LTspice Problem bei Simulation Messverstärker

[Pöschi (Gast)]

Hallo zusammen und ein frohes neues Jahr,

ich habe ein kleines Problem bei der Simulation mit LTspice, die Bilder 
im Anhang sollten das Problem recht gut zeigen, die Signale habe ich 
beschriftet.

Ich hab die Schaltung eigentlich nur mal aus Spaß simulieren wollen um 
den Umgang mit LTspice zu üben und die Schaltung für eine neue Aufgabe 
zu optimieren, aber dann kommt da sowas raus.
Es wird nur der Messwiderstand unten rechts linear mit der Zeit 
verändert, mathematisch gesehen sollte der Output eine Gerade ergeben, 
das tut er aber nicht. Nach einigen Messungen habe ich festgestellt, 
dass sich die Referenzspannung plötzlich ändert.
Diese Schaltung ist doch EIGENTLICH da um die Eingangssignale NICHT zu 
beeinflussen, so hab ich es mal gelernt und bissher auch immer als 
gegeben angesehen.

Mache ich da was Falsch, oder ist dies ein Problem von LTspice? Hat 
sowas schon mal wer simuliert, oder ähnliche Probleme gehabt?

Das Modell des LM358 habe ich von Ti, habe aber auch schon vergleichbare 
LT Typen probiert um einen fehler im Modell auszuschließen.

Wenn man keine Problem hat, macht man sich welche....

Gruß
Pöschi

[Helmut S. (helmuts)]

Hallo Pöschi,
Das größte Problem dürfte mal wieder die fehlende negative 
Versorgungsspannung der Opamps sein.
Hänge deine Schaltplandatei(.asc) und die Modelldatei deines LM358 an 
und ich repariere dir die Schaltung in wenigen Minuten.
Gruß
Helmut

[A. R. (redegle)]

Alternativ:
Widerstand R5 nicht auf Masse legen sondern auf +2,5V.
Dann wird das Ausgangssignal um +2,5V herum verstärkt.

[Yalu X. (yalu) (Moderator)]

Helmut S. schrieb:
> Das größte Problem dürfte mal wieder die fehlende negative
> Versorgungsspannung der Opamps sein.

Genau.

U1 geht bei

Usig = Uref · (1 + R10 / R11) ≈ 1V

in den negativen Anschlag. Mindestens dieser Opamp bräuchte also eine
negative Spannungsversorgung. Du kannst aber auch die Widerstände der
Brücke dahingehend abändern, dass Uref und Usig näher an der halben
Versorgungsspannung liegen. Dann sollte die Schaltung auch ohne negative
Versorgung funktionieren.

[Pöschi (Gast)]

Das mit der negativen Spannung erschliesst sich mir nicht so recht.
Ich habe doch nur positive Signale und keine invertierende Schaltung, 
wenn man die Gesamtschaltung ohne High-Tech ausrechnet sollte die 
Ausgansspannung irgendwo zwischen 0.7V-4.8V liegen, die genauen Werte 
hab ich grad nicht im Kopf.
Der Anfangswert vom Ausgang liegt ja auch im richtigen Bereich, nur 
sollte es dann linear (zumindest fürs Auge) bis zu den ca 4.8V weiter 
gehen.

Ich hänge heute Nachmittag mal die .asc Dateien mit an.

Gruß
Pöschi

[Helmut S. (helmuts)]

>0.7V-4.8V

4,8V kann ein LM358 bei 5V Versorgung schon mal gar nicht. Siehe 
Datenblatt.

[Yalu X. (yalu) (Moderator)]

Pöschi schrieb:
> Ich habe doch nur positive Signale und keine invertierende Schaltung,

U1 wirkt auf Usig invertierend.

> wenn man die Gesamtschaltung ohne High-Tech ausrechnet sollte die
> Ausgansspannung irgendwo zwischen 0.7V-4.8V liegen, die genauen Werte
> hab ich grad nicht im Kopf.

Einmal abgesehen davon, dass die 4,8V nicht gehen (s. Beitrag von
Helmut) musst du bei der Auslegung der Schaltung alle drei Opamps
berücksichtigen. Und bei U1 geht eben die Ausgangsspannung an den
Anschlag. Das kannst du sicher sehen, wenn du die in Spice diese
Spannung anzeigen lässt.

Da Instrumentenverstärker, was solche Spannungsbegrenzungen betrifft,
etwas eigen sind, gibt es in den Datenblättern (bspw. von den
INAxxx-Typen) meist recht seltsam anmutende Diagramm, in denen die
möglichen Spannungsbereiche als Dreieck bzw. Sechseck dargestellt sind.

Ich frage mich aber, wozu du hier überhaupt einen Instrumentenverstärker
brauchst. Es ist ja nur eine der beiden Eingangsspannungen (Usig)
variabel, die andere (Uref) ist konstant. Das sollte auch irgendwie mit
maximal 2 Opamps und ohne die Begrenzungen der Zwischenspannungen
realisierbar sein.

[Pöschi (Gast)]

Ja, ihr habt recht, ich habs gefunden. Im Bild ist der Ausgang von U1 
und der geht in die Begrenzung und darum macht das Ganze die Biege. So 
sieht das aus, wenn man als Bitschubser was analoges messen will ;).

Ich wollte eigentlich nur die Spannungsänderung über einem KTY81-210 (im 
Bereich 1135k-2597k) für einen AVR auf irgendwas zwischen 0-Vmax(4-5V) 
bringen, oder es würden auch die Vmax-1,5V gehen, die der LM358, wenn 
ich das richtig verstehe, gerade so noch hin bekommt.
Aus Ausbildungszeiten konnte ich mich noch an diese Schaltung erinnern 
und hab das jetzt erst mal auf dieser Basis versucht, aber da scheinen 
die grauen Zellen wohl nicht mehr alle Details überstanden zu haben.

Bin da auch gerne für andere Schaltungsprinzipien offen, Bedingungen 
sind nur, dass das Ausgangssignal relativ unabhängig von der 
Spannungsversorgung ist, da diese zwischen Batterie(4-4,5V) und 
Netzbetrieb(5V) umgeschaltet wird und somit nicht konstant ist und 
idealer weise 0-Vmax(4-5V) hat.
Gegebenenfalls, würde ich auch auf einen anderen OP-Typ zurückgreifen, 
welcher näher oder ganz auf seine Versorgungsspannung auslenken kann.

[Yalu X. (yalu) (Moderator)]

Pöschi schrieb:
> Bin da auch gerne für andere Schaltungsprinzipien offen,

Die Schaltung im Anhang liefert für den genannten Widerstandsbereich am
Ausgang etwa 0,4V bis 3,5V. So ist nach unten und oben genügend Luft, um
keine Verfälschungen in diesen Bereichen befürchten zu müssen.

> Bedingungen sind nur, dass das Ausgangssignal relativ unabhängig von
> der Spannungsversorgung ist

Das ist sie, wenn du die Betriebsspannung als Referenzspannung für
den ADC nimmst.

Der Widerstand kann auf dem µC folgendermaßen aus der Ausgangsspannung
UA bzw. dem ADC-Wert a berechnet werden (UB ist die Betriebsspannung):

$$R_\mathrm{PTC}=2000\cdot\left(\frac 3{2-q}-1\right)$$

wobei

$$q=\frac{U_\mathrm A}{U_\mathrm B}=\frac a{1024}$$

> Gegebenenfalls, würde ich auch auf einen anderen OP-Typ zurückgreifen,
> welcher näher oder ganz auf seine Versorgungsspannung auslenken kann.

Das wäre bspw. ein TS912 oder ein MCP6002 (beide Rail-to-Rail). Dazu
müssten dann noch die Widerstände neu dimensioniert werden.

[Pöschi (Gast)]

Ich danke euch für die Hilfe, werde das gleich mal probieren und 
simulieren.