Eingansstufe für ADC arduino Uno

[Mrigel B. (candirollerfreys)]

Moin !
Das ziel ist Spannungsbereich zwischen -10mv bis 10 mv auf dem Bereich 
0V bis 5 V für den Adc des Arduino uno zu umsetzen(bei -10mV müssen es 
0V sein
bei 0mV müssen es 2,5V sein und bei 10mV  5V). der Erste OPV ist okey 
auch mit der Simulation hat es Funktioniert .mein Problem liegt beim 
zweiten Opv . habt ihr vllt Vorschläge wie ich das realisieren kann?
vieln Dank

[Christian S. (roehrenvorheizer)]

Hallo,

es wird kaum möglich sein, ganz an die +5V Betriebsspannung als 
Ausgangsspannung heran zu kommen. Eine weitere Belastung des Ausganges 
ist zu vermeiden.

Die hochhohmige Auslegung fängt sich leicht Störungen ein, zumal die 
Nähe zur Digitalschaltung gegeben ist und zusätzlich 500-fach verstärkt 
wird.

Dem zweiten OPV fehlt die negative Betriebsspannung oder der 
nichtinvertierende Eingang darf nicht an GND sein.

"SingleVersionof LM324" erwarte von diesem Knaben keine Wunder, besser 
wäre wohl ein Kandidat mit CMOS-Eingängen bei der gewünschten 
Hochohmogkeit. Außerdem verstärkst Du Spannungen im Bereich seiner 
Offsetspannung. Also 2 mV x 500 macht?

mfg

[Sebastian S. (amateur)]

Ganz so einfach geht es nicht!
Der Kerl mit den Hörnern steckt nämlich im Detail.

Eine variable Verstärkung (durch Widerstände umschaltbar) ist nämlich 
nicht alles.
Du brauchst auch eine (ebenfalls durch Deine Umschalter) umschaltbare 
"Versatzspannung".
Die wiederum sollte auch so genau wie (möglich/sinnvoll) sein.

Rein rechnerisch sieht es nämlich folgendermaßen aus:
bei -10mV bis +10mV
(+10mV) -- 0 bis 20mV
(x250)  -- 0 bis 5V
...
bei -10V bis +10V
(+10V)  -- 0 bis 20V
(x0,25) -- 0 bis 5V

Wie Du sehen kannst brauchst Du mehrere verschiedene Verstärkungen und 
Versatzspannungen. Kann nicht schaden, wenn die auch noch ausreichend 
genau sind.

[Sebastian S. (amateur)]

Ich Vergaß!
Du kannst natürlich auch die Reihenfolge tauschen.
Dann kommst Du auf:
        -10mV bis +10 mV
(x250)  -2,5V bis +2,5V
(+2,5V)    0V bis +5V

          -10V bis +10V
(*0,25)  -2,5V bis +2,5V
(+2,5V)     0V bis 5V
So kannst Du Dir die verschiedenen Versatzspannungen sparen.

Grundsätzlich: Pass auf, wenn Du R2R-OPs verwendest. Vor allem, da die 
immer nur FAST bis zur Versorgungsspannung können.

[Christian S. (roehrenvorheizer)]

LM321 ist kein R2R-OPV

[Gustl B. (-gb-)]

Es gibt Ladungspumpen mit nachgeschaltetem LDO in einem kleinen Gehäuse. 
Damit ist auch eine negative Versorgung kein Problem.

https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm27761.pdf

[M. K. (sylaina)]

Christian S. schrieb:
> LM321 ist kein R2R-OPV

Und sonderlich genau ist der auch nicht, das ist doch nur ein halber 
LM324, oder? Da würde ich eher sowas wie ein LT1013 nehmen wollen.

[Mrigel B. (candirollerfreys)]

ich habe hier einen neuen Vorschlag ,praktisch weichen die Werte alle 
etwas ab kann einer von euch mir sagen woran die Abweichungen legen bzw 
was kann noch verbessert werden ?

[Christian L. (cyan)]

Wie groß ist die Abweichung?

Du hast hoffentlich gesehen, dass der AD823 bis zu 0,8mV Offset hat bei 
Raumtemperatur. Das ist bei 10mV Messbereich schon ein ordentlicher 
Fehler.

[Mrigel B. (candirollerfreys)]

Christian L. schrieb:
> Wie groß ist die Abweichung?
das steht auch ein Bild von der Simulation.

[Stefan F. (Gast)]

Es gibt Operationsverstärker, die ohne negative Stromversorgung geringe 
negative Spannungen an den Eingängen verarbeiten können. Leider nützt 
das wenig, da du den Ausgang bis auf 0V herunter nutzen willst. Das 
erfordert auf jeden Falls eine negative Versorgungsspannung.

[Armin J. (arminj)]

Warum willst du eigentlich auf 5V verstärken???
Dann wird im Arduino VCC als Referenz benutzt.
Warum benutzt du nicht die interne 1.1 Volt Referenz des Arduino?
Dann braucht du auch nicht so hoch und bis VCC zu verstärken!

[Christian L. (cyan)]

Mrigel B. schrieb:
> Christian L. schrieb:
>> Wie groß ist die Abweichung?
> das steht auch ein Bild von der Simulation.

Passt doch in der Simulation. Der Bereich von -10..+10mV wird auf 
0,5226..4.811V abgebildet. Theorie uns Simulation stimmen überein.

$$U_{out\_U1}= \left(1+\frac{R2}{R1}\right)\cdot U_{in} = 201\cdot U_{in}$$

$$U_{out\_U2}= \left(1+\frac{R5}{R6}\right)\cdot \left(\left(5V-U_{out\_U1}\right)\cdot\frac{R3}{R3+R4}+U_{out\_U1}\right) =1.6\cdot \left(\left(5V-U_{out\_U1}\right)\cdot\frac{1}{3}+U_{out\_U1}\right)$$

[Mrigel B. (candirollerfreys)]

> erfordert auf jeden Falls eine negative Versorgungsspannung.

doch das sollte ohne negative Versorgungsspannung funktionieren ,da ich 
keinen Platz dafür auf der Platine habe. und das ist genau die Frage 
.wie kann man das ohne die negative Versorgung realisieren???

[Mrigel B. (candirollerfreys)]

Christian L. schrieb:
> Mrigel B. schrieb:
>> Christian L. schrieb:
>>> Wie groß ist die Abweichung?
>> das steht auch ein Bild von der Simulation.
>
> Passt doch in der Simulation. Der Bereich von -10..+10mV wird auf
> 0,5226..4.811V abgebildet. Theorie uns Simulation stimmen überein.

ja ich weiß allerdings ich muss keine negative Versorgung haben . das 
wäre ja eine Lösung aber nicht gewollt .

[MaWin (Gast)]

Mrigel B. schrieb:
> Erste OPV ist okey auch mit der Simulation hat es Funktioniert .mein
> Problem liegt beim zweiten Opv .

Na ja, das Problem liegt in der ganzen Schaltung.

1. der LM321/352/324 hat 7mV Offsetspannungsfehler, ist also zur 
Verstärkung von +/-10mV fullrange völlig ungeeignet.

2. der Offset R23/R24 ist fehl am Platze, zudem koppelt er jegliche 
Störung der 5V ins Signal.

3. der zweite OpAmp verstärkt nur um 501, wenn das Signal nicht in den 
Rückkopplungsspannungsteiler eingekoppelt wird.

4. 5V kommen aus keinem mit 5V versorgten LM321/358/324, da braucht man 
einen Rail-To-Rail Verstärker.

Mrigel B. schrieb:
> ich habe hier einen neuen Vorschlag

Besser, aber immer noch recht ungenau, Einkopplung der 5V-Schwankung ins 
Signal, merkwürdige 1MOhm vor dem OpAmp Eingang und Verstärkung unter 1 
erfordert Kompensationsmassnahmen. Auch der zweite OpAmp darf -5V 
bekommen wenn er exakt 0V liefern soll.

[Christian L. (cyan)]

Mrigel B. schrieb:
> ja ich weiß allerdings ich muss keine negative Versorgung haben .

Das wird aber schwierig. Du musst ja den negativen Anteil bereits vor 
dem ersten OPV eliminieren und den Offset erzeugen. Dies kann man 
natürlich mit einem zusätzlichen Widerstand als Pull-up nach 5V machen. 
Aber das Problem ist, dass du bei der Bereichsumschaltung den Widerstand 
zwischen Eingangssignal und Knotenpunkt mit jedem Bereich ebenfalls 
variierst. Damit bekommst du in jedem Bereich einen anderen Offset und 
deine Kennlinie verschiebt sich.

Du könntest also auch den Pull-up Widerstand nach 5V in jedem Bereich 
mit umschalten, sodass es in jedem Bereich wieder passt.

[Gustl B. (gustl_b)]

Mrigel B. schrieb:
> da ich keinen Platz dafür auf der Platine habe.

Ernsthaft?! Der LM27761 hat eine Fläche von 4 mm^2. Mit Beschaltung 
bringt man den locker in 5 mm x 5 mm unter und die hast du nicht? Bei 
einer Platine für Arduino die per Definition Platzverschwendung ist?

[Mrigel B. (candirollerfreys)]

Gustl B. schrieb:
> Mrigel B. schrieb:
>> da ich keinen Platz dafür auf der Platine habe.
>
> Ernsthaft?! Der LM27761 hat eine Fläche von 4 mm^2. Mit Beschaltung
> bringt man den locker in 5 mm x 5 mm unter und die hast du nicht? Bei
> einer Platine für Arduino die per Definition Platzverschwendung ist?

ja Ernsthaft!! die Schaltung ist natürlich noch grösser das war nur ein 
kleiner Bereich, den ich gezeigt habe !!