Messverstärkerschaltung für Raspberry Pi

[Phil (Gast)]

Guten Tag,

ich habe folgenden Auftrag:

Aus einer DMS-Vollbrücke ein Signal aufnehmen, welches durch eine 
Messverstärkerschaltung verstärkt wird. Anschließend soll das Signal 
umgewandelt werden über einen A/D - Wandler, damit ich anschließend auf 
dem Raspi das Signal auswerten kann.

Im Vorraus schonmal, ich habe die DMS-Vollbrücke noch nicht. Also auch 
noch keine Angaben dazu was da auf mich zukommt.

Ich möchte das Signal über einen Operationsverstärker verstärken, 
welcher als Differenzverstärker verwendet wird. Ich hab auch schon einen 
kleinen Schaltplan dazu gezeichnet. Allerding ohne die passenden 
Werte/Bauteile also nur grob wie ich mir das vorstelle.

Ich hätte also zwei Fragen die ich mir so richtig noch nicht erklären 
kann.

1. Wie groß wählt man in der Regel die Kondensatoren die das Signal 
filtern sollen?

2. Hat jemand einen OP den er mir empfehlen könnte? (Würde den gerne auf 
5V laufen lassen da der Raspi auch auf 5V läuft)

3.Macht meine Schaltung überhaupt Sinn? Also würde das so funktionieren 
wie ich mir das vorstelle?

PS: Im Anhang befindet sich mein Schaltplan

[Klaus R. (klara)]

Phil schrieb:
> Ich hab auch schon einen
> kleinen Schaltplan dazu gezeichnet. Allerding ohne die passenden
> Werte/Bauteile also nur grob wie ich mir das vorstelle.

Schön gezeichnet. Es soll also eigentlich eine Gleichstrommessung 
werden.

Phil schrieb:
> 1. Wie groß wählt man in der Regel die Kondensatoren die das Signal
> filtern sollen?

fg = 1 (2 x PI x R x C)

Die Grenzfrequenz fg des CR-Glieds wird durch den Kondensator C und den 
Widerstand R bestimmt.
https://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/ebook.htm

Phil schrieb:
> 2. Hat jemand einen OP den er mir empfehlen könnte? (Würde den gerne auf
> 5V laufen lassen da der Raspi auch auf 5V läuft)

Für UB = 5 V brauchst Du ein Rail to Rail OPV. Wie genau soll die 
Messung werden? Der OPV sollte eine geringe Drift haben. Ich hatte 2018 
mal bei TI mir eine Vergleichsliste erstellt.
Eigentlich sollte auch ein TLC271 genügen. Der ist zwar nicht R2R aber 
"Output Voltage Range Includes NegativeRail".  Der OPV hat 1,8 µV/°C 
Drift. Das hängt ja auch von der Auflösung des ADC ab ob Du eine Drift 
überhaupt mitbekommst.
https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tlc271.pdf

Phil schrieb:
> 3.Macht meine Schaltung überhaupt Sinn? Also würde das so funktionieren
> wie ich mir das vorstelle?

Ein paar Elkos und Kerkos zum Abblocken der Versorgungsspannung, kurze 
Leiterbahnen, also das Übliche und es sollte funktionieren.

Mein üblicher Spruch dazu. LTspice ist Dein Freund.
https://www.analog.com/en/design-center/design-tools-and-calculators/ltspice-simulator.html
http://www.gunthard-kraus.de/LTSwitcherCAD/index_LTSwitcherCAD.html
http://www.gunthard-kraus.de/LTSwitcherCAD/LTSpice%20XVII%20_Tutorial_korr.pdf
mfg Klaus

[Phil (Gast)]

Klaus R. schrieb:
> fg = 1 (2 x PI x R x C)
>
> Die Grenzfrequenz fg des CR-Glieds wird durch den Kondensator C und den
> Widerstand R bestimmt.

Ja, aber ich will ja nur das Signal Filtern wie berechnet man dies denn 
dann?
Und ja es wird eine Gleichstrommessung.

Klaus R. schrieb:
> Für UB = 5 V brauchst Du ein Rail to Rail OPV. Wie genau soll die
> Messung werden? Der OPV sollte eine geringe Drift haben. Ich hatte 2018
> mal bei TI mir eine Vergleichsliste erstellt.
> Eigentlich sollte auch ein TLC271 genügen. Der ist zwar nicht R2R aber
> "Output Voltage Range Includes NegativeRail".  Der OPV hat 1,8 µV/°C
> Drift. Das hängt ja auch von der Auflösung des ADC ab ob Du eine Drift
> überhaupt mitbekommst.
> https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tlc271.pdf

Okay vielen Dank das werde ich mir mal anschauen.

Klaus R. schrieb:
> Ein paar Elkos und Kerkos zum Abblocken der Versorgungsspannung, kurze
> Leiterbahnen, also das Übliche und es sollte funktionieren.

Okay, gibt es vielleicht Tipps worauf man achten soll oder wo meistens 
Fehler bei auftreten?

Der A/D-Wandler dahinter hat eine Auflösung von 16Bit also es sollte 
schon wohl genau sein am Ende.


Gruß

[Kevin M. (arduinolover)]

Ein Instrumentenverstärker ist dein Freund. Ein reiner 
Differenzverstärker belastet die Brücke unter Umständen zu sehr.

[Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)]

Kevin M. schrieb:
> Instrumentenverstärker

Zum Beispiel INA102 um mal irgendeinen herauszugreifen ohne weitere 
Prüfung, ob dieser zu Deiner Schaltung paßt, aber Du ein Datenblatt 
ansehen kannst, was damit gemeint wäre.

[Martin B. (ratazong)]

Hallo,

Dein Differenzverstärker verstärkt nur in einer Richtung. Wenn Die 
Differenzbrückenspannung negativ (Schraube wird auseinander gezogen) 
ist, müsste am Ausgang auch eine negative Spannung am Verstärkerausgang 
herauskommen. Du versorgst den OPAMP allerdings asymmetrisch, das kann 
der dann nicht. Der AD Wandler kann vermutlich auch keine negativen 
Eingangsspannungen.
Wenn Du nur positive Differenzspannungen hast muss der OPAMP rail2rail 
sein.

Es gibt übrigens spezielle AD Wandler genau für diesen Zweck. Die haben 
die Differenzverstärker und manchmal auch eine Stromversorgung für die 
Brücke mit on chip und sind nicht teuer. Das wird ja auch oft gebraucht 
für Personenwaagen und so weiter.

Martin

[Klaus R. (klara)]

Phil schrieb:
> Klaus R. schrieb:
>> fg = 1 (2 x PI x R x C)
>>
>> Die Grenzfrequenz fg des CR-Glieds wird durch den Kondensator C und den
>> Widerstand R bestimmt.
>
> Ja, aber ich will ja nur das Signal Filtern wie berechnet man dies denn
> dann?
> Und ja es wird eine Gleichstrommessung.

Ich will ja nur filtern. Ok, ich versuche es Dir zu erklären. Auf die 
Schnelle habe ich nach RC - Filter gesucht und sofort etwas Brauchbares 
gefunden.

https://www.trance-cat.com/electrical-circuit-calculators/en/rc-low-pass-filter-calculator.php

Unter RC-Filter_10K-100n.jpg habe ich Dein Filter mit 10 K und 100 nF 
dargestellt. Du hast die 10 K und 100 nF parallelgeschaltet. Dies 
entspricht in Deinem Fall dem hier dargestellen Filter.

Wir sehen, die Grenzfrequenz liegt bei 159 Hz. Grenzfrequenz heißt, das 
Signal hat bei dieser Frequenz um 3 dB abgenommen. -3 dB ist das 0,707 
fache. Dieses simple Filter hat eine Steilheit von 6 dB / Oktave. 6 dB 
sind 2. Also bei 2 x 159 Hz = 318 Hz haben wir -3 dB + (-6 dB) = -9 dB.
Der Bode Plot im Diagramm zeigt Dir, bei ca. 3 KHz hast Du eine Dämpfung 
von ca. 20 dB, das ist das 10 fache.

Solltest Du eine Störeinstrahlung durch 50 Hz Netzbrummen haben, so mußt 
Du mit der Grenzfrequenz des Filters noch deutlich heruntergehen.

Eigentlich gehen diese Erklärungen für Dich noch etwas zu weit. Es gibt 
zu dem noch weitere Aspekte. Die Beschaltung 10 K und 100 nF schränkt in 
Deinem Fall vor allem die Bandbreite des OPV ein. Ein Effekt ist, das 
Rauschen steigt mit der Bandbreite. Da Du eigentlich nur Gleichstrom 
messen willst ist die Grenzfrequenz von 159 Hz schon optimal.

Phil schrieb:
> Der A/D-Wandler dahinter hat eine Auflösung von 16Bit also es sollte
> schon wohl genau sein am Ende.

Der MCP3008 macht aber nur 10 Bit

16 Bit = 65536:1 -->
ca. 15 µV bei 1 V
ca. 30 µV bei 2 V
...

Der OPV hat bei 10 K und 100R -> Eine Verstärkung von 100 (40 dB) und 
die Brücke bringt auch noch etwas (aber keine Verdopplung, siehe unten). 
Brauchst Du überhaupt solch eine Auflösung?

Kevin M. schrieb:
> Ein Instrumentenverstärker ist dein Freund. Ein reiner
> Differenzverstärker belastet die Brücke unter Umständen zu sehr.

Dein OPV ist als Differenzverstärker bzw. Subtrahierer beschaltet.
https://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0210153.htm

Diese Schaltung arbeitet als Subtrahierer dann exakt wenn die 
Signalquelle sehr niederohmig ist. Du hast hier in jedem Zweig einen 
Innenwiderstand von 110 Ohm. Das wäre etwas viel für eine genaue 
Subtraktion.

Ein genauer 0 - Abgleich dürfte so nicht möglich sein.  Aber wenn Du nur 
eine Spannung messen möchtest ist es mit der Schaltung schon möglich.

Was hast Du Denn für einen Sensor wie wie kommst Du auf die Beschaltung?
mfg klaus

[Klaus R. (klara)]

Martin B. schrieb:
> Dein Differenzverstärker verstärkt nur in einer Richtung. Wenn Die
> Differenzbrückenspannung negativ (Schraube wird auseinander gezogen)
> ist, müsste am Ausgang auch eine negative Spannung am Verstärkerausgang
> herauskommen. Du versorgst den OPAMP allerdings asymmetrisch, das kann
> der dann nicht. Der AD Wandler kann vermutlich auch keine negativen
> Eingangsspannungen.

Die Schaltung wird in Ruhestellung schon ca. UB/2, also 2,5 V liefern. 
Das ist eben so etwas wie ein virtueller Nullpunkt. Es kommt eben darauf 
an was Phil will.😉
mfg klaus

[Kevin M. (arduinolover)]

Klaus R. schrieb:
> Die Schaltung wird in Ruhestellung schon ca. UB/2, also 2,5 V liefern.
> Das ist eben so etwas wie ein virtueller Nullpunkt. Es kommt eben darauf
> an was Phil will.😉
> mfg klaus

Und dennoch wird bei einer Verteilung der Brückenspannung die eine 
negative Differenz hervorruft der OpAmp eine negative Spannung ausgeben.

[Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)]

Klaus R. schrieb:
> ie Schaltung wird in Ruhestellung schon ca. UB/2, also 2,5 V liefern.

Das sehe ich auch so. Der TO muss halt wissen, welchen Bereich die 
A/D-Wandler haben. Viele Raspi-Breakout-Boards können 2.5V, die auch die 
interne Referenz bietet. In dem Falle müßte er die Ausgangsspannung 
durch einen Ausgangsspannungsteiler halbieren.

[Klaus R. (klara)]

Kevin M. schrieb:
> Klaus R. schrieb:
>> Die Schaltung wird in Ruhestellung schon ca. UB/2, also 2,5 V liefern.
>> Das ist eben so etwas wie ein virtueller Nullpunkt. Es kommt eben darauf
>> an was Phil will.😉
>> mfg klaus
>
> Und dennoch wird bei einer Verteilung der Brückenspannung die eine
> negative Differenz hervorruft der OpAmp eine negative Spannung ausgeben.

Nö. Die Schaltung wird asymmetrisch versorgt. Der Sensor selber liefert 
im Ruhezustand UB/2. Von diesem Arbeitspunkt geht es hoch oder runter.
mfg Klaus

[Achim S. (Gast)]

Klaus R. schrieb:
> Nö. Die Schaltung wird asymmetrisch versorgt. Der Sensor selber liefert
> im Ruhezustand UB/2. V

Nein. der Sensor liefert eine Gleichtaktspannung von Ub/2. Die 
Differenzspannung ist Null und geht ins Positive oder negative. und der 
Differenzverstärker verstärkt die Differenzspannung - sein Ausgang geht 
also je nach Auslenkung ins Positive oder ins negative - was er aber 
wegen der Versorgung nicht kann.

[Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)]

Klaus R. schrieb:
> Der Sensor selber liefert
> im Ruhezustand UB/2. Von diesem Arbeitspunkt geht es hoch oder runter.

Das ist richtig.

Achim S. schrieb:
> Nein. ...

Du hast das Prinzip der virtuellen Masse bei asymetrischer 
Spannungsversorgung nicht verstanden. Diese liegt auf Ub/2 und für den 
Ausgang ebenfalls.

[Achim S. (Gast)]

Dieter D. schrieb:
> Das ist richtig.

Nein.

Dieter D. schrieb:
> Du hast das Prinzip der virtuellen Masse bei asymetrischer
> Spannungsversorgung nicht verstanden.

Ich würde eher sagen, du hast dir die Schaltung des TO immer noch nicht 
richtig angeschaut. Der Fußpunkt des Differenzverstärkers (unteres Ende 
von R5) geht gegen Masse (die untere Versorgung des OPV), nicht gegen 
Ub/2. Wenn die Brücke eine negative Differenzspannung liefert, dann 
müsste der Differenzverstäkerausgang negativ werden - was er aber nicht 
kann.

Klar könnte man die Schaltung auch umbauen, dass sie Ub/2 als 
Referenzpunkt nimmt. Aus R5 müsste ein passend dimensionierter 
Spannungsteiler zwischen Ub und Masse werden. Dann wäre deine 
Beschreibung richtig. Bei der aktuellen Schaltung ist und bleibt sie 
aber einfach falsch.

[Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)]

Achim S. schrieb:
> Ich würde eher sagen, du hast dir die Schaltung des TO immer noch nicht
> richtig angeschaut.

Im Gegensatz zu Dir habe ich zusätzlich die Schaltungswerte angeschaut.

Daher hängt die Schaltung bei Ub/2. Das mit R5 wäre zwar nicht richtig 
für einen Schaltung mit virtueller Masse, aber der Einfluss liegt 
unterhalb der Toleranz der verwendeten Bauteile (2%). Wenn die 
Messbrücke den doppelten Widerstand hätte, müßte der Widerstand R5 
erhöht werden. Für optimale Zeitkonstantensymmetrie müßte R5 20k haben 
und ein zusätzlicher Widerstand mit 20k zur positiven 
Versorgungsspannung oder Referenzspannung verschaltet werden.
Als Vref für den MCP3008 müßte er bei dieser Schaltung ebenfalls 5V 
verwenden. Das Umrechnen und Offsetberücksichtigung übernimmt dann das 
Programm.

[Achim S. (Gast)]

Dieter D. schrieb:
> Im Gegensatz zu Dir habe ich zusätzlich die Schaltungswerte angeschaut.
>
> Daher hängt die Schaltung bei Ub/2. Das mit R5 wäre zwar nicht richtig
> für einen Schaltung mit virtueller Masse, aber der Einfluss liegt
> unterhalb der Toleranz der verwendeten Bauteile (2%)

Ach je.

Ich hab mir die Bauteilwerte auch angeschaut. Und versucht, deine 
Argumente nachzuvollziehen. Und überlegt, ob du vielleicht doch 
irgendwie recht haben könntest. Aber ich kann dir auch beim besten 
Willen nicht zustimmen.

Deshalb habe ich die Bauteilewerte einfach mal in LTSpice eingebaut. Und 
siehe da: es ist genau so, wie Martin B. und Kevin M. und meine 
Wenigkeit gesagt haben: bei abgeglichener Brücke ist der Ausgang des 
Differenzverstärkers bei 0V - und eben nicht bei Ub/2. Und wenn die 
Auslenkung der Brücke in die falsche Richtung geht, dann kann der 
Verstärker selbst mit einem r2r OPV nicht funktionieren. (der OPV in der 
Simu, der ohne Versorgung auskommt, hat dagegen kein Problem mit der 
negativen Ausgangsspannung.)

[Achim S. (Gast)]

und der Vollständigkeit halber gleich auch noch die oben beschriebene 
Modifikation der Schaltung, bei der der Diffamp-Ausgang tatsächlich um 
Ub/2 variieren würde.

[Kevin M. (arduinolover)]

Ich habe mir gestern auch die Mühe gemacht es zu Simulieren, da der OP37 
in LTSpice verfügbar ist. Tatsächlich hat er eine Ausgangsspannung die 
einen Bias um die halbe Versorgungsspannung hat. Ich konnte mir leider 
aus Zeitgründen das Datenblatt noch nicht anschauen. Bei einem 
"normalen" OpAmp bleibe ich aber bei meiner Meinung :D

[Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)]

Achim S. schrieb:
> Ich hab mir die Bauteilwerte auch angeschaut. Und versucht, deine
> Argumente nachzuvollziehen.

Und wenn Du im Realen nachmessen würdest, käme nie Deine Kurve heraus, 
denn der Simulator rechnet mit genauen Werten. Die gibt es aber in der 
Realität nicht. Da läuft auch die zweite Schaltung nicht durch den 
Nullpunkt.

In der Realität musst Du eine Brücke immer abgleichen. Der Abgleich 
erfolgt über einen parallelen Widerstandstrimmer parallel zu R4 im 
Schaltplan des TO. In diesem Falle wird der Trimmer 20k haben und fast 
genau in Mittenstellung (aber nur wegen der 100 Ohm, aber der wird hier 
gebraucht wegen der Symmetrie der Zeitkonstanten), hast Du genau wenn 
alle Brückenwiderstände 220 Ohm haben, den Mittelpunkt bei Ub/2. Der 
kleine Versatz mit R5 erschlägt daher zwei Fliegen mit einer Klappe. Und 
damit bist Du wieder bei Ub/2 am Ausgang.

[Klaus R. (klara)]

Hallo,
ich muß mich entschuldigen. Die Subtrahierer Schaltung hat es echt in 
sich. So bald die Spannungsquellen des Meßsignals keinen sehr kleinen 
Innenwiderstand haben, stimmen die simplen Berechnungsformeln nicht 
mehr. Denn die gehen von den idealen Voraussetzungen aus.

Ich hatte zuerst mit einem Modell des LTC272 getestet. Ein einfacher OPV 
der eigentlich schon passable Werte liefern müßte. Danach wollte ich es 
doch genauer wissen und habe den LTC1152 genommen.

Den Begriff Subtrahierer muß man in der Tat wörtlich nehmen. Ich dache 
da die Messbrücke auf UB/2 steht und +IN und -IN ebenfalls (zumindest 
beinahne) sollte OUT auch auf UB/2 stehen. Nein, +2.5V -2,5V = 0V.

Profies würden hier in der Tat Instrumentenverstärker einsetzen. Die 
Eingänge sind sehr hochohmig (in der Regel) und man braucht sich über 
Auswirkungen der Innenwiderstände des Sensors keine Gedanken machen.

Obwohl der LTC1152 mit über 7€ wirklich nicht billig ist, schafft das 
Modell es hier nicht die 0V zu erreichen. Das dürfte eher der Realität 
entsprechen. Der Bastler würde hier Trimmen, dem Profi wäre das zu 
aufwändig und nimmt einen Instrumentenverstärker.
mfg Klaus

[Achim S. (Gast)]

Kevin M. schrieb:
> Ich habe mir gestern auch die Mühe gemacht es zu Simulieren, da der OP37
> in LTSpice verfügbar ist

Der OP37 ist ein "klassischer Präzisions-OPV". Mit ihm (bzw. seinem 
langsameren "Verwandten" OP27) habe ich ausgesprochen gerne gearbeitet.

Er ist weit entfernt von r2r. Bevor Burr Brown von TI gekauft wurde 
hatte mir einer von deren Ingenieuren auf einer Messe mal erzählt, den 
"single supply und rail-2-rail Hype" überlassen sie lieber der 
Konkurrenz, sie bauen stattdessen weiter die besten und genausten OPV 
;-)

Der input voltage range des OP37 muss 2,7V .. 4V von den rails 
wegbleiben - ein single supply 5V-Betrieb ist damit schon mal unmöglich. 
Sein output voltage swing kommt nur auf 1,2V..3,5V an die rails heran. 
Das heißt: wenn man den OP37 mit 5V versorgt, ist es schlicht Zufall, 
was am Ausgang des Bausteins tatsächlich erscheint.

Dass nicht 0V erscheinen (was bei der korrekten Funktion der Fall wäre) 
ist sicher, weil der OP37 halt nicht annähernd an die negative Rail 
rankommt.

Dieter D. schrieb:
> In der Realität musst Du eine Brücke immer abgleichen.

Achso. Du meinst man kann die Brücke so verstimmen, dass beim Verstärker 
2,5V rauskommen? Ja mensch dann sag das doch.

Klar kann man die Brücke falsch einstellen um damit die Fehlfunktion der 
dahinterliegenden Schaltung zu kaschieren. Zumindest falls die 
DMS-Messbrücke des TO das zulässt (vollständige DMS-Messbrücken erlauben 
das meist nicht, mit Einzel-DMS kann man es aber natürlich so 
hinpfuschen).

Oder man baut es halt gleich richtig (und behauptet nicht ins Blaue 
rein, dass die hier gezeigte Schaltung am Ausgang einen Ruhepegel von 
2,5V liefert, was sie schlicht nicht tut.)

[Achim S. (Gast)]

Klaus R. schrieb:
> em Profi wäre das zu
> aufwändig und nimmt einen Instrumentenverstärker.

Der Instrumentenverstäker hilft eindeutig dabei, die Brücke nicht zu 
belasten. Aber das Problem, dass die 0V nicht erreicht werden, hätte man 
bei den allermeisten Instrumentenverstärkern sehr ähnlich (oder noch 
schlimmer) wie bei der Schaltung des TO. Die "Belastung" des Ausgangs 
erfolgt über den Rückkoppelwiderstand, die ca. 250µA machen es auch 
einem r2r Ausgang schwer, "genau" auf 0V zu kommen.

Man tut sich leichter wenn man das Bezugspotential definiert - z.B. wie 
hier gezeigt
https://www.mikrocontroller.net/attachment/494103/Diffamp2.png
oder indem man den Ref-Eingang eines Instrumentenverstärkers auf ein 
entsprechendes Potential treibt.

[Achim S. (Gast)]

Achim S. schrieb:
> Man tut sich leichter wenn man das Bezugspotential definiert - z.B. wie
> hier gezeigt

sollte heißen

"wenn man ein höheres Bezugspotential definiert"

[Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)]

Klaus R. schrieb:
> Der Bastler würde hier Trimmen, dem Profi wäre das zu
> aufwändig und nimmt einen Instrumentenverstärker.

Auch der Profi würde hier trimmen, weil eine Brücke mit Widerständen 
genauer als 1% wird teurer. Würde eine lasergetrimmte Brücke mit 0,1% 
Genauigkeit der Widerstände verwendet, dann würde als Trimmer parallel 
zu R4 ein Reihenschaltung aus 9.5k und 1k Trimmer verwendet werden 
(Spreizung zum leichteren Abgleichen).

Da wäre der Widerstand versteckt, der Achim gefehlt hat, weshalb er zu 
einer anderen Ansicht zur Schaltung kam. Hätte R5 einen kleineren Wert 
gehabt, hätte ich ihm zugestimmt. Ub/2 wäre 2,5V. Mit dem Widerstand 
liegt bei den TO der virtuelle Massepunkt nicht bei 2,5V sondern fast 
genau bei 2,45V. Jeder der Widerstände R2, R4, R6 und R5 (mit und ohne 
R5) beeinflussen den virtuellen Massepunkt auf Grund der Toleranzen, so 
das dieser nie genau 2.5V sein wird.

Aber der Ausgangshub des OP des TO ist bei 5V für seine Anwendung zu 
niedrig. Da stimme ich Achim vollumfänglich zu.

[Phil (Gast)]

Vielen Dank schonmal für die zahlreichen Antworten.

Ich habe auch schon über einen Instrumentverstärker nachgedacht. Ich 
würde die Messung gerne möglichst genau durchführen und ein guter und 
Toleranzarmer Verstärker wäre da sehr von Vorteil. Hat jemand damit 
Erfahrung und könnte mir einen empfehlen?


Und ja ich weiß das der MCP3008 nur 10 Bit hat und nicht die gewünschten 
16 deshalb habe ich mir dafür schon folgenden heraus gesucht:

https://www.reichelt.de/raspberry-pi-analog-digital-konverter-rpi-adc-p226847.html?&trstct=pos_0&nbc=1

Dann würde mir eigentlich nur der Instrumentverstärker fehlen. Die 
Toleranzen der Messbrücke kann ich noch nicht nennen die bekomme ich 
erst in den nächsten Tagen.

Klaus R. schrieb:
> Solltest Du eine Störeinstrahlung durch 50 Hz Netzbrummen haben, so mußt
> Du mit der Grenzfrequenz des Filters noch deutlich heruntergehen.
>
> Eigentlich gehen diese Erklärungen für Dich noch etwas zu weit. Es gibt
> zu dem noch weitere Aspekte. Die Beschaltung 10 K und 100 nF schränkt in
> Deinem Fall vor allem die Bandbreite des OPV ein. Ein Effekt ist, das
> Rauschen steigt mit der Bandbreite. Da Du eigentlich nur Gleichstrom
> messen willst ist die Grenzfrequenz von 159 Hz schon optimal.

Darüber muss ich noch ein wenig nachdenken. Welchen Grund genau hat das, 
dass man 159Hz nimmt?
Ich werde am besten sowieso die Schaltung aufbauen und dann mit einem 
Oszilloskop schauen welche Verzerrung ich im Signal habe und die dann 
versuchen zu minimieren oder welcher Weg ist dafür der beste?

[Andrew T. (marsufant)]

Phil schrieb:
> Welchen Grund genau hat das,
> dass man 159Hz nimmt?

Keinen. Es ist einfach leicht erreichbar. Und für diese Zwecke exakt 
genug.
Du kannst auch sagen:

weil 10k und 100nF gängige Werte für Bauteile sind.

Du könntest auch 51.1Hz nehmen  - weil 10k und 330nF  ebenfalls gängige 
Werte sind.

Etc.

Es ist letztlich ein Kompromiss aus Einschwingzeit, gewünschte 
Bandbreite, Aufwand, abmessungen der Bauteile.

[Phil (Gast)]

Okay, ja das werde ich dann mal ausprobieren.

Ich habe mir jetzt auch mal einen Instrumentverstärker angeschaut und 
ich glaube das der INA128PA ausreichend für mich wäre. Es sei denn ich 
habe etwas übersehen im Datenblatt

[Nasenbär (Gast)]

Hallo,
warum muss man denn die Null Volt am Nullpunkt zwingend erreichen?
Einen Offset kann man doch auch digital rausrechnen.
Viele Grüsse

[Achim S. (Gast)]

Phil schrieb:
> Ich habe mir jetzt auch mal einen Instrumentverstärker angeschaut und
> ich glaube das der INA128PA ausreichend für mich wäre. Es sei denn ich
> habe etwas übersehen im Datenblatt

Ich hatte oben schon mal geschrieben, dass das Problem mit dem Erreichen 
der Null am Ausgang bei vielen Instrumentenverstärkern genau so schlimm 
(oder noch schlimmer) ist wie bei Subtrahierverstärkern mit r2r-OPVs. 
Hier der Link zur zugehörigen Erklärung:

https://www.ti.com/lit/an/slyt690/slyt690.pdf?ts=1614067342679&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com%252Ftool%252FINA-CMV-CALC

Wenn du das Tool aus diesem Link verwendest kannst du berechnen, welcher 
Signalbereich für deinen Verstärker nutzbar ist. Wenn du Ref auf 0 legst 
kann dein Verstärker Ausgangssignale zwischen 0,8V und 1,5V korrekt 
erzeugen. Wenn dieser Bereich überschritten wird, clippt der Verstärker 
in der einen Richtung hart, in der anderne Richtung bekommt er eine 
stark nichtlineare Verstärkung. Beides willst du nicht wirklich.

Wenn du Ref auf 2,5V legst (zweiter Anhang) sind die Signale zwischen 1V 
und 4V korrekt. Da brauchst du dann halt nur eine niederohmige Quelle, 
um den Ref-Eingang des INA128 zu treiben. Dein ADC (ADS1115) müsste dann 
den Verstärkerausgang differentiell zu diesem Wert am Ref-Eingang des 
Verstärkers messen.

Du könntest stattdessen auch erwägen, den Verstärker ganz weg zu lassen 
und die Ausgänge der Brücke direkt auf den ADS1115 zu geben (und den im 
kleinsten Messbereich differentiell messen zu lassen). Der belastet 
deine Quelle dann mit einer effektiven Impedanz von 710kOhm. Aber das 
ist in bei deiner Brücke evtl. in einem akzeptablen Bereich. Es ist auf 
jeden Fall um Größenordnungen geringer als die Belastung, die du mit 
deinem ursprünglichen Entwurf eines Subtrahierverstärkers an die Brücke 
angeschlossen hättest.

[Phil (Gast)]

Achim S. schrieb:
> Wenn du Ref auf 2,5V legst (zweiter Anhang) sind die Signale zwischen 1V
> und 4V korrekt. Da brauchst du dann halt nur eine niederohmige Quelle,
> um den Ref-Eingang des INA128 zu treiben. Dein ADC (ADS1115) müsste dann
> den Verstärkerausgang differentiell zu diesem Wert am Ref-Eingang des
> Verstärkers messen.

Also wenn ich das jetzt richtig verstanden habe, kann ich wenn ich an 
dem Uref Eingang eine Spannung von 2,5V anlege mit einer Niederohmigen 
Quelle den Wertebereiche von 1V - 4V genau auslesen. Darüber bzw. 
darunter wird die Verstärkung ungenau und damit nicht mehr brauchbar.
Aber wenn ich nur den Bereich zwischen 1V und 4V nutze kann ich doch 
genau auslesen oder nicht? Das könnte man doch realisieren indem man die 
Bibliothek dahinter so anlegt oder nicht? Sorry für die vielen 
Unklarheiten habe vorher noch nicht mit Verstärker zutun gehabt.

[Achim S. (Gast)]

Phil schrieb:
> Aber wenn ich nur den Bereich zwischen 1V und 4V nutze kann ich doch
> genau auslesen oder nicht?

ja, das geht. wobei dein ADC dann differentiell messen muss relativ zu 
den 2,5V am Ref-Eingang des INA. der tatsächliche Bereich wäre also von 
2,5-1=1,5V bis 2,5-4=-1,5V

[DMS Freak (Gast)]

Kann man alles machen. Was ich nicht verstanden habe, ist die Art des 
Auftrags. Falls das ein Schüler oder Studentenprojekt ist, kann man so 
rangehen. In dem Fall möchte ich noch einfügen, dass die Speisespannung 
der DMS-Brücke in die Brückenausgangsspannung eingeht. Es wäre nicht 
ungeschickt, wenn man diese Spannung als Referenzspannung für den ADC 
heranzieht.Ratiometrisch messen.

Falls es beruflich ist, wäre die Entscheidung make or buy zu treffen. 
Für eine einmalige Lösung ist der Aufwand viel zu hoch. Jedenfalls ist 
ein Blick auf existierende Produkte und deren Eigenschaften keinesfalls 
verkehrt, das Problem ist ja nicht erst vor ein paar Tagen aufgetreten.

Es gibt auch Produkte, die den Aufwand auf ein Minimum reduzieren, z. B.

https://www.burster.de/de/mess-pruefgeraete/messgeraete-fuer-mechanische-groessen/p/detail/9206

Ähnliches gibt es auch von anderen Herstellern.

[Phil (Gast)]

DMS Freak schrieb:
> Falls es beruflich ist, wäre die Entscheidung make or buy zu treffen.
> Für eine einmalige Lösung ist der Aufwand viel zu hoch. Jedenfalls ist
> ein Blick auf existierende Produkte und deren Eigenschaften keinesfalls
> verkehrt, das Problem ist ja nicht erst vor ein paar Tagen aufgetreten.
>
> Es gibt auch Produkte, die den Aufwand auf ein Minimum reduzieren, z. B.

Ich würde gegeben falls auch einen fertigen Verstärker nehmen. 
Allerdings müsste ich am Ende acht "DMS-Vollbrücken" einzeln voneinander 
auswerten können. Dazu kommt noch das es relativ kompakt sein soll. 
Außerdem möchte ich nicht pro Vollbrücke ein paar hundert Euro ausgeben.

Deshalb informiere ich mich darüber welche Optionen es für mich gibt die 
relativ einfach umsetzbar sind, "kostengünstig" und kompakt sind. 
Schaltungen zusammenlöten oder Messungen durchführen sind nicht das 
Problem. Allerdings soll es auch irgendwann vernünftig und möglichst 
genau funktionieren.

[Rainer V. (a_zip)]

Also wenn es "professionell" werden soll, dann wirst du deine Zeit 
sicher nicht damit verschwenden, einen passenden Verstärker für die 
Messbrücke zu basteln. Da greift man sicher auf die kommerziellen 
Lösungen zurück, es sei denn du mußt einen bestimmten Parameter über 
alle Masse ausreizen. Bleibt die Frage, ob die Art der Messung ein 
Multiplexen der Brücken auf einen Meßverstärker erlaubt oder ob du 
wirklich für jede Brücke einen eigenen Meßverstärker brauchst. Ähnliche 
Frage dann, was kommt nach dem Verstärker?
Gruß Rainer

[Dieter D. (Gast)]

Achim S. schrieb:
> Ich hatte oben schon mal geschrieben, dass das Problem mit dem Erreichen
> der Null am Ausgang bei vielen Instrumentenverstärkern genau so schlimm
> (oder noc

Er will doch gar nicht Null am Ausgang haben, sondern Ub/2 als Mitte um 
die Spannungsaenderung der Bruecke in beide Richtungen erfassen zu 
koennen.

Anbei eine kleine Auswahl r2r instrument amplfier:
INA 188, 326, 327, AD 623, 8227, LTC 6800, Max 4208, 4209, ...

[Dieter D. (Gast)]

Phil schrieb:
> Außerdem möchte ich nicht pro Vollbrücke ein paar hundert Euro ausgeben.

Musst Du auch nicht. Wenn Du die Daten hast ueber Genauigkeit, welchen 
Hub die Bruecke haben wird, ist das alles nur Spekulation. Wenn die 
Daten da sind, kann man erst den parallelen Trimmwiderstand zu R4 
bestimmen. Waere nicht das erste mal, das so ein Sensor bereits mit 
Vorverstaerker waere.

Deine Referenz muss sowieso niederohmig sein, wenn die Bruecke wirklich 
nur rund 200 Ohm haette. Kann auch sein, das Du fuer alle 
Referenzspannungen eine niedrigere benoetigst, oder Pulsbetrieb, weil 
sonst der Sensor zu viel Abweichungen durch Eigenerweaermung haben 
koennte.

[Uwe B. (Firma: TU Darmstadt) (uwebonnes)]

Und warum nicht gleich einen Sigma-Delta Wandler mit interner 
Verstaerkung? HX711 wird haeufig am Raspberry verwendet, allerdings muss 
man beim Bitbanging aufpassen , nicht waehrend der Messung durch > 50 uS 
high den Baustein zurueckzusetzten.

[Phil (Gast)]

Rainer V. schrieb:
> Ähnliche
> Frage dann, was kommt nach dem Verstärker?

Nach dem Verstärker soll über einen AD-Wandler den ich oben schonmal 
eingestellt habe das Analoge Signal umgewandelt werden und dann über 
einen Raspi ausgewertet werden.

[Phil (Gast)]

Uwe B. schrieb:
> Und warum nicht gleich einen Sigma-Delta Wandler mit interner
> Verstaerkung? HX711 wird haeufig am Raspberry verwendet



https://www.reichelt.de/entwicklerboards-waegezellenverstaerker-hx711-debo-force-amp-p271877.html?PROVID=2788&gclid=Cj0KCQiA7NKBBhDBARIsAHbXCB4XNw7C8pbYY_woAFzxXfLSInaGFSQvlDMrD-ANNVumSY7vS4ZvmKoaAmz9EALw_wcB

Was wäre denn mit diesem? Wenn ich das richtig verstanden habe, könnte 
ich daran doch meine DMS-Brücke anschließen und kann dann im Anschluss 
direkt per I2C auslesen das wäre doch eigentlich genau das was ich 
möchte.

[Uwe B. (Firma: TU Darmstadt) (uwebonnes)]

Phil schrieb:
> Uwe B. schrieb:
>> Und warum nicht gleich einen Sigma-Delta Wandler mit interner
>> Verstaerkung? HX711 wird haeufig am Raspberry verwendet
>
>
>
> 
https://www.reichelt.de/entwicklerboards-waegezellenverstaerker-hx711-debo-force-amp-p271877.html?PROVID=2788&gclid=Cj0KCQiA7NKBBhDBARIsAHbXCB4XNw7C8pbYY_woAFzxXfLSInaGFSQvlDMrD-ANNVumSY7vS4ZvmKoaAmz9EALw_wcB
>
> Was wäre denn mit diesem? Wenn ich das richtig verstanden habe, könnte
> ich daran doch meine DMS-Brücke anschließen und kann dann im Anschluss
> direkt per I2C auslesen das wäre doch eigentlich genau das was ich
> möchte.

Nein, nicht per I2C und auch nicht normales SPI, sondern 25- 27 
Taktimpulse, je nachdem welchen Kanal Du wandeln willst. Meist macht man 
das mit GPIO Bitbanging. Man muss aber die Timing Randbedingung 
beachten. Aktuelle Linux Kernel kennen das Teil aus im IIO Framework.

[Phil (Gast)]

Uwe B. schrieb:
> Nein, nicht per I2C und auch nicht normales SPI, sondern 25- 27
> Taktimpulse, je nachdem welchen Kanal Du wandeln willst. Meist macht man
> das mit GPIO Bitbanging. Man muss aber die Timing Randbedingung
> beachten. Aktuelle Linux Kernel kennen das Teil aus im IIO Framework.

okay, dafür benötige ich eine genauere Erklärung.

[DMS Freak (Gast)]

Bis das zufriedenstellend läuft, hast du vier Wochen  locker netto 
verbraten. Und dann stösst du auf Probleme, die andere schon gelöst 
haben.

Sag ich mal als jemand, der schon einen ganzen Stall voll Messverstärker 
entwickelt hat.

[Phil (Gast)]

DMS Freak schrieb:
> Bis das zufriedenstellend läuft, hast du vier Wochen  locker netto
> verbraten. Und dann stösst du auf Probleme, die andere schon gelöst
> haben.
>
> Sag ich mal als jemand, der schon einen ganzen Stall voll Messverstärker
> entwickelt hat.

Und was ist dann deine Lösung zu meinem Problem? Bzw. was würdest du 
empfehlen?

[Uwe B. (Firma: TU Darmstadt) (uwebonnes)]

Zu dem HX711 gibt es tausende von Beispielen im Netz...

[DMS Freak (Gast)]

Ich möchte nur dringend raten, die Eigenschaften professioneller 
Produkte genauer zu betrachten und vor allem die eigenen Anforderungen 
an die Schaltung zu präzisieren.

Beispiel:

Welche Nullpunktsdrift des Eingangsverstärkers von z. B. 0,1 µV/K im 
Verhältnis zur zu erwartenden Eingangsspannung im zu erwartenden 
Temperaturbereich wird benötigt

Ist eine Thermospannungskompensation erforderlich?

Welche Eckfrequenzen? Ist das sicher oder soll das mit digitalen Filtern 
noch erprobt werden.

Mittelwertbildung? Reicht das aus einem DeltaSigmal Wandleroder muss 
zusätzlich gemittelt werden? Gleitend oder arithmetisch?

Welche Genauigkeiten werden erwartet?

Was ist an Störeinflüssen zu erwarten?
etc.

Wenn du das selbst baust, wie stellst du die Einhaltung deiner 
Anforderungen sicher? Messmittel vorhanden?

Wie stellst du dir den Abgleich der Elektronik vor? Mit Potis oder 
digital?

Ressourcen füe die Entwicklung vorhanden? Zeitabschätzung?