Schaltungsmaßnahmen in Messschaltung

[~fufu (Gast)]

Guten Abend.

Ich habe zur Messung kleiner Widerstände (hier mit "PLATINE" bezeichnet) 
die im Anhang gezeigte Schaltung nach dem Vierleiter-Messprinzip 
entworfen und simuliert. Am PC Funktioniert sie auch bereits so wie ich 
es erwarte. Als ADC und zur Auswertung/Darstellung kommt ein AVRs zum 
Einstatz.
Nun soll in EGALE ein Schaltungslayout entworfen und die zugehörige 
Platine gefertigt werden. Dazu meine Fragen:

- Kann die Schaltung real so funktionieren?
- Muss ich meinen Messwert vor dem Instrumentenverstärker filtern?
- Muss ich mein Signal vor dem ADC filtern?
- Welche Filter und Grenzfrequenzen würde ich ggf. wählen?
- Braucht jeder OpAmp einen Abblockkondensator in diesem Aufbau?
- Gibt es sonst Dinge bei DC-Messungen mit dem AVR-ADC zu beachten?

Ich freue mich auf eure Unterstützung.
mit freundlichen Grüßen

[Lutz H. (luhe)]

Welcher Strom darf durch T1 fließen,ich sehen keine Strombegrenzung 
zwischen Vpp und Masse.

Welche Spannng darf am  AVR ADC anliegen,ich sehekeine 
Spannungsbegrenzung (+ ,-)

[~fufu (Gast)]

T1 darf 5A schalten. Die bekommt er aus dem verwendeten Netzteil aber 
ohnehin nicht. Der LM358 sollte das mit dem Shunt und dem 
Spannungsteiler ganz links dafür sorgen, dass es auch nicht mehr werden.

Der AVR ADC darf zwischen 0..5V abbekommen. Was für eine 
Spannungsbegrenzung brauche ich? Vpp sind 12V eines Netzteils. Der 
Verstärker und der µC bekommen ihre Spannung von einem LM317 und 
SIM2-1212D DC/DC-Wandler.

[Achim S. (Gast)]

~fufu schrieb:
> - Kann die Schaltung real so funktionieren?

Kann sie schon. Ob du wirklich effektiv das Vierleiterprinzip anwendest 
hängt davon ab, ob die Sense-Leitungen den Spannungsabfall an 
Zuleitungen und Übergangswiderständen mitmessen oder nicht. Das sieht 
man der Simu nicht an, das hängt davon ab, wo im realen Aufbau die 
Sense-Leitungen den Spannungsabfall abgreifen.

Meiner Erfahrung nach lohnt es sich praktisch nie, einen 
Instrumentenverstärker aus einzelnen OPVs selbst bauen zu wollen. Es 
gibt immer schon einen integrierten Instrumentenverstärker, der das für 
weniger Geld besser macht. Ein großes Problem beim Eigenbau sind z.B. 
die Toleranzen der Widerstände (der integrierte InstAmp kriegt das 
genauer hin).

Was willst du mit R3 und R13 erreichen? Wenn kein Messobjekt 
angeschlossen ist, läuft die Differenzspannung am Eingang deines 
Instrumentenverstärkers ohnehin auf einen Maximalwert, egal ob mit 
R3,R13 oder ohne sie.


~fufu schrieb:
> - Muss ich meinen Messwert vor dem Instrumentenverstärker filtern?
> - Muss ich mein Signal vor dem ADC filtern?
> - Welche Filter und Grenzfrequenzen würde ich ggf. wählen?

Kommt darauf an: welche Frequenzen interessieren dich denn und wie 
schnell willst du mit dem ADC abtasten? Eine mögliche Wahl der 
Grenzfrequenz wäre die, dass du das Abtasttheorem einhältst. Du scheinst 
ja mit ein paar mV am Eingang zu rechnen. Da kann es sich schon lohnen, 
das Rauschen aus nicht interessierenden Frequenzbereichen wegzufiltern.

~fufu schrieb:
> - Braucht jeder OpAmp einen Abblockkondensator in diesem Aufbau?

Bei empfindlichen Messschaltungen würde ich gar nicht erst über 
Einsparmöglichkeiten nachdenken: jeder OPV bekommt seine 
Abblockkondensatoren.

~fufu schrieb:
> Verstärker und der µC bekommen ihre Spannung von einem LM317 und
> SIM2-1212D DC/DC-Wandler.

Dann achte auf jeden Fall bei der Dimensionierung der Filter darauf, 
dass sie die Schaltfrequenz des DCDC-Wandlers möglichst vollständig 
unterdrücken. Achte beim Instrumentenverstärker auch darauf, dass er 
eine möglichst hohe Power Supply Rejection bei der Frequenz des 
Schaltreglers hat. Selbst damit kann es dir noch passieren, dass der 
DCDC-Ripple der größte Störer in deinem Messsystem ist.

[Christian L. (cyan)]

Noch ein paar Anmerkungen:

Um das Rauschen zu verringern solltest du die Widerstände im 
Instrumentenverstärker nicht so groß wählen. R8, R9, R10 und R11 kannst 
du locker um Faktor 10 kleiner wählen. Wichtiger wäre es aber die 
Widerstände R6, R7 und R_gain zu verringern. Die kannst du sogar um 
Faktor 100 kleiner machen oder eben gleich einen guten 
Instrumentenverstärker nehmen.

Außerdem wäre es sinnvoll den Strom zwischen zwei verschiedenen 
Stromstärken umschaltbar zu machen. Idealerweise zwischen 0 und einem 
anderen Wert. Auf die Weise kannst du Offsets durch den 
Instrumentenverstärker herausrechnen. Du erhältst dann zwei Messwerte, 
die du miteinander verrechnen kannst:

$$U_1(I=0A)=U_{\mathrm{offset}}$$

$$U_2(I=I_{\mathrm{mess}})=V\cdot I_{\mathrm{mess}}\cdot R_x + U_{\mathrm{offset}}$$

Der Offset lässt sich jetzt leicht herausrechnen:

$$U_2 - U_1 = V\cdot I_{\mathrm{mess}}\cdot R_x$$

(V ist die Verstärkung des Instrumentenverstärkers)

Das wechseln des Stroms sollte aber nicht zu schnell geschehen (max. ein 
paar Hz), da sonst die Induktivität der Leitung zum Problem werden 
könnte. Oder, da du ja Strom und Spannung misst, du kannst die 
Phasenverschiebung bestimmen und R_x daraus berechnen bzw. sogar R_x und 
L_x der Leitung.


Prinzipiell ist das Verfahren sogar schon dicht dran am Lock-In 
Verstärker. Damit könnte man sogar den Strom durch die Leiterbahn stark 
reduzieren. Ein einfaches Beispiel gibt es von AD:
http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/AN-306.pdf
Hier werden mit einem Strom von 1mA sogar µOhm Widerstände messbar.

[~fufu (Gast)]

Achim S. schrieb:
> Ob du wirklich effektiv das Vierleiterprinzip anwendest
> hängt davon ab, ob die Sense-Leitungen den Spannungsabfall an
> Zuleitungen und Übergangswiderständen mitmessen oder nicht.

Die Sense-Leitungen führen beinahe keine Strom. An möglichen 
Übergangswiderständen fällt so praktisch keine Spannung ab.


Achim S. schrieb:
> Was willst du mit R3 und R13 erreichen?

Die waren sozusagen als "Pull-Down"-Widerstände gedacht. Ich dachte dass 
"in der Luft schwebende" Potenziale ungünstig seien, da ich am 
Instrumendenverstärker dann jede noch so kleine Ströung die der draht 
einfängt verstärke. Kann man sowas nicht machen?


Achim S. schrieb:
> ...läuft die Differenzspannung am Eingang deines
> Instrumentenverstärkers ohnehin auf einen Maximalwert...

So läuft sie ja auf jeden Fall auf Null, oder? Finde ich eigentlich 
nciht schlecht und die Messung wird auch nicht nennenswert beeinflusst.


Achim S. schrieb:
> Frequenzen interessieren dich denn und wie
> schnell willst du mit dem ADC abtasten?

Es soll eine reine DC-Messung werden. Ich dachte ich messe mit rund 1ms 
Verzögerung für 32 oder 64 Werte und bilde den Mittelwert.

Als Filter habe ich jetzt einfach einen RC-Tiefpass mit 1kOhm / 33µF ran 
gehängt. Der macht die Schaltung schön langsam.


Achim S. schrieb:
> jeder OPV bekommt seine
> Abblockkondensatoren

Alles klar. Die kleinen Kerkos passen problemlos in's Layout.


Achim S. schrieb:
> Dann achte auf jeden Fall bei der Dimensionierung der Filter darauf,
> dass sie die Schaltfrequenz des DCDC-Wandlers möglichst vollständig
> unterdrücken.

Die aktuelle Granzfrequenz liegt bei ~4,8Hz. Da sollte ich DC/DC-Wandler 
nichts mehr mitbekommn, oder? Für eine DC-Messung darf der doch sicher 
so langsam sein?


Achim S. schrieb:
> Achte beim Instrumentenverstärker auch darauf, dass er
> eine möglichst hohe Power Supply Rejection bei der Frequenz des
> Schaltreglers hat.

Das habe ich leider nicht verstanden. Bedeutet es, dass der OP nur ein 
Minimum Störfrequenz aus dem Eingang auf seinen Ausgang überträgt?


Christian L. schrieb:
> Um das Rauschen zu verringern solltest du die Widerstände im
> Instrumentenverstärker nicht so groß wählen.

Guter Tipp, vielen Dank! Ich hab's jetzt um den Faktor 10 verkleinert.
Das mit der Abschaltung muss nicht sein. Wenn das so ich's mir gedacht 
habe jetzt erst einmal so funktioniert bin ich vollends zufrieden. Auch 
bei dem Messprinzip sollte es bleiben. Dennoch vielen Dank für den Link.


Ist das jetzt soweit alles in allem in Ordnung?

[Achim S. (Gast)]

~fufu schrieb:
> Die Sense-Leitungen führen beinahe keine Strom.

Das weiß ich. Aber nicht wenige Leute machen bei "angeblicher" 
Vierdrahtmessung den Fehler, dass sie doch einen Teil des 
Spannungsabfalls an den Forceleitungen mitmessen. Es kommt darauf an, ob 
du das Messobjekt an vier Stellen kontaktierst oder nur mit zwei, und 
das sieht man nur im realen Aufbau, nicht in der Simu.

~fufu schrieb:
> Die waren sozusagen als "Pull-Down"-Widerstände gedacht. Ich dachte dass
> "in der Luft schwebende" Potenziale ungünstig seien

Sind Messschaltung und Stromquelle auf der selben Platine? Dann hängt 
Vin- fest am Shunt und Vin+ fest an T1. Da schwebt nix. Wenn die 
Messschaltung auch getrennt von der Stromquelle betrieben werden könnte, 
würde ich beide Eingänge hochohmig auf Masse ziehen.

~fufu schrieb:
> So läuft sie ja auf jeden Fall auf Null, oder?

Nein: wenn das Messobjekt fehlt (bzw. ein Kontakt nicht passt), dann 
ziehen T1 und der Shunt die Differenzspannung fast auf den Wert von Vpp.

~fufu schrieb:
> Für eine DC-Messung darf der doch sicher
> so langsam sein?

klar, darf er.

~fufu schrieb:
> Bedeutet es, dass der OP nur ein
> Minimum Störfrequenz aus dem Eingang auf seinen Ausgang überträgt?

Es bedeutet, dass er möglichst wenig von den Schwankungen der 
Versorgungsspannung auf das Signal überträgt.
https://de.wikipedia.org/wiki/Versorgungsspannungsdurchgriff

~fufu schrieb:
> Ist das jetzt soweit alles in allem in Ordnung?

Ich persönlich würde immer noch einen integrierten 
Instrumentenverstärker einem Eigenbau vorziehen. Aber ich sehe keinen 
Grund, warum dein Eigenbau nicht funktionieren sollte.

[der mit dem mikroohm spielt (Gast)]

Schon über Schutzbeschaltungen (esd, induktive Last) nachgedacht? Evtl. 
Thermospg. berücksichtigt?