Hallo zusammen,
ich möchte mit Hilfe eines LM324 einen Impedanzwandler bauen, damit ich
mit einem Atmega328 Widerstandwerte in der Größenordnung 10MΩ
zuverlässig messen kann.
Ich habe mir daher zunächst den folgenden einfachen Test aufgebaut:
1
+5V __________
2
| | |
3
| | |\ |
4
| | | | \ |
5
| | ---| \ |
6
| | - | \___|___ U out
7
| | | /
8
| |<---------| /
9
| | Uin + | /
10
| | |/
11
|
12
GND LM324
13
14
10MΩ
Mit Hilfe eines Potis simuliere ich die späteren Messwerte.
Ich habe nun mit zwei DMM sowohl die Eingangsspannung als auch die
Ausgangsspannung gemessen. Leider funktioniert das Ganze nicht, wie ich
es aus der Theorie erwartet hätte. Ich habe immer ein Delta, zwischen
der Eingangs- und Ausgangsspannung.
Ein paar Messwerte aus meinen Versuchen:
1
Vin Vout
2
0,57V 0,62V
3
1,55V 1,79V
4
2,15V 2,51V
5
2,48V 2,89V
6
4,17V 4,48V
Die Schaltung ist auf einem Stück Lochstreifenplatine aufgebaut, der
invertierende Eingang direkt Pin:Pin verlötet. Das Poti ist auch nur 2cm
entfernt. Vcc und GND sind verlötet, der Mittelabgriff kann mit einem
kurzen Kabel auf einen Pin direkt am + Eingang gesteckt werden bzw.
entfernt werden, um die Situation des fehlenden Eingangssignals zu
simulieren.
Beide Spannungen sind sehr stabil, keine Schwankungen am DMM zu sehen.
Jedochr ist die Differenz zwischen Ein- und Ausgang für mich
unbrauchbar.
Weiterhin habe ich das Problem, daß bei offenem positivem Eingang, die
Ausgangsspannung innerhalb von ca. 1 Minute von 0 auf 5V steigt.
Ich muss jedoch später auch den Fall erkennen können, dass kein
Eingangswert vorliegt.
Kann mir jemand hier Tips geben, was ich noch verbessern kann, damit
einerseits die Ausgangsspannung wirklich der Eingangsspannung
entspricht, andererseits ich die Situation erkennen kann, daß kein
Meßsignal anliegt.
Hans W. schrieb:> Geht es um einen MCP6602 oder LM324?
Überschrift geändert, hatte zunächst vor einen MCP zu nehmen, das in
meinen Notizen auch vermerkt, fand aber keinen und habe es mit dem LM324
aufgebaut.
Habe dann leider für die Überschrift meinen falschen Notizen vertraut.
Sorry!
Paredros schrieb:> Kann mir jemand hier Tips geben, was ich noch verbessern kann
Erst mal testhalber verifizieren um wieviel sich die Ausgangs-
spannung ändert wenn du das Multimeter am Eingang abklemmst.
Paredros schrieb:> Ich muss jedoch später auch den Fall erkennen können, dass kein> Eingangswert vorliegt.
Geht nicht, der Operationsverstärker kann nicht "nichts" verstärken.
> habe es mit dem LM324 aufgebaut.
Dieses IC funktioniert sowohl am Eingang als auch am Ausgang nur mit
maxinal 1,5V weniger als die Versorgungsspannung V+. Außerdem tun sich
alle Operationsverstärker schwer damit, Ausgangsspannungen nahe an V-
auszugeben. Wenn man das wirklich braucht, betreibt man sie mit einer
negativen Versorgungsspannung (deswegen heisst der Pin V-).
Dazu kommt, daß er keine hochohmigen Mosfet Eingänge hat. Der
Eingangsstrom belastet deine hochohmige Quelle.
These 1:
Wenn aber sowohl das DMM als auch der OP-Eingang die Quelle belasten,
dann wird das Eingangs-DMM ja trotzdem den aktuellen Wert anzeigen. Der
mag niedriger als berechnet sein, aber von einer Berechnung ist ja nicht
die Rede
Und bei V=1 am Ausgang trotzdem die gleiche Spannung anliegen.
These 2:
Im Rail to Rail-Problem würde ich erwarten, dass im unteren und oberen
Bereich die Ausgangsspannung kleiner ist als die Eingangsspannung und im
mittleren Bereich übereinstimmt.
Auch das ist nicht der Fall. Die Ausgangsspannung ist stets größer als
die Eingangsspannung.
(Was bei UE=4.17V schon eine Leistung ist, wenn der OP dann auf UA=4.48V
hochkommt)
Ich denke, beide Ansätze sind nicht die Fehlerursache
Paredros schrieb:> Widerstandwerte in der Größenordnung 10MΩ> zuverlässig
Hallo,
dafür würde ich sofort an einen OPV mit FET-Eingängen denken oder noch
besser einen CMOS-OPV. Zudem sollte seine Betriebsspannung hoch genug
sein. Tatsächlich lassen sich mit ihm noch bei 5 V Sinusgeneratoren
aufbauen.
Der LM324 ist dafür denkbar ungeeignet.
Die Mesungen zeigen allerdings eine deutlich größere Abweichung als nur
die Eingangs-Offsetspannung des LM324.
Da ein Potentiometer unbekannten Wertes am Eingang hängt, wird es wohl
zwischen Werten von 5 kOhm und 1MOhm sein. Was fehlt, ist eben in der
Rückkopplung ein ebensolcher Widerstandwert, der dem Eingangswiderstand
entspricht.
Von einem Abblockkondensator war auch keine Rede, vielleicht braucht man
den heute nicht mehr und nur altmodische Leute wollen den noch haben.
https://www.elektronik-kompendium.de/news/operationsverstaerker-elektronik-minikurse/
mfg
Paredros schrieb:> dass kein> Eingangswert vorliegt.
Bedeutet unendlich hochohmig. Nicht mit LM324 bloss, weil der so billig
und älter als 40 Jahre ist. Tut in unserer Heizung gute Dienste.
mfg
Christian S. schrieb:> Paredros schrieb:>> Widerstandwerte in der Größenordnung 10MΩ>> zuverlässig> (..)> Der LM324 ist dafür denkbar ungeeignet.
Unabhängig davon sollten bei einem Mehrfach-OP, der 324 hat 4 Stück in
einem Gehäuse, die unbenutzten nicht unbeschaltet bleiben.
Christian S. schrieb:> Da ein Potentiometer unbekannten Wertes am Eingang hängt, wird es wohl> zwischen Werten von 5 kOhm und 1MOhm sein. Was fehlt, ist eben in der> Rückkopplung ein ebensolcher Widerstandwert, der dem Eingangswiderstand> entspricht.
Wie im Schaltplan zu erkennen, hat das Poti 10M, um eben die zu
erwartende Situation nachzustellen.
Ok, der LM324 mag da nicht geeignet sein. Welchen Op-Amp kann ich für
einen solchen Zweck einsetzen?
@TO
Nur um dir die Problematik mit dem hochohmigen Spannungsteiler
aufzuzeigen..stelle das Poti mal auf 50% ein, also 5M. Miss dann ohne
den Chip die Spannung am Schleifer, die sollte rein theoretisch exakt
Vcc/2 betragen. Das wird bei dir nicht der Fall sein.
Jörg R. schrieb:> Christian S. schrieb:>> Paredros schrieb:>>> Widerstandwerte in der Größenordnung 10MΩ>>> zuverlässig>> (..)>> Der LM324 ist dafür denkbar ungeeignet.>> Unabhängig davon sollten bei einem Mehrfach-OP, der 324 hat 4 Stück in> einem Gehäuse, die unbenutzten nicht unbeschaltet bleiben.
Und wie soll ich die beschalten? Alle drei Pins auf Masse?
Christian S. schrieb:> Da ein Potentiometer unbekannten Wertes am Eingang hängt, wird es wohl> zwischen Werten von 5 kOhm und 1MOhm sein. Was fehlt, ist eben in der> Rückkopplung ein ebensolcher Widerstandwert, der dem Eingangswiderstand> entspricht.
Nein, das kann der LM324 schon. Da brauchts keine Widerstände. Ist ja
sogar im Datenblatt eine Beispiel-Application: "Unity-Gain-Amplifier".
Jörg R. schrieb:> Nur um dir die Problematik mit dem hochohmigen Spannungsteiler> aufzuzeigen..stelle das Poti mal auf 50% ein, also 5M. Miss dann ohne> den Chip die Spannung am Schleifer, die sollte rein theoretisch exakt> Vcc/2 betragen. Das wird bei dir nicht der Fall sein.
Da hast du sicher Recht. Aber das ist ja nicht die Frage.
Der TO misst gleichzeitig Ein- und Ausgangsspannung.
Und egal, wie sich die Eingangsspannung durch das DMM verändert, die
Ausgangsspannung sollte die gleiche sein.
Und erst recht nicht höher
Paredros schrieb:> Welchen Op-Amp kann ich für einen solchen Zweck einsetzen?
Es gibt keine idealen Operationsverstärker. Schau dir den MCP6002 an,
der ist nahe dran.
Robert W. schrieb:> Jörg R. schrieb:>>> Nur um dir die Problematik mit dem hochohmigen Spannungsteiler>> aufzuzeigen..stelle das Poti mal auf 50% ein, also 5M. Miss dann ohne>> den Chip die Spannung am Schleifer, die sollte rein theoretisch exakt>> Vcc/2 betragen. Das wird bei dir nicht der Fall sein.>> Da hast du sicher Recht. Aber das ist ja nicht die Frage.> Der TO misst gleichzeitig Ein- und Ausgangsspannung.> Und egal, wie sich die Eingangsspannung durch das DMM verändert, die> Ausgangsspannung sollte die gleiche sein.
Ups..das stimmt natürlich. Das er gleichzeitig mit 2 DMM misst habe ich
überlesen.
Jörg R. schrieb:> Unabhängig davon sollten bei einem Mehrfach-OP, der 324 hat 4 Stück in> einem Gehäuse, die unbenutzten nicht unbeschaltet bleiben.
Der TO könnte ja einen der anderen OPV mal testen.
Jörg R. schrieb:> Nur um dir die Problematik mit dem hochohmigen Spannungsteiler> aufzuzeigen..stelle das Poti mal auf 50% ein, also 5M. Miss dann ohne> den Chip die Spannung am Schleifer, die sollte rein theoretisch exakt> Vcc/2 betragen. Das wird bei dir nicht der Fall sein.
Logisch. Die wird deutlich unter U/2 liegen ...
Ansonsten isses egal, ob der OPV oder ein Meßgerät den Spannungsteiler
belastet, oder in der Rückkopplung ein R eingeschleift ist, oder was für
ein OPV-Basistyp das ist - der OPV muss (abgesehen von der geringen
Offsetspannung) in der gezeigten Schaltung an allen drei Pins die
gleiche Spannung anzeigen.
@TO:
Sicherstellen, dass die Betriebsspannungen abgeblockt sind - vergessen
die meisten immer gerne ...
Mal die anderen drei OPV testen
Wo ist der OPV überhaupt her?
Robert W. schrieb:> Da brauchts keine Widerstände. Ist ja> sogar im Datenblatt eine Beispiel-Application: "Unity-Gain-Amplifier".
Es geht dabei nicht um unity-gain-Stabilität, sondern um die um die
Kompensation des (Common-Mode) Input-Bias-Current.
Der ist beim LM324 je nach Hersteller mit 20-50nA spezifiziert. Gibt
dann bei 5M-Ohm einen Spannungsfehler von 100-250mV. Bei 10M dann das
doppelte.
(re)
Der LM324 ist dafür ungeeignet.
Deine Messung mit dem DMM ist ungeeignet.
Bei Mittelstellung deines Potis:
- Innenwiderstand der Quelle: 2.5MOhm
- Input-Bias LM324: Größenordnung 30-100nA, können je nach Hersteller
und Streuung auch > 200nA sein, aber ich nehme mal 50nA an
- Veränderung der Eingangsspannung durch den Bias-Strom: 75mV (es sind
unbelastet 2.5V, aber durch den Bias-Strom wird die auf 2.575V geschoben
und es könnten auch 3V sein bei nem schlechten Exemplar oder
schlechterem Modell)
- Veränderung der Eingangsspannung durch das DMM: üblicherweise 10MOhm
Innenwiderstand des DMM, macht gemessene 2.0V statt der realen 2.5V
Du brauchst einen OpAmp mit Bias-Strom unter 1nA. Bei den historischen
Bauteilen z.B. ein TL07x.
Wenn du die hochohmige Eingangsspannung misst, dann musst du den
Eingangswiderstand des DMM auch rechnerisch kompensieren. Oder du
"schätzt" die Eingangsspannung nur mit dem DMM und misst die Differenz
zwischen Eingang und Ausgang des OpAmp. Da sollte die Spannungsdifferenz
nur sehr gering sein und der Innenwiderstand des DMM kaum relevant.
Für die endgültige Schaltung wirst vermutlich 1MOhm nach +5V machen und
den Prüfling dann nach Masse. Dann hättest ohne Prüfling +5V und mit
Prüfling < 10MOhm maximal 4.545V. Darüber kannst Erkennen, ob ein
Prüfling anliegt.
Schon mal Danke für die vielen Hinweise. Werde nun nochmal suchen, in
irgendeinem Kistchen müsste ein MCP6601/02 sein.
Nun ein paar weitere Tests gemacht:
- Das Poti ist ein Ausfall, mit 10M beschriftet, hat es nur 6,9M. Das
erklärte, warum ich in Mittelmessung zunächst nur 3,5M gemessen habe.
Habe jetzt eines verwendet, das wirklich 10M hat. Extern in
Mittelstellung gemessen: 5,1M. Eingebaut und Spannung gemessen: 2,1V. Da
haut das DMM tatsächlich ordentlich rein! Das bedeutet im Umkehrschluss,
dass ich mir auch tatsächlich einen Impedanzwandler für
Spannungsmessungen an hochohmigen Widerständen für meine DMM bauen muss.
Wenn ich die Messung der Eingangsspannung abklemme, springt die
Ausgangsspannung gleich etwas in die Höhe. 10%-20%.
Das erklärt mir aber immer noch nicht, warum ich die Differenz sehe,
wenn zwei Geräte zeitgleich messen. Der vom Eingangsgerät verursachte
Einbruch, sollte ja auch 1:1 auf den Ausgang gehen.
Aber nichts desto trotz: Kann mir jemand einen aktuellen Op-Amp
empfehlen, den ich für diesen Zweck verwenden kann?
Und die zweite Frage: Warum steigt die Ausgangsspannung, wenn am
positiven Eingang keine Spannung anliegt. Dies entspricht ja eigentlich
einem extrem hochohmigen Widerstand, also müssten da 0V anliegen. Wie
kann man dieses Verhalten verhindern, bzw. verhält sich da ein
modernerer, geeigneter OpAmp besser?
Paredros schrieb:> Warum steigt die Ausgangsspannung, wenn am> positiven Eingang keine Spannung anliegt.
Weil der LM324 PNP-Darlington-Eingänge besitzt, die ihn tauglich machen
sollen für Eingangssignale bis auf 0V herab, gemeint ist die untere
Grenze seiner Spannungsversorgung.
mfg
Paredros schrieb:> Aber nichts desto trotz: Kann mir jemand einen aktuellen Op-Amp> empfehlen, den ich für diesen Zweck verwenden kann?
Hatte ich bereits: MCP6002> Und die zweite Frage: Warum steigt die Ausgangsspannung, wenn am> positiven Eingang keine Spannung anliegt.
Weil du den Eingang nicht auf GND herunter ziehst. Der Ruhepegel ohne
Stromfluss ist hoch.
Paredros schrieb:> Kann mir jemand hier Tips geben, w
Also mit einem MCP6002 hätte es nahezu funktioniert, mit dem LM324 geht
das nicht. Erstens belastet er den 10MegOhm Spannungsteiler zu sehr,
zudem kann er über 3.5V nicht mehr messen und unter 0.7V nicht mehr
liefern, genau so wie er über 3.5V Schwierigkeiten hat.
Er ist halt kein Rail-To-Rail (Eingang sowie Ausgang) OpAmp und nicht in
CMOS gebaut wie der MCP6002 (einen MCP6602 gibt es nicht).
Die gemessene Eingangsspannung weicht daher von der gemessenen
Ausgangsspannung ab, weil dein Messgerät vermutlich mit 10MegOhm den
Spannungsteiler belastet. Würdest du mit einem zweiten Messgerät
simultan den Ausgang messen, werden die Messergebnisse besser
übereinstimmen.
Paredros schrieb:> Ich habe nun mit zwei DMM
Messen die beiden die gleiche Spannung gleich, wenn sie beide parallel
geschaltet sind?
Paredros schrieb:> Weiterhin habe ich das Problem, daß bei offenem positivem Eingang, die> Ausgangsspannung innerhalb von ca. 1 Minute von 0 auf 5V steigt.
Leckstrom. Merke: man darf CMOS-Eingänge niemals offen lassen. Weder in
der Digitaltechnik noch in der Analogtechnik.
Michael B. schrieb:> Die gemessene Eingangsspannung weicht daher von der gemessenen> Ausgangsspannung ab, weil dein Messgerät vermutlich mit 10MegOhm den> Spannungsteiler belastet. Würdest du mit einem zweiten Messgerät> simultan den Ausgang messen, werden die Messergebnisse besser> übereinstimmen.Paredros schrieb:> Ich habe nun mit zwei DMM sowohl die Eingangsspannung als auch die> Ausgangsspannung gemessen.
Das klingt stark nach gleichzeitiger Messung beider Spannungen.
Der Einwand mit der Belastung wäre dann gegenstandslos.
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