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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Problem mit Schaltung: VRef > Vcc Wie lösen?


Autor: Steffen Hausinger (Gast)
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Hallo allerseits

Ich habe folgende Aufgabe: Ein Drucksensor liefert mir ein 
Ausgangssignal von 0,5 bis 4,5V. Diese Spannung möchte ich, neben 
einigen anderen Werten (u.a. der Versorgungsspannung) mit einem µC 
(AtTiny84) auswerten.

Dazu habe ich mir überlegt, als Referenzsspannung sinnvollerweise 5,12 V 
zu wählen, so dass bei 10 Bit Auflösung 1 Bit 5 mV entsprechen. Das 
Problem ist - das funktioniert nicht so ohne Weiteres! Der µC arbeitet 
ja mit 5 V Betriebsspannung. VRef wäre also größer als Vcc!

Was kann ich jetzt machen? Ich hab mir folgendes überlegt und mich 
interessiert, was ihr davon haltet:

(1) VRef auf 2,56 V setzen. Das Ausgangssignal meines Drucksensors dann 
über einen Spannungsteiler halbieren (max. 4,5 V -> max. 2,25 V). Ebenso 
die Messung der Versorgungsspannung (~5V -> beispielsweise ~5/3 V).

(2) Vcc auf ~6 V setzen (gerade noch erlaubt). Dafür Gnd des 
Spannungsreglers über eine Diode (~0,7 V) schalten.

(3) Vcc auf 5 V, VRef auf 2,56 V setzen, wie (1) also. Den Drucksensor 
jedoch über Vcc laufen lassen statt über VRef. Für die Messung der 
Versorgungsspannung aber wieder einen Teiler einsetzen (siehe (1)).

Das Problem bei (1) ist, dass ich mit Widerständen anpassen muss. Und da 
ich hinterher nicht kalibrieren möchte/kann, addiert sich die Toleranz 
zum Messfehler.

Das Problem bei (2) ist, dass ich die Beschaltung irgendwie unsauber 
finde. Kann man das in der Praxis so machen? Einen einstellbaren 
Spannungsregler möchte ich nicht verwenden, weil ich einen schönen 
kleinen Festspannungsregler gefunden habe (SOT-23).

Das Problem bei (3) ist, dass ich nicht weiß, ob sich die ungenaue 
Betriebsspannung wirklich linear auf das Messergebnis auswirkt. D.h. 
ergeben 3% zu niedrige Spannung auch ein um 3% zu niedriges 
Ausgangssignal? (Die Ungenauigkeit bei der Messung der 
Versorgungsspannung wäre nicht so wichtig.)

Was meint ihr zu meinem Problem? Wie würdet ihr es lösen?

Ich bin auf Eure Antworten gespannt!

Viele Grüße
Steffen

Autor: Andreas K. (a-k)
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> Das Problem bei (1) ist, dass ich mit Widerständen anpassen muss. Und da
> ich hinterher nicht kalibrieren möchte/kann, addiert sich die Toleranz
> zum Messfehler.

Messwiderstände mit 0,1% Toleranz sind leicht erhältlich und durchaus 
bezahlbar.

Die vergessene Variante 4: Für VCC die heissgeliebten 5,12V verwenden. 
Das ist nämlich noch im erlaubten Bereich. Tatsächlich wirst du 
feststellen, dass 5V-Regler tendentiell eher 5,1V als 5,0V erzeugen.

Ob eine ADC-Einheit genau 5mV entspricht, oder 4,8mV, ist übrigens nur 
Spielerei mit Zahlen und für die Druckmessung völlig belanglos.

Autor: Falk (Gast)
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@ Steffen Hausinger (Gast)

>Ausgangssignal von 0,5 bis 4,5V. Diese Spannung möchte ich, neben
>einigen anderen Werten (u.a. der Versorgungsspannung) mit einem µC

>Das Problem bei (1) ist, dass ich mit Widerständen anpassen muss. Und da
>ich hinterher nicht kalibrieren möchte/kann, addiert sich die Toleranz
>zum Messfehler.

Genau. Es gibt aber für relativ wenig Geld 0,1% Widerstände. Diese 
GENAUIGKEIT ist gleich der AUFLÖSUNG deines interen ADC. Das sollte 
passen.

>Das Problem bei (2) ist, dass ich die Beschaltung irgendwie unsauber
>finde. Kann man das in der Praxis so machen? Einen einstellbaren

Ich denke schon.

>Das Problem bei (3) ist, dass ich nicht weiß, ob sich die ungenaue
>Betriebsspannung wirklich linear auf das Messergebnis auswirkt. D.h.

Wenn der Drucksensor ratiometrisch arbeitet und mit der Referenzspannung 
versorgt wird (über einen Puffer-OPV) dann ist der Absolutwert der 
Betriebsspannung egal, er kürzt sich raus.
Ansonsten sollte die Betriebsspannung in kleinen Grenzen auch nur sehr 
wenig Einfluss auf des Messergebnis haben, sonst ist der Sensor Schrott.

MfG
Falk

Autor: Ralph (Gast)
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Nimm Vref = Vcc ; Den Wert des 10. Bits kannst du sowieso vergessen.

Rein physikalisch betrachtet ist das 10 Bit also das niederwertigstes 
Bit des ADC die minimale Ungenauigkeit die du bei jeder Wandlung 
bekommst.
Also wenn Vref = Vcc ist dein Meßfehler schon mal 5Volt / 2^10  == ~ 5 
mV.

Dazu kommt noch die Meßfehler die durch deine Analogbeschaltung 
hinzukommen.
Wenn deine Schaltung und das Platinenlayout so gut sind das du wirklich 
9 Bit des ADC Wertes verwenden kannst, würde mich das sehr wundern.

Spar dir den ganzen Aufwand; mach Vref = Vcc und rechne mit den 9, 
besser mit 8, höherwertigen Bits des ADC.
Alles andere gaugelt dir eine Genauigkeit vor die nicht exsistiert.

Autor: Ralph (Gast)
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Willst du die Versorgungsspannung auch messsen, dann muss die Vref von 
einem unabhängigen Spannungsregler erzeugt werden.

Ansonsten passiert : Versorgungsspannuing steigt auf 5,1 V ==> Vref 
steigt auf 5,1 Volt ==> MEßFEHLER

Autor: Steffen Hausinger (Gast)
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Danke für Eure Antworten!

@Andreas Kaiser:
Die Referenzspannung kann ich leider nur mit 10 mA belasten (LM336). Das 
reicht nicht für die gesamte Schaltung.

Ich möchte mit meiner Schaltung extrem klein werden, deshalb verwende 
ich SMD-Widerstände. Dort wird es schwer solch geringe Toleranzen zu 
bekommen - sehe ich das richtig? Bei Reichelt jedenfalls konnte ich eben 
nichts in der Richtung finden.

@Falk:
Ich habe leider keine Ahnung, ob der Sensor ratiometrisch arbeitet. Im 
Datenblatt steht nichts dazu. Lediglich, dass er intern über einen ASIC 
verfügt. Da der Sensor aber für mein Empfinden ziemlich teuer war 
(~50€),  nehme ich dann mal an, dass die Betriebsspannung keinen großen 
Einfluss hat.

Bei der Diode in Gnd des Spannungsreglers bin ich am Zweifeln, weil die 
Kennlinie ja nicht linear ist. Das gibt bei wechselnder Stromaufnahme 
bestimmt ein breites Spektrum -> zu theoretisch gedacht?

@Ralph:
Vcc = VRef war auch mein erster Gedanke. Dann habe ich mich allerdings 
auf dieser Seite 
http://www.sprut.de/electronic/referenz/index.htm#... ein 
bißchen in das Thema hereingelesen und da steht nun in der Tabelle, dass 
ein herkömmlicher 7805 nur für gerade einmal 6-7 Bit Genauigkeit gut 
ist. 10 Bit müssen es nicht sein - das stimmt. Aber 6-7 Bit ist mir dann 
doch ein bißchen wenig.

Das mit dem Messen der Versorgungsspannung ist mir bewusst. Aber ich hab 
ja (bisher zumindest) einmal VRef und einmal Vcc, dann klappt das ja.


Ok, ich tendiere jetzt zu Vcc = VRef. Dann spare ich mir die 
Referenzspannungsquelle. Und wenn der Sensor rationmetrisch arbeitet, 
wovon ich jetzt einmal ausgehe, ist ja auch mit der Genuigkeit alles in 
Butter. Nur die Messung der Betriebsspannung kann ich dann wohl 
vergessen...

Viele Grüße
Steffen

Autor: Falk (Gast)
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@ Steffen Hausinger (Gast)

>Bei der Diode in Gnd des Spannungsreglers bin ich am Zweifeln, weil die
>Kennlinie ja nicht linear ist. Das gibt bei wechselnder Stromaufnahme
>bestimmt ein breites Spektrum -> zu theoretisch gedacht?

Naja, was ist "breites Spektrum". Um wieviel wird die Stromaufnahme 
schwanken? 50mA? Das macht vielleicht 100mV Spannungsschwankung. Das 
sind bei 5V gerade mal 2%.

MFg
Falk

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