Differenzverstärker Schaltung selbst entwickeln

[Che Guevara]

Hi,

ich bin momentan am Planen einer Schaltung, die die Differenz zweier Signale (Sensor Signal und variable Offsetspannung) berechnen soll und diese Differenz anschließend verstärken soll.
Das Sensor Signal liegt zwischen 0V und 5V, die Offsetspannung zwischen 0V und 3V3. Der Verstärkungsfaktor sollte bei ca. 30 liegen, die Ausgangsspannung (nach dem verstärken) muss zwischen 0V und 1V liegen.
Zur Verfügung steht ein 2-facher Rail-to-Rail OpAmp (TS912), 1-fach ginge aber auch (ist aber kein muss!).
Eigentlich wäre diese Schaltung hier genau meine Lösung: http://www.elektronik-kompendium.de/...lt/0210153.htm
Nur brauche ich eben anstatt des Spannungsteilers am +Eingang die variable Offsetspannung und am -Eingang soll der Sensor dran. Den zweiten OpAmp könnte ich nutzen, um die Offsetspannung von 3V3 auf 5V zu bringen (oder per Transistor, aber das bekomm ich auch alleine hin).
Außerdem sollte die Schaltung noch einen aktiven Tiefpass bilden. Der Ausgang sollte zudem max. 3V3 ausgeben (im Falle eines Softwarefehlers, falls dadurch die Offsetspannung zu weit abweichen sollte), um den anschließenden µC nicht zu schädigen .... ginge da eine 3V3 Zenerdiode oder verfälscht diese womöglich das Signal?
Nun weiß ich aber nicht, ob das dann überhaupt so funktionieren wird.

Der Teil mit der Verstärkung & aktiver Tiefpass funktioniert schonmal in der Simulation, jedoch stellt sich jetzt noch die Frage, wie ich V1 (also die Offsetspannungsquelle) ersetze. Sollte ich einen Transistor oder lieber den zweiten Op (als Komperator) benutzen?
Hier mal ein auf die Schnelle gezeichneter Schaltplan (ich weiß, es fehlen einige C's zur Versorgung), evtl. könntet ihr ja mal drübersehen und mir sagen, obs grundsätzlich so funktionieren könnte.

Btw: Ich Suche noch eine 1V Referenzspannungsquelle, wenn jemand sowas kennt, immer her damit!

Vielen Dank & Gruß
Chris

EDIT:
Gerade ist mir die Idee gekommen, die Ausgangsspannung des Sensors (ist übrigens ein MPXH6115A6U) mittels eines Spannungsteilers (6k8, 10k) auf max. 3V zu transformieren. Was haltet ihr davon?
Dadurch würde ich mir den PWM-Wandler und die Zener-Diode sparen. Der OpAmp könnte mit 3V3 laufen, wodurch der darauffolgende µC nicht in Gefahr ist. Jetzt aber meine Frage, ob sich der PWM-Tiefpass-Kondensator irgendwie auf die OpAmp Schaltung auswirken wird? Außerdem bin ich mir nicht sicher, ob der Spannungsteiler am Sensor eine so gute Idee ist? Klar verschenke ich damit etwas Auflösung, was sich aber durch eine größere Verstärkung am OpAmp wieder ausgleichen lässt.
Dieser Weg würde mir am besten gefallen!

Oder sollte ich den Ausgang des Sensors erst an den OpAmp anschließen, diesen als Spannungsfolger beschalten und anschließend erst den Spannungsteiler anwenden? Diese Lösung sollte wohl definitiv funktionieren, wobei ich dann wieder die Zener-Diode bräuchte...

[Peter(TOO)]

Hallo Chris,

Gerade ist mir die Idee gekommen, die Ausgangsspannung des Sensors (ist übrigens ein MPXH6115A6U) mittels eines Spannungsteilers (6k8, 10k) auf max. 3V zu transformieren. Was haltet ihr davon?

Das macht man normalerweise so.

Das geht nur dann nicht wirklich, wenn das Signal sehr hochohmig und die Folgestufe niederohmig ist.
Das Problem hast du hier aber nicht.

Der OpAmp könnte mit 3V3 laufen, wodurch der darauffolgende µC nicht in Gefahr ist. Jetzt aber meine Frage, ob sich der PWM-Tiefpass-Kondensator irgendwie auf die OpAmp Schaltung auswirken wird? Außerdem bin ich mir nicht sicher, ob der Spannungsteiler am Sensor eine so gute Idee ist? Klar verschenke ich damit etwas Auflösung, was sich aber durch eine größere Verstärkung am OpAmp wieder ausgleichen lässt.
Dieser Weg würde mir am besten gefallen!

So geht's nicht wirklich.
Die Schaltung arbeitet jetzt als Komparator!


Am Punkt R4/C2 hast du jetzt eine Spannungsquelle.

Zwischen R4/C2 und dem - Eingang muss noch ein Widerstand, welcher dann zusammen mit R2 die Verstärkung festlegt.

MfG Peter(TOO)

[Che Guevara]

Hi,

danke erstmal für die Antwort!
Ich dachte, R4 legt zusammen mit R2 die Verstärkung fest? Der einzelne C sollte doch daran nicht soviel ändern (dachte ich)... Aber da ich nicht soviel Ahnung von analogen Schaltungen habe, vertraue ich dir da mal!
Wenn ich jetzt da noch einen Widerstand (nennen wir ihn R5) einfüge, wie kann ich dann die Verstärkung berechnen? Also fließt R4 dann auch in die Berechnung mit ein oder ausschließlich R5 & R2?

Gruß
Chris

[Peter(TOO)]

Hallo Chris,

Ich dachte, R4 legt zusammen mit R2 die Verstärkung fest?

Aber nicht mehr, wenn da C2 hinzu kommt und die Frequenz über der Grenzfrequenz liegt.

Der einzelne C sollte doch daran nicht soviel ändern (dachte ich)... Aber da ich nicht soviel Ahnung von analogen Schaltungen habe, vertraue ich dir da mal!
Wenn ich jetzt da noch einen Widerstand (nennen wir ihn R5) einfüge, wie kann ich dann die Verstärkung berechnen? Also fließt R4 dann auch in die Berechnung mit ein oder ausschließlich R5 & R2?

Tja kommt auf die Frequenz an.
Um genauere Angaben machen zu können, braucht man aber auch genauere Angaben zur Dimensionierung der Schaltung

MfG Peter(TOO)

[PICture]

Hallo!

@ Che Guevara

Fast jede analoge Schaltung sieht für AC und DC ganz anders aus. Beispielweise für HF ist meistens per Kondensator VCC mit GND kurzgeschlossen.

[Che Guevara]

Hi,

also ich denke mal, die PWM-Frequenz wird wohl im Bereich von 125kHz liegen, der Tiefpass dann bei 159Hz (10k & 100nF). Was haltet ihr davon? Wichtig ist eben, dass die Pwm sehr stark geglättet wird, um nicht das ADC-Ergebnis zu fälschen (Reference 1V / 12bit = 0.000244V / Digit, V = 30 --> 8.1µV / Digit). Ich weiß, 8.1µV / Digit ist absurd, aber dank Software Tiefpass und Oversampling kommen gute Werte bei rumkommen

Gruß
Chris

EDIT:
Also habs gerade mal durchsimuliert, mit 125kHz & 159Hz Tiefpass läufts nicht ... Die Ausgangsspannung schwankt um ca. 100µV aufgrund der PWM, das ist um einiges zuviel!
Ich werd jetzt mal versuchen, die PWM mittels des zweiten OP zu glätten, evtl. läuft das ja besser!
Wenn jemand ne Idee hat, wie ich platzsparend (bezogen auf die LP) die PWM stark glätten kann (max. 25µV Ripple), immer her damit.

EDIT2:
Also ich hab jetzt nochmal etwas mit LtSpice rumgespielt und bin auf 100k / 10µF gekommen. Der Ripple beträgt dann nurnoch ca. 5µV, allerdings ist die Zeitkonstante zu groß ... Es geht hier nämlich um einen Drucksensor auf einem Multicopter, d.h. der Offset muss ständig nachgeführt werden, wenn der Kopter zu weit steigt / sinkt. Da ist es natürlich unmöglich, erstmal 1 oder 2 sec zu warten, bis sich der neue Wert am Op eingestellt hat. Laut Spice braucht der Tiefpass ca. 5sec um von 0V auf 2.5V zu kommen. Die Offsetsuche muss beim anschalten des Kopters auch erfolgen, aber es wäre fast untragbar, da erstmal 5sec zu warten bevor alles läuft.
Ideen?

[Che Guevara]

Also nach einiger Zeit simulieren hab ich jetzt die (auch sehr einfache) Lösung: ein Tiefpass 2. oder 3. Ordnung
Jetzt müsstet ihr mir nur noch sagen, wie ich die Verstärkung des Op berechne, also den Tiefpass miteinbeziehen oder nicht?
Vermutlich 2. Ordnung mit 10k / 100nF, also 159Hz. Der Ripple beträgt dann nur noch ca. 5µV und die Spannung geht von 0V auf ca. 2V innerhalb 32ms, das ist durchaus vertrettbar.

Gruß
Chris

[Peter(TOO)]

Hallo Chris,

Hast du einen RC oder einen LC Tiefpass für da PWM-Signal verwendet?
Ein LC hat steilere Flanken.

Den Ausgang des Tiefpasses musst du als Spannungsquelle betrachten, der geht, genau genommen, nur mit seiner Impedanz in die Verstärkung mit ein.
Nun ist das aber sehr Frequenzabhängig.

Alternativ kannst du da deine zweiten Verstärker als Buffer einsetzen und das ganze entkoppeln.
Allerdings erzeugt die der Buffer wieder einen, temperaturabhängigen, Offsetfehler

MfG Peter(TOO)

[Che Guevara]

Hi,

ich hab einen RC-Tiefpass 2. Ordnung verwendet. Hab aber auch LC simuliert, der Unterschied war zu gering um auszureichen...
Das heißt, ich kann den ersten der beiden RC einfach als Spannungsquelle betrachten und dann ganz normal den 2. RC berechnen?!

Gruß
Chris