wer Zeit, Muße und Erfahrung hat könnte mal bitte kurz über meine Schaltung drüberschauen.
Sensorausgang, differentiell: -60 mV bis 60 mV
Nutzsignal: 1 mV mit Offset von -10 mV bis 50 mV
Gewünschte Auflösung: 64 Stufen auf einem mit 5 V betriebenen 10-Bit-ADC
Ein Sensor liefert ein differentielles analoges Signal (Sig+ und Sig-). Der Absolutwert der Signale liegt bei etwa 1,5 V. Das Sensorausgangssignal liegt zwischen -60 mV und 60 mV.
In dem Bereich von -10 mV bis 50 mV liegt das relevante Messignal mit einer Amplitude von etwa 1 mV. Das heißt, das eigentliche Signal umfasst nur einen Bereich von etwa 1 mV, aber je nach Umgebung und Offset kann das irgendwo zwischen -10 mV und 50 mV liegen.
Dieses Signal soll durch einen mit 5 V betriebenen 10-Bit-ADC auf etwa 64 Stufen aufgelöst werden. Mehr stört nicht, muss aber auch nicht sein.
Die Bandbreite des Signals lege ich mal auf 200 Hz fest, wahrscheinlich sind es aber deutlich weniger.
Der Offset des Nutzsignals driftet nicht oder nur sehr langsam, ist also für die Betrachtung irrelevant.
Die angehängte Schaltung soll das Signal für den ADC aufbereiten.
Dazu wird das differentielle Signal durch den AD623 erstmal so verstärkt, dass der gesamte Messbereich des Sensors noch innerhalb der Grenzen ("Rails") der Schaltung liegt.
Dann werden -0,5 V bis 2,5 V abgezogen, um das eigentliche Nutzsignal auf die Referenzspannung zu legen. Das Ergebnis wird dann nochmal verstärkt, um eine möglichst große Amplitude zu haben.
Mit RPot2 kann das Signal abgeschwächt werden, um die Gesamtverstärkung zu verringern.
Ein Differenzverstaerker verstaerkt nur die Differenz. Mehr
braucht's
nicht.
Wie meinst du das?
Mir ist klar, dass der Absolutwert von 1,5 V nicht mitverstärkt wird. Den habe ich nur angegeben, um zu zeigen, dass das Signal nicht in der Nähe der Rails hängt.
64 Stufen wären bei 10 Bit und 5 V 312,5 mV. Ich müsste also das 1-mV-Signal etwa 300-fach verstärken.
Wenn das differentielle Signal zwischen 2 mV und 3 mV liegt, wäre das kein Problem. Mit Faktor 300 wären das 600 mV bis 900 mV.
Wenn das Signal aber zum Beispiel zwischen 40 mV und 41 mV liegt, würde das auf 12 V bis 12,3 V verstärkt. Das liegt weit außerhalb der Rails.
Deshalb muss irgendwo vor der Verstärkung der Offset (in dem Beispiel 40 mV) abgezogen werden.
Vergessen habe ich zu schreiben, dass das Signal relativ hochohmig ist, grob im 10-kΩ-Bereich.
Dazu wird das differentielle Signal durch den AD623 erstmal so
verstärkt, dass der gesamte Messbereich des Sensors noch innerhalb der
Grenzen ("Rails") der Schaltung liegt.
Dann werden -0,5 V bis 2,5 V abgezogen, um das eigentliche Nutzsignal
auf die Referenzspannung zu legen. Das Ergebnis wird dann nochmal
verstärkt, um eine möglichst große Amplitude zu haben.
Mit RPot2 kann das Signal abgeschwächt werden, um die Gesamtverstärkung
zu verringern.
Der MCP607 hat eine Input Offset Spannung von max. -250 µV bis +250 µV.
Der AD623ARM hat eine Input Offset Spannung von max. +200 µV bis +500 µV.
Hier den Offset bei 1300 Gesamtverstärkung zu kompensieren ist recht sportlich.
Wir wissen jetzt nicht was Du für ein Sensorsignal hast. Aber wenn es z.B. eine Wechselspannung wäre die um den Nullpunkt symmetrisch wäre, dann könnte man Dir helfen.
Seite 10 zeigt im markierten Bereich mit dem LT1097 einen Servo Loop der Gleichspannungsanteile aus einer Wechselspannung kompensiert. Es wird hier in der Rückkopplung ein Integrator eingesetzt der selbst kleinste Gleichanteile auf 0 bringen kann. Diese Technik setzt man z.B. auch beim EKG ein.
mfg klaus
Ein Differenzverstaerker verstaerkt nur die Differenz.
Mehr braucht's nicht.
Wie meinst du das?
Ich kann nicht für Pandur sprechen, aber ich vermute, er
würde sich -- bis auf den Instrumentationsverstärker --
den anderen analogen Klimbin sparen.
Mir ist klar, dass der Absolutwert von 1,5 V nicht
mitverstärkt wird.
Soviel ich verstanden habe, ist das ja der Gleichtakt-
anteil, während das Nutzsignal in der Differenz steckt.
Insofern ist das ja richtig so.
64 Stufen wären bei 10 Bit und 5 V 312,5 mV. Ich
müsste also das 1-mV-Signal etwa 300-fach verstärken.
Naja... ich frage mich, woher die 10 Bit kommen.
Wenn das der interne A/D-Wandler eines Mikrocontrollers
ist, könnte man je einen Kanal für Grob- und Feinmessung
machen und die Offsetkorrektur vom µC aus steuern.
Wenn aber ohnehin ein externer ADC verwendet wird, ist es
schaltungstechnisch viel einfacher, einen 16-Bit-Wandler
vorzusehen und nicht so hoch zu verstärken. Den Offset
berücksichtigt man am Schluss rechnerisch.
Und wenn das Nutzsignal als reines Wechselsignal aufgefasst
werden kann, gibt es u.U. auch die Möglichkeit, einen
(aktiven, analogen) Hochpass aufzubauen, wie von Klara
vorgeschlagen.
Deine Schaltung enthält m.E. keinen groben Fehler, aber
ich finde das Konzept nicht unbedingt stimmig... zumal
auch nicht klar wird, warum genau DIESER Verstärker
ausgewählt wurde.
Deshalb muss irgendwo vor der Verstärkung der Offset
(in dem Beispiel 40 mV) abgezogen werden.
Nee... das muss nur, weil alles mit einem 10-Bit-Wandler
und ohne Hochpassverhalten funktionieren soll.
Vergessen habe ich zu schreiben, dass das Signal
relativ hochohmig ist, grob im 10-kΩ-Bereich.
Sollte kein Problem sein; der Verstärker hat ja
Elektrometereingänge. -- Ach so: Der DC-Pfad für die
Eingänge ist abgesichert?!
Der MCP607 hat eine Input Offset Spannung von max. -250 µV bis +250 µV.
Der AD623ARM hat eine Input Offset Spannung von max. +200 µV bis +500
µV.
Hier den Offset bei 1300 Gesamtverstärkung zu kompensieren ist recht
sportlich.
1300 ist vielleicht auch ein bisschen übertrieben. Ich hatte die Verstärkung beim Subtrahierer erst später eingestellt. Nehmen wir die mal weg. Dann wären es 750 µV * 650 = 0,5 V (ca.)
Wir wissen jetzt nicht was Du für ein Sensorsignal hast. Aber wenn es
z.B. eine Wechselspannung wäre die um den Nullpunkt symmetrisch wäre,
dann könnte man Dir helfen.
Eine veränderliche Gleichspannung, keine Wechselspannung, sonst hätte ich das auch über einen Hochpass gemacht.
Ich kann nicht für Pandur sprechen, aber ich vermute, er
würde sich -- bis auf den Instrumentationsverstärker --
den anderen analogen Klimbin sparen.
Das wurde jetzt schon öfter so vorgeschlagen, aber wie soll das genau funktionieren?
Da habe ich nichtmal einen Ansatz.
Wenn an den Eingängen 40 mV anliegen, ist spätestens bei einer Verstärkung von 125 ein Rail erreicht.
Denkanstoß: Sieh dir mal an, wie das hier
Beitrag "Re: OPV Grundlagen Subtrahierer Offset"
gemacht wird. Die negative Hilfsspannung ist der Offset.
Einen Subtrahierer habe ich ja in der Schaltung. Ich verstehe nur nicht, wie man den Subtrahierer in die Beschaltung des Instrumentenverstärkers integrieren kann. Oder was meinst du?
Danke für die Antworten bisher.
Ich nehme mit, dass das Konzept so nicht so toll ist. Es gibt ja auch digitale Druckmesser.
Und wer Zeit und Lust hat:
Aber jetzt mal aus Interesse, nur auf den Analogteil bezogen, wie würde man die Anforderungen besser erfüllen.
Also ein 1-mV-Signal mit einem Offset von -10 mV bis 50 mV bei 5-V-Rails auf 0,3 V verstärken.
Denkanstoß: Sieh dir mal an, wie das hier
Beitrag "Re: OPV Grundlagen Subtrahierer Offset"
gemacht wird. Die negative Hilfsspannung ist der Offset.
Einen Subtrahierer habe ich ja in der Schaltung. Ich verstehe nur nicht,
wie man den Subtrahierer in die Beschaltung des Instrumentenverstärkers
integrieren kann. Oder was meinst du?
Die Schaltung, die ich verlinkt habe, macht ja beides: Sie verstärkt die Differenz und zieht den Offset ab – mit einem normalen Opamp. Ob du damit alle Randbedingungen erfüllen kannst, weiß ich nicht.
Und wer Zeit und Lust hat:
Aber jetzt mal aus Interesse, nur auf den Analogteil bezogen, wie würde
man die Anforderungen besser erfüllen.
Also ein 1-mV-Signal mit einem Offset von -10 mV bis 50 mV bei 5-V-Rails
auf 0,3 V verstärken.
Ich würde nur mit dem AD623ARM verstärken. Der schafft auch eine 1000 fache Verstärkung. Die würde ich aber nicht voll ausreizen.
Die Offset-Kompensation erfolgt über den Ref-Eingang des AD623ARM. Du brauchst also nur eine Verstärkerstufe zu kompensieren. Ich würde dazu auch einen Spindeltrimmer nehmen.
Der AD623ARM ist hochwertiger als ein MCP607. Bei Deinem jetzigen Konzept müßtest Du schon jede Verstärkerstufe für sich kompensieren.
Der Omron 2SMPP-03 sollte auch mit einer Konstantstromquelle betrieben werden.
mfg Klaus
Ein Sensor liefert ein differentielles analoges Signal (Sig+ und Sig-).
Der Absolutwert der Signale liegt bei etwa 1,5 V. Das
Sensorausgangssignal liegt zwischen -60 mV und 60 mV.
In dem Bereich von -10 mV bis 50 mV liegt das relevante Messignal mit
einer Amplitude von etwa 1 mV. Das heißt, das eigentliche Signal umfasst
nur einen Bereich von etwa 1 mV, aber je nach Umgebung und Offset kann
das irgendwo zwischen -10 mV und 50 mV liegen.
Wenn ich das so lese, dann willst du mit dem Senor, der für 0-50 kPa gedacht ist, bei einem Ausgangssignal von 0-40mV, einen Bereich von 1 kPa messen, z.B. von 32kPa bis 33kPa.
Wenn ich in dem Datenblatt aber sehe, dass die "Pressure Hysteresis -0,2% bis +0,2% des Maximalwerts sein kann, dann ist dieses Unterfangen als ob du mit einem Geodreieck versuchst hundertstel Millimeter zu messen.
Ich kann nicht für Pandur sprechen, aber ich vermute, er
würde sich -- bis auf den Instrumentationsverstärker --
den anderen analogen Klimbin sparen.
Das wurde jetzt schon öfter so vorgeschlagen, aber wie
soll das genau funktionieren?
Da habe ich nichtmal einen Ansatz.
Naja, der Weg mit dem Kopf durch die Wand wäre ein höher
auflösender ADC -- gern als externer ADC am µC.
Ich bin grundsätzlich kein Freund zwanghafter Digitalisierung,
aber in Deinem Fall wäre das schaltungstechnisch das Einfachste.
Es ist aber etwas müßig, über diesen Punkt zu streiten. Für
einen Versuchsaufbau, der nur von Dir selbst bedient wird,
kann man eine andere Lösung wählen als für ein Messgerät, das
in Serie gebaut und verkauft wird, und ein Programmierer, der
nur zwangsverpflichtet wurde, sich eine Schaltung auszudenken,
wird vielleicht auch eine andere Lösung wählen als ein Crack
in analoger Schaltungstechnik.
könnte man je einen Kanal für Grob- und Feinmessung
machen und die Offsetkorrektur vom µC aus steuern.
Wie das?
Du führst das Signal, das aus dem AD623 kommt, direkt an
einen ADC-Kanal des µC. Der macht die Grobmessung.
OP1B baust Du zu einem aktiven Tiefpass um und schließt den
Eingang an einen PWM-Ausgang des µC an. Hier wird der Offset
eingespeist.
Die beiden Potis entfallen ersatzlos; OP2a und OP2b
dimensionierst Du so um, dass die gewünschte (feste)
Verstärkung entsteht.
Der Ausgang kommt an einen anderen ADC-Kanal des µC; hier
passiert die Feinmessung.
Falls das unklar war, die Höhe des Offsets interessiert
mich nicht.
Das war mir nicht unklar; das hatte ich schon verstanden.
Es ist aber ein typisches (und sinnvolles) Vorgehen, auch
Störgrößen zu erfassen, an denen man NICHT interessiert ist,
um sie geeignet berücksichtigen (=eliminieren) zu können.
Ob sich der Aufwand lohnt, hängt von den konkreten Einsatz-
bedingungen Deiner Schaltung ab.
Ach so: Der DC-Pfad für die Eingänge ist abgesichert?!
Was meinst du damit?
JEDER Eingang eines Verstärkers muss einen Gleichstrompfad
zur Masse sehen.
Wenn Dein Sensor intern eine Wheatstone-Brücke enthält,
ist das z.B. gewährleistet.
Einen keramischen Ultraschall-Transducer "schwimmend"
zwischen die beiden Eingänge zu schalten funktioniert
aber nicht. Auch ein Tauchspulmikrofon zwischen den
Eingängen geht nicht.
Die Masse wird zum Sensor geführt, falls du das meinst.
Das ist notwendig, aber nicht hinreichend :-)
Ich verstehe nur nicht, wie man den Subtrahierer in
die Beschaltung des Instrumentenverstärkers integrieren
kann.
Gucksu Datenblatt erste Seite, "Functional Block Diagram":
Die Ausgangsstufe des INA entspricht funktionell Deinem
OP2A.
Wenn Du direkt die Spannung am REF-Eingang des INA manipulierst,
kannst Du im Prinzip einen der nachgeschalteten OPVs sparen.
Ob sich das lohnt, kann man diskutieren.
Nachverstärkung brauchst Du trotzdem, sonst schaffst Du die
gewünschte Auflösung nicht.
Ich nehme mit, dass das Konzept so nicht so toll ist.
Würde ich so nicht sagen. Es kommt -- wie immer -- auf die
Randbedingungen an.
In ein Seriengerät, das verkauft werden soll, würde ich die
Schaltung vermutlich nicht einbauen.
Wenn Du die Teile schon im Fundus hast und nur eine Labor-
schaltung zum persönlichen Gebrauch benötigst, spricht
nichts dagegen, es so zu versuchen.
Und wer Zeit und Lust hat:
Aber jetzt mal aus Interesse, nur auf den Analogteil
bezogen, wie würde man die Anforderungen besser erfüllen.
Also ein 1-mV-Signal mit einem Offset von -10 mV bis 50 mV
bei 5-V-Rails auf 0,3 V verstärken.
Naja, man kann Bauelemente sparen. Fundamental besser geht
es m.E. nicht.
Danke für die Beiträge. Ich würde es gerne mit dem genannten Sensor und dem genannten ADC probieren. Am Sensor ist die Bauform für mich besonders attraktiv.
Wer das für sinnlos hält, muss natürlich hier nicht weiterlesen und antworten. Das akzeptiere ich selbstverständlich.
Sie verstärkt die
Differenz und zieht den Offset ab – mit einem normalen Opamp. Ob du
damit alle Randbedingungen erfüllen kannst, weiß ich nicht.
Der Subtrahierer hat im Gegensatz zum Instrumentenverstärker den Nachteil, dass der Eingangswiderstand relativ (Im Vergleich zum Instrumentenverstärker) gering ist. Der liegt größenordnungsmäßig im Bereich der verwendeten Widerstände.
Das stört bei dem relativ hochohmigen Sensorsignal.
Deshalb war die Idee, dass der das Signal auch erstmal auf unkritischere Pegel, im Bezug auf Störung und Rauschen, verstärkt, damit es dann einfacher weiterverarbeitet werden kann.
Die Offset-Kompensation erfolgt über den Ref-Eingang des AD623ARM. Du
brauchst also nur eine Verstärkerstufe zu kompensieren.
Vielleicht stehe ich auf dem Schlauch, aber ich komme immer noch nicht damit klar, wie das funktionieren soll.
An den Eingängen liegen beispielsweise differentiell 40 mV an. Die verstärke ich 300-fach. Dann liefert der Ausgang (theoretisch) 12 V. Mit welcher Beschaltung am Ref-Pin kriege ich die 12 V auf 5 V? Oder siehst du eine weitere Verstärkung hinter dem AD623 vor?
Ich verstehe nur nicht, wie man den Subtrahierer in
die Beschaltung des Instrumentenverstärkers integrieren
kann.
Gucksu Datenblatt erste Seite, "Functional Block Diagram":
Die Ausgangsstufe des INA entspricht funktionell Deinem
OP2A.
Wenn Du direkt die Spannung am REF-Eingang des INA manipulierst,
kannst Du im Prinzip einen der nachgeschalteten OPVs sparen.
Jetzt verstehe ich es. Aber braucht man dafür nicht eine negative Spannung an Ref, wenn man den Offset abziehen will?
Es ist ein Versuchsaufbau und ich
würde gerne ausprobieren, was geht.
Dann hoffe ich, dass du die alternative Möglichkeit hast den tatsächlichen Differenzdruck so genau zu bestimmen, dass du siehst ob dein Versuchsaufbau Hausnummern produziert oder wirklich misst.
Du willst mit dem Sensor eine Auflösung von 60 (-10 bis +50mV) mal 64 Punkten erreichen, was 3840 Stufen entspricht. Selbst wenn du jetzt definierst dass du bei den 64 Werten 10% Abweichung tolerierst, sind das für den Sensor plus Verstärker gerade mal 6/3840 = 0,15% max. Gesamtfehler.
Wenn du den Drift deiner Offsetkompensation als zusätzlichen Fehler betrachtest und z.B. definierst das der maximal 2 Werte driften darf, dann ist das weniger als 0,05% zulässiger Offsetdrift. Bei max. 10% Gesamtfehler bei deinen 64 Werten Auflösung wäre dann aber der max. zulässige Messfehler nur noch 0,1%.
Aber braucht man dafür nicht eine negative
Spannung an Ref, wenn man den Offset abziehen will?
Nein; der Ausgang ist Ref + (Sig+ − Sig−) × Verstärkung.
Ja.
Ein auf beiden Eingängen vorhandener Offset fällt
automatisch weg.
Ja... nein... Missverständnis.
Signalquelle ist eine Wheatstone-Brücke; da ist somit als
Gleichtaktsignal ungefähr die halbe Brückenspannung auf
beiden Signalen vorhanden. Dieser Anteil fällt im InAmp
automatisch weg.
AUSSERDEM möchte der TO vom Messbereich des Sensors nur
einen sehr kleinen Teil ausnutzen -- er weiss aber nicht
vorher, WO im gesamten Messbereich sein kleines Nutzsignal
liegen wird. Das ist das, was der TO als Offset bezeichnet.
Die Offset-Kompensation erfolgt über den Ref-Eingang
des AD623ARM. Du brauchst also nur eine Verstärkerstufe
zu kompensieren.
Vielleicht stehe ich auf dem Schlauch, aber ich komme
immer noch nicht damit klar, wie das funktionieren soll.
An den Eingängen liegen beispielsweise differentiell
40 mV an.
Okay.
Die verstärke ich 300-fach. Dann liefert der Ausgang
(theoretisch) 12 V.
Ja (-- sogar noch etwas mehr).
Mit welcher Beschaltung am Ref-Pin kriege ich die 12 V
auf 5 V?
Gar nicht. Geht nicht.
Oder siehst du eine weitere Verstärkung hinter dem
AD623 vor?
Das Problem ist, dass beim AD623 die Verstärkung der
zweiten Stufe fest verschaltet und gleich Eins ist.
Anders formuliert: Die GESAMTE Verstärkung muss
AUSSCHLIESSLICH in der ersten Stufe aufgebracht
werden; die zweite bewirkt "nur" noch eine reine
Pegelverschiebung.
Wegen Gleichtaktanteil und Offset ist der Aussteuer-
bereich aber stark beschränkt, und damit auch die
mögliche Verstärkung.
Es ist schon eine Weile her bei mir, aber ich meine mich
zu erinnern, dass es InAmps gibt, bei denen auch die
Verstärkung der ZWEITEN Stufe von außen festgelegt und
so größer als Eins gemacht werden kann.
Bei diesen InAmps kann man durch Anlegen einer passenden
(negativen) Spannung an REF sowohl den Gleichtaktanteil
als auch den differenziellen Offset zum Verschwinden
bringen, ohne die Grenzen der Betriebsspannung zu über-
schreiten.
Die Nachverstärkung in der zweiten Stufe verstärkt dann
NUR den gewünschten Ausschnitt aus dem Differenzsignal.
Die Gesamtverstärkung wird so entsprechend höher, ohne
dass der Aussteuerbereich überschritten werden muss.
Ach... noch folgende Frage:
Wie (=mit welchen Spannungen) wird denn der Drucksensor
versorgt?
Könnte man den auch symmetrisch speisen?
Das Problem ist, dass beim AD623 die Verstärkung der
zweiten Stufe fest verschaltet und gleich Eins ist.
Der AD623 ist ein Bauteil und damit für mich eine Stufe. Ich meinte damit, ob du meinst, dass der AD623 nur so weit verstärken soll, dass das der Ausgang immer innerhalb der Rails bleibt und dahinter ein Operationsverstärker dieses Signal nochmal verstärkt.
Ich habe deshalb gefragt, weil es am Anfang hieß, dass die Anforderungen mit nur dem AD623 erreicht werden können.
Wie (=mit welchen Spannungen) wird denn der Drucksensor
versorgt?
Könnte man den auch symmetrisch speisen?
5 V. Man könnte den natürlich auch symmetrisch speisen, aber die meisten Haushaltsspannungsquellen (Steckernetzteil, USB, Labornetzteil) liefern unsymmetrische Spannungen. Dann müsste ich, um ein paar Centbauteile zu sparen, daraus erst symmetrische Spannungen erzeugen. Das wäre dann doch mehr Aufwand.
Im Moment bin ich ein vielbeschäftigter Mann, deshalb bin ich noch nicht dazu gekommen, einen Schaltplan zu zeichnen.
Also der Plan wäre dann jetzt, die 2,5 V als Referenzspannung des Signal zu belassen, aber nicht an den Ref-Pin anzuschließen. An den wird eine auf die 2,5-V-Referenz bezogen negative Spannung (also kleiner als 2,5 V) angelegt, um den Offset abzuziehen. Dahinter kommt ein weiterer Verstärker, der die Endverstärkung erzeugt.
Hallo Florian,
mache es so. Dieser Ansatz wird Dich weiterbringen. Danach wirst Du vermutlich noch auf andere Fragen stoßen. So ist das Leben eben.
mfg Klaus
