudenken. 5.7V sind für den MAX auch nicht zu viel.
Wäre schön, wenn das so einfach ginge! Eine Batterie mit Dauerlast, in Form von Widerständen, ist von vornherein mittelprächtig. Auch wird das mit den (2X) 100K wohl so nicht gehen. Nett für die Batterie - mies als Vorwiderstand.
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Ich würds mal damit versuchen, differentiell Eingang ist immer besser als gegen Masse: https://de.wikipedia.org/wiki/Instrumentenverst%C3%A4rker Den negativen Eingang dann z.B. hochohmig auf virtuelles GND bei 2.5V mittels Spannungsteiler.
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Der Max4328 hat 1,5 µVpp Input Noise, das ist nicht wenig. Die Eingangsoffsetspannung ist nicht von großer Bedeutung, die kann man tarieren oder wegdrücken. Wichtiger ist die Input Offset Drift. Ich möchte für einen erfolgreichen Einstieg in die Thematik einen Vorschlag machen: Als ersten Verstärker einen PGA204. Die Verstärkung kann man per Jumper einstellen zwischen 2/10/100/1000. Die Input Voltage Drift ist akzeptabel, das Rauschverhalten auch und die Gain Drift ist sehr kurzzeitstabil. Leider nicht billig, kostenloses Muster anfordern. Evtl. AD8422 o.ä. nehmen. Der zweite Verstärker ist schon unkritischer, da ist reichlich Auswahl. Beide Verstärker mit ± 9 V aus Batterien speisen. Während des Messens die Schaltung vor Zugluft schützen. Karton drüberstülpen. Um eine kleine Eingangsspannungsquelle zu generieren, reicht eine Spannungsreferenz (aus den +9 V speisen) und ein Spannungsteiler, der nicht zu hochohmig ist wegen Widerstandsrauschen. Nach dem Einschalten thermisches Gleichgewicht abwarten: Thermospannungen. Damit kannst du in den Mikrovolt - Mikrokosmos vordringen.
Hallo, ich nehme an du willst dir selber etwas bauen. Falls nicht und es auch etwas kosten darf, gibt es das natürlich auch fertig, z.B. https://www.femto.de/de/produkte/spannungsverstaerker/variable-verstaerkung-100-khz-dlpva.html Falls du lieber selber bastelst, kannst du den Link ja als Referenz nehmen.
1µV Offset ist eine Marketing-Aussage. In der Praxis hast du Thermospannungen auf der Platine oder den Anschlussleitungen, die höher sind. Außerdem musst du dich von der Vorstellung lösen, dass es die Null Volt gibt. Du wirst sehen, dass dein Nullpunkt nie konstant bleibt, auch wenn du oft abnullst. Als einzige Abhilfe müsste die gesamte Platine in einen Temperatur geregelten Alublock! Der AD8551 hat ein hohes Rauschen. Da müsstest du die Grenzfrequenz der Verstärkung extrem niedrig machen. Wenn es um die Auswertung einer Messbrücke geht, gibt es die Methode der AC-Speisung. Dann eliminieren sich Offset und Thermospannungen von selbst. So machen es auch Lock-In-Verstärker.
Gerade mit Spannungen nahe null kann die Spannung auch mal negative sein, und sei es auch nur vom Rauschen. Da sollte man schon eine negative Spannung oder Virtuelle Masse nutzen. Die Version mit dem einfachen Widerstandsteiler geht, man muss aber ggf. aufpassen mit der Belastung, etwa vom Teiler für die Verstärkung. D.h. die 2x100 K sind schon grenzwertig hoch. Bei Versorgung aus einem Netzteil wären 2x10 K passender. Eine alternative sind ggf. 2 dioden oder eine LED an der negativen Seite - da hat man bei gleichem Strom eine niedrigere Impedanz. Dass die virtuelle Masse mit dem Temperatur etwas variable ist stört i.A. nicht. Die auto-zero OPs mögen eine gute Abblockung der Versorgungsspannung, denn in den Schaltphasen geht es recht schnell zu, auch wenn die Bandbreite der OPs klein ist. Der Eingang sollte etwas Schutz und HF Filter haben. Manche der OPs reagieren auf eine Veränderung der Kapazität am Eingang, vor allem wenn die Signalquelle nicht so niederohmig ist.
Die sicherlich beste Möglichkeit: Nimm einen differentiellen 24Bit-ADC mit einem PGA / 128-fach Buffer/Vorverstärker! Den -Eingang (Mess-GND) hängst du auf Uref-halbe. Da kommst du selbst bei 5V Referenz auf eine Auflösung von 5nV! UND er hat auch gleich einen digitalen Teifpass drin. Z.B. AD7190: 9nVeff Rauschen! Oder ADS1235 mit 42nVpp Rauschen... PS: >> Die geringen Eingangsspannungen habe ich über einen gewöhnlichen Spannungsteiler (1kOhm / 1 GOhm) gelöst... So wird das eh' nix! Entweder du nimmst sau teure, schwer zu beschaffende höchst-Präzisionswiderstände (TK 0,2ppm) ODER du kaskadierst matched Widerstandsnetzwerke (in einem Gehäuse) z.B. mehrere LT5400-3 (1/41) hintereinander. Aber auch dabei hast du die Thermospannungen! Mit einem digitalen Funktionsgenerator kannst du noch recht stabil 100mV ausgeben - wenn er auch DC macht.
Vielen Dank für die vielen, konstruktiven Hinweise und Vorschläge... Ich probiere das einmal mit der Diode im GND-Pfad des 7805 aus und berichte dann. Mit den bisherigen Ergebnissen kann ich dann euren Schilderungen zufolge eh schon glücklich sein. Wie gesagt, so schlecht funktioniert das Ganze eh nicht bis auf den nicht zu eliminierenden offset bei Spannungen < 5µV.
Alt aber gut: AN280 von AD. Der Download des "Low Level Measurement Handbook" von Keithley (inzwischen 7.Aufl.) ist sehr zu empfehlen. Arno
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So, habe nun die Spannungsversorgung der beiden OPV abgeändert und bin mit dem Ergebnis nun eigentlich zufrieden. Ausgangsspannung in mV folgt sehr schön der Eingangsspannung in µV. Das Multimeter am Ausgang stelle ich aber lieber auf V mit 1mV Auflösung, dann ist die Anzeige stabil. Im mV-Bereich mit 0.1mV Auflösung schwankt sie doch deutlich stärker. Aber wirklich kleinere Spannungen als 1µV habe ich eh nicht vor damit zu messen. Vielen Dank nochmals für eure Unterstützung...
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