Schaltung überprüfen

[Che Guevara]

Hi,

ich hab eine Schaltung entwickelt, welche jetzt nicht so funktioniert wie erwartet ...
Im Prinzip ist es ein OP mit Verstärkung, Offset und Tiefpass Funktion. An dem einen Eingang (+) hängt ein Luftdrucksensor, am anderen Eingang (-) eine Offset-Spannung, erzeugt mittels PWM und Tiefpass (& Mosfet).
Die Pwm Frequenz beträgt 7.8kHz, nur messe ich am Ausgang des OP eine starke Schwingung mit 78kHz (also um Faktor 10 größer). Schwingt der OP?
Hier der Schaltplan:

Der Op ist ein TS912D, beim anderen OP (also #2 im Gehäuse) ist - & Ausgang verbunden, + liegt über 200k an GND.
V3 stellt den PWM-Ausgang des ATMEL dar, V2 soll den Sensor darstellen. Dieser ist an 5V angeschlossen, deswegen der Spannungsteiler, um auf max. 3V3 zu kommen.
Der Verstärkungsfaktor sollte bei V = 200k / 2195 = 91.12 liegen?!

Hab ich einen prinzipiellen Fehler im Schaltplan? Oder sind die Werte evtl. falsch dimensioniert?
Vielen Dank & Gruß
Chris

[ranke]

Du treibst einen hohen Aufwand um das PWM-Signal glatt zu bekommen, im Prinzip sind es zwei Tiefpässe zwischen dem PMOS und dem OP und noch einen weiteren im Rückkopplungszweig. Teilweise behindern sich die gegenseitig. Was über C4 rückgekoppelt wird, fließt gleich über C2 an Masse ab.
Vorschlag: Mindestens mal C2 weglassen. Besser, wenn es die geforderte Bandbreite erlaubt: das gesamte Eingangsnetzwerk weglassen, warum nicht direkt vom PWM-Pin des MC über einen Widerstand (ich nenne ihn mal R1) direkt auf den invertierenden Eingang des OP? R1 und R8 bestimmen dann die Gleichstromverstärkung, die Dämpfung der PWM Frequenz erfolgt über C4. Eine Restwelligkeit am Ausgang ist theoretisch nicht zu vermeiden, kann aber mit einem ausreichend großen C4 beliebig klein gemacht werden (zu Lasten der Bandbreite).

[Che Guevara]

Hi,

da hab ich es wohl zu gut gemeint mit der Glättung. Werd das gleich mal ausprobieren, obs dann funktioniert.
PWM direkt vom µC möchte / muss ich vermeiden, weil am selben Port noch ein paar Verbraucher hängen und wenn diese eingeschaltet werden, sinkt die Spannung am gesamten Port (also auch an der PWM) um wenige mV ab - zuviel für meine Schaltung, ich will Spannungen im <1mV Bereich messen, deswegen der NMOS.

Gruß
Chris

[ranke]

PWM direkt vom µC möchte / muss ich vermeiden, weil am selben Port noch ein paar Verbraucher hängen und wenn diese eingeschaltet werden, sinkt die Spannung am gesamten Port (also auch an der PWM) um wenige mV ab - zuviel für meine Schaltung, ich will Spannungen im <1mV Bereich messen, deswegen der NMOS.

Der ON-Widerstand des NMOS ist allerdings temperaturabhängig und bildet mit R2 einen Spannungsteiler, dessen Ausgangsspannung demnach auch von der Temperatur des NMOS abhängt. Ist also wahrscheinlich keine gute Lösung für genaues Messen. Wenn es um Millivolt geht, sollte man die ganze Sache komplett überdenken. Willst Du etwas zum Drucksensor sagen (idealerweise mit Link zum Datenblatt) und außerdem zum Sinn und Zweck der Gesamtschaltung? Es ist immer hilfreich zu wissen um was es geht, wenn man einen Rat geben soll.

[Che Guevara]

Hi,

die Vorgehensweise (MOSFET) wurde mir in einem anderen Thread angeraten.
Der Drucksensor ist ein MPXH6115A6U, der gibt 46mV / kPa aus. Da ich eine mind. Genauigkeit von ca. 1cm / Step benötige, muss der Ausgang stark verstärkt werden. 1kPa entspricht in etwa 8m (grob geschätzt) --> 46mV / 800cm = 0.0575mV/cm.
Der µC, der das Signal messen soll, läuft mit 3V3, deswegen muss dieser Wert auch noch geteilt werden --> 0.0575mV/cm * 0.618 = 0.0355mV/cm. Der ADC ist ein 12Bit ADC, mit Reference entweder 2.0625V oder 1V. Ich nehme 1V, weil ich damit schonmal 1Bit ggü. den 2.0625V gewinne. 1V / 4096 = 0.244mV.
0.244mV / 0.0355mV/cm = 6.87cm / Step, das reicht bei weitem nicht, da das Rauschen des ADC (1-2 Bit) auch noch weggemittelt werden muss.
Ergo muss ich auf mind. 0.5cm / Step kommen, um auch nur annähernd die gewünschte Genauigkeit zu erreichen.

Wenn du eine gute Umsetzungsidee dazu hast, immer her damit

Gruß
Chris

[ranke]

Erst noch mal die Ausgangssituation klarstellen:

ist ein MPXH6115A6U, der gibt 46mV / kPa aus

Das Datenblatt das ich auf die Schnelle gefunden habe, sagt: 0,2V @ 15kPa, 4,5V @ 115kPa, also 43 mV/kPa

1kPa entspricht in etwa 8m (grob geschätzt)

Wikipedia behauptet, 1hPa entspricht in etwa 8m. 1 kPa wären also 80m.

1cm / Step ... 12Bit ADC

Das wären also gerade mal 40 Meter bis zum Überlauf des ADC, wenn man den Verlust an Genauigkeit für das Rauschen des ADC und der Vorverstärkung vernachlässigt. Ist das so gewollt bzw. ausreichend?

Die PWM-Geschichte soll also eine Nullpunktskalibration werden?

Noch etwas zum Verständnis: Soll es für die Flugzeit eine absolute Höhenmessung ergeben oder nur eine Steig/Sinkrate ausgeben? Falls absolut, wie lange wäre die maximale Flugzeit (ich denke konkret an Langzeitstabilität, speziell auch im Zusammenhang mit meteorologisch bedingten Luftdruckschwankungen).

[Che Guevara]

Hier ( http://www.freescale.com/files/senso.../MPXA6115A.pdf ) steht auf Seite 3: Sensitivy 45mV/kPa
Ok, bei der Höhenscalierung hab ich mich wohl vertan (hab mich schon gewundert)...
Wegen deiner genannten 40m brauche ich eben den Offset durch die PWM, um den vollen Bereich ausnutzen zu können.
Der Sensor wird sowohl zur Steig/Sinkraten Berechnung als auch zur Höhenmessung benutzt. Die max. Flugzeit liegt bei etwa 30Min (hoch geschätzt), wenn der Wert dann um ein oder zwei Meter driftet ist das vernachlässigbar (ich wüsste auch nicht, wie man das kompensieren könnte?!)

Gruß
Chris

[ranke]

Wegen deiner genannten 40m brauche ich eben den Offset durch die PWM, um den vollen Bereich ausnutzen zu können.

Das Verfahren scheint mir insgesamt recht umständlich zu sein. Die Restwelligkeit des PWM liegt dann verstärkt am ADC an, das bringt zusätzlichen Ärger.

Man könnte sich folgendes Verfahren näher ansehen:

Der MC erzeugt eine PWM, über eine RC-Kombination macht man daraus eine Gleichspannung (schwach wellig im Bereich weniger Millivolt). Diese Spannung kommt auf den einen Eingang eines Komparators, auf den anderen Eingang das Sensorsignal (eventuell vorverstärkt und geklippt auf den interessierenden Bereich). Für das Ausgangssignal des Komparators gibt es 3 Möglichkeiten:
entweder Low, High oder rechteckig im Takt der PWM, nämlich genau dann, wenn die Sensorspannung im Bereich der Restwelligkeit des geglätteten PWM-Signals liegt. Die PWM regelt man auf Gleichtakt des Komparatorausgangs.
Vorteil: mit einem 16-Bit Zähler kommt man schon mal auf 16 bit Einstellbarkeit der PWM. Wenn man den Mittelwert von mehreren Durchläufen nimmt, kann man noch interpolieren. Einen Komparator haben viele MC schon eingebaut.

Die max. Flugzeit liegt bei etwa 30Min (hoch geschätzt), wenn der Wert dann um ein oder zwei Meter driftet ist das vernachlässigbar (ich wüsste auch nicht, wie man das kompensieren könnte?!)

Bei einem Wetterumschwung können das auch mal 100 Meter pro halbe Stunde werden. Man könnte am Boden einen zweiten Sensor plazieren und dessen Werte per Funk an das Fluggerät übermitteln, zwecks Differenzbildung. Wenn man dann auch noch die Temperatur misst, könnte das schon ziemlich genau werden.

[Che Guevara]

Glücklicherweise könnte ich deine vorgeschlagene Methode gleich ausprobieren, hab nämlich schon ne Platine, die genau die Anforderungen erfüllt
Allerdings sehe ich keinen Vorteil darin im Vergleich zur OP-Methode.
Du meinst also, ich soll die PWM so einstellen, dass der AC dauernd (im Takt der PWM) toggelt?! Und dieses Signal dann interpolieren, anhand des PWM-Wertes erhalte ich die Größenordnung / Offset des Signals.
Einen zweiten Sensor am Boden möchte ich vermeiden, das hat sonst auch niemand und trotzdem funktionierts.
Evtl. ist es noch erwähnenswert, warum ich das ganze überhaupt betreibe:
Ich habe schon eine Platine, die den internen OP eines ATXMega ausnutzt und mit der ich auf ca. 1cm Genauigkeit komme, die Lösung mit externen OP (wie im ersten Thread) wollte ich mal ausprobieren, weil dadurch der digitale Tiefpass im µC entfällt und ich evtl. steilere Flanken des Filters implementieren könnte, sodass der Wert schneller auf Höhenänderungen reagiert (momentan habe ich eine Phasenverschiebung von ca. 200ms).

Gruß
Chris

EDIT:
Picture, was genau meinst du? Einfach den Ausgang verstärken und diesen messen? Das geht nicht, weil ich dann nur einen kleinen Bereich messen könnte.

[Che Guevara]

Angenommen, ich habe eine Verstärkung von 100 und eine Referenz von 1V, dann kann ich nur eine Spannung zwischen 0V und 1V/100 = 10mV messen, weil darüber der ADC in die Begrenzung geht, da Vin > Vreference.

Gruß
Chris