Spannungsverstärkung mV auf maximal 3,3V

[Oreas]

Hallo Zusammen,

für ein Projekt von mir bräuchte ich etwas Hilfe.

Es geht darum, dass ich diese Sensoren (http://www.sensortechnics.com/de/produkte/drucksensoren-und-transmitter/kompensierte-drucksensoren/rpo/) für die Druckmessung von Flüssigkeiten verwende. Leider hat dieser Sensor nur einen Ausgang von einigen mV was für eine ADC auf einem µC nicht ausreicht. Daher wäre mein Ansatz einen Operationsverstärker zur Spannungsverstärkung auf maximal 3,3V zu bauen.

Leider verfüge ich im Bereich Elektrotechnik nur über ein gesundes Halbwissen, wobei Operationsverstärker nicht dazu gehören.

Darum kommt ihr jetzt ins Spiel ;)

Kann mir vielleicht jemand etwas Grundlektüre empfehlen, womit ich mich mal in das Thema einlesen kann, oder vielleicht sogar ein fertiges Bauteil, Bausatz oder ähnliches nennen, was meine Anforderungen erfüllt? Gerne wäre ich auch zu einer geführten Entwicklung einer Schaltung bereit.

Besten Dank schonmal

Oreas

[colindrovin]

Hallo.
Wie viel druck möchtest du denn messen? Welchen Sensor hast du denn?
Beste Grüße
Colin

[colindrovin]

Ich habe noch etwas weiter gesucht und eine gute Seite gefunden.

http://www.elektronik-labor.de/Lernpakete/OPV1.htm

23243

In dem Bild habe ich R1 und R2 so eingetragen, dass wenn am Eingang 150 mV sind, dann kommen an Ende 3,3 Volt raus.

[Oreas]

Hey colindrovin

danke schonmal für deine Rückmeldung.
Die Sensoren, die ich verwenden will sind für maximal 10 bar ausgelegt, also die RPOB010G6A sind das. Verwendet wird das ganze in einem (hoffentlich dichten) Hydrauliksystem :)
Was würdest du denn für einen Operationserstärker (also Typbezeichnung) vorschlagen. An Strom muss der ja nicht viel liefern, weil der ja für die ADC egal ist, aber eben die Spannung wichtig ist.

Eine Frage habe ich auch noch zu dem Bild und der Seite:
Das ist ja, sofern ich das richtig verstanden habe, eine invertierende Schaltung. Also das Ausgangssignal ist bei einem Eingang von +1V dann als Ergebnis -1V. Da ein µC schlecht mit negativen Spannungen umgehen kann, müsste das nicht eine nicht invertierende Schaltung sein (Doppelte verneinung ist klasse :D)?

Besten Dank für Erklärungen, bin immer Lernbegierig was das angeht :)

[PICture]

Hallo!

Ich könnte fur dich schnell eine Schaltung skizzieren und ein OPV vorschlagen, habe aber keine Zeit (sprich: Lust) deine Sensoren zu "studieren". Du brauchst mir nur sagen die max. Eingangsspannung (am besten gemessene) und bereits vorhandene Versorgungspannungen für den Operationverstäker (OPV). :)

[Besserwessi]

Die Sensoren sind reine DMS Brücken, ohne interne Verstärkung. Da braucht man also schon einen recht guten Differenzverstäker, etwa einen INA118 oder ähnlich. Eine Alternative wäre ggf. einfach ein externe AD-wandler mit Differenzeingang, etwa ein MCP3421. Das könnt günstiger und kleiner werden als mit einem extra Verstärker, vor allem wenn nur eine langsame (z.B. 15 Samples/s) Messung benötigt wird. Mit der Ausgangsimpedanz müsste man ggf. noch mal sehen ob das passt oder ggf. noch einen Kondensator braucht.

[021aet04]

Ich würde eher einen Signalconditioner verwenden der dafür ausgelegt ist. Ich kenne den PGA309 (http://www.ti.com/product/pga309) im TSSOP Gehäuse oder den TPIC83000-Q1 (http://www.ti.com/product/tpic83000-q1) ebenfalls im TSSOP Gehäuse.

Die gibt es auch als Samples von TI.

Ansonsten würde ich einen nicht invertierenden Verstärker verwenden (im Link von colindrovin unter Punkt 10.3 -> erstes Bild).


MfG Hannes

[Besserwessi]

So super genau ist der Sensor nicht - da reicht ggf. schon eine Verstärkerschaltung mit OP. Mit nur 3 V als Versorgung hat man aber auch nur etwa 30 mV als maximales Signal - bräuchte also eine etwa 100 fache Verstärkung. Die Begrenzung auf 3.3 V geht am einfachsten mit R2R OPs.
Das muss nicht mal ein voller Differenzverstärker sein, ggf. auch nur eine OP der die eine Spannung relativ zur anderen Verstärkt, also als Minimalversion der OP und 2 Widerstände: nicht invertierend für den einen Pin und invertierend für den anderen.

[021aet04]

Auch wenn ein OP reicht würde ich einen Signalconditioner verwenden, da es diesen als Sample gibt (=kostenlos), kann die Kalibrierdaten in ein externes I2C EEPROM speichern (PGA309) oder in das interne EEPROM (TPIC83000-Q1). Dadurch muss man sich nicht mehr mit der Linearisierung, Temparaturkompensation o.Ä. herumärgern, da alles das IC macht.

Der PGA309 hat als Ausgang eine Analogspannung und der TPIC83000-Q1 überträgt die Daten per UART, somit kann man es direkt mit einem µC oder über UART-RS232 Wandler bzw UART-USB Wandler direkt an den PC senden. Beim TPIC kann man auch die Temparatur auslesen.

Es bleibt aber jeden selbst überlassen wie er es macht.

MfG Hannes

[Oreas]

Hallo 021aet04,

der von dir vorgeschlagene TPIC83000-Q1 sieht etwas zu mächtig aus, für das was ich machen will. Der PGA309 wirkt jetzt nicht soooo erschreckend auf mich, jedoch schreckt mich da etwas die Kalibrierung ab, da die ja ein TWI vorschlagen. Ich habe hier zu Hause ein paar Sensoren, die über TWI angesprochen werden sollen, jedoch erzeugt mir mein µC jedoch nur verzerrte Signale, sobald ich versuche vom Bus zu lesen. Darum will ich mich für das Projekt erstmal vom TWI fern halten. Aber trtotzdem vielen Dank für deine Bemühungen und Vorschläge!

Deswegen habe ich mich dafür entschieden einen nicht invertierenden Verstärker zu verwenden.
Da meine Sensoren noch nicht da sind, kann ich mich für die Berechnung leider nur an das Datenblatt halten. Wenn ich das Datenblatt richtig gedeutet habe, dann müsste ich einen maximalen Peak von 92mV haben. Um auf 3,3V zu kommen maximal müsste ich dann ja eine Verstärkung von ungefähr v=35 haben (liegt etwas drunter zur Sicherheit). Um den gewünschten Verstärkungsfaktor zu erreichen könnte ich doch dann für R1 = 34k und R2 = 1k als Widerstände (E96-Reihe) nehmen.

Wenns falsch ist, bitte verbessern.

Bleibt jetzt die Frage, welchen OPV ich dafür am besten verwenden kann. Bitte um Vorschläge, werde aber selbst auch gleich bei Conrad, Reichelt etc suchen.

EDIT: Jetzt ist bei mir gerade eine andere Frage aufgetaucht, nachdem die Sensoren vor na halben Stunde angekommen sind :)
Der Sensor hat ja 4 Pins:
- Pin 1: Vss
- Pin 2: Out +
- Pin 3: GND
- Pin 4: Out -

Pin 1 und Pin 3 sind ja klar, wie die angeschlossen werden. Für einen nicht invertierenden Verstärker würde ich jetzt einfach nur die Out+ (Pin 2) nehmen und an den OPV anschließen und den Pin 4 (Out -) entweder als NC oder auf Masse ziehen. Wäre das soweit richtig, oder wäre da die bessere Wahl eher ein Differenzverstärker, wobei dann die Frage aufkommt, ob nicht auch eine negative Differenz bei rauskommen kann, und ich mir damit meinem µC killen kann.

Dazu wäre auch ne Meinung schön, oder habe ich da jetzt zu viele Sachen durcheinander gewürfelt?

[021aet04]

Du wirst vermutlich nur eine positive Versorgungsspannung haben (z.B. +5V). Dadurch kann am Ausgang keine negative Spannung entstehen. Du würdest eine pos. und eine neg. Versorgung benötigen (bipolare Versorgung). Ich würde aber zu einer unipolaren Versorgung greifen und eventuell einen R2R (Rail to Rail) OP verwenden.

Analoge Schaltungen kannst du sehr gut mit einem Simulationsprogramm wie z.B. LTSpice simulieren.

Den PGA309 kannst du ganz einfach verwenden. Das EEPROM das für die Kalibrierdaten benötigt wird, wird direkt vom PGA309 angesteuert. Die Kalibrierung erfolgt über den PRG Anschluss, das ist ein UART ähnlicher Bus (RS232 Verbindung nur mit 0V bzw 5V).
Wie du den Sensor kalibrierst findest du auf der Seite von TI.

MfG Hannes

[PICture]

Nötige negative Versorgungsspannung für OPV's kann man auch aus positiver mit Ladungspumpe, wie ICL7660 (bis 20 mA), MAX 660 (bis 100 mA), usw. erzeugen. ;)

[Besserwessi]

Ein Differenzverstärker wäre schon gut. Da man vermutlich ohnehin einmal abgleichen muss (z.B. Druck 0) und das Gleichtaktsignal annähernd konstant ist, reicht eine ganz einfache Version von Differenzverstärker, mit ggf. zusätzliche einer Möglichkeit den Offset einzustellen.

Bei nur 3 V Versorgungsspannung (statt der im DB angenommenen 10 V) wird auch das Ausgangssignal kleiner, maximal etwa 30 mV. Das ist aber an sich kein Problem.

Als OP wäre ein R2R Typ angebracht. Je nach Anforderungen oder Quelle so etwas wie MCP6001 , LMC6482, TS912, AD8551. Auf der Eingangsseite braucht man nicht mal R2R, denn da gibt der Sensor etwa die halten Spannung aus. Da sollte damit auch ein ICL761x gehen.

Wenn man es hochohmig aufbaut, reicht 1 OP, 3 Widerstände und 1 Trimmer für den Abgleich des Nullpunktes und ein Kondensator,

um die Bandbreite zu begrenzen. 23293

[Siro]

Wenn Du etwas "Gutes" möchtest, dann schau Dir mal bitte den LTC2053 von Linear Technology an. Der ist quasi wie dafür gemacht.
Ich habe den selbst in meinen Druckmessgeräten eingebaut und kann nur sagen. Absolut super.
Ich habe Verstärkungen von Faktor 1000 völlig ohne Probleme. Auch mit 3,3 Volt Versorgung.
Den gibt es leider nur in einer SMD Version. Zum Beispiel bei Farnell:
http://de.farnell.com/linear-technology/ltc2053cms8-pbf/op-amp-instr-zero-drift-msop8/dp/1330912

Um die volle Aussteuerung zu erhalten sollte er wie folgt beschaltet werden: (siehe Anhang)
Wenn dein Controller die Möglichkeit bietet die positive und negative Referenz des ADU Converters zu beschalten, dann legen wir VREF+ über den Widerstand R1 etwas unter die eigentliche Versorgungsspannung.
Mit R2 wird VREF- etwas über den 0 Punkt (Masse) gelegt. Sinn und Zweck dieser Übung ist, das der OP nicht bis nach oben und unten den vollen Hub an Ausgangsspnnung bereitstellen kann.
Er kommt nur bis ca. 20mV am Ausgang über NUll und nur ca. bis 150mV unter seine eigentliche Versorgungsspannung.
Durch den künstlich erzeugten Offset ist es nun möglich den vollen Hub auszunutzen. Das bedeutet bei einem 10 Bit Wandler bekommt man wirklich Werte von 0..1023
ohne diesem Vorgehen wird man nicht bis 0 herunter kommen und ebenso auch nicht bis 1023.
Wie gross die Widerstande R1 und R2 nun sein müssen hängt vom Innenwiderstand des Drucksensors ab.

[Oreas]

Hey,

Siro, deine Schaltung hat mich dazu gebracht mir das Datenblatt nochmals genauer anzuschauen, ob mein µC positive und negative Referenz hat. Hat er leider nicht, dafür habe ich was anderes tolles gefunden:

Der hat einen internen Verstärker mit 1x - 64x!!!
Zum nachlesen: http://www.atmel.com/Images/doc8077.pdf in Abschnitt 25.3.2 (Differential input with gain)

Ich weiß, das hätte mir auch vorher auffallen können (Asche über mein Haupt und wer lesen kann ist eindeutig im Vorteil), aber könnte man nicht auch einfach den Verwenden? Mit einer Verstärkung von 64 wird zwar nicht die gesammte Breite ausgenutzt, aber man könnte dann ja entsprechend mit einem Offset rechnen, was implementierungsmäßig ja nicht so den Aufwand darstellen würde.

Wenn Ich den Sensor also mit 3,3V betreiben würde, dann müsste ich ja einen maximum Ausgang von ca 31mV erhalten und minimal sowas um ca 27mV. Wenn man jetzt eine Verstärkung von 64 nimmt, müsste das ja entsprechend maximum sowas um 2V ergeben und minimum 1,7V. ich weiß, ist jetzt nicht soooo die hammer Differenz, aber bei einer 8 bit auflösung müsste das ja reichen. Außerdem habe ich ja, wenn ich 021aet04 richtig verstanden habe sowieso nur ein positives Signal, so dass ich entsprechend Out- weglassen kann und stattdessen den zweiten Eingang des Verstärkers auf Masse ziehen kann, wodurch die Differenz ja größer werden müsste.

Aber ich denke früher oder später wird es auf einen von euren Vorschlägen rauslaufen um genauer zu werden.

Also nochmal ein ganz großes SRY, dass ich das Datenblatt nicht aufmerksam genug gelesen habe. Aber zu meiner Theorie mit dem Anschluss dürft ihr euch trotzdem gerne äußern ;)

[Besserwessi]

Das mit dem Differenzeingang wird schon gehen. Allerdings muss man auch wirklich 2 Eingänge des µC nutzen und mit dem Sensor verbinden, denn das Signal vom Sensor ist zwischen den beiden Eingängen, nicht nach GND. Wenn man nur einen der Ausgänge nutzt wird das Signal kleiner, denn die beiden Ausgänge verschieben sich in unterschiedliche Richtungen. So weit ich das kenne geht der interne Gain bei den AVRs auch nur für die Differenzeingänge - es geht also auch am µC nicht anders.

Wenn es sein muss, könnte man den Bereich noch etwas anpassen, indem man als Ref. Spannung nicht die vollen 3,3 V nimmt, sondern neu einen Teil (z.B. 2/3). Wirklich nötig ist das aber auch nicht - das kann auch so für 10 Bit Auflösung (nicht Genauigkeit) reichen, vor allem, wenn man den Sensor mehrmals ausließt. Wenn es genauer werden soll, wäre ein externer AD mit mehr Auflösung und Differenzeingang die Logische Lösung, ggf. auch ohne Verstärkung.

[Siro]

Ich hab mal eben das Datenblatt vom Controller überflogen
Im Datenbaltt Seite 291 Punkt 25.3.2
ist es ja schematisch dargestellt, Differential und Gain
Das sieht doch gut aus. Zudem hast Du eine 12 Bit Auflösung.
Wie Besserwessi schon beschrieben hat must Du natürlich dann 2 Eingänge benutzen.
Meiner Meinung nach müste man den Sensor direkt anschliessen können.
ADC0 Positive mit dem Sensor laut Datenblat RPO-Serie Pin 4(-)
ADC4 Negative mit dem Sensor laut Datenblat RPO-Serie Pin 2(+)
Was den Offset oder Genauigkeit angeht: Dies würde ich sowiso mittels Software korrigieren/kalibrieren.
Es könnte evtl. sein, dass es eine gewisse Unlinearität gitb, weil der Sensorausgnag relativ hochohmig ist. 1 bis 3 KOhm.
Da bin ich mir jetzt aber nicht ganz sicher.

[Oreas]

Hey Siro,



ADC0 Positive mit dem Sensor laut Datenblat RPO-Serie Pin 4(-)
ADC4 Negative mit dem Sensor laut Datenblat RPO-Serie Pin 2(+)
.

Sollte das nicht wenn dann anders herum angeschlossen werden?
Pin 2 des Sensors ist + und damit sollte der doch auch an Pin 0 des µCs (also ADC0) und entsprechend anders herum dann Pin 4 des Sensors an den Negative (ADC4).

[Besserwessi]

Wenn der Ausgangswiderstand des Sensors stört, können Kondensatoren (z.B. 100 nF) helfen das Signal zu puffern. Allerdings kann man dann keine sehr schnellen Änderungen des Signals mehr messen.

[Siro]

Oh, entschuldge, das ist etwas verwirrend im Datenblatt:

25.3.1 Diffential input
ADC0..3 as negativ input

25.3.2 Differential mit gain
ADC4..7 as negativ input

Da Du ja mit Gain arbeiten willst, hast Du natürlich recht. Der negative vom Sensor ist dann ADC4

Sorry und ein schönes Wochenend
Siro

[Oreas]

Kein Problem.

aber gut, dass wir drüber gesprochen haben ;)
Dann werd ich mal weiter implementieren.

ebenfalls ein schönes Wochenende.

[Besserwessi]

Die Polarität des Eingangssignals ist relativ egal, denn mit Gain arbeitet der ADC in signed mode, kann also positive und negative Differenzen messen. Damit hat man auch keine Probleme falls der Offset einem negativen Druck entspricht.

[Oreas]

Also ich habe heute mal mit den Sensoren etwas gemessen, da gestern der interne Gain nicht funktioniert hat. Damit das Ausgangssignal nicht vom Rauschen überlagert wird, muss man wirklich min 10V anliegen haben am Sensor, damit man überhaupt was sehen kann (Test erfolge mit der Luftpumpe, um mal überhaupt 1 bar zu erzeugen). (sehr komischer Satzbau, aber glaube ich richtig)

Also zurück zum ursprünglichen Plan: externe Verstärkerschaltung

[Besserwessi]

Welche Bandbreite für das Ausgangssignal ist den gefordert, also wie schnell braucht man das Ergebnis ?

Mit mehr Spannung zur Versorgung sollte nur der Anteil des Rauschens durch das Nyquist Widerstandsrauschen und das Eingangsrauschen des Verstärkers besser werden, und der Teil sollte relativ klein sein. Bei je 10 K Ausgangsimpedanz wäre Widerstandsrauschen nur rund 15 nV je Wurzel Herz, oder bei 100 Hz Bandbreite nur 150 nV. Je nach Verstärker muss man noch mal mit so viel Rauschen rechnen. Die Quantisierungschritte liegen dagegen bei etwa 4 V / 4096 / 64 = 15 µV oder rund 100 mal höher als das Widerstandsrauschen. So schlecht sollte der interne Verstärker nicht sein. Ein externer Verstärker kann schon etwas besser sein als der µC interne, aber der erste Schritt wäre eher die Bandbreite passend zu wählen und ggf. 50 bzw. 100 Hz Einstreuungen zu unterdrücken. Der Aufwand ist relativ gering (Kondensatoren vom dem AD und Mitteln über ein passende Zeit) und bringt ggf. mehr als ein externer Verstärker.

[Oreas]

Hallo zusammen,

habe inzwischen eine Lösung gefunden, die wirklich klasse funktioniert.
Ich habe einen Instrumentenverstärker eingebaut und den Schaltplan mal als Bild dazu gepackt.
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Wenn man den so beschaltet, wie ich das gemacht habe, dann bekommt man einen Offset von ca 700mV. Das Ausgangssignal hat nurnoch ein minimales Rauschen, was vielleicht auch dem neu verwendeten Spannungsregler zuzuschanzen ist.

Aber das Ausgangssignal hat jetzt genau das, was ich haben wollte und komme bei 8 bar Druck nicht über meine gewünschten 3,3V drüber.

Also nochmal vielen Dank an alle, die geholfen haben und falls noch Fragen da sind, einfach eben melden, vielleicht kann ich dann helfen ;)