und zwar geht es um den Differential Amplifier. An sich ist der OPV schon ein richtiger Differenzverstärker. Dummerweise ist der Verstärkungsfaktor viel zu hoch und damit unbrauchbar.
Ich möchte die Differenz zwischen zwei Wheatstone-Brücken-Spannungsteilern verstärken, um damit die kleinen Spannungsänderungen, die bei Temperaturänderung des PT1000 entstehen, besser vom uC nutzen und auswerten zu können.
Im Bild "differenzverstärker" habe ich so eine Probe-Schaltung. Allerdings messe ich andere Spannungen als die ich erwarte.
Vielleicht an den Widerständen deiner Operationsverstärker-Schaltung, die sich parallel zu den Widerständen deiner Brückenschaltung befinden und daher die Brücke verstimmen?
Vielleicht an den Widerständen deiner Operationsverstärker-Schaltung,
die sich parallel zu den Widerständen deiner Brückenschaltung befinden
und daher die Brücke verstimmen?
Erstmal vielen Dank für deine Antwort, was ist da parallel, könntest du das vielleicht in der beigefügten Abbildung einzeichnen
Naja. Ein Operationsverstärker versucht immer, die Ausgangsspannung so einzustellen, dass die Differenz an beiden Eingängen 0 beträgt. Und die Spannung an den Eingängen ist nicht V0/V1. Deshalb passt dein Pfeil nicht wirklich.
Aber dein Gedanke ist gut! Und ja, V0 wird auch beeinflusst.
Und schau dann noch einmal in die Formel für den Differenzverstärker. Eventuell ist dein Ergebnis der Subtraktion kleiner als Null. Kann dein Verstärker aber dank Single Supply (min. 0V am Ausgang) nicht ausgeben.
Und schau dann noch einmal in die Formel für den Differenzverstärker.
Eventuell ist dein Ergebnis der Subtraktion kleiner als Null. Kann dein
Verstärker aber dank Single Supply (min. 0V am Ausgang) nicht ausgeben.
Dann hilft beim Differenzverstärker eine virtuelle Masse die auf UB/2 liegt.
mfg Klaus
An sich ist der OPV
schon ein richtiger Differenzverstärker. Dummerweise ist der
Verstärkungsfaktor viel zu hoch und damit unbrauchbar.
Diejenigen Leute, die damals den Operationsverstärker erfunden haben, wollten nur erreichen, daß der von Ihnen konstruierte OPV dem Idealbild eines Operationsverstärkers möglichst nahe kommt. Deshalb die irrwitzige Verstärkung.
Diejenigen Leute, die damals den Operationsverstärker erfunden haben,
wollten nur erreichen, daß der von Ihnen konstruierte OPV dem Idealbild
eines Operationsverstärkers möglichst nahe kommt. Deshalb die irrwitzige
Verstärkung.
Ja, und deshalb hat man die Gegenkopplung erfunden.😉
mfg Klaus
Ich habe auch als erstes Probleme mit der single-supply vermutet, aber der LT1413 kann schon nahe an GND ausgeben. 15mV ohne Last, 220mV mit 1 mA nach Plus.
Ich habe es jetzt endlich verstanden. Würde ich nur die Wheatstonebridge allein betrachten, dann hätte ich wie oben schon erwähnt die Potentiale 0.45V und 0.901V. Aufgrund der Zuschaltung des Differenzverstärkers ändern sich die Potentiale. Alles gut!
Aber es erklärt jedoch immer noch nicht warum ich 3.24V gemessen habe 🙃
Diejenigen Leute, die damals den Operationsverstärker erfunden haben,
wollten nur erreichen, daß der von Ihnen konstruierte OPV dem Idealbild
eines Operationsverstärkers möglichst nahe kommt. Deshalb die irrwitzige
Verstärkung.
Ja, und deshalb hat man die Gegenkopplung erfunden.😉
mfg Klaus
Na ja - die wurde von H. Black schon vor 100 Jahren "erfunden" (als es den Begriff "Operationsverstärker" noch gar nicht gab).
Umgekehrt: DAMIT die Gegenkopplung (nahezu) allein das Übertragungsverhalten bestimmen kann, wird der OPV mit einer möglichst großen "offenen" Verstärkung (oft leider "Leerlaufverstärkung genannt) ausgestattet.
erklärt worden. Der OPV ist ausgangsseitig einfach am Anschlag.
Hallo Arno vielen Dank für deine Rückmeldung. Bei diesem Artikel ging es zum einen um den Input-Common-Mode-Voltage-Range, welcher in dieser Schaltung eingehalten wurde und es ging darum, dass der OpAmp nicht ideal arbeitet und dementsprechend nur eine max. Ausgangsspannung von ungefähr 3.5 V ausgibt.
Was hat dieser Artikel mit diesem Problem zu tun? Ich wäre dir für eine Antwort sehr dankbar.
Ich habe es jetzt endlich verstanden. Würde ich nur die Wheatstonebridge
allein betrachten, dann hätte ich wie oben schon erwähnt die Potentiale
0.45V und 0.901V. Aufgrund der Zuschaltung des Differenzverstärkers
ändern sich die Potentiale. Alles gut!
Du müsstest ein Instrumentenverstärker verwenden. Die haben hochohmige Eingänge. Ich habe früher mal mit dem INA333 PT1000 Platin-Temperatursensoren ausgewertet.
Es kommt darauf an wie genau Deine Messungen sein sollen. Der INA333 ist schon gut, es gibt aber noch genauere. Billigere gibt es allerdings auch.
Etwas billiger sind die Instrumentenverstärker von Microchip Technology.
Reichelt bietet die Familie MCP6N11 von 1,80€ bis 2,00€ an. Im Datenblatt Seite 2 findest Du die Unterschiede dieser Typen.
https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/25073A.pdf
Der MCP6N11-100 hat die geringste Temperaturdrift.
mfg Klaus
In deinem Schaltbild steht zwischen den OPV-Eingängen eine Spannung von 0,45V. Wenn der OPV korrekt arbeiten könnte, wäre diese Spannung gleich null, also KANN der OPV nicht richtig arbeiten, er muss also irgendwo am Anschlag sein.
Hab deine Schaltung jetzt mal simuliert, es sollten +1,25V hinten rauskommen. Also stimmen deine Messungen, oder die Schaltung oder die Bauteilewerte nicht. Oder alles.
Warum wird die Spannungsdifferenz von V1 und V0 verstärkt und nicht die
Spannungsdifferenz von U+, U-?
Weil V1 eine Spannungsquelle ist, V0 es nicht gibt, genauso wenig wie U+ und U-! Vielleicht wäre es besser, beim "Großen Backen" mal mitzumachen? Da muss man sich auch ans Rezept halten und die Zutaten genau abwiegen.
Warum wird die Spannungsdifferenz von V1 und V0 verstärkt und nicht die
Spannungsdifferenz von U+, U-?
In einer gegengekoppelten Schaltung (wie deiner) stellt der OPV (wegen seiner nahezu unendlichen Verstärkung) seine Ausgangsspannung so ein, daß die Differenz zwischen seinen Eingängen = 0 ist. Genau das zeigt auch deine Simulation. Solange der OPV dies tun kann, verstärkt die Schaltung die Differenz zwischen U1 und U0.
U1 ist einfach die mit R7/R1 geteilte U1, und U0 ergibt sich aus der oben genannten Regel und R4/R5/R6/R8. Normalerweise würde man die Schaltung so dimensionieren, daß R8 >>> R5||R4.
Warum wird die Spannungsdifferenz von V1 und V0 verstärkt und nicht die
Spannungsdifferenz von U+, U-?
In einer gegengekoppelten Schaltung (wie deiner) stellt der OPV (wegen
seiner nahezu unendlichen Verstärkung) seine Ausgangsspannung so ein,
daß die Differenz zwischen seinen Eingängen = 0 ist. Genau das zeigt
auch deine Simulation. Solange der OPV dies tun kann, verstärkt die
Schaltung die Differenz zwischen U1 und U0.
U1 ist einfach die mit R7/R1 geteilte U1, und U0 ergibt sich aus der
oben genannten Regel und R4/R5/R6/R8. Normalerweise würde man die
Schaltung so dimensionieren, daß R8 >>> R5||R4.
Ja Arno hat schon recht.
Um das noch zu verdeutlichen, man fängt am besten mit der Berechnung von Uin+ an. Auf diesen Knoten fließt ein Strom über R7 und R1, also
I1 = U1/(R7+R1).
Die Spannung an Uin+ beträgt demnach
Uin+ = I1 x R1.
Diese Knotenspannung an Uin1+ ist völlig unabhängig vom OPV.
Da der OPV eine sehr hohe Verstärkung hat versucht er Uin- an Uin+ anzupassen. Über R8 fließt ein Strom von
IR8 = (U0 - Uin+)/ R8.
Wohl gemerkt! Uin- soll ja gleich sein mit Uin+ !
In unseren Fall ist aber U0 < U1 und R7 ist gleich R8. Deswegen ist der Strom über R8 kleiner als der über R7. Dieser fehlende Strom muß vom OPV über R6 geliefert werden.
IR6 = IR7 - IR8
Daraus ergibt sich: TO_ADC = IR6 x R6.
Ich hoffe, ich habe mich klar genug ausgedrückt.
mfg Klaus
In unseren Fall ist aber U0 < U1 und R7 ist gleich R8. Deswegen ist der
Strom über R8 kleiner als der über R7. Dieser fehlende Strom muß vom OPV
über R6 geliefert werden.
IR6 = IR7 - IR8
Daraus ergibt sich: TO_ADC = IR6 x R6.
Kleiner Fehler.
TO_ADC = IR6 x R6 + Uin+
Dabei ist Uin+ = Uin- auf Grund der hohen Grundverstärkung des OPV.
Noch ein Zusatz. In der Tat sollte man die Grundlagen verstehen. Das ist der Kernpunkt. Also das hier Uin+ ganz einfach per simplen Spannungsteiler gebildet wird. Da ein OPV immer eine sehr hohe Open-Loop Verstärkung hat, versucht er in diesem Fall Uin- an Uin+ anzupassen. Das ist alles! Alles was man sich merken sollte.
Und dann ist es zielführender mit LTspice Simulationen durchzuführen. Mir stand anfangs nur ein Rechenschieber zur Verfügung. Und später hat man sich bei Stern- Dreieckberechnungen die Finger wund getippt. Das ist heute zum Glück vorbei.
mfg Klaus
Ich schäme mich schon fast hier noch eine Frage reinzustellen, aber ich habe noch nicht die Ruhe.
Vielen Dank erstmal, ich habe fast alles verstanden, nur eine Sache verwirrt mich noch.
Warum stimmen meine Messwerte nicht mir der Simulation überein. Ich habe bei meinem Aufbau auf alles geachtet. Richtige Bauteile, korrekte Verdrahtung usw. Aber ich bekomme falsche Messergebnisse.
Ich habe folgende Schaltung noch einmal simuliert und mit meinen Messwerten verglichen. Meine Messwerte stimmen leider nicht. (siehe Abb.)
Ich weiss nicht was schon alles geschrieben wurde,habe aber mal die LTspice-Schaltung von
Klaus R. (klara)
uebernommen etwas "verkompliziert"
Soll nur als Alternative dienen.Der MCP601 ist ein Dual-Opamp von Microchip und ueberall billig zu bekommen.
Die Schaltungsergaenzung ist simpel und liefert was sie soll.
Die Schaltungsergaenzung ist simpel und liefert was sie soll.
Und braucht ähnlich viele Bauteile wie ein aus OPs aufgebauter Instrumentenverstärker.
Der Instrumentenverstärker hat aber eine bessere GLeichtaktunterdrückung.
Siehe dazu auch Tietze und Schenk "Instrumentenverstärker".
Der Instrumentenverstärker hat aber eine bessere
GLeichtaktunterdrückung.
Ja schon aber bekommt man die auch an jeder Strassenecke und zu guenstigen Preisen?
Er kann ja auch den MCP604 nehmen - 4-fach Opamp.
Wie dem auch sei.Der MCP601 ist ein brauchbarer Opamp den man in groesseren Mengen zu Hause lagern kann - fuer alle moeglich Schaltungen bis zu 6V Ub
Ein Instrumentenverstaerker ist ein feine Sache aber halt ein Spezialbauteil.Wer Platz genug auf seiner Platine hat und es universell halten meochte verwendet Standardbauteile.Wer auf fast absolute 100%ige Genauigkeit auf kleinstem Raume pocht soll halt den besseren aber auch teureren Weg gehen.
Wie schon erwaehnt - die erweiterte Schaltung soll ja nur noch einen anderen Weg vorschlagen.
Hoffen wir mal ,dass der TO mit seinem teuren Rigol den Differenzverstaerker in den Griff bekommt.
Den kann man genauso mit 3 OPs bauen wie deine Schaltung.
Ich weiss - abgesehen davon ist im Datenblatt des MCPs die Schaltung auch erlaeutert.Auch ein Instrumentenverstaerker mit 2 Opamps wird aufgezeigt.Letzterer mit ein paar Nachteilen.
die kleinen Spannungsänderungen, die bei Temperaturänderung des PT1000
entstehen, […] vom uC […] auswerten
lassen.
Genauer gesagt, möchte er den Widerstandswert des Pt1000 so in eine
Spannung umsetzen, dass der Messbereich des ADC des µC möglichst gut
ausgenutzt wird.
Eine Wheatstone-Brücke ist zwar für vieles nützlich (bspw. für Messungen
an Dehnmessstreifen), in der vorliegenden Anwendung sehe ich aber wenig
Sinn darin.
Verzichtet man auf die Wheatstone-Brücke, fallen etliche Widerstände
weg, und man braucht auch keinen Instrumentenverstärker.
Welche Schaltung genau für das Vorhaben in Frage kommt und wie sie zu
dimensionieren ist, hängt von mehreren Faktoren ab:
Welcher Temperaturbereich (Tmin–Tmax) bzw. welcher Widerstandsbereich
des Pt1000 (Rmin–Rmax) soll ausgewertet werden?
Wie groß ist der Messbereich des ADC bzw. dessen Referenzspannung
Uref?
Ist die Versorgungsspannung von 5V sauber genug, um aus ihr (wie in
der ursprünglichen Schaltung) einen Spannungsoffset abzuleiten? Falls
nicht: Ist die Referenzspannung des ADC über einen Pin des µC
verfügbar?
Man kann auf den Fotos nicht so gut erkennen, in welchen Löchern die
einzelnen Widerstände und Verbindungsleitungen genau stecken, aber mir
scheint, dass da ein Fehler in deinem Aufbau ist:
Die rechten Anschlüsse der beiden 1k-Widerstände scheinen unbeschaltet
zu sein, müssten aber eigentlich auf Masse liegen. Die Masseleitungen,
die du dafür wohl vorgesehen hast, sind stattdessen am jeweils linken
Anschluss dieser Widerstände angeschlossen, also genau dort, wo U0 und
U1 gemessen wird.
Auf Grund dieses Fehlers sollten die Messungen von U0 und U1 beide 0V
ergeben, was natürlich nicht mit deinen tatsächlichen Messungen (2,8V
und 0,42V) übereinstimmt.
Da deine Bildsequenz den schrittweisen (Neu-)Aufbau der Schaltung zeigt,
vermute ich, dass diese bei deinen Messungen noch anders aussah.
Falls ich mit meiner Beobachtung richtig liege, wären deine Fotos für
die Klärung deiner Messungen völlig nutzlos.
Edit: Hier noch ein Bildchen, wie die beiden Masseleitungen meiner
Meinung nach umgesteckt werden müssten.
Man kann auf den Fotos nicht so gut erkennen, in welchen Löchern die
einzelnen Widerstände und Verbindungsleitungen genau stecken, aber mir
scheint, dass da ein Fehler in deinem Aufbau ist:
Die rechten Anschlüsse der beiden 1k-Widerstände scheinen unbeschaltet
zu sein, müssten aber eigentlich auf Masse liegen. Die Masseleitungen,
die du dafür wohl vorgesehen hast, sind stattdessen am jeweils linken
Anschluss dieser Widerstände angeschlossen, also genau dort, wo U0 und
U1 gemessen wird.
Da deine Bildsequenz den schrittweisen (Neu-)Aufbau der Schaltung zeigt,
vermute ich, dass diese bei deinen Messungen noch anders aussah.
aufgrund des Neuaufbaus habe ich einen kleinen Fehler gemacht. Ich habe den Aufbau verbessert.
aufgrund des Neuaufbaus habe ich einen kleinen Fehler gemacht. Ich habe
den Aufbau verbessert.
die Werte die ich jetzt messe
Spannungsteiler --> 0.8mV
Spannungsteiler --> 0V
U_out --> 12mV
Ist das Deine letzte Schaltung, die Du hier vorgestellt hast?
Beide Spannungsteiler mit je 10K + 1K?
Am Spannungsteiler in Zweig Uin+ muß, wie Du es gemessen hattest, bei U1 eine Spannung von 0,42V liegen. Dieser Zweig ist unabhängig vom OPV.
Also da stimmt schon etwas nicht.
Steckbretter haben es wirklich in sich. Aber geb nicht auf. Überprüfe den Verlauf. Du kannst ja den LT1413 mal entfernen und schauen ob die 0,42V dann an Uin+ anliegen.
mfg Klaus
Aufbau war nicht korrekt! Zu kompliziert aufgebaut
Spannungsversorgung am Breadboard ist getrennt, beachten!
Aufbau korrekt:
Tzd, andere Werte als in Simulation,
Liegt an den Toleranzen der Widerstände, diese sind nicht 100% gleich. Aber der Verstärkungsfaktor passt!
Vielen Dank für eure Hilfe!
Ich will jetzt auf einen Instrumentation Amplifier übergehen.
Könnt ihr mir da einen empfehlen?
Einige Infos:
Ich möchte den V_out später am Adafruit Feather Bluefruit (3.3V) anschließen.
der IA sollte einen programmierbaren Verstärkungsfaktor haben.
Single Supply
differenzverstaerker.PNG
(170 KB)
