Hallo zusammen Ich stehe vor einer eigentlich relativ simplen Aufgabe, die dann aber in den Details doch noch ein paar Knackpunkte hat. Ich habe ein Eingangssignal von 0V-3.3V von einem Microcontroller und soll daraus ein 0-10V Ausgangssignal generieren, welches bis zu 10mA liefern kann. Tönt soweit nach einer einfachen Verstärkerschaltung. Die Genauigkeit soll jetzt aber relativ hoch sein, gewünscht ist 0.01V. Damit das erreicht wird, wird die Schaltung vorher abgeglichen. An den Ausgang muss ein Tiefpassfilter (zum Beispiel LC-PI-Filter). Ich habe mir nun überlegt, dass ich nicht die ganzen 3.3V Eingangssignal nutze, sondern den Verstärker so auslege, dass z.B. 3V den 10V am Ausgang entsprechen, dann kann ich beim Abgleich noch etwas übersteuern, sollte es notwendig sein, damit ich die 10V sauber erreiche. Mein Problem ist jetzt aber: Was mache ich, wenn ich am Eingang 0V habe, aber z.B. irgendwo in der Schaltung ein Offset aufgeschlagen wird und am Ausgang z.B. 0.05V erscheint. Ich habe gegen unten keine Möglicheit, noch zu kompensieren. Schön wäre, wenn z.B. 0.1V am Eingang 0V am Ausgang ergeben. Dann könnte ich notfalls auch noch etwas nach unten korrigieren. Wisst ihr eine einfache Möglichkeit, dies zu realisieren? Eine Idee habe ich angehängt. Meine Überlegung war, dass ich am Ausgang einen Operationsverstärker als Sink einsetze, mit einer Ausgangsspannung von 0.6V. Diese 0.6V kopple ich ausserdem als Referenz über den Op Amp an den Ausgang, so dass bei 0V Eingangssignal am Ausgang 0.5V anliegen. So ergibt sich relativ gesehen ein Ausgangssignal von -0.1V und ich kann somit auch gegen unten etwas kompensieren. Das Problem das ich nun habe: Einigermassen billige Opamps können bei 0.6V nicht 10mA "sinken". Wenn ich sicher gehen will, dass das klappt, müsste ich auf über 1V erhöhen, dann wird es mir aber gegen oben mit den 12V knapp. Deshalb wollte ich mal fragen, ob ihr evtl. noch andere Ideen habt. Btw: Ganz schön wäre es, wenn der Spannungsabfall über das Filter noch automatisch kompensiert werden würde. Dies kann ich nicht über den Abgleich kompensieren, da die Last unbekannt ist, ich kenne nur das Maximum von 10mA. MFG Corono
Genaugkeit von besser als 0.1% bei einer Verstaerkung von 3 bis 4 fach ist fuer OPs kein Problem. Genaue Widerstaende wirst du brauchen und drei Potis zum FeinEinstellen. 1 Verstaerkung 2 Offset 3 nicht unbedingt notwendig fuer Offset.
Mit Kompensation des Filters wuerde es schoen schwingen. Spulen mit weniger als 1 ohm ohmacher Widerstand waehlen.
Dieter schrieb: > Genaugkeit von besser als 0.1% bei einer Verstaerkung von 3 bis 4 fach > ist fuer OPs kein Problem. Das denke ich auch. Allerdings würde ich das nicht unterschreiben, wenn es am Ausgang in Richtung Betriebsspannung gehen soll. RailToRail-Typen haben in der Nähe des Rails trotzdem Schwierigkeiten. Daher solltest du bei den Anforderungen auf jeden Fall nicht mit einer einzelnen Betriebsspannung für den OPV arbeiten, sondern dir irgendwoher einen negative Spannung zusätzlich besorgen.
S. A. schrieb: > Ich habe gegen unten keine Möglicheit, noch zu > kompensieren. Schön wäre, wenn z.B. 0.1V am Eingang > 0V am Ausgang ergeben. Dann könnte ich notfalls auch > noch etwas nach unten korrigieren. Wisst ihr eine > einfache Möglichkeit, dies zu realisieren? Selbstverständlich: Den OPV klassisch mit zwei Betriebsspannungen betreiben. Diese müssen nicht symmetrisch sein; +12V/-5V tut's auch. Alternative: Eine einzige Betriebsspannung nehmen (z.B. +15V) und eine künstliche Masse bei +3V als Bezugspotenzial (GND) erzeugen.
Der Ausgangs-OP ist als Spannungsfolger höchstwahrscheinlich empfindlich auf kapazitive Last. Siehe Datenblatt. Entschärfen kann man dies zum Beispiel mit einem Widerstand an dessen Ausgang. (siehe Schema) Vermindert allerdings den maximalen Ausgangspegel (zB: 100R*(-+)10mA =+-1V). Mit einer negativen Spannungsquelle kann diesem Problem entgegengewirkt werden. Aus den 3.3V mit einer Ladungspumpe ca. -3.3V machen. Für kleine Stückzahlen mag ein Abgleich ok sein. Für grössere lohnt sich eine Investition in die Genauigkeit der Schaltung, damit man ohne Abgleich durchkommt. Falls ein Abgleich gewünscht, einen kleinen Offset mit dem Spannungsteiler R4, R5 erzeugen. Für die Berechnung die Ersatzschaltung und Superposition benutzen. Nicht den vollen Ausschlag vom AD-Wandler nutzen. AD-Wandler wird 12bit benötigen. (10V/1023=ca. 0.01V restl. Bits für Abgleich) Was soll das LC-Tiefpassfilter filtern?
Hallo zusammen Danke für die Antworten. Muss die mal aufarbeiten: Dieter schrieb: > Genaugkeit von besser als 0.1% bei einer Verstaerkung von 3 bis 4 > fach > ist fuer OPs kein Problem. Genaue Widerstaende wirst du brauchen und > drei Potis zum FeinEinstellen. > 1 Verstaerkung > 2 Offset > 3 nicht unbedingt notwendig fuer Offset. Was ich noch hätte schreiben sollen: Der Abgleich soll nur in Software (automatisiert) erfolgen, nicht über Potis. Heisst, dass in der Software eine Ausgangskennlinie mit Korrekturfaktoren hingerlegt ist. Dieter schrieb: > Mit einem NE555 erzeugst Du Dir eine negative Betriebsspannung um > bis 0 > V den Ausgang zu steuern. Den Ansatz habe ich auch schon überlegt, nur sehe ich da die Lösung noch nicht. Ich bin einverstanden, dass mir das am Eingang tiefe Spannungen ermöglicht. Mein Eingangssignal ist aber trotzdem nur 0V - 3.3V. Sollten die 0V einen Offset am Ausgang haben, kann ich nicht korrigieren. Meine erste Schaltung (Schema angehängt) war so, dass ich negative Bezugspotential habe und sogar noch den Spannungsabfall über der Induktivität rauskompensiert habe. Aber genau diese Schaltung gibt mir ja das Problem, dass in der Simulation bei 0V Eingang 0.05V am Ausgang stehen und ich keine Möglichkeit habe, das noch per Software zu kompensieren. Ich kann das Eingangssignal nicht mehr tiefer setzen. Dieter schrieb: > Mit Kompensation des Filters wuerde es schoen schwingen. Spulen > mit > weniger als 1 ohm ohmacher Widerstand waehlen. Kannst du mir das bitte näher erklären? Wieso würde es schwingen? Die Kompensation ist nicht zwingend notwendig, ich würde es nur gerne verstehen und was daraus lernen. Possetitjel schrieb: > Alternative: Eine einzige Betriebsspannung nehmen > (z.B. +15V) und eine künstliche Masse bei +3V als > Bezugspotenzial (GND) erzeugen. Das kann ich mal versuchen, ja. Das war eigentlich meine Überlegung mit den 0.6V am Ausgang. Limi schrieb: > Für kleine Stückzahlen mag ein Abgleich ok sein. Für grössere lohnt sich > eine Investition in die Genauigkeit der Schaltung, damit man ohne > Abgleich durchkommt. Danke für die Antwort, werde die Schaltung studieren. Das mit dem Abgleich soll, wie schon beschrieben, in der Software erfolgen. Aber die Schaltung sollte schon genau sein, so dass nur noch kleine Fehler kompensiert werden müssen. Die Möglichkeit soll aber gegeben sein.
S. A. schrieb: > Dieter schrieb: >> Mit einem NE555 erzeugst Du Dir eine negative Betriebsspannung um >> bis 0 >> V den Ausgang zu steuern. > > Den Ansatz habe ich auch schon überlegt, nur sehe ich da die Lösung noch > nicht. Ich verstehe das Problem nicht ganz: Wenn du die Opamp-Schaltung und die Spannungsversorgung so auslegst, dass 0,0V am Eingang in -1V am Ausgang und 3,3V am Eingang in 11V am Ausgang umgesetzt werden, dann kannst du doch mit dem Mikrocontroller garantiert jede Spannung von 0V bis 10V per Software sauber einstellen, solange der durch die Schaltung erzeugte Offset weniger als 1V beträgt.
Widerstand kann ich einbauen, wenn du meinst, dass das sinnvoll ist. Yalu X. schrieb: > Wenn du die Opamp-Schaltung und die Spannungsversorgung so auslegst, > dass 0,0V am Eingang in -1V am Ausgang und 3,3V am Eingang in 11V am > Ausgang umgesetzt werden, dann kannst du doch mit dem Mikrocontroller > garantiert jede Spannung von 0V bis 10V per Software sauber einstellen, > solange der durch die Schaltung erzeugte Offset weniger als 1V beträgt. Ok, einverstanden, wenn ich den Ausgang auch gegenüber dem negativen Potential nehme, dann klappt es, ja. Denke mir das mal durch.
S. A. schrieb: > Ich habe ein > Eingangssignal von 0V-3.3V von einem Microcontroller und soll daraus ein > 0-10V Ausgangssignal generieren, welches bis zu 10mA liefern kann. Tönt > soweit nach einer einfachen Verstärkerschaltung. > > Die Genauigkeit soll jetzt aber relativ hoch sein, gewünscht ist 0.01V. Das nächste Problem wird sein, dass die Ausgangsspannung des Microcontroller dazu auf 0.003V genau sein muss.
Beim nochmaligen Betrachten der Schaltung ist mir aufgefallen, dass es auch mit einem OP geht. Siehe erstes Bild. Das Bezugspotential ist GND. Zum Verständnis habe ich zwei Ersatzschaltungen gemacht: Offsetspannung: Für die Ersatzschaltung wird der Ausgang des AD-Wandlers kurzgeschlossen. Aus Sicht der Offsetspannung arbeitet der OP als invertierender Verstärker. Somit liegt am Ausgang eine negative Offsetspannung. AD_Wandler: In der Ersatzschaltung wird die Offsetspannung kurzgeschlossen. Es entsteht ein nicht invertierender Verstärker. Die beiden Ausgangspannungen Ua aus den beiden Ersatzschaltungen kann man gemäss Superposition addieren und erhält die resultierende Spannung. Wie oben erwähnt muss die Referenzspannung mindestens genauer als 1/1000 sein. Welcher uC wird eingesetzt?
S. A. schrieb: > Die Genauigkeit soll jetzt aber relativ hoch sein, gewünscht ist 0.01V. > Damit das erreicht wird, wird die Schaltung vorher abgeglichen. An den > Ausgang muss ein Tiefpassfilter (zum Beispiel LC-PI-Filter). Da fallen mir noch folgende Fragen ein die glaube ich noch niemand gestellt hat: Wenn du Filtern musst dann ist das Signal vom µC wohl veränderlicher Natur. 1. Welche Bandbreite hat das Signal? 2. Warum filterst du NACH der Verstärkung und nicht vorher?
Wolfgang schrieb: > S. A. schrieb: >> Ich habe ein >> Eingangssignal von 0V-3.3V von einem Microcontroller und soll daraus ein >> 0-10V Ausgangssignal generieren, welches bis zu 10mA liefern kann. Tönt >> soweit nach einer einfachen Verstärkerschaltung. >> >> Die Genauigkeit soll jetzt aber relativ hoch sein, gewünscht ist 0.01V. > > Das nächste Problem wird sein, dass die Ausgangsspannung des > Microcontroller dazu auf 0.003V genau sein muss. Ist ein 12bit DAC. Natürlich fehlerbehaftet, aber immerhin hat er die Auflösung, so dass ich gegenenenfalls per Software justieren kann. Limi schrieb: > Beim nochmaligen Betrachten der Schaltung ist mir aufgefallen, dass es > auch mit einem OP geht. Siehe erstes Bild. Das Bezugspotential ist GND. Schaue ich mir gerne an, danke. Der Andere schrieb: > Da fallen mir noch folgende Fragen ein die glaube ich noch niemand > gestellt hat: > Wenn du Filtern musst dann ist das Signal vom µC wohl veränderlicher > Natur. > 1. Welche Bandbreite hat das Signal? > 2. Warum filterst du NACH der Verstärkung und nicht vorher? Das Signal ist relativ langsam, alle 100ms soll ein neuer Wert ausgegeben werden. Das Filter ist im Moment nur als Induktivität eingezeichnet, weil ich den ohmschen Anteil in der Simulation wollte, ist aber nicht das fertige Filter. Das Filter soll meinen Eingang gegen Störungen von aussen Filtern, vor allem Common Mode. Es ist eigentlich ein Eingangsfilter. Intern werde ich wohl noch ein einfaches RC-Tiefpass einsetzen, das dann aber vor der Verstärkung.
Limi schrieb: > Der Ausgangs-OP ist als Spannungsfolger höchstwahrscheinlich empfindlich > auf kapazitive Last. Siehe Datenblatt. Entschärfen kann man dies zum > Beispiel mit einem Widerstand an dessen Ausgang. (siehe Schema) > Vermindert allerdings den maximalen Ausgangspegel (zB: 100R*(-+)10mA > =+-1V). Mit einer negativen Spannungsquelle kann diesem Problem > entgegengewirkt werden. Aus den 3.3V mit einer Ladungspumpe ca. -3.3V > machen. > > Für kleine Stückzahlen mag ein Abgleich ok sein. Für grössere lohnt sich > eine Investition in die Genauigkeit der Schaltung, damit man ohne > Abgleich durchkommt. > > Falls ein Abgleich gewünscht, einen kleinen Offset mit dem > Spannungsteiler R4, R5 erzeugen. Für die Berechnung die Ersatzschaltung > und Superposition benutzen. Nicht den vollen Ausschlag vom AD-Wandler > nutzen. AD-Wandler wird 12bit benötigen. (10V/1023=ca. 0.01V restl. Bits > für Abgleich) > > Was soll das LC-Tiefpassfilter filtern? So, ich habe mir jetzt noch deine Schaltung angesehen und hätte noch ein paaar Fragen dazu. Den Widerstand kann ich einsetzen. Mir ist nur bei der Literaturrecherche aufgefallen, dass normalerweise ein Widerstand und eine Kapazität eingefüggt werden, die dann quasi den Pol der kapazitiven Last eliminieren soll. Da ich aber die Kapazität der Last nicht kenne, wird das etwas schwer. Bring der Widerstand auch etwas ohne Kapazität? (Quelle http://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/ask-the-applications-engineer-25.html) Und wieso brauchst du den zweiten Opamp in der Schaltung? Ich hatte ihn bei mir als Spannungsfolger drin, weil ich die Schaltung entkopplen wollte, das ist bei dir ja nicht der Fall. Könnte ich nicht einfach den Widerstand noch beim ersten Op Amp einfügen? Edit: hast du ja dann bei der zweiten Schaltung gemacht, habe ich zu spät gesehen. Muss diese Schaltung auch noch studieren.
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S. A. schrieb: > Den Widerstand kann ich einsetzen. Mir ist nur bei der > Literaturrecherche aufgefallen, dass normalerweise ein Widerstand und > eine Kapazität eingefüggt werden, die dann quasi den Pol der kapazitiven > Last eliminieren soll. Da ich aber die Kapazität der Last nicht kenne, > wird das etwas schwer. Bring der Widerstand auch etwas ohne Kapazität? > (Quelle > http://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/ask-the-applications-engineer-25.html) Solange die Schleifenverstärkung grösser gleich 1 ist, darf die Phase nicht 180° (Phasenreserve 45°) werden, sonst wird die Gegenkopplung zur Mitkopplung. (Bodediagramm) Ist der OP als Tiefpass beschalten, dann ist die Schleifenverstärkung bei geringeren Frequenzen schon kleiner als 1. Phasendrehungen und Pole spielen dann keine Rolle mehr. Also ich hätte am als Ausgangs-op besser einen invertierenden OP vorgeschlagen, weil sich dieser einfacher als Tiefpass beschalten lässt. Möglicherweise ist es besser mit zwei OP's zu arbeiten. Mit dem ersten addieren und invertieren und mit dem zweiten OP invertierend zu verstärken. Dann kann dieser als Tiefpass beschalten werden.
Hallo zusammen Danke für die Antworten. Bin jetzt mal wieder dazu gekommen, das Thema weiter zu verfolgen. Nachdem ich mich etwas mit der Stabilität von Op Amps befasst habe, hätte ich eine Frage: Limi schrieb: > Möglicherweise ist es besser mit zwei OP's zu arbeiten. Mit dem ersten > addieren und invertieren und mit dem zweiten OP invertierend zu > verstärken. Dann kann dieser als Tiefpass beschalten werden. Muss es zwingend der intertierende Verstärker sein? Also muss ich doppelt invertieren? Kann ich nicht einfach den nichtinvertierenden Addierer und dann den nichtinvertierenden Verstärker verwenden? So weit ich das bis jetzt gesehen habe, ist die Schleifenverstärkung (Loop Gain) bei beiden Verstärkern gleich. Ausserdem würde mich interessieren, wie du das mit Tiefpass-Beschaltung meinst? Die Schaltungen, die ich gefunden habe, die fügen immer einen Pol und eine Nullstelle hinzu, so dass ich die Stabilität nur über einen gewissen Bereich verbessern kann (Bilder im Anhang).
S. A. schrieb: > Ausserdem würde mich interessieren, wie du das mit Tiefpass-Beschaltung > meinst? Die Formel für den "invertierenden Verstärker" ist: =================================================== R2 Ua = - Ue * ------ R1 Schliesst man R2 mit einem C für hohe Frequenzen kurz, kann die Verstärkung kleiner 1 werden. und für den "nicht invertierenden Verstärker" gilt: =================================================== R2 Ua = Ue * ( ------ + 1) R1 Schliesst man R2 mit einem C für hohe Frequenzen kurz, bleibt die Verstärkung bis zur OP-Transitfrequenz >=1, wegen dem ... + 1 Fazit: ====== Aus diesem Grunde tendiere ich zu einem "invertierender Verstärker" am Ausgang. Den Phasengang der beiden Schaltungen habe ich nicht überprüft. Kann sein, dass der "invertierende Verstärker" trotzdem keinen Vorteil bringt. Damit Lastsprünge ausgeregelt werden können, darf die Grenzfrequenz des Verstärkers nicht beliebig tief gewählt werden.
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