Spannung Sensor (-2V bis +2V) für Raspberry Pi umwandeln

[Dominik S. (Firma: Dominik Schlamminger) (domi97)]

Hallo E-Technik Freunde :)
Ich brauche mal die Meinung von anderen, ich hab folgendes Problem:

Ich hab nen Sensor, der mir -2V bis +2V ausspuckt, diese analoge 
Spannung soll umgewandelt werden, damit der Raspberry Pi (verträgt ja 
nur positive Spannungen bis 3,3V) die Spannung auswerten kann. Von 0V 
bis 2V zeigt der Sensor Zugspannung an, von 0V bis -2V Druckspannung, 
deswegen würde ich die Spannungen gerne auf 2 separate Leitungen 
aufteilen und so an den Microcontroller anschließen.

Ich selber hab die Idee einfach mit nem Invertierer 
(Operationsverstärker) und ner vorgeschalteten Diode das umzusetzen. Ich 
mache mir da aber sorgen wegen Verfälschung der Spannung. Also der 
Sensor kostet 600€ und liefert exakte Messwerte und ich möchte die 
Genauigkeit möglichst nicht einbüßen. Habt ihr da Ideen für ne 
elektrische Schaltung, die das kann, simpel aber auch recht günstig ist? 
Gibt's da vielleicht auch ein vorgefertigtes IC?

Wir bauen ne selbstgemachte Zug- und Druckmaschine als kleines Projekt.

[Falk B. (falk)]

Dominik S. schrieb:
> Hallo E-Technik Freunde :)
> Ich brauche mal die Meinung von anderen, ich hab folgendes Problem:
>
> Ich hab nen Sensor, der mir -2V bis +2V ausspuckt, diese analoge
> Spannung soll umgewandelt werden, damit der Raspberry Pi (verträgt ja
> nur positive Spannungen bis 3,3V)

Du meinst wohl den Raspberry PI Pico. Der normale Raspberry Pi hat keine 
analogen Eingänge.

> die Spannung auswerten kann. Von 0V
> bis 2V zeigt der Sensor Zugspannung an, von 0V bis -2V Druckspannung,
> deswegen würde ich die Spannungen gerne auf 2 separate Leitungen
> aufteilen und so an den Microcontroller anschließen.

Sowas macht man nicht. Man mißt mit EINEM AD-Wandler und wertet das dann 
in der Software passend aus.

> Ich selber hab die Idee einfach mit nem Invertierer
> (Operationsverstärker) und ner vorgeschalteten Diode das umzusetzen. Ich
> mache mir da aber sorgen wegen Verfälschung der Spannung.

Mach dir keine Sorgen, es wird weiter gehn
Wir werden uns was borgen, und wieder jung aussehn

Westernhagen ;-)

> Also der
> Sensor kostet 600€ und liefert exakte Messwerte

Kein Sensor liefert exakte Spannungswerte, bestenfalls welche mit sehr 
kleinem Fehler.

> und ich möchte die
> Genauigkeit möglichst nicht einbüßen. Habt ihr da Ideen für ne
> elektrische Schaltung, die das kann, simpel aber auch recht günstig ist?
> Gibt's da vielleicht auch ein vorgefertigtes IC?

Du brauchst einen Instrumentenverstärker, der kann das. Der wandelt 
deine -/-2V in 0-3,3V um, wenn man ihn passend beschaltet. Der 
Verstärker braucht aber +/-5V Versorgung, ggf. sogar mehr. Die Dinger 
findet man unter dem Namen INA irgendwas, z.B. INA826. Die gibt es in 
allen Preislagen und Genauigkeitsklassen.

Einfacher und billiger ist ein Spannungsteiler aus drei 
Widerständen. Wenn die halbwegs genau (0,1%) sind und auch VCC genau und 
stabil ist, kann das reichen.

> Wir bauen ne selbstgemachte Zug- und Druckmaschine als kleines Projekt.

Na dann DRÜCK ich euch die Daumen! ;-)

[Joachim B. (jar)]

Dominik S. schrieb:
> Sensor kostet 600€ und liefert exakte Messwerte und ich möchte die
> Genauigkeit möglichst nicht einbüßen

mit einem Raspi, fault by design!

Suche dir einen Messverstärker und Wandler der mit RS232 0der USB 
gelesen werden kann.

Wenn dir weniger als 1 % Auslesegenauigkeit reicht, AD Wandler mit 
Offset um 2V

[Falk B. (falk)]

Joachim B. schrieb:
> mit einem Raspi, fault by design!

Mensch, du kennst ja dolle Fremdworte!

> Suche dir einen Messverstärker und Wandler der mit RS232 0der USB
> gelesen werden kann.

Klar, RS232, DIE Schnittstelle zwischen AD-Wandlern und Mikrocontrollern 
im 21. Jahrhundert!

> Wenn dir weniger als 1 % Auslesegenauigkeit reicht, AD Wandler mit
> Offset um 2V

Welcher AD-Wandler hat denn 2V Offset?

Jaja, die Expertentips wieder . . .

[Dietrich L. (dietrichl)]

Dominik S. schrieb:
> Sensor kostet 600€

Dominik S. schrieb:
> elektrische Schaltung, die das kann, simpel aber auch recht günstig ist?

Weil der Sensor so teuer ist muss die Schaltung die Kosten jetzt wieder 
hereinholen?

[Gerhard D. (gedu)]

Evtl. so.

[Falk B. (falk)]

Wenn, dann eher so. Die Invertierung der Kennlinie kann man in Software 
leicht umdrehen.

Wie dimensioniert man sowas?

1.) Spannungshub am Ausgang festlegen, das macht der OPV als 
invertierender Verstärker.

dUe = 2V - (-2V) = 4V
dUa = 3V - 0,3V = 2,7V (nach oben und unten etwas Reserve lassen
V = dUa / dUe = 2,7V / 4V = 0,675
V = R2/R1
-> R2 = V * R1 = 0,675 * 10k = 6,75k, gewählt 6.8k (Standardwert)

2.) Danach Offset einstellen über nichtinvertierenden Verstärker, wenn 
V1 = 0

Offset = Umax/2 = 3,3V/2 = 1,65V

V = R2/R1 + 1 = 6,8k /10k + 1 = 1,68 (nichtinvertierender Verstärker)

Ua = Ue * V
-> Ue = Ua / V = 1,65V / 1,68 = 0,982 (Spannung am + Eingang des OPV)

Spannungsteiler R3, R4

R3 = R4 * (Vcc/Ue - 1) = 10k * (5V/0,982V -1) = 40,9k, gewählt 42k 
(Standardwert)

[Joachim B. (jar)]

Falk B. schrieb:
> Welcher AD-Wandler hat denn 2V Offset?

der den man selbst fertigt oder einen OPV vorschaltet, das du es nicht 
verstehst ist dein Problem, oder wolltest du nur pupsen?
Fehlt es dir an Aufmerksamkeit? Das tut mir leid.

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Dominik S. schrieb:
> Von 0V bis 2V zeigt der Sensor Zugspannung an, von 0V bis -2V
> Druckspannung, deswegen würde ich die Spannungen gerne auf 2 separate
> Leitungen aufteilen und so an den Microcontroller anschließen.
Der erste Teil ist logisch, aber warum soll das "aufgeteilt" werden?
Skaliere doch einfach den Bereich -2..+2V um in den Bereich 0..3,3V. Je 
nach Innenwiderstand des unbekannten Sensors reicht dafür ein 
Spannungsteiler mit Offset.

BTW: das ist übrigens pure Analogtechnik, auch wenn da der ADC eines µC 
dahinterhängt --> Forum korrigiert

[Holger L. (symetron)]

> Skaliere doch einfach den Bereich -2..+2V um in den Bereich 0..3,3V. Je
> nach Innenwiderstand des unbekannten Sensors reicht dafür ein
> Spannungsteiler mit Offset.

Wäre das dann so eine Lösung? Versorgungsspannung und Signal werden 
halbiert und addiert. Der Puffer ist dann je nach Innenwiderstand 
optional.

Das sollte dann tunlichst ein RR-Opamp sein.

[Falk B. (falk)]

Holger L. schrieb:
>> Skaliere doch einfach den Bereich -2..+2V um in den Bereich 0..3,3V. Je
>> nach Innenwiderstand des unbekannten Sensors reicht dafür ein
>> Spannungsteiler mit Offset.
>
> Wäre das dann so eine Lösung?

Naja. Das ADC-Eingangssignal wird in den Bereich >0V verschoben, aber 
der Bereich ist dann nur noch 0,65-2,65V. Naja, für die einfache Lösung 
nicht so schlecht, meine Version oben schafft auch nur 300mV mehr nach 
oben und unten.

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Holger L. schrieb:
> Wäre das dann so eine Lösung?
Ich nehme immer mein Excel-Formular(**):
- 
http://www.lothar-miller.de/s9y/archives/36-Analogeingang-unipolarbipolar-mit-Widerstandsnetzwerk.html

Und komme damit auf eine Lösung wie im Anhang.

Man sieht da auch: durch die relativ geringe Änderung des 
Eingangssignalbereichs ist eine recht hohe Referenzspannung weit über 
der Versorgungsspannung nötig.

Wäre der Eingangsspannungsbereich viel größer, würde eine handlichere 
Referenz genügen.

Aber wie gesagt: weil das eine passive Widerstandsschaltung ist, muss 
der Innenwiderstand des Signalgebers mit beachtet werden.



(**) ich meine, das aus dem Artikel Spannungsteiler macht manchmal 
Rechenfehler...

[Holger L. (symetron)]

Weiß nicht... 3 statt 2 Widerstände... gleich 2 Cent mehr auf der 
Rechnung.

Muss ja günstig sein.

Mich würde ja mal der Sensor interessieren.