Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Ausgang von INA vorzeichenlos machen


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von Armin X. (werweiswas)



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Hallo
Ich weis meinen Titel nicht anders zu definieren...

Folgendes Problem:
Ich habe einen Drehmomentkalibrator bekommen dessen Digitalteil 
offensichtlich defekt ist. Der Analogteil funktioniert so wie erwartet 
und zeigt mit für 40Nm 1V an.
Auf der Platine ist ein INA114 der die Messbrücke auswertet. Der Null 
vom Ausgang des INA ist wegen unipolarer Versorgung per Ref-Eingang auf 
ca 2,5V hochgelegt und verändert den Ausgang um +/- 1,2V um die 2,5V 
herum. Je nach Betätigungsrichtung des Sensors.
Jetzt habe ich eine analoge Anzeige welche nur 0 - +3,0000V darstellen 
kann.
Ich würde nun gerne die 2,5V als Null haben und, egal in welche Richtung 
sich der Messwert verändert, immer einen positiven Messwert erhalten.
Kann man dazu einen Präzisionsgleichrichter, bestehend aus zwei OPs 
benutzen?
Wie kriege ich einhergehend die Ausgangsspannung auf Nullbezug?
Das Messgerät kann wie gesagt ausschließlich positiv.
Den RG(R11 im letzten Bild) des INA würde ich so justieren, dass er bei 
40Nm anstelle 1V nur 0,4V ausgibt da mir die Auflösung 40,0 ausreicht.

OK, weil doch fragen kommen werden: Das Analogmessgerät ist ein 
teildefektes HP3478A bei dem die DC-Messung einschließlich der 
Widerstandsmessung sowie der Eingangshybrid komplett tot sind.
Wenn ich nach dem RMS-Wandler AD536 ein Gleichspannungssignal anlege 
bekomme ich plausible Messwerte auf dem Display.

: Bearbeitet durch User
von Einer (Gast)


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Benutze für Gleichrichter und Messwerk eine virtuelle Masse auf 2,5 
Volt.

von Armin X. (werweiswas)


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Bei Eingangsspannungen von <2,5V bekomme ich dann eine negative 
Differenzspannung. Diese muss gegenüber der virtuellen Masse auch 
positiv sein.
MfG

von Falk B. (falk)


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Armin X. schrieb:
> Ich würde nun gerne die 2,5V als Null haben und, egal in welche Richtung
> sich der Messwert verändert, immer einen positiven Messwert erhalten.
> Kann man dazu einen Präzisionsgleichrichter, bestehend aus zwei OPs
> benutzen?

Ja.

> Wie kriege ich einhergehend die Ausgangsspannung auf Nullbezug?
> Das Messgerät kann wie gesagt ausschließlich positiv.

Was für eins? Passiv analog oder aktiv digital?

> Den RG(R11 im letzten Bild) des INA würde ich so justieren, dass er bei
> 40Nm anstelle 1V nur 0,4V ausgibt da mir die Auflösung 40,0 ausreicht.

Kann man machen

> OK, weil doch fragen kommen werden: Das Analogmessgerät ist ein
> teildefektes HP3478A bei dem die DC-Messung einschließlich der
> Widerstandsmessung sowie der Eingangshybrid komplett tot sind.
> Wenn ich nach dem RMS-Wandler AD536 ein Gleichspannungssignal anlege
> bekomme ich plausible Messwerte auf dem Display.

Leg die Masse vom der Anzeige auf deine Referenz, welche hier 
gleichzeitig eine virtuelle Masse ist. Dort wird auch dein 
Präzisionsgleichrichter "geerdet".

von LDR (Gast)


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von Armin X. (werweiswas)


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Danke schon mal für die Hinweise.
Mir fiel heute Nacht ein, dass der ganze AC-Zweig auch den Gau überlebt 
haben könnte und somit der eingebaute AD536 vielleicht auch noch heile 
ist.
Ich verwende ja genau den AD-Wandlereingang der vom AD536 gespeist wird 
und habe derzeit lediglich eine Brücke dafür geöffnet (der grauschwarze 
Draht).

Den Präzisionsgleichrichter habe ich schon angeschaut. Mir fällt es 
jedoch momentan noch schwer diesen korrekt zu dimensionieren.

MfG

: Bearbeitet durch User
von Steve van de Grens (roehrmond)


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Armin X. schrieb:
> Mir fällt es jedoch momentan noch schwer diesen korrekt zu dimensionieren.

Ich kenne die Schaltung ein kleines bisschen anders, als bei Wikipedia 
gezeigt. Siehe Anhang. Bei dieser ist die Auslegung ganz simpel. Wenn 
alle Widerstände gleich groß sind, dann ist der Verstärkungsfaktor 1.

In der gezeigten Schaltung ist der Verstärkungsfaktor >= 4 weil das 
Potentiometer nur bis 50 kΩ geht.

Wobei ... wenn ich so drüber nachdenke ... ist die Schaltung vielleicht 
fehlerhaft. Denn der negative Eingang des zweiten OP-Amp belastet RV+R11 
und verzerrt das Signal. Habe ich recht?

: Bearbeitet durch User
von Steve van de Grens (roehrmond)


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Steve van de Grens schrieb:
> Habe ich recht?

Nee, die Schaltung ist doch OK. Warum auch immer.

Wo ist mein Denkfehler?

von LDR (Gast)


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Steve van de Grens schrieb:
> Wo ist mein Denkfehler?

Realitätsnähere Bauteile verwenden?

von Achim S. (Gast)


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Steve van de Grens schrieb:
> Wo ist mein Denkfehler?

der erste OPV hält seinen inv-Eingang immer auf Ref (über die eine oder 
über die andere Diode). das ist die einzige Belastung, die Rv sieht, und 
die ist konstant.

von Steve van de Grens (roehrmond)


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Achim S. schrieb:
> der erste OPV hält seinen inv-Eingang immer auf Ref (über die eine oder
> über die andere Diode). das ist die einzige Belastung, die Rv sieht, und
> die ist konstant.

Ach ja, klingt logisch. Danke.

von Falk B. (falk)


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Steve van de Grens schrieb:
> Nee, die Schaltung ist doch OK. Warum auch immer.

Ja, aber man sollte nicht mit den Standard LTspice-Dioden simulieren! 
Die haben merkwürdige Parameter, die einem in die Suppe spucken. Hier 
geht es, warum auch immer. Man sollte hier eine reale Diode auswählen, 
1N4148 ist OK.

von Steve van de Grens (roehrmond)


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Habe ich probiert, mit 1N4148 und 10kΩ statt 100kΩ. Das Ergebnis ist 
trotzdem tadellos. Achim hat ja schon erklärt, wo mein Irrtum war.

von Armin X. (werweiswas)


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Hallo Miteinander
Erst Mal Danke für die klasse Diskussion.
Ich komme erst morgen dazu hier weiter zu machen und melde mich dann 
wieder.
Auch will ich noch eruieren ob der AD536 in dem HP3478 überlebt hat.

MfG

: Bearbeitet durch User
von Armin X. (werweiswas)


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Guten Morgen
Ich kann nun berichten, dass der AD536 das Fiasko des 3478A überlebt 
hat.
Sogar der vorgeschaltete OP hat überlebt.
Jetzt muss ich nur noch die Spannung nach dem INA114 des 
Drehmomentmessgerätes auf 0,4V /40Nm justieren.

Danke fürs Mitdenken

: Bearbeitet durch User
von Armin X. (werweiswas)


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Hallo

Muss nochmal fragen wegen dem U302, ein LF357, im vorigen Post.
Dieser ist ja derzeit auf eine Verstärkung von 25 eingestellt.
Allerdings habe ich mit dessen Ergebnissen so meine Zweifel, oder sind 
diese doch eher unbegründet.
Wenn ich bei geöffneter Brücke JM303 vom Handkalibrator +20mV anlege 
habe ich am Ausgang 495,4mV und bei -20mV -506,2mV auf der Anzeige des 
Multimeters. Die Werte sind reproduzierbar. Das ist doch eigentlich für 
einen Messverstärker indiskutabel. Oder wird so was in einem HP3478 
einfach wegkalibriert.
OK, im AC-Bereich zählt eigentlich nur die Differenz.
Mache ich da, wenn ich nun mit DC arbeiten will ein unnötiges Fass auf?

Danke schon mal für die Hinweise.

: Bearbeitet durch User
von Achim S. (Gast)


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Armin X. schrieb:
> Die Werte sind reproduzierbar. Das ist doch eigentlich für einen
> Messverstärker indiskutabel.

also am Ausgang ca. 6mV Offset bei einer Verstärkung von 25. das ist für 
diesen OPV ein ziemlich guter Wert. klar gäbe es auch bessere, aber wie 
du selbst geschrieben hast spielt der DC Offset keine Rolle, wenn danach 
AC gekoppelt wird.

von Armin X. (werweiswas)


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Danke für die Bestätigung des Gedankens. Dieser ist mir eben erst beim 
Schreiben gekommen.

Grüße

von Armin X. (werweiswas)


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Hallo nochmal

Mir kam zwischenzeitlich der Gedanke, dass ich mit dem 
Instrumentenverstärker an der Brückenschaltung doch "ganz einfach" das 
Ausgangssignal von ca 330mV/10Nm auf 100mV/Nm umskalieren könnte.
Bislang ist als RG ein aus vier Einzelwiderständen zusammengestückelter 
Widerstand mit 515Ω eingesetzt was laut Datenblatt einem 
Verstärkungsfaktor von ca98 entspricht. Ich benötige aber nur noch wtwa 
32.
Durch experimentelles Umrechnen komme ich auf einen benötigten 
RG-Widerstand von ca 1733Ω. Dieses konnte ich nun auch mit einem 
ersatzweise eingesetzten Trimmer nachvollziehen.
Jetzt würde ich aber gerne verstehen, was ich mit meinen rudimentären, 
weitgehend verblichenen, Algebrakenntnissen bei der Formelumstellung aus 
dem Datenblatt falsch gemacht habe. Den korrekten Term konnte ich nur 
durch Einsetzen der benötigten Variablen umstellen. Auch das Befragen 
von Kollegen brachte keine Lösung zustande. Weder ein schon älterer 
Kollege mit Fachhochschulreife noch ein frisch gebackener 
Industriemeister kamen auf den korrekten Term.
50k/G-1 ist das richtige Ergebnis. Nur wie wäre die schrittweise 
Herleitung gewesen?

Grüße aus der N8

von Armin X. (werweiswas)


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Ich sehe gerade,dass ich vergessen habe die Klammer für diese 
Schreibweise dazuzuschreiben.
50k/(G-1) wäre korrekt.

von Achim S. (Gast)


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Armin X. schrieb:
> das
> Ausgangssignal von ca 330mV/10Nm auf 100mV/Nm umskalieren könnte.
> Bislang ist als RG ein aus vier Einzelwiderständen zusammengestückelter
> Widerstand mit 515Ω eingesetzt was laut Datenblatt einem
> Verstärkungsfaktor von ca98 entspricht. Ich benötige aber nur noch wtwa
> 32.

um von 330mV/10Nm auf 100mV/Nm umzuskalieren benötigst du einen 
Verstärkergain von 3*98. Denn 330mV/10Nm sind 33mV/Nm - ein Faktor 3 
unter 100mV/Nm. Oder hat sich in deinen Angaben ein fehlerhafter Faktor 
10 eingeschlichen?

Armin X. schrieb:
> Durch experimentelles Umrechnen komme ich auf einen benötigten
> RG-Widerstand von ca 1733Ω.

experimentelles Umrechnen? Was bitteschon soll das sein?

Wenn du einen Wert von 1733Ohmn erhältst (und durch Messung bestätigst) 
war dein Ziel wohl wirklich "etwa 32".

Um genau 32 zu bekommen, müsste Rg=50kOhm/(32-1)=1,613kOhm sein.

Armin X. schrieb:
> Jetzt würde ich aber gerne verstehen, was ich mit meinen rudimentären,
> weitgehend verblichenen, Algebrakenntnissen bei der Formelumstellung aus
> dem Datenblatt falsch gemacht habe. Den korrekten Term konnte ich nur
> durch Einsetzen der benötigten Variablen umstellen.

Ich verstehe nicht, was du sagen willst. Willst du verstehen, warum die 
gewünschte Empfindlichkeit mit 1,733kOhm erreicht wurde und nicht mit 
1,613kOhm? Das liegt wahrscheinlich an deinem "etwa 32".  Etwa 32 
passt gut zu den 29,9, die du aktuell als Verstärkung eingestellt hast.

Genau 32 würden sich signifikant von 29,9 unterscheiden - aber dazu 
müsstest du den Gain auch wirklich genau nachmessen. Ich glaube eher 
daran, dass deine Messungen nicht die nötige Genauigkeit haben, als dass 
TI/Burr Brown den Fehler in der Gaineinstellung haben.

Denkbar wäre ebenfalls, dass du den INA114 außerhalb des erlaubten 
common mode Bereichs betreibst. Außer diesem etwas unvollständigen 
"Schaltplan"
https://www.mikrocontroller.net/attachment/preview/585722.jpg
hast du bisher nichts zur Verschaltung des INA114 gesagt. Wenn du den 
INA unipolar mit 5V betreibst und CM-Eingang sowie Vref auf 2,5V liegen, 
bechsränkt sich sein linearer Ausgangsbereich auf 1,3V .. 3,7V (siehe 
Anhang). Bei anderen Common Mode Werten am Eingang wird der korrekte 
Ausgangsbereich entsprechend kleiner.

Armin X. schrieb:
> Nur wie wäre die schrittweise
> Herleitung gewesen?

War das jetzt erst die eigentliche Frage? Du willst eigentlich nur 
wissen, wie man von G=1+50k/RG auf RG=50k/(RG-1) kommt? Dann hätte ich 
auf den länglichen Text davor vielleicht besser nicht antworten soll.

Starte mit der gegebenen Gleichung

G=1+50k/RG

Subtrahiere auf beiden Seiten der Gleichung 1

G-1 = 50k/RG

Dividiere beide Seiten der Gleichung durch G-1 und multipliziere beide 
Seiten der Gleichung mit RG

RG = 50k/(G-1)

von Armin X. (werweiswas)


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Danke für deine Ausführliche Antwort

Achim S. schrieb:
> experimentelles Umrechnen? Was bitteschon soll das sein?
Man nimmt die abgedruckte Formel bastelt sich das in excel und verändert 
die Werte für RG bis ungefähr G passt.

Mit 32 hast Du Recht. Ich hatte zuletzt mit 30 gerechnet. Das kommt 
jetzt auch ungefähr hin.

Als ich vorhin im Bett lag fiel mir einer unser Fehler auf. Wir hatten 
die im Datenblatt genannte Formel so wie abgedruckt als gemischten Bruch 
übernommen und versucht diesen als ersten aufzulösen. Sind aber allesamt 
gescheitert. Ja, ich weiß 7. Oder 8. Klasse... :-)
Zumindest war mir zwischendurch noch das G-1 Klar geworden was wir als 
erstes hätten angehen sollen. OK, dass man zwischendurch die rechte 
Seite des = leerstehen haben können hatten wir allesamt nicht bedacht.

Dass ich korrekt gemessen habe denke ich schon. Ein funktionierendes 
HP3478a welches gegen ein HP3457 vergichen ist werkelt auch hier. Die 
ermittelt Werte halte ich mit einem Aneng870 per Min/Max Speicher fest. 
Beaufschlagen tu ich den Drehmomentsensor mit so einem 
zwischengesteckten digitalen Drehmomentmesser von Aliexpress.

An den sonstigen Betriebsbedingungen der Platine habe ich nichts 
verändert diese hatte ja schon zuvor so funktioniert.
Die Betriebsspannung des INA ist 10V. Mit diesen wird auch die 
Messbrücke gespeist. Die Spannung des Ref-eingang des INA ist mit dem 
Spindeltrimmer oben rechts im Bild in einem sehr weiten Bereich 
einstellbar.

Dass ich mit den Änderungen am Gerät keinen "Kalibrator" mehr habe ist 
mir auch Klar. Aber das war er mit Wegfall des digitalen Teils eh schon 
nicht mehr weil mir die ursprünglichen Kalibrierwerte der Messspannungen 
nicht bekannt sind. Eine ungefähr passender Messwert, der auch 
reproduzierbar ist, sollte jedoch drin sein.

Gruß Armin

: Bearbeitet durch User

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