Hallo, ich suche eine (OPV?) Schaltung, die mir die Spannung für den ADC Eingang begrenzt. Der ADC verträgt nur 0...3,3V. Das Signal liegt zwischen -5V ... +5V. Ich bin aber auch nur an dem Spannungsanteil zwischen 0...3,3V interessiert. Gibt es da eine "Standardschaltung" für so was? Z.B. single supply OPV? Oder denke ich da zu kompliziert und man nimmt einfach 2 Zernerdioden und ggf. noch einen Impedanzwandler dahinter? Vielen Dank fuer die Tips!
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Wenn du das ganze Signal erfassen willst (siehe Schaltung). Brauchst aber gute Rail to Rail OP´s.
Dietmar B. schrieb: > Gibt es da eine "Standardschaltung" für so was? Ja, nennt sich Clamping. Dioden von GND zum ADC-Pin und vom ADC-Pin zu den 3.3V klemmen würde die Spannung auf Vcc+Uf und GND-Uf begrenzen. In modernen ADCs sind diese Dioden idR schon im Chip integriert und du musst da nichts zu machen bzw. "schlimmstenfalls" einen Widerstand vor schalten. In deinem obigen, ersten Bild, könnte man es auch so realisieren, dass der OPV ansich schon kein Signal außerhalb des zulässigen Bereiches generieren kann. Welchen ADC genau willst du denn einsetzen? Was empfiehlt dessen Datenblatt? Nicht selten enthalten die Datenblätter diesbezüglich auch Vorschläge ;)
Dietmar B. schrieb: > Gibt es da eine "Standardschaltung" für so was Man verwendet jedenfalls keine Z-Dioden wie in > Unbenannt2.png die sind viel zu schlecht und die besseren Bandgaps wie TL431 zu langsam. Normalerweise reicht ein Vorwiderstand, das clamping übernehmen die Eingangsschutzdioden des Bauteils.
1 | Analog--10k--A/D-Wandler-Eingang. |
Die genaue Dimensionierung muss man dem Datenblat entnehmen, da du aber NATÜRLICH nicht geschrieben hast welcher IC, darfst du das selber nachgucken.
> Normalerweise reicht ein Vorwiderstand, das clamping übernehmen die > Eingangsschutzdioden des Bauteils. Das sehe ich auch so. Allerdings sollte man natuerlich beruecksichtigen welchen Ausgangswiderstand der ADC erwartet um sinnvoll messen zu koennen. Nicht das man da ploetzlich Leistungsanpassung hat. .-) Olaf
Dietmar B. schrieb: > Der ADC verträgt nur 0...3,3V. Schau nochmal ins Datenblatt. Ich wette, er verträgt -0,5 bis +3,8V. Und das kannst du bequem mit einem Widerstand und einer 3,9V Zenerdiode abdecken. Bedenke aber, dass Zenerdionden einen relativ weichen "Knick" in ihrer Kennlinie haben. Spannungen über 3V bringen sie schon ein bisschen zum leiten, dein Signal wird also verfälscht. Je nach ADC kann die Zenerdiode auch entfallen, indem man die internen ESD Schutzdioden ausnutzt.
Stefan ⛄ F. schrieb: > Ich wette, er verträgt -0,5 bis +3,8V "Vertragen" ist ein weites Feld. Das beinhaltet für gewöhnlich schon die internen Clamping-Dioden, die bereits angesprochen worden sind. Zumal wir hier schon im Bereich der Absolute Maximum Ratings sind. Die Z-Dioden kann er sich sparen - einfach einen unter Berücksichtigung von maximaler Quellimpedanz und maximalen Strom über die Clamping-Dioden dimensionierten Widerstand vor den ADC schalten. Meinenwegen auch das Clamping gegen die 3,3V schon mit einem OPV machen, dann mit einem zweiten OPV einen Spannungsfolger, wenn man wirklich die niedrige Quellimpedanz braucht. Z-Dioden - gerade im niedrigen Bereich - haben eine ziemlich flache Kennlinie. Das beeinträchtigt zum einen die Schutzwirkung und zum anderen verfälscht es das Signal.
yep, wollte ich auch gerade sagen. Wenn es nicht um hohe Messgeschwindikeit ankommt, einfach einen entsprechend großen Vorwiderstand..fertig:-)=
Möglicherweise geht es hier um AVR Mikrocontroller. Für deren Clamping-Dioden ist im Gegensatz zu den meisten anderen Mikrocontrollern kein maximaler Strom spezifiziert. Das muss einen Grund haben. Andererseits gibt es diese uralte Application Note AVR182 von 2004 (!), wo die Clamping Dioden genutzt werden. Dieser Widerspruch macht es einem schwer, eine fundierte unanfechtbare Empfehlung zu geben.
Damit die flache Kennlinie der Zenerdiode nicht stört, kenne ich diese Schaltung:
1 | 1kΩ Zener 4,3V |
2 | In o---[===]---+----|<|----| |
3 | | |
4 | +----------------[===]--------o ADC in |
5 | 8,2kΩ |
Hier wird die Spannung auf etwa -0,7 bis +4,3V begrenzt. Den Rest erledigt der 4,7kΩ Widerstand zusammen mit den ESD Schutzdioden im ADC.
Stefan ⛄ F. schrieb: > Und das kannst du bequem mit einem Widerstand und einer 3,9V Zenerdiode > abdecken. Nein, natürlich ist das Murks. > Bedenke aber, dass Zenerdionden einen relativ weichen "Knick" in ihrer > Kennlinie haben. Spannungen über 3V bringen sie schon ein bisschen zum > leiten, dein Signal wird also verfälscht. Eben.
Hallo, vielen Dank schon mal. Der ADC ist im STM32F303K8Tx (nucleo-f303k8) integriert. Laut HW Manual "absolute max ratings" /Input voltage on TTa pins: VSS − 0.3 ... 4.0V/ und für den ADC /ADC input range: VREF– ≤ VIN ≤ VREF+/ Habe das mit den 2 clamping Dioden (1N5818) und 1kOhm davor ausprobiert. Signal am ADC Eingang leigt jetzt zwischen -0,3 ... 3,8V. Bisher steigt kein Rauch auf :-) Die Verfälschung durch eine (Zener-)Diodenkennlinie wäre für mich nicht so wichtig. Ich bin eh nicht am Absolutwert interessiert sondern nur am Delta zwischen zwei Abtastungen.
Dietmar B. schrieb: > Habe das mit den 2 clamping Dioden (1N5818) und 1kOhm davor ausprobiert. > Signal am ADC Eingang leigt jetzt zwischen -0,3 ... 3,8V. Bisher steigt > kein Rauch auf :-) Schön. Du darfst die internen Clamping Dioden mit bis zu 5mA belasten. Externe sind nicht nötig. Mit 10kΩ Vorwiderstand hättest du Schutz bis 50V!
Dietmar B. schrieb: > Unbenannt.png Da fehlt eine Zeitskala. Es ist ein Unterschied, ob du damit Signale im 100mHz oder 100MHz-Bereich begrenzen möchtest.
>/ADC input range: VREF– ≤ VIN ≤ VREF+/
solltest du dich dran halten, sonst misst dein ADC auf allen Kanälen
Mist!
my2ct schrieb: > Dietmar B. schrieb: >> Unbenannt.png > > Da fehlt eine Zeitskala. Es ist ein Unterschied, ob du damit Signale im > 100mHz oder 100MHz-Bereich begrenzen möchtest. Die Frequenz liegt so bei 0,5-1MHz.
Stefan ⛄ F. schrieb: > Schau nochmal ins Datenblatt. Ich wette, er verträgt -0,5 bis +3,8V. Und > das kannst du bequem mit einem Widerstand und einer 3,9V Zenerdiode > abdecken. Wozu eine Z-Diode? Wenn ich xx-Volt habe, teile ich die mit zwei Widerständen runter und fertig. Den Negativanteil klemmt eine Schottky hinreichend weg. Kennt man die Randbedingungen genauer, die Quellimpedanz, könnte der Spannungsteiler vielleicht aus drei Widerständen bestehen, wo man in der Mitte den negativen Anteil klemmt. Stefan ⛄ F. schrieb: > Schön. Du darfst die internen Clamping Dioden mit bis zu 5mA belasten. Die Nutzung der internen Dioden halte ich generell für eine Scheißidee, ich würde sie sogar als vorsätzlichen Pfusch bezeichnen. Von mir aus mögen die 5mA können, aber ab wann hebt die nach Plus die Betriebsspannung ungewollt an? Ab wann gibt es keinen definierten Reset mehr, weil eine windig parasitäre Speisung auftritt?
Das Verwenden der Clamping Dioden (egal ob jetzt extern oder intern) ist Pfusch. Erfasse lieber das ganze Signal (z.B. mit der Schaltung die ich weiter oben schon gepostet habe) und die "Begrenzung" machst du in der Software.
> Die Frequenz liegt so bei 0,5-1MHz.
Und? Hast du schonmal gekuckt was dein ADC dann fuer einen dynamischen
Eingangswiderstand hat? Oder glaubst du das wird einfach so gehen?
Olaf
Dietmar B. schrieb: > Die Frequenz liegt so bei 0,5-1MHz. Ich glaube nicht, dass der im STM integrierte ADC dafür noch reicht. er müsste, so spontan überlegt, locker 10 MSPS haben und ich mein der STM32 auf dem Nucleo-Board hat nur 5 MSPS. Oder hast du dich vertippt und meintest 0,5-1,0 kHz?
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M. K. schrieb: > Dietmar B. schrieb: >> Die Frequenz liegt so bei 0,5-1MHz. > > Ich glaube nicht, dass der im STM integrierte ADC dafür noch reicht. er > müsste, so spontan überlegt, locker 10 MSPS haben und ich mein der STM32 > auf dem Nucleo-Board hat nur 5 MSPS. Oder hast du dich vertippt und > meintest 0,5-1,0 kHz? Nein, passt schon. Es sind 0,5MHz ... 1MHz. Das ist vermutlich etwas misverständlich ... mit 1MHz hatte ich den Sinusanteil des Signals gemeint. Das Signal selber ist ein abklingender Sinus mit e-Funktion als Hüllkurve. Der Sins kommt nur mit 200Hz.
Olaf schrieb: >> Die Frequenz liegt so bei 0,5-1MHz. > > Und? Hast du schonmal gekuckt was dein ADC dann fuer einen dynamischen > Eingangswiderstand hat? Oder glaubst du das wird einfach so gehen? > > Olaf Ja, der Eingangswiderstand ist bei den vollen 5Msps@12bit nur noch 18Ohm ... aber wie gesagt, die Messfehler sind nicht so dramtisch. Mir geht es nur um Änderungen zwischen den Abtastungen des gleichen Signals.
Interne Schutzdioden als Spannungsbegrenzung einsetzen.... Ich fass es nicht. Mit oder ohne Strombegrenzung,... ist das Murks. Man nutzt doch nicht gewollt die absolut maximum ratings eines Bauteils als funktionalen Bereich aus. LEUTE!!!
Dietmar B. schrieb: > Nein, passt schon. Es sind 0,5MHz ... 1MHz. Das ist vermutlich etwas > misverständlich ... mit 1MHz hatte ich den Sinusanteil des Signals > gemeint. > Das Signal selber ist ein abklingender Sinus mit e-Funktion als > Hüllkurve. Der Sins kommt nur mit 200Hz. Versteh ich zwar noch immer nicht so ganz aber wenns nur 200 Hz sind die primär interessieren dann reichen die 5 MSPS in der Tat. ;)
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M. K. schrieb: > Dietmar B. schrieb: >> Nein, passt schon. Es sind 0,5MHz ... 1MHz. Das ist vermutlich etwas >> misverständlich ... mit 1MHz hatte ich den Sinusanteil des Signals >> gemeint. >> Das Signal selber ist ein abklingender Sinus mit e-Funktion als >> Hüllkurve. Der Sins kommt nur mit 200Hz. > > Versteh ich zwar noch immer nicht so ganz aber wenns nur 200 Hz sind die > primär interessieren dann reichen die 5 MSPS in der Tat. ;) Mich interessiert das Delta zwischen den Abtastzyklen, also Abtastzyklus 1: ΔU0 = U00 - U10 ΔU1 = U01 - U11 ΔU2 = U02 - U12 usw. Abtastzyklus 2: ΔU0 = U10 - U20 ΔU1 = U11 - U21 ΔU2 = U12 - U22 usw. usw.
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Msd schrieb: > Interne Schutzdioden als Spannungsbegrenzung einsetzen.... Ich fass es > nicht. > > Mit oder ohne Strombegrenzung,... ist das Murks. Man nutzt doch nicht > gewollt die absolut maximum ratings eines Bauteils als funktionalen > Bereich aus. LEUTE!!! Richtig, die recommended operating conditions sind maßgeblich. Warum man das nicht tut, hat aber nichts mit Moral zu tun. Einige ADC bekommen da nämlich erhebliche Probleme, ich hatte z.B: schon solche, die dann einen "Überlauf" produzierten und für Spannungen >Versorgung (nur 100mV) 0 geliefert haben. Und dergleichen mehr. Jeder Hersteller schreibt auch ins Datenblatt, was maximum Ratings wirklich sind. Ich würde das Signal herunterteilen, so dass es in den Messbereich passt. Man kann das Signal auch erst clampen, und dann herunterteilen wenn man will, so dass 0V nicht unterschritten und 3V3 nicht überschritten werden. Beispiel, wie das aussehen kann im Datenblatt: https://www.ti.com/lit/ds/symlink/adc12j4000.pdf?ts=1606800553498&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com%252Fproduct%252FADC12J4000 "...functional operation of the devic eat these or any other conditions beyond those indicated under Recommended Operating Conditions is not implied..." (das lesen wir auf S8. Heißt: Nur für den Bereich innerhalb der recommended ist die Funktion garantiert. Zurecht, meistens.
Msd schrieb: > Interne Schutzdioden als Spannungsbegrenzung einsetzen.... Ich fass es > nicht. Finde ich auch sehr zweifelhaft um es freundlich auszudrücken :) Für ein ernsthaftes Design sollte man das anders lösen. Vorschläge wurden ja schon gemacht.
900ss D. schrieb: > Finde ich auch sehr zweifelhaft um es freundlich auszudrücken :) Warum sollte man die Diode denn nicht nutzen eurer Meinung nach?
>Warum sollte man die Diode denn nicht nutzen eurer Meinung nach?
weil die VCCA/VREF+, und noch andere Dinge versaut und damit der ADC ein
ganz grobes 4Bit Schätzeisen wird
A. S. schrieb: > Klemmdioden, die von GND und zu VCC gehen Diese kann ich, je nach Anforderungen an Genauigkeit nicht uneingeschränkt empfehlen. Hatte neulich das Problem, dass die Clamping Diode über Temperatur einen Leckstrom von einigen 10 uA hatte. Bei einem Serien-Widerstand von 100 Ohm hat mir das den Messwert zu stark verfälscht. Das sollte man im Blick haben.
dummschwaetzer schrieb: > weil die VCCA/VREF+, und noch andere Dinge versaut und damit der ADC ein > ganz grobes 4Bit Schätzeisen wird Wenn man sie falsch nutzt: Richtig, dann passiert das. ;)
M. K. schrieb: > Warum sollte man die Diode denn nicht nutzen eurer Meinung nach? Weil sie als reine Schutzdiode gedacht ist damit der ADC nicht gleich stirbt bei einer Überspannung. Diese per Design anzulegen halte ich für groben Murks und hat mit solidem Design nichts zu tun.
dummschwaetzer schrieb: >>Warum sollte man die Diode denn nicht nutzen eurer Meinung nach? > weil die VCCA/VREF+, und noch andere Dinge versaut und damit der ADC ein > ganz grobes 4Bit Schätzeisen wird So ungefähr kann ich das bestätigen. Interessante Fehlersuche, die im Nachhinein eine Zeitverschwendung ist. Man muss eben unterscheiden: Will man mit den Clampingdioden verhindern, dass der Kram bei einm ESD-Impuls oder Fehler (Überspannung) komplett in Rauch aufgeht? Gut, denn genau dafür sind sie da. Nur sollte man im Normalbetrieb eben nicht die volle Funktion mit allen Features erwarten, wenn Strom über die Clampingdioden drüberfließt. Gute Elektronik nutzt die Maximum Ratings für "survival" und Fehlertoleranz, bewegt sich im Normalbetrieb aber immer in den "recommended" Ratings.
900ss D. schrieb: > Weil sie als reine Schutzdiode gedacht ist damit der ADC nicht gleich > stirbt bei einer Überspannung. Diese per Design anzulegen halte ich für > groben Murks und hat mit solidem Design nichts zu tun. Nun, das kann im Datenblatt oder in einer Applikationsschrift auch davon abweichen. Selber erlebt: Xilinx, FPGA, irgend ein Konfig-Pin war in einer Serie für ein 1V8-Interface ausgelegt, obwohl die typischen µC-Interface mit 3.3V liefen. Xilinx hat das in einer App-Note einfach mit einem R gelöst zur Strombegrenzung auf 10mA - und auf Rückfrage bestätigt, dass die internen Dioden das können und dürfen. M. H. schrieb: > Hatte neulich das Problem, dass die Clamping > Diode über Temperatur einen Leckstrom von einigen 10 uA hatte. Bei einem > Serien-Widerstand von 100 Ohm hat mir das den Messwert zu stark > verfälscht. Dann hat doch das IC ein Problem - oder meinst du extern zugeschaltete Clamping-Dioden in Schottky-Ausführung? Intern sind die ja eh immer da und sollten nicht mit einem Leckstrom eine Messung verfälschen.
HildeK schrieb: > Dann hat doch das IC ein Problem - oder meinst du extern zugeschaltete > Clamping-Dioden in Schottky-Ausführung? Intern sind die ja eh immer da > und sollten nicht mit einem Leckstrom eine Messung verfälschen. Ja, interne Dioden. Die Dioden sind zwar immer da, allerding spezifiziert der Hersteller für seinen analog Eingang ja einen gewissen Quellwiderstand. Wenn man da jetzt den Serienwiderstand einbaut, ist der meist zu hoch. Die Dioden sind sowieso der letzte Sch***. Die werden weder vermessen, noch richtig charakterisiert. Teilweise fehlen da auch im Process-Design-Kit des Halbleiterherstellers Modelle dafür. Die sind halt "da". Aber darauf verlassen, dass die irgendwas halbwegs Reporduzierbares tun, würde ich mich nicht. Wir haben mal ein Gerät mit open-Drain PWM Ausgangstufe gebaut. In den abgeschaltenen Phasen der PWM haben wir einen Strom rückwärts durch die Clamping Dioden der Ausgangsstufe gezogen, um die Temperatur der Endstufe im Asic zu überwachen. Das Ganze ist dann im Sand verlaufen, da die Dioden in allen Parametern dermaßen gestreut haben, dass da für jede Endstufe eine Kalibrierung notwendig geworden wäre. Und bei einem Asic mit > 12 Endstufen hatte da keiner Lust drauf.
M. H. schrieb: > Die Dioden sind sowieso der letzte Sch***. Die werden > weder vermessen, noch richtig charakterisiert. Für die Eingänge der gängigen Mikrochips (ganz besonders ADC) ist der maximal zulässige Leckstrom spezifiziert und eine Spannung bei der die Dioden garantiert noch nicht leiten/stören. Bei fast allen IC's (außer AVR) ist außerdem spezifiziert, wie viel Strom diese Dioden vertragen. Mit einem 10kΩ Vorwiderstand bist du bei den meisten ADC im grünen Bereich. Im Falle von STM32F3 hast du damit Schutz bis zu 50 Volt, da die Dioden mindestens 5mA vertragen. Allerdings empfiehlt sich, diese beim ADC nicht so stark zu nutzen, weil dies die interne Spannungsversorgung des ADC stören kann. Lieber weit darunter bleiben. In irgendeiner Application note empfiehlt ST maximal 1mA (für alle ADC Eingänge zusammen). Du hast geschrieben, dass dir ihre Reaktion auf Temperatur im Detail wichtig war. Dazu fällt mir nur ein, dass dieser Anwendungsfall für die Dioden schlicht nicht vorgesehen ist. Manche Mikrochips enthalten intern offiziell einen Temperatursensor, auch der ist typischerweise erheblichen Streuungen ausgesetzt. Es wird seinen Grund haben, warum der selbst der recht einfache DS1820 schon mehr kostet als ein kleiner Mikrocontroller. Ich weiß nicht wie alt du bist. Als ich Elektronik kennenlernte, hatten viele Mikrochips noch keine ESD Dioden. Die konnten schon beim auspacken oder auf dem Versand kaputt gehen. Heute sind bei den allermeisten Chips keine besonderen Verpackungen mehr erforderlich und man kann sie (im Gegensatz zu den kleinen MOSFET Transistoren) bedenkenlos anfassen. Ich sage dir, diese Clamping Dioden sind nicht "der letzte Sch***" sondern ein Segen.
900ss D. schrieb: > Weil sie als reine Schutzdiode gedacht ist damit der ADC nicht gleich > stirbt bei einer Überspannung. Aber genau das ist doch die Frage: Warum soll man denn die internen Dioden nicht als Schutzdioden verwenden wenn sie doch genau deswegen da drin sind? Ih sehe da weder Murks noch ein Problem mit. Natürlich sollte man sie nicht blind benutzen getreu dem Motto "das klappt schon", wer so vor geht macht immer Murks, da hilft dann auch keine externe Maßnahme dazu. ;)
>Warum soll man denn die internen >Dioden nicht als Schutzdioden verwenden weil du ausserhalb der Betriebsparameter bist
dummschwaetzer schrieb: > weil du ausserhalb der Betriebsparameter bist Öhm, das ist ja wohl eine Frage des Designs wie man die Schutzdioden verwendet. Daher ist diese pauschale Aussage Quatsch
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