Eingangsbeschaltung ADC

Thorsten Ostermann schrieb:

INA105 (Burr Brown) tut das (bis etwa 100kHz).

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Marcel Müller

Hallo Thorsten,

Eben, mit den gängigen INAs wirst Du nicht glücklich werden,weil Dein Signal zu groß ist. Es spricht aber wenig gegen einen ganz ordinären Differenzverstärker. Ob der nun mit einem OP oder mit 3en aufgebaut wird ist im Wesentlichen nur eine Frage der Eingangsimpedanz. Wenn Du kein Gleichtaktsignal auf Deinem Signal hast, reicht Dir auch schon quasi die Hälfte Deines Signales zu messen.

Marte

Hallo Marte!

INAs?

Kannst du mir da einen empfehlen?

Sicher. Ich bin aber nicht wirklich fit, was es analoge Schaltungen angeht, deswegen bin ich mir nicht darüber im klaren, wie eine saubere Schaltung aussehen müßte.

Wenn das Wörtchen wenn nicht wäre. Wenn es keine Störungen gäbe, würde das Signal auch nicht differentiell übertragen ;-)

Gruß Thorsten

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Kunst kommt aber von 'können',
nicht von 'kennst du schon den neuesten trick?'
   Gunther in oecher.computer zum Thema "Gutes Webdesign"

Reihe von Differenz / Instrumenten OP-Amps von Burr-Brown jetz TI!

Auf die Website von TI zu schauen kann nicht schaden, die haben eine Menge in Frage kommende OP-Amps.

Andreas

Hallo Thorsten,

hat Andreas ja schon geantwortet. Die Teile gibt es fertig abgeglichen und so weiter in ICs aber man muss wissen was man tun will... In der Regel verstärken die >5.

ich meinte "zu Fuß" aufbauen. Man nehme einen Operationsverstärker und 4 Widerstände. Alles weitere hängt wesentlich davon ab, wie Dein Signal und wie Deine Störung aussieht.

DAs kommt eben immer noch darauf an, was reinkommt und was man davon eigentlich haben möchte :-)

Dann lass mal lesen, wie dieselbigen beschaffen sind und was Dich davon abhält, einen AD mit differenziellem Eingang zu nehmen. (Innenwiederstände, Frequenzen, Pegel...)

Marte

---R1---+----R2---- | | +--| - \ | | > +--- +--| + / | --R1-- +---R2--- GND

Die beiden R1 und R2 kann man für Einzelgerät durch Ausmessen ziemlich identisch hinbekommen. Aber der OP muß Gleichtakt machen. Bei 16 Bit und hoher Geschwindigkeit alles keine Freude mehr. Es gibt auch noch Variante mit 2 OPs.

Ein A/D mit zwei Eingängen und Subtraktion in Software ist oft ( z.B. bei Controllern ) eine gangbare Alternative.

MfG JRD

Hallo Rafael

Danke für die grafische Unterstützung

die man nicht unbedingt immer verwenden möchte... Dann doch schon lieber die mit 3en. Die mit 2en ist diskret aufgebaut nicht gut abgleichbar, speziell, wenn das Gleichtaktsignal höhere Frequenzanteile hat.

Nee, nicht wirklich. Das setzt voraus, dass zur selben Zeit gesampelt wurde und wirklich alles gut symmetrisch im Aufbau ist, ansonsten ist das Mist. Ganz davon abgesehen, dass die Dynamik schwindet, weil Dein Gleichtaktsignal Dein Signal kaputtmacht EKG gefällg: 300mV Gleichtaktbereich, Nutzsignal ca 1-3 mV. Da willst Du nicht wirklich mit Software subtrahieren... Linear Technology hat da ein interessantes Konzept mit fliegenden Kondensatoren, speziell, wenn hochfrequente Störungen und niederfrequentes Nutzsignal vorliegt. Daher: zuerst mal sehen, was kommt, was stört und was interessiert. Vorher kann man nichts vernünftiges sagen.

Marte

Marte

Hallo Marte!

Wenn ich das wüßte. 50 Hz düften auftauchen, außerdem die Schaltfrequenz der Umrichter (24 kHz). Das Nutzsignal geht bis einige hundert Hz. Gegen einen AD mit differentiellen Eingang spricht ausser den Signalpegeln sicher nichts. Wie würde man eine entsprechende Abschwächung realisieren (möglichst mit einem glatten Teiler, damit ich präzise auf das Ausgangssignal zurückrechnen kann)?

Der Innenwiderstand der Quelle dürfte hinreichend klein sein, schließlich wird das Signal aktiv verstärkt, bevor es auf die Leitung geht.

Gruß Thorsten

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   Gunther in oecher.computer zum Thema "Gutes Webdesign"

Nicht für DC-Signale. Wenn man kontinuierlich beide Kanäle wandelt kann man zwischen Samples linear interpolieren und damit die Gleichzeitigkeit auch für AC-Signale näherungsweise erreichen.

Bei dem 8 Bit Wandler eines Controllers mag das ein stimmen, bei hochauflösenden Wandlern a 16 Bit relativiert sich das wieder.

Deren Takt sollte aber auf den A/D-Wandler synchronisiert sein.

MfG JRD

Hi Thorsten,

wo tauchen die nicht auf ;-)

Schon deutlich hässlicher...

Da geht es also gemütlich zu. Was jetzt noch fehlt ist, welche Pegel (Nutz- und Störpegel !) sind denn da? Oder anderst gefragt, welche Gleichtaktunterdrückung brauchst Du?

...

zunächst wird man einen symmetrischen Widerstandsteiler aufbauen. Ich hab was im Hinterkopf von 10 Vss Signal auf z.B. 3Vss AD... bei einer 100 Ohm CAT5 Leitung würde ich den Abschlußwiderstand in z.B. 39 Ohm , 22 Ohm, 39 Ohm aufteilen. Macht zusammen 100 Ohm und eine Teilung von 22% des Ausgangspegels. Wenn Du nun parallel zum 22 Ohm Widerstand Dein AD-Wandler klemmst, dann will der noch zweierlei: Ein Kondensator parallel zum Eingang (ein Blick in das Datenblatt Diener Wahl zeigt mehr...) und ein Antialiasfilter, welches der Kondensator mit den Widerständen z.B. bereits implementieren könnte (zumindest ein Teil davon). Über die Abschätzung der erforderlichen Antialiasingfilter erweise ich mal auf das Appnote 699 von Microchip und deren Filterdesignsoftware "filter lab", das ziemlich versteckt zum download angeboten wird:

bzw

In Deinem Fall kann es durchaus ratsam sein, sich bei Linear.com die Appnotes zu deren Technologie anzuschauen, da die geanu hier ihre Vorteile ausspielen, Gleichtaktstörungen höherer Frequenzen auf einem relativ langsamen Nutzsignal.

Viel Spaß damit

Marte

Hi!

Hier sieht die Signalquelle jetzt _eigentlich_ im unteren Zweig R1+R2 als Eingangsimpedanz, im oberen Zweig aber nur R1, da der Knoten zwischen R1 und R2 virtuell auf GND liegt. Zumindest bei DC.

Man müsste also eigentlich im unteren Zweig R3 und R4 einsetzen, mit R1/R2 = R3/R4 und R1 = R3+R4. Dann allerdings sieht der Opamp unterschiedliche Impedanzen auf seinen Eingängen, was dann bei höheren Frequenzen nette Effekte bringt.

Das ist - neben der schwierigen Beschaffbarkeit entsprechend präziser Widerstände - der Grund, warum instrumentation amps erfunden wurden.

Und letztendlich muss immernoch die Quelle die gleiche Ausgangs- impedanz auf beiden Leitungen haben...

Gruß, Michael.

Hallo Marte!

Keine Ahnung. Das Nutzsignal kann bis +/-10V (Spitze) gehen. Wie groß die Störungen sein können kann ich nicht sagen. Ausgangsseitig sollen sie natürlich möglichst verschwinden ;-)

Gruß Thorsten

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Hallo,

Thorsten Ostermann schrieb:

Also ich würde immernoch den INA 105 von Burr Brown (aka TI) nehmen. Besser kriegt man es mit einer diskreten Schaltung so ohne weiteres nicht hin. (Vor allem bei höheren Frequenzen) Jede Asymmetrie mit irgendwelchen parasitären Kapazitäten bricht einem das Genick. Und Widerstände mit 0,01% Toleranz gibt es auch nicht an jeder Straßenecke. Wenn die Dinger thermisch gekoppelt sind (wie auf dem Die), reicht auch eine Zehnerpotenz weniger.

Auch die symmetrischen Zuleitungen wollen sauberst geführt werden, denn nur wenn die Storungen beide Leitungen mit exakt gleicher Amplitude und Phase erreichen, kann der Differenzverstärker das Signal herausrechnen. Ich empfehle dringend TP-Verkabelung und symmetrische Leiterbahnführung.

Falls das Nutzsignal wie beschrieben eine nach oben begrenzte Bandbreite aufweist, würde ich mit einem symmetrischen (digitalen) FIR-Filter die mit möglichst hoher Samplingrate aufgenommenen Daten nach oben in der Bandbreite begrenzen. Dabei reduziert sich das Rauschen drastisch, und spätestens hier sind die letzten Reste der 24kHz Störfrequenz Geschichte. Das Filter sollte übrigens nicht zu steilflankig sein, da sonst der Filterkern zu lang wird, was neben der Rechenzeit auch Probleme an Diskontinuitäten bei der Messung zur Folge hat (z.B. Start/Stop oder Parameteränderungen). Je nach Anwendung kann auch eine Bandbreitenbegrenzung nach unten sinnvoll sein. Damit geht z.B. der Drift nach Hause. Leider wirft das die gleichen Probleme auf, wie ein steilflankiges Filter.

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Marcel Müller

Hallo Michael,

Nein, dem ist nicht ganz so. Hier muss man unterscheiden zwischen der Gleichtaktimpedanz gegenüber Masse, die im Wesentlichen aus R1 + R2 besteht und zwar auf beiden Seiten schön symmetrisch, und der Gegentaktimpedanz, die sich gar nicht an der Masse stört, sondern mit 2*R1 nur die Differenzspannung betrifft.

Welche positiven Effekte versprichst Du Dir davon?

Weswegen in allen kommerziellen Instrumentenverstärkern die Widerstände auch hübsch symmetrisch sind, oder kannst Du mir einen asymmetrischen benennen, der Deiner Regel folgt? ;-)

Da hab ich auf die Schnelle nichts anderes gelesen.

Also müssen die Eingangswiderstände R1 = Z0/2 sein, was aber bei der Anwendung des OP wohl uninteressant sein dürfte, da seine Nutzfrequenzen ohnehin bei wenigen 100 Hz aufhöhren.

Marte

Hallo Thorsten,

Na ja, eine Größenordnung wäre aber schon sinnvoll. Schließlich darf ja der Eingangsspannungsbereich des AD nicht Überschritten werden, sonst misst der nix mehr.

Eine Alternative wäre natürlich ein Übertrager am Eingang. Wenn Dein Messignal gleichstromfrei ist, dann hast Du damit die besten Karten gegen unbekannte Gleichtaktstörungen.

Marte

P.S. Wo in der Welt bist Du bzw die Maschine denn? Evtl könnte sich ein Besuch lohnen.

Hi Marcel,

nun ja, das Din macht eine Verstärkung von 1, also brauch ich zumindest eine Spannung von +- 15 V um das ganze einzufangen, wenn nun noch ein paar Störungen draufziehen, deren Größe der OP nicht kennt, dann bist Du ganz schnell am Anschlag.

Das ist rein eine Frage davon, welche Störungen den tatsächlich ankommen und welche CMRR er denn braucht. Wenn die 24 kHz starrfrequent sind, dann lassen sich diese Störungen ggfs. auch durch geeignete Abtastzeiten eliminieren.

Ich würde lieber zusehen, dass die Störungen nicht am AD ankommen und mir dann überlegen, wie ich im Wandlungsprozess die Störungen wegbekomme, dann zu filtern ist auch nicht mehr so das Problem, zumal der Abstand recht groß ist.

Marte

Hi!

Voraussetzung ist allerdings, daß sich die Eingangsspannungen symmetrisch verhalten, für einen "balanced line receiver" mag man das voraussetzen, für einen allgemeinen "Differenzverstärker" aber nicht unbedingt.

Die Unsymmetrie des Verstärkers lässt sich ja auch leicht daran erkennen, daß der positive Eingang eine Rückwirkung auf den negativen hat, aber nicht umgekehrt.

Eine gleichmäßigere Belastung der Ausgänge der Quelle. Betrachte einmal nicht die Fälle Gleichtakt/Gegentakt, sondern einen einzelnen Eingang im Fall daß der andere auf GND liegt.

Ist mir noch nicht aufgefallen, hab ich aber bislang auf "passt schon, sonst nehmen wir halt nen instrumentation amplifier" geschoben - zumal wie gesagt normal käufliche Widerstände eh nicht genau genug sind.

Rolf Bombach hat das mal sehr schön beschrieben:

"Monolithische Operationsvertärker in der Praxis, oder was nicht im Elektronikbuch steht."

Oops, sorry, da hab ich zwischen Denken und Tippen das "und folgende" verschlampt! Die Instrumentationsverstärker - und dafür war der Link gedacht - sind in der "Fortsetzung - Echter Differenzverstärker II" beschrieben.

Gruß, Michael.

Hi Michael,

Nein, das bewirkt auf keinen der ebiden Eingänge ein Unsymmetrie. Solange der Verstärker in seinem Aussteuerbereich arbeitet, bleiben die beiden Eingänge auf (annähernd) gleichem Potential. Daher wirkt bis dahin auch nur R1 und das sollte gem. Definition möglichst symmetrisch sein.

Genau das wird nicht eintreten, wenn Du R1 und R3 verschieden machst

Ja und? Auch in diesem Fall wird das Potential der OP-Eingänge gleich sein und die Eingangsimpedanz der beiden Eingänge wird schön symmetrisch sein.

Klasse Teil! Danke Rolf. Weiter zu Michael: Was soll ich daraus entnehmen, ausser dem Hinweis, dass ein Quellenwiderstand in Reihe zu R1 natürlich hinzuaddiert werden muss und die Gleichtaktunterdrückung natürlich reduzieren kann? Bezüglich des ursprünglichen Posters ist dies in der Tat zu berücksichtigen, wobei ich ohnehin zu einem Übertrager tendiere.

schöne Seiten, auf denen ich trotzdem nichts finde, was Deine abenteuerliche These ein wenig erhellen würde.

Martin

Hallo Michael,

Jetzt verstehe ich wohl was Du meinst... Finde ich allerdings auf "Fortsetzung - Echter Differenzverstärker III" ;-) Es ist wohl richtig, dass der Spannungsabfall an den R1 unterschiedlich ist. Allerdings wirst Du das Dimensionieren können wie Du willst, wenn der nichtinvertierende Eingang auf 0V liegt müsstest Du, um den Eingangsstrom zu symmetrieren den anderen Zweig öffnen, was auch nicht wirklich geht.

Das einzige was bleibt, ist, was wiederum alle schon willen: Potentiale misst man so hochohmig wie es geht... oder wie mans braucht ;-)

Marte