Instrumentenverstärker für DMS

[Bert S. (kautschuck)]

Hi,

Ich möchte einen DMS mit Fnom = 2kN möglichst genau auslesen. Die 
Versorgung des DMS erfolgt mit 12V (Brückentopologie) und daher wird 
auch der Instrumentenverstärker mit 12V versorgt. Ein STM32 uC mit 12bit 
ADC liest am Ende die Spannung aus (Vref = 3.3V, gefiltert von LDO).

Der DMS hat 2mV/V @ Fnom, was bei 12V genau 24mV @ 2kN entspricht. Um 
die Sättigung zu umgehen gehe ich mal auf +-5.5V maximum Vrail und somit 
ein G von 229.09 für die Verstärkung.

Nun bin ich am untersuchen, wie ich möglichst die Präzision des 
Verstärkers maximiere (wenig Abweichung zwischen unterschiedlicher 
Hardware ist sehr wichtig), dabei sehe ich folgende Möglichkeiten:

- RG muss präzise sein für eine immer gleiche Verstärkung --> 0.1%

- Vref muss möglichst präzis VDMS/2 sein. Der OPAMP IC4 hat hier einen 
Vos von 0.5mV, das sollte ja auf die +12V Eingangsspannung 
vernachlässigbar sein oder? Oder macht es Sinn, als Vref einen 
Präzisions OPAMP zu nehmen? Denn Offset kann man am Ende auch immer noch 
in der SW kompensieren

- Sollten R7 und R11 des Eingangsfilters ebenfalls präzise sein? So wie 
ich das sehe sollte der Einfluss gering sein auf Grund der hohen 
Eingangsimpedanz des Instrumentenverstärkers.

- Zum reduzieren der Spannung auf maximal 3V habe ich am Ausgang R9 und 
R12 platziert, diese sollten wohl auch 0.1% sein, sonst habe ich hier 
wieder mehr Abweichung

- Schlussendlich noch der Buffer IC6, welcher auch möglichst wenig 
Offset haben sollte

Wo seht ihr noch Verbesserungspotential? Habe ich das was übersehen? Das 
Layout ist im Endeffekt dann sowiso extrem entscheidend, aber es geht 
mir jetzt erst einmal nur um die Komponentenwahl.

Instrumentenverstärker IC5: AD8227ARZ-R7 
(https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD8227.pdf)

Spannungsreferenz IC4: TLV9301IDBVR 
(https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tlv9301.pdf?HQS=dis-dk-null-digikeymode-dsf-pf-null-wwe&ts=1686675536769)

Buffer IC6: MCP6006RT-E/OT 
(https://ww1.microchip.com/downloads/aemDocuments/documents/APID/ProductDocuments/DataSheets/MCP6006-6R-6U-7-9-Data-Sheet-20006411B.pdf)

[Re D. (Gast)]

Bert S. schrieb:
> Die Versorgung des DMS erfolgt mit 12V (Brückentopologie)

Je höher die Spannung je höher die Wärme. Üblich sind ehr 5V.

[Peter L. (pelikan)]

moin,

bei mir geht IC5 direkt an den ADC. Die Verstärkung von IC5 wird so 
eingestellt, das bei 2KN genau 3V rauskommen.
Mein Vref liegt auf GND.

[Michael B. (laberkopp)]

Bert S. schrieb:
> Ich möchte einen DMS mit Fnom = 2kN möglichst genau auslesen.

Dann würde ich den ganzen Mist lassen und einen ADC nehmen der direkt 
den DMS auslesen kann, und sei es nur ein 24 bit HX711

Bert S. schrieb:
> Spannungsreferenz IC4: TLV9301IDBVR

Na ja, wichtig ist, dieselbe Referenz zu verwenden wie der ADC. Die kann 
durchaus abweichen und langsam schwanken, das wird dann immer noch 
genauer, als eine Referenz im uC und eine andere Referenz an der Brücke, 
die nie auf 12 bit übereinstimmend schwanken werden.

Bert S. schrieb:
> Vref muss möglichst präzis VDMS/2 sein.

Eigentlich nicht. So ein DMS liefert ja auch nicht genau VCC/2.

Ich würde mir erst mal deinen STM32 angucken. Der hat sowieso nur 12 bit 
also 2.5/4096 = 0.61mV Auflösung. Betreibt man den DMS an der 2.5V 
Referenzspannung, bekommt man 5mV full range, mal 64 macht 0.32V, der 
interne PGA reicht nicht.
Ein externer InstrumentenOpAmp müsste die Differenz um Faktor 500 
verstärken, die Eingangsauflösung länge also bei 1.22uV. Sehr wenig.

Verstärkt man die 2.5V Referenzspannung des STM ADC auf deine 12V (es 
reicht ungefähr, aber stabil sollte die Verstärkung sein), damit steigt 
das Ausgangssignal auf deine 24mV und die Auflösung auf 5.8uV.

Dein OpAmp hat 200uV Offsetspannung, also weit weit weg von dem. Nimm 
lieber einen MCP6N16 oder LMP8358MA, die sind immer noch genauer, selbst 
wenn der DMS mit 5V läuft oder 2.5V

[Rainer W. (rawi)]

Bert S. schrieb:
> ... und somit ein G von 229.09 für die Verstärkung

Dazu brauchst du Widerstände mit einer Genauigkeit von 0.005%.
Wo willst du die herbekommen?

> ... möglichst genau auslesen.

Das willst du nicht bezahlen und es nützt dir normalerweise auch nichts, 
wenn das Auslesen wesentlich genauer als der DMS ist.

[Bert S. (kautschuck)]

Danke für die vielen Antworten.

Was bezüglich gleicher Vref für den ADC des STM32 und die DMS habt ihr 
natürlich vollkommen recht, habe ich übersehen.

Am einfachsten wäre es wohl ausgehend von den 12V wie im Anhang 6V und 
3V zu erzeugen, wobei die 6V direkt den Instrumentenverstärker speisen 
und die 3V die Vref des STM32 sein würden. Wie ist das mit dem PSRR, 
wenn ich den OPAMP IC7 mit 3.3V speise, die von einer anderen Quelle 
kommen als für IC4, dann sollte das ja trotzdem wenig Einfluss auf die 
Präzision des Buffers haben, oder?

Ein 12V ADC wäre auch was feines, da habe ich aber nicht wirklich viel 
gefunden.

[Rick (rick)]

Ich kenne das so, das an jedem DMS noch ein Temperatursensor sitzt, oder 
mit einem ungedehten, gleichtemperierten DMS kompensiert wird: 
https://de.wikipedia.org/wiki/Temperaturkompensation

[Ove M. (Firma: ;-) gibt es auch) (hasenstall)]

Kann mir bitte jemand erklären, warum man dabei eine Spannungsreferenz 
benötigt? Wenn ich mit der Versorgungsspannung, die einigermaßen stabil 
ist auf den Refin des ADC gehe, das DMS als Brücke auch damit versorge, 
dann sind doch Abweichungen in der Versorgung gleich am DMS und am ADC. 
Folglich sollte sich der Einfluss kompensieren. Das System ist dann 
spannungsmäßig erstmal relativ, am Ende muss man eh Kraft und Messwert 
zueinander rechnen. Und wie Rick schon schrieb, ist der 
Temperatureinfluss eine nicht zu vernachlässigende Größe.
Ist schon spät, ich ein alter Bastler, hab ich einen Gedankenfehler?
Danke und gute Nacht

[Manfred P. (pruckelfred)]

Bert S. schrieb:
> Am einfachsten wäre es wohl ausgehend von den 12V wie im Anhang 6V und
> 3V zu erzeugen,

Unsinn, da kann man simple Spannungsteiler aus je zwei Widerständen 
bauen.

Wenn man den Thread finden könnte: Brückenverstärker sind nicht neu und 
als fertige ICs verfügbar.

Rick schrieb:
> Ich kenne das so, das an jedem DMS noch ein Temperatursensor sitzt,

Wozu? Als Brücke geschaltet, wie es in Wägezellen üblich ist, heben sich 
die Tk gegeneinander auf.

[Bert S. (kautschuck)]

Manfred P. schrieb:
> Unsinn, da kann man simple Spannungsteiler aus je zwei Widerständen
> bauen.

Und was ist mit der Eingangsimpedanz von VREF? --> Braucht immer einen 
Buffer

Ove M. schrieb:
> Kann mir bitte jemand erklären, warum man dabei eine Spannungsreferenz
> benötigt?

Damit ich die Zelle auf VDMS/2 im Normalzustand bringe und somit Dehnung 
wie auch Druck messen kann, sprich positive und negative Kräft.

[Purzel H. (hacky)]

Schon mal die Toleranzen des DMS angeschaut ? Der eine Brueckenzweig 
gegen den anderen. Falls die exakt gleich sind, ist die 
Differenzspannung kraftlos gleich Null. Der Differenzverstaerker 
verstaerkt diese Differenz gegen seinen Referenzeingang. Diese Referenz 
mach man also sinnvollerweise auf etwa VAdc/2. Das ist nicht so 
kritisch, denn allenfalls kommt ja noch eine Tara weg. Also unbelastet 
gibt's einen ADC Wert. Dem wird also die Kraft Null zugewiesen. Die 
Verstaerkung ist auch nicht so kritisch. Man passt den Messwert mit 
einer Referenzmessung an. Du hast also dem ADC Wert xxxx die Kraft Null 
zugeschrieben. Nun legst du ein Kilogram, oder irgendwas drauf und misst 
nochmals etwas. Die Differenz in ADC Werten ist also ein Kilogramm.
Alles andere ist ueberzogener Aufwand der nichts bringt.

[Ove M. (Firma: ;-) gibt es auch) (hasenstall)]

Bert S. schrieb:
>
> Ove M. schrieb:
>> Kann mir bitte jemand erklären, warum man dabei eine Spannungsreferenz
>> benötigt?
>
> Damit ich die Zelle auf VDMS/2 im Normalzustand bringe und somit Dehnung
> wie auch Druck messen kann, sprich positive und negative Kräft.

Woher weis denn bitte dein VRef, wie gerade deine Spannung VDMS real 
ist? Ich kennen keine Vref, die sich auf die Spannungsversorgung 
referenziert. Dass wäre ja auch logischer Blödsinn im Wortsinne „VRef“

Ich behaupte, für eine relative DMS-Messung benötigt man keine 
Referenzspannungsquelle. VDMS/2 benötigt lediglich 2 Widerstände.

[Manfred P. (pruckelfred)]

Bert S. schrieb:
> Manfred P. schrieb:
>> Unsinn, da kann man simple Spannungsteiler aus je zwei Widerständen
>> bauen.
>
> Und was ist mit der Eingangsimpedanz von VREF? --> Braucht immer einen
> Buffer

Nö. Die Eingangsimpedanz sollte sich im Datenblatt finden und der 
Spannungsteiler muß passend ausgelegt werden. Das bedeutet Querstrom, 
der aber bei Netzversorgung nicht relevant groß wird.

Purzel H. schrieb:
> Schon mal die Toleranzen des DMS angeschaut ? Der eine Brueckenzweig
> gegen den anderen. Falls die exakt gleich sind, ist die
> Differenzspannung kraftlos gleich Null.

Nicht 'falls', sonder sie ist, das ist das Prinzip von Wägezellen.

> Der Differenzverstaerker
> verstaerkt diese Differenz gegen seinen Referenzeingang.

Nee: Der verstärkt die Differenz und bringt sie auf das gemeinsame 
Bezugspotential. Ein Differenzverstaerker hat keinen Referenzeingang.

Ove M. schrieb:
> Woher weis denn bitte dein VRef, wie gerade deine Spannung VDMS real
> ist? Ich kennen keine Vref, die sich auf die Spannungsversorgung
> referenziert.

Schaust Du ATMega328 (Arduino Uno), da ist Vref = Ub. Wenn man da ein 
Drehpoti an Ub anklemmt, ist der Stellbereich immer 0..1023, egal, wie 
groß Ub tatsächlich ist. im Forum öfter zu lesen "ratiometrische 
Messung" und von vielen Leuten nicht begriffen.

Möchte man absolute Spannungen unabhängig von Ub messen, nutzt man 
natürlich eine unabhängige Referenz, die der ATMega sogar an Bord hat - 
so man sie im Programmcode aktiviert. Mit der bekommt man auch eine 
höhere Auflösung.

> Ich behaupte, für eine relative DMS-Messung benötigt man keine
> Referenzspannungsquelle.

Das ist nicht so, der ADC im µC braucht eine Referenz. Ob es geschickt 
ist, diese aus Ub der Meßbrücke abzuleiten, müsste man rechnen.

Mein Bauch sagt, dass man besser eine eigene Referenz oder die interne 
des µCs verwendet und der Durchgriff der Brückenversorgung zu 
vernachlässigen ist.

[Purzel H. (hacky)]

Schwaetzer schrieb :

>> Der Differenzverstaerker
>> verstaerkt diese Differenz gegen seinen Referenzeingang.
>
>Nee: Der verstärkt die Differenz und bringt sie auf das gemeinsame
>Bezugspotential. Ein Differenzverstaerker hat keinen Referenzeingang.

Natuerlich hat er das. Das Bezugspotential zum Differenzsignal

[Rainer W. (rawi)]

Manfred P. schrieb:
> Schaust Du ATMega328 (Arduino Uno), da ist Vref = Ub.

Genau, schaust du Datenblatt ATmega328.
Wenn man AVCC als Referenz wählt, ist Vref=Ub.
Wenn man eine der anderen, in der Tabelle "Voltage Reference Selections 
for ADC" angegebenen Einstellungen wählt, ist es anders (z.B. AREF oder 
die interne 1.1V-Referenz)