Spannung subtrahieren mit OP

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Hallo,
leider kenne ich mich mit Elektronik nicht sonderlich aus, muß aber um den
Meßbereich meines AD-Wandlers (C-Control) sinnvoll zu Nutzen, von einer
Spannung ca 3.4V subtrahieren. (die zu messende Spannung liegt zwischen
3,443V und 4.069V) Danach kann ich ja die Referenzspannung auf 0.7V
einstellen und meine 8bit komplett nutzen.
Ich weiß wohl daß dies mit einem Operationsverstärker funktioniert, kann
aber keine Schaltung (möglichst noch mit einer für mich verständlichen
Erklärung) finden.
Die bisherige Schaltung hatte den Nachteil, daß sie nur funktioniert hat,
wenn der AD Wandler nicht angeschlossen war. Sobald er angeschlossen war,
hat sie verrückte dinge gemacht (z.B. hat der Wert den der AD 'rausgegeben
hat manchmal 'gehakt')...
Wäre klasse, wenn mir jemand einen entsprechenden Link schicken könnte.

Vielen Dank für die Hilfe,

Hendrik



Re: Spannung subtrahieren mit OP

 >Ich weiß wohl daß dies mit einem Operationsverstärker funktioniert, kann
 >aber keine Schaltung (möglichst noch mit einer für mich verständlichen
 >Erklärung) finden.

http://www.eng.tau.ac.il/~barneao/opamps.pdf

In diesem Buch wird ein idiotensicheres Kochrezept genau fuer deine
Problemstellung beschrieben. Ausserdem erklaert der Autor dir sogar
noch die Probleme und deren Loesungen an die du bis jetzt noch
garnicht gedacht hast. :-)

Olaf




--
D.i.e.s.S. (K.)

Re: Spannung subtrahieren mit OP
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Hallo Hendrik,
welchen Bereich hat eigentlich dein A/D Wandler?   0bis 5V?

Wo kommt dein Messignal her?  Ist das ein Spannungsteiler oder der Ausgang
eines Verstärkers?

Welche Versorgungsspannung(en) steht für einen Differenzverstärker zur
Verfügung?
Z.B. +5V?

Wenn du meine Fragen beantwortest, dann gibt es einen Schaltplan.

Gut wäre auch ein Link auf einen Schaltplan von C-Control, damit ich
sehe wie der Eingang des A/D Wandlers aussieht.

Die Idee mit den 0.7V ist nicht besonders gut, da dann wahrscheinlich
keine 8bit Auflösung mehr möglich ist wegen interner Störungen und
Ungenauigkeiten.


Gruß
Helmut



Re: Spannung subtrahieren mit OP
Hallo!

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Der A/D Wandler hat 0-5 Volt.

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Es ist ein (Luft-)Druck Sensor. Es geht uns um Drucke zw. 0.55 und 0.65 bar
(evtl. wird der Bereich noch verkleinert). Diese Drucke werden den vom
Sensor in die geposteten Spannungen umgewandelt.

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Wir haben ein Netzteil, welches +-18Volt liefert. Außerdem sind Verfügbar:
+5V, +24V +9V.

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Na das ist doch mal ein Angebot! Vielen Dank schonmal :-)

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Im Grunde handelt es sich dabei um einen Motorola MC68HC05B6
(http://www.knx-developer.de/online/data/HC05B6.pdf )

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Also die Spannung vorher so Verstärken, daß wieder 5V daraus wird?!

Vielen Dank für die Hilfe!

Hendrik



Re: Spannung subtrahieren mit OP
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Ausgang
bar

Hallo Hendrik,
versprochen ist versprochen. Im Anhang hängt der Schaltplan. Das ist
MaWin's Schaltung mit einem kleinen Unterschied. Dadurch daß R2 entfällt
spielt der Innenwiderstand des Sensors keine Rolle mehr.

Gruß
Helmut

Dimensionierung:

VCC: 5V,  VREF0=VREF_ADC = VCC = 5V
Vin:  3.443V ... 4.069V
A/D-Wandler: 0 ... 5V(VREF_ADC)

-> Maximum R6/R5 = Gain' = 5V/0.626V - 1 = 6.987

Vref = ( (Vinhigh+Vinlow)*(1+Gain')/2-2.5V )/Gain' = 3.935V

gain'=4.7  Vref=4.023V
gain'=5.6  Vref=3.98V
gain'=6.8  Vref=3.94V

Falls man nur 5% Widerstände hat, dann darf man den Bereich nicht voll
nutzen.

Zahlenbeispiel: R340%k(z.B. 39k+1k), R647%k...56k

R1, R2, C1, C2 dienen nur zum Filtern von Störungen. C1, C2 kann man
natürlich auch größer wählen, z.B. 100nF.
VCC für die Opamps sollte die Spannungsversorgung des uC sein damit
dieser nie durch zu hohe Eingansspannungen beschädigt werden kann.
Wenn der Sensor weiter entfernt ist, dann kann man natürlich auch noch
Schutzdioden an den Eingang des OPs schalten.
Für die Opamps sind hier Rail- to Rail-In/Out-Verstärker notwendig.


 Differenzverstärker  mit Rail- to Rail-In/Out-Verstärker
 --------------------------------------------------------

    VREF0=VCC
        +
        |      ---------
       .-.    |   VCC   |
       | |R4  |    +    |
       | |    |  |\|    |      R5         R6 (47k)
       '-'10k  --|-\    |VREF  ___        ___
        |        |  >---o-----|___|---o--|___|-
   VREF o--------|+/           10k    |        |
        |        |/|                  |   VCC  |
        -          |                  |    +   |
       | |R3      GND                 |  |\|   |   R7
       | |                     R1      --|-\   |   ___    Ausgang
       '-'(40k)                ___       |  >--o--|___|--o-------
        |              -------|___|--o---|+/       1k    |
        |             |        1k    |   |/|             |
       ===            |              |     |             |
       GND            |              | C1  |             | C2
        ______        |             ---    |            ---
       |      |       |             ---10n |            ---10n
       |Sensor|->-----               |     |             |
       |______|                      |     |             |
           |                         |     |             |
        ---o-------------------------o-----o-------------
                                     |
                                    ===
                                    GND

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Re: Spannung subtrahieren mit OP

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Wenn deine Spannung relativ zu Masse ist:

V --R1--+------------------|+\
        |    +------+      |  >-+-- A/D-Eingang
       R2    +-|+\  |    +-|-/  |
        |      |  >-+-R5-+--R6--+
Masse --+-R3-+-|-/          
             +-R4-- +5V (Referenzspannung des A/D-Wandlers)

LMC6482 oder ein anderer Rail-To-Rail OpAmp
R2=R3=R4=R510%k, R610%0k, R1=5.01k Metallfilmwiderstaende 1%
Belass deinen Messbereich bei 0..5V, das wird genauer.

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R1/R2 teilt deine Eingangsspannung um ~2/3, also auf 2.29 bis 2.71V.
R3/R4 produziert eine Spannung genau in der Mitte (2.3+2.7)/2 = 2.5V.
R5/R6 verstaerkt DIE DIFFERENZ beider Spannungen mit dem OpAmp um 11,
also aus 2.29V-2.5V = 0.21V * 11 = -2.31V von 2.5V abziehen: 0.19V
(untere Wert fuer kleinste Eingangsspannung)
und aus 2.71-2.5V = 0.21V * 11 = 2.31 zu 2.5V hinzu: 4.81V
(oberer Wert fuer groesste Eingangsspannung).

Als OpAmp kann man keinen LM358 oder aehnlich billigen nehmen,
weil der, wenn er mit 5V versorgt wird, keine 5V am Ausgang
produzieren kann. Das koennen nur die Rail-To-Rail-Typen, wie
der angesprochene LMC6482 (oder was dein Bauteilhaendler halt
da hat, bei 8 bit muss er ja nicht superpraezise sein).
--
Manfred Winterhoff, reply-to invalid, use mawin at despammed.com
homepage: http://www.geocities.com/mwinterhoff /
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Re: Spannung subtrahieren mit OP
Hallo Martin,
wir werden die Schaltung Montag einmal ausprobieren. Ich poste dann mal,
ob's geklappt hat!

Vielen Dank auch an alle anderen für die Tips!

Viele Grüße,
Hendrik



Re: Spannung subtrahieren mit OP

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Dann dreh' noch die Eingaenge des ersten OpAmp um...
V --R1--+------------------|+\
        |    +------+      |  >-+-- A/D-Eingang
       R2    +-|-\  |    +-|-/  |
        |      |  >-+-R5-+--R6--+
Masse --+-R3-+-|+/          
             +-R4-- +5V (Referenzspannung des A/D-Wandlers)
--
Manfred Winterhoff, reply-to invalid, use mawin at despammed.com
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Re: Spannung subtrahieren mit OP
Hallo,

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Kann mir jemand erklären warum die Schaltung trotz verkehrtrum eingebautem
OpAmp laut SwCAD trotzdem funktioniert ??? Ich bin schier verzweifelt bis
ich MaWins letztes Posting gelesen hab.

Gruß Chris



Re: Spannung subtrahieren mit OP
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Also bei mir haengt der 2te OpAmp (LT1013) in SwCad3 an oberer
Versorgungsspannung, wenn ich den ersten falschrum habe.
--
Manfred Winterhoff, reply-to invalid, use mawin at despammed.com
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Re: Spannung subtrahieren mit OP
Hallo,

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hab beim aufbauen den erstbesten (sprich LT1001) OpAmp genommen. Wenn ich
den LT1013 nehm wird das ganze so wie ich das erwartet habe. Nur was ist am
LT1001 anders?

Gruß Chris



Re: Spannung subtrahieren mit OP
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am

Hallo Chris,
ich wollte es ja erst nicht glauben, aber dem Modell scheint es echt egal
zu sein wie herum man es anschließt. Damit nehme ich meine Behauptung
zurück,
daß das nicht sein kann. Da bleibt nur der Umkehrschluß, das Modell vom
LT1001
ist miserabel.

Gruß
Helmut



Re: Spannung subtrahieren mit OP
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ich

Hallo,
für alle die gerade neu hier einsteigen, es geht um die Frage wieso
LTSPICE beim LT1001 die .OP oder .DC-Analyse funktioniert, obwohl
der Plus- und Minus-Eingang in der Schaltung eines invertierenden
Vertärkers vertauscht waren.
Um der Sache auf den Grund zu gehen habe ich mir mal das SPICE-Modell
vom LT1001 vorgenommen. Ergebnis, es ist in Ordnung.

Dann habe ich einen Verstärker mit nur einer E-source(Gain10%0)
und zwei Rückkopplungswoderständen gebaut.
Ergebnis, genau das gleich Problem. Man kann den Plus- und
Minus-Eingang beim invertierenden Verstärker vertauschen und erhält
fast das gleiche Ergebnis. Wenn man sich die simulierten Ausgangs-
spannungen anschaut, dann erfüllen tatsächlich beide Fälle das
Ohmsche Gesetz. SPICE konvergiert bei der falschen Beschaltung
des OPs einfach auf einen theoretischen Grenzfall. Ich habe diese
Schaltung dann noch mit PSPICE(Demo V8) simuliert und hatte genau
das gleiche Problem.
Ganz anders sieht das bei der .TRAN Simulation aus wenn man
Energiespeicher( C, L) in der Schaltung hat. Dann "schwingt"
der Simulator quasi über diese pathologischen Werte hinweg.

In der realen Welt ist das Verharren in diesem Grenzfall
(Arbeitspunkt) nicht möglich, da allein schon durch das Rauschen
die Schaltung bei falscher Beschaltung "wegkippt".


Wie kann man nun aber solche Fehler erkennen oder vermeiden?
Beim LT1001 hat es geholfen bei einer .DC Simulation die Option
"x NoOpIter" im Control Panel->SPICE zu setzen.
Bei der einfachen Schaltung mit der E-Source hilft das aber auch nicht.

Mein Tipp:
Die Simulation im Zeitbereich .TRAN hilft, da dann durch die
Verzögerungen bedingt durch L und C in der Schaltung der Simulator
nicht so leicht auf diese "pathologischen" Werte konvergiert.

Ich habe das Ganze dann mit einer Rampenfunktion(Rise time 1ms)
in einer .TRAN-Simulation getestet.
Dann stellt sich zumindest auch beim LT1001 das richtige Verhalten ein.
Beim LT1001 war hierbei kein besonderes Setting im Control Panel
notwendig. Der hat ja auch einige Cs(Tiefpass) im Modell.

Nur bei der simplen Schaltung unten mir der E-Source war hier ein
zusätzliches Bauteil(Speicher), z.B. C10%p vom Verbindungspunkt
der Widerstände nach Masse, notwendig.
Zuätzlich benötigte diese  Schaltung noch die Option "x Noopiter"
im SPICE Control Panel damit die falsche Beschaltung auch zum
Fehler führt.

Hallo Christof,
ich möchte mich besonders bei dir bedanken, daß du auf das
Problem mit dem LT1001 hingewiesen hast. Gestern hatte ich noch
gesagt das kann nicht sein. Heute bin ich um einiges schlauer.

Gruß
Helmut



Die richtige Beschaltung vom +/- Eingang


                  10k              10k
                 ___              ___
         Vin ----___-----o--------___-----
          1V             |                |
                         |     ____       | -0.98V
                         |    |    |      |
                          ----|-   |------o------ Ausgang
                              | E1 | Vertärkung10%0
                          ----|+   |----
                         |    |____|    |
                         |              |
         GND ------------o--------------o--------



Die falsche Beschaltung vom +/- Eingang


                  10k              10k
                 ___              ___
         Vin ----___-----o--------___-----
          1V             |                |
                         |     ____       | -1.02V
                         |    |    |      |
                          ----|+   |------o------ Ausgang
                              | E1 | Vertärkung10%0
                          ----|-   |----
                         |    |____|    |
                         |              |
         GND ------------o--------------o--------


Re: Spannung subtrahieren mit OP
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Ich hab mich bei Dir für die ausführliche Analyse zu bedanken, jetzt steht
mein Weltbild wieder gerade :-)

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Gruß Chris



Re: Spannung subtrahieren mit OP
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Hallo Chris,
das kann ich natürlich nicht glauben. Schick mir bitte alle relevanten
Dateien(Schaltplan, OP-Modell) für LTSPICE damit ich mir das ansehen kann.

Gruß
Helmut


Re: Spannung subtrahieren mit OP
Hallo Michael,

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Naja, ich kenne ja jemanden, der sich ein wenig mehr auskennt ;-)
Und da der Elektronik Teil des Projektes nur sehr bescheiden ist, passt das
schon.

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Schön wär's. Aber ich glaub, das hat die C-Control nicht.

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Werd ich weiterleiten ;-)

Danke!
Hendrik



Re: Spannung subtrahieren mit OP

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In solchen Fällen sollte man sich mal die Ausgangsspannung des OpAmps
mit nem Oszi angucken nach der Devise 'Oszillatoren schwingen nie,
Verstärker immer'. Oft hilft Belastung des OpAmp-Ausgangs mit einigen
kOhm. Falls irgendwer an den OpAmp-Ausgang Kondensatoren zur
Spannungsglättung angehängt hat: drastisch verkleinern oder weglassen.

Winfried Büchsenschütz

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