Hallo!
Ich möchte ein Eingangssignal, das eine Amplitude von max 10V hat (also
zB ein Sinus, der von -10V bis +10V durchschwingt) in ein verkleinertes
und verschobenes Signal mit 2.5V Amplitude und 2.5V Offset (entspr.
Sinus von 0 bis 5V) umwandeln. Es sieht in der Simulation so aus, als
würde das grundsätzlich mit der angehängten OP-Schaltung gehen (die
Invertierung ist erstmal egal). Ein Detail verstehe ich nun aber nicht:
Die Amplitude des Ausgangssignals stimmt augenscheinlich (5V), der
Offset aber nicht. Das Signal schwingt tatsächlich zwischen ca 627 mV
(und eben nicht 0V) und ca 5.62V (nicht 5V). Woher kommt der falsche
Offset? Der pos. Eingang des OpAmps liegen doch exakt 2.5V ...
Danke für ein bißchen Nachhilfe :-)
In der invertierenden Schaltung musst du den Offset auch auf den "-"
Eingang legen (Die Ströme werden addiert), "+" auf GND.
Oder du nimmst die Differenzverstärkerschaltung mit 4 Widerständen.
Helge schrieb:> Der pos. Eingang des OpAmps liegen doch exakt 2.5V ...
und diese 2,5V werden mit (1+25k/100k) verstärkt. ergibt 3,125V (also
625mV mehr als die eigentlich willst)
Einfach mal durchrechnen: IN+ liegt auf 2,5V. Damit der OPV glücklich
ist, muss auch IN- auf 2,5V liegen. Die stellen sich bei +10V am Eingang
bei 75uA durch R2 und R4 ein, was einen Spannungsabfall von 1,875V an R2
ergibt. 2,5V - 1,875V sind 0,625V 🥳
Helge schrieb:> (also zB ein Sinus, der von -10V bis +10V durchschwingt) in ein> verkleinertes und verschobenes Signal mit 2.5V Amplitude und 2.5V Offset> (entspr. Sinus von 0 bis 5V) umwandeln.
Schön, aber was willst du da verstärken ?
Du musst nur Abschwächen, dazu reichen Widerstände und zumindest eine
Spannung auf die man sich verlassen kann oberhalb 3.33V.
Achim S. schrieb:> Helge schrieb:>> Der pos. Eingang des OpAmps liegen doch exakt 2.5V ...>> und diese 2,5V werden mit (1+25k/100k) verstärkt. ergibt 3,125V (also> 625mV mehr als die eigentlich willst)
Ich glaube das hat mir geholfen. Danke! Ich lege also 2V am pos. Eingang
an, womit der Offset dann 2V * 1.25 = 2.5V beträgt.
Das zu wählende Bezugspotential des Verstärkers ist nicht der gewünschte
Offset, sondern der Fixpunkt der Verstärkungsfunktion, also die
Eingangsspannung, bei der die Ausgangsspannung gleich ist.
Im konkreten Fall möchtest mit deiner Schaltung die Funktion
U_a = f(Ue) = -Ue / 4 + 2,5V
realisieren. Das Bezugspotential ist die Lösung der Gleichung
Ubez = f(Ubez)
also
Ubez = -Ubez / 4 + 2.5V
Die Lösung ist
Ubez = 2V
Diese 2V musst du statt der 2,5V an den nichtinvertierenden Eingang
anlegen.
Wenn das Ausgangssignal der Schaltung nicht niederohmig sein muss (weil
es bspw. einem ADC zugeführt wird), kommst du gemäß dem Vorschlag von
MaWin aber auch mit drei Widerständen aus und kannst dir den Opamp
sparen.
Edit: Ich habe noch die Dimensionierung und die Simulation und der drei
Widerstände angehängt. Ich bin dabei davon ausgegangen, dass du dafür
eine hinreichend saubere 5V-Quelle hast.
Yalu X. schrieb:> Wenn das Ausgangssignal der Schaltung nicht niederohmig sein muss (weil> es bspw. einem ADC zugeführt wird), kommst du gemäß dem Vorschlag von> MaWin aber auch mit drei Widerständen aus und kannst dir den Opamp> sparen.
Das Signal soll danach in einen Analogmultiplexer (zB 74HC4067) und
würde danach wieder auf die Ausgangsamplitude verstärkt. Es könnte dann
also vielleicht passiv gehen, oder? Allerdings komme ich da auf die
Schnelle nicht zur Lösung. Wie ergeben sich die Widerstände?
Vielen Dank!
Yalu X. schrieb:> Edit: Ich habe noch die Dimensionierung und die Simulation und der drei> Widerstände angehängt. Ich bin dabei davon ausgegangen, dass du dafür> eine hinreichend saubere 5V-Quelle hast.
Sorry, zu spät gesehen. Ich schaue mir das an. Ganz vielen Dank!
Helge schrieb:> Wie ergeben sich die Widerstände?
Zwei parallele Spannungsteiler - wobei R1 und R3 anschließend
zusammengefasst werden (können)
(Siehe Bild)
Ich würde allerdings 120k und 30k nehmen - die sind einfacher
beschaffbar.
Gruß
Jobst
MaWin schrieb:> Schön, aber was willst du da verstärken ?>> Du musst nur Abschwächen
Erweitere einfach den Zahlenbereich für "verstärken" um Absolutwerte
unterhalb von 1 ;-)
Mit R2 < R4 passt das dann schon und der Ausgangsimpedanz schadet es
bestimmt nicht. Wer weiß, für welche Anwendung die Schaltung dienen
soll.
Helge schrieb:> Das Signal soll danach in einen Analogmultiplexer (zB 74HC4067) und> würde danach wieder auf die Ausgangsamplitude verstärkt.
Um das Signal wieder auf die Ausgangsamplitude zu verstärken, nimmst du
am besten einen Opamp, den du mit dem gleichen Widerstandsnetzwerk wie
am Eingang des Multiplexers gegenkoppelst. Dadurch wird der Effekt des
Eingangsnetzwerks umgekehrt, und du erhältst wieder das gewünschte
Signal im Bereich von -10V bis +10V.
Wenn du auf beiden Seiten dieselbe Referenzspannung verwendest, werden
deren Schwankungen kompensiert, so dass sie nicht hundertprozentig
stabil sein muss. Als Referenzspannung kannst du deswegen einfach die
(mit Kondensatoren geglättete) Versorgungsspannung des Multiplexers
(VCC≈5V) verwenden. Man muss nur darauf achten, dass die Spannung am
Eingang des Multiplexers innerhalb des Bereichs 0 bis VCC bleibt. Aus
diesem Grund habe ich die Widerstände so dimensioniert, dass der
Spannungsfaktor im Widerstandsnetzwerk etwas kleiner als 0,25 ist
(≈0,23), die Ausgangsspannung des Netzwerks bei Ue=0 aber nach wie vor
bei VCC/2 liegt. Dadurch darf VCC beliebig zwischen 0,23·20V=4,6V und
der maximal zulässigen Versorgungsspannung des Multiplexers schwanken,
ohne dass dies einen Einfluss auf die Ausgangsspannung des Opamp hat.
Da der Opamp-Eingang hochohmig ist, spielt der Durchlasswiderstand des
Multiplexers (in der Simulation mit 90Ω angenommen) keine Rolle.
Super! Ganz vielen Dank! Dass es funktioniert sehe ich, 100% verstanden
habe ich die Funktionsweise noch nicht :-) Aber ich werde erstmal ein
bißchen damit rumspielen, ggf. melde ich mich hier noch mal mit
Nachfragen. Danke nochmal!
Hi!
Ich hätte doch noch eine Nachfrage - die allerdings über die
ursprüngliche Frage hiausgeht ...
Wenn ich den MUX (74HC4067) "disable", also den /E Pin auf high ziehe,
gehen ja quasi alle Schalter auf, richtig? Was macht dann der OpAmp am
Ausgang damit? Fängt der sich "Rauschen" ein, weil er ja sozusagen einen
offenen Eingang hat, oder kann ich davon ausgehen, dass er "saubere" 0V
ausgibt? Falls nicht, kann ich für diesen Fall eine Art Pull-Down
ergänzen, um den offenen Eingang auf 0 zu halten, ohne die Amplitude des
Signals stark zu beeinflussen?
Danke!
Jobst M. schrieb:> Noch einen hochohmigen Spannungsteiler mit dem selben Verhältnis dazu.>> Gruß> Jobst
Danke! Also mit 8.2:15? Wie hochohmig soll/kann man da sinnvollerweise
werden? 82k:150k?
Helge schrieb:> Danke! Also mit 8.2:15? Wie hochohmig soll/kann man da sinnvollerweise> werden? 82k:150k?
Hm ... Schnellschuß ... ich glaube ich verstehe das doch nicht. Wenn der
MUX offen ist, muss der pos. Eingang vom OpAmp doch definiert 0V sehen
(daher mein Gedanke mit dem Pull-down-R), ein Teiler erzeugt doch eine
Spannung entspr. dem Teilverhältnis (zumindest nicht 0V). Was verstehe
ich falsch?
Dann rechne doch einfach mal aus, welche Spannung sich am (-) Eingang
des OPs befindet, wenn der Ausgang an Masse liegt.
Und welche Spannung am Ausgang anliegen muss, damit am (-) Eingang des
OPs 0V sind.
Und: Da es sich um einen gegengekoppelten OP handelt, sind seine beiden
Eingangsspannungen gleich groß. Dafür sorgt er mit der Gegenkopplung.
Und nein: am offenen Eingang liegen nicht 0V
Gruß
Jobst
Helge schrieb:> Fängt der sich "Rauschen" ein, weil er ja sozusagen einen offenen> Eingang hat, oder kann ich davon ausgehen, dass er "saubere" 0V ausgibt?
nein, kannst du nicht. wenn der mux hochohmig ist, dann ist die Spannung
des OPV undefiniert.
Helge schrieb:> Wenn der MUX offen ist, muss der pos. Eingang vom OpAmp doch definiert> 0V sehen
richtig. ein hochohmiger pulldown ist ok.
Achim S. schrieb:> richtig. ein hochohmiger pulldown ist ok.
Sorry falls ich nerve ... :-) Aber wie hochohmig kann man da
sinnvollerweise werden? Ich will möglichst einen großen Widerstand um
wenig Einfluss aufs Signal zu haben, irgendwann ist's möglicherweise so
hochohmig, dass es trotzdem rauscht.
Helge schrieb:> Aber wie hochohmig kann man da sinnvollerweise werden? I
hängt vom Eingangsstrom deines OPV an. der multipliziert mit dem
pulldown Widerstand gibt dir die "Fehler-Spannung" beim deaktivierten
MUX. der Pulldown darf deswegen im Normalfall_sehr_ hochohmig sein.
Helge schrieb:> irgendwann ist's möglicherweise so hochohmig, dass es trotzdem rauscht.
Stört dich das Rauschen, wenn sowieso kein Signal durchgeschaltet wird?
Achim S. schrieb:> Stört dich das Rauschen, wenn sowieso kein Signal durchgeschaltet wird?
Naja, wäre ein nettes Zusatzfeature wenn ich mit dem Enable den Ausgang
"muten" könnte. Ist 'ne Audio-Anwendung (trotz der etwas ungewöhnlichen
Pegel) ...
Achim S. schrieb:> hängt vom Eingangsstrom deines OPV an. der multipliziert mit dem> pulldown Widerstand gibt dir die "Fehler-Spannung" beim deaktivierten> MUX. der Pulldown darf deswegen im Normalfall_sehr_ hochohmig sein.
Nehmen wir mal exemplarisch einen OP07 an. Welche Größe im Datenblatt
ist der Eingangsstrom des Verstärkers? Finde auf den ersten Blick "Input
Bias Current" und "Input Noise Current", wenn dann klingt der
erstgenannte Wert sinnvoll in diesem Zusammenhang. Danke!
Helge schrieb:> Wenn ich den MUX (74HC4067) "disable", also den /E Pin auf high ziehe,> gehen ja quasi alle Schalter auf, richtig?
Ja.
> Was macht dann der OpAmp am Ausgang damit?
Das hängt vom Typ ab.
> Fängt der sich "Rauschen" ein, weil er ja sozusagen einen> offenen Eingang hat,
Das kann sein, vor allem bei Opamps mit FET-Eingängen. Bei anderen Typen
kann das auch so sein, oder das Ausgangssignal läuft an die untere oder
die obere Grenze. Es kann aber auch sein, dass der Opamp zu schwingen
beginnt.
> oder kann ich davon ausgehen, dass er "saubere" 0V ausgibt?
Das eher nicht.
> Falls nicht, kann ich für diesen Fall eine Art Pull-Down ergänzen, um> den offenen Eingang auf 0 zu halten, ohne die Amplitude des Signals> stark zu beeinflussen?
Das kannst du prinzipiell machen. Der Widerstand muss halt so groß
gewählt werden, dass die Verfälschung des Signals in einem akzeptablen
Bereich bleibt. Da die drei Widerstände auf der linken Seite zusammen
eine Impedanz von etwa 4kΩ bilden, liegst du bspw. mit 470kΩ schon um
mehr als den Faktor 100 darüber, so dass der Fehler unterhalb von 1%
bleibt. Da die Widerstände sowieso Toleranzen haben, ist das vielleicht
ganz in Ordnung.
Wenn du aber möchtest, das der Opamp 0V ausgibt, musst du den
nichtinvertierenden Eingang auf 2,5V legen, bspw. mit einem hochohmigen
Spannungsteiler.
Helge schrieb:> Naja, wäre ein nettes Zusatzfeature wenn ich mit dem Enable den Ausgang> "muten" könnte.
Wenn du nicht alle 16 Kanäle brauchst, könntest du auch an einen davon
eine konstante Spannung von 2,5V anlegen, um mit der Auswahl dieses
Kanals den Ausgang der Schaltung auf 0V zu setzen.
Yalu X. schrieb:> Wenn du aber möchtest, das der Opamp 0V ausgibt, musst du den> nichtinvertierenden Eingang auf 2,5V legen, bspw. mit einem hochohmigen> Spannungsteiler.
Okay, es dämmert. Das war auch das, was Jobst weiter oben meinte ...
Könnte man eigentlich den Effekt, den der Spannungsteiler für die 2.5V
auf die Ausgangsamplitude hat, durch Anpassung der Verstärkung des
OpAmps so kompensieren, dass die Übertragung zwischen Ein- und Ausgang
immernoch einen Gain von 1 hat? Fühlt sich so an, als könnte das gehen,
rechnen kann ich das allerdings nicht :-).
Vielen Dank für eure Unterstützung auf jeden Fall!
ralf schrieb:> Warum nicht einen +- 10V tauglichen Analogmultiplexer verwenden? z.B> ADG1406
Hatte zunächst aus einer Mischung aus Unkenntnis und Geiz davon
abgesehen, mich genauer in diesem Bereich umzusehen. Ist aber vielleicht
auch noch mal einen Gedanken wert (wobei dieses "Muting-Problem" davon
ja unabhängig ist). Auf jeden Fall Danke für den Hinweis, ich schau mal
...
