spezielle Spannungsanpassung -5..5 auf 0..4,096

[gelenkeharald]

Hallo Leute,

ich habe ein Problem, welches theoretisch und simulativ funktioniert,
jedoch auf der fertigen Platine leider nicht.

Es handelt sich um eine spezielle Spannungsanpassung. Ich möchte ein
Sensorsignal, welches von -5 bis 5 V geht auf 0 bis 4,096 V wandeln um
dieses Signal dann zu digitalisieren (deswegen der spezielle Wert).
Hierzu habe ich noch eine Einschränkung, dass keine negative
Versorgungsspannung für OPVs zur Verfügung steht, jedoch eine
Referenzspannung von 4,096V. Die Referenzspannung wird für eine Reihe
von ADCs verwendet.

Ich hab mir hierzu folgendes überlegt.

Das Sensorsignal soll vorerst über einen Spannungsteiler (siehe im Bild
R1 und R2) auf -4,096 bis 4,096 V gewandelt werden. Dies funktioniert
auch auf der Platine.
Danach wollte ich über eine Art Addierer Uref hinzuaddieren (siehe
hierzu Re1 und Re2).
Das funktioniert auch wunderschön rechnerisch. Für den ersten
Spannungsteiler erhält man

\frac{UI}{Ue}=\frac{R2}{R1+R2}

. Mit R2 = 453k und R1 = 100k.
Mit dem Überlagerungssatz erhält man wenn man Re1=Re2 setzt

Ua=\frac{Uref}{2}+\frac{UI}{2}

.
Ich hab das ganze mal im PSpice simuliert und da funktioniert die
Schaltung wenn ich Re1 und Re2 im Megaohmbereich ansiedle, ebenfalls
einwandfrei.

Hier noch eine Tabelle mit den errechneten Ein- und Ausgangswerten:
Ue -5 0 5
Ua 0 2,048 4,096

Und mit den auf der Platine gemessenen Werten:
Ue -5 0 5
Ua 0 1,4 2,8

Mir ist auch klar, dass es natürlich nicht 100% an die berechneten und
simulierten Werte rankommt, aber diese große Abweichung wundert mich
doch sehr. Habe ich vielleicht irgendeinen Denkfehler. Hoffentlich kann
mir jemand von euch helfen oder hat vielleicht sogar eine andere Idee
wie ich das lösen könnte.

Vielen Dank schonmal im Voraus.

Grüße GH

[ranke]

Ein naheliegender Grund für die Unterschiede zwischen Simulation und Realität wäre der in der Realität nicht unendliche Eingangswiderstand der ADC. Abhilfe könnten kleinere Widerstandswerte und ein Kondensator an Eingang des ADC schaffen.
Wenn das nicht klappt, würde man wahrscheinlich mit einem Operationsverstärker eine impedanzwandlung machen.

[gelenkeharald]

hallo ranke
danke für deine antwort
ich habe bis jetzt diesen kanal nur so bestückt wie es im bild zu sehen ist
auf der platine habe ich auch vor dem adc einen kondensator und zwischen adc und schaltung im bild eine impedanzwandlung in form eines spannungsfolgers vorgesehen
ich probier das gleich mal wenn ich den OPV mit auf die platine löte, jedoch fließt ja bei unbestücktem opv kein strom, also kann man das auch als unendlich hohen widerstand betrachten
wahrscheinlich wird das das problem leider nicht beheben

grüße GH

[gelenkeharald]

update: es lag tatsächlich an dem nachfolgenden spannungsfolger, jetzt funktioniert es perfekt! danke für den kleinen denkanstoß, ich dachte, wenn es so schon nicht funktioniert, dann auch nicht mit opv
das heißt quasi, dass die messung das verfälscht hat, weil strom geflossen ist?

[ranke]

Prima, dass Du das so schnell zum laufen gebracht hast.

das heißt quasi, dass die messung das verfälscht hat, weil strom geflossen ist?

Ja offensichtlich fließt über den Eingang des ADC ein kleiner Strom, der das ganze Ergebnis verfälscht (Man wird im Datenblatt des ADC wahrscheinlich mehr darüber finden). Je höher die angeschlossenen Widerstände außen, desto größer ist die entstehende Fehlspannung durch diesen Strom.

[Thomas E.]

Warum eigentlich genau 4,096V? Erstens gibt es dafür warscheinlich keine Referenz-Spannungsregler, zweitens warum deshalb nicht gleich 5V Referenzspannung?

[BMS]

Hallo,

Warum eigentlich genau 4,096V? Erstens gibt es dafür warscheinlich keine Referenz-Spannungsregler, zweitens warum deshalb nicht gleich 5V Referenzspannung?

Ich vermute stark, dass er einen 12Bit AD-Wandler benutzt, da 2^12=4096 Werte gibt und 1mV dann genau einem LSB entspricht
Es gibt dafür durchaus 4,096V-Referenzen.
Grüße, Bernhard

[Thomas E.]

Es gibt dafür durchaus 4,096V-Referenzen.

Wirklich? Das hätte ich mir nicht gedacht.