Analogsignal verstärken (und filtern?)

Hi,

ich bin ganz neu hier in der uC Gegend und habe mich jetzt an einigen Tutorials und mit bisschen rumprobieren erfreut und jetzt kommen die ersten Fragen, die so ähnlich schon tausend mal gestellt wurden, aber selbst nach Tagelanger Recherche weiß ich mir nicht zu helfen und hoffe das ihr das könnt.

Ich habe von einem Sensor eine Spannung die nur zwischen 2500mV und 2605mV schwankt und möchte diese sinnvoll über einen Analog IN am Arduino UNO einlesen. Also Verstärken - schön und gut - soviel weiß ich schon :stuck_out_tongue: Da ich Elektrotechnisch eher ein Anfänger bin wirds dann aber schon schwierig. Aus der weiten Welt des Internets hab ich schon rausgefunden, dass ich eine Rail to Rail Operationsverstärker als nichtinvertierenden Verstärker nutzen sollte. Aha… Und welchen dann genau. Und wie wird der angeschlossen? Am Aref wollte ich eigentlich nix ändern weil ich noch andere Sensoren habe für die die 5V gut passen und man Aref für die einzelnen Analog INs ja nicht verschieden machen kann oder? Dann hab ich noch gelesen, dass bei solchen geringen Spannungsunterschieden ein Filter nicht schlecht wäre um Messergebnisse zu minimieren. Welcher würde sich da denn eignen und was gibt es da noch zu beachten?

Ich hoffe ihr könnt mir einfach helfen. Ich würde gerne auch die Zusammenhänge dahinter verstehen, stoß dabei aber immer wieder auf einen Berg von Informationen, die ich so schnell nicht verarbeiten kann.

Danke

http://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0210151.htm

Die Verstärkung ist wie da steht wie gesagt 1 + (R2 / R1). Entsprechend musst du die Widerstände dimensionieren.

Der genaue Typ ist bei sowas einfachem nicht so extrem wichtig, da die meisten Charakteristika keine so große Rolle spielen. Wenn man also bei Versendern grob nach Rail to Rail in DIP-8 sucht lässt sich was finden. z.B. OPA347. Der hat auch eine relativ geringe Offset Spannung von nur 2mV. Kommt aber auch darauf an wo du bestellen willst und was die haben

Von der Frequenz des Signals hast du nichts erzählt, da nehme ich mal Gleichspannung an.

Ohne opamp hast du 100mV Pegelunterschied, das sind bei 5V Messbereich nur eine Auflösung von 20 oder 5% Schritten, nicht so toll :wink:

Bei deinem Anwendungsfall ist wohl RailToRail nicht absolut notwendig, vereinfacht aber die Auslegung. Interessanter ist, eine Referenz-Spannung zu subtrahieren,und die Differenz passend zu verstärken. Vorausgesetzt, Drift und Rauschen stören nicht mehr als du durch Subtraktion und Verstärkung an Signalpegel gewinnst.

(x - 2400mV) * 10 wandelt 2500...2605 ->1000 ... 2050 also schon mal 0,5% Auflösung.
Weit von RailTo Rail Anforderung weg und noch längst nichts ausgereizt.

michael_x:
Von der Frequenz des Signals hast du nichts erzählt, da nehme ich mal Gleichspannung an.

Genau - vergessen zu erwähnen :stuck_out_tongue:

michael_x:
(x - 2400mV) * 10 wandelt 2500...2605 ->1000 ... 2050 also schon mal 0,5% Auflösung.

Ja genau so würde ich mir das wünschen. Die gleichung "einfach" elektrotechnisch umsetzen :stuck_out_tongue: Ist wohl nicht so einfach? :smiley:

Das ist recht einfach und die Idee hatte auch schon:
https://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0210153.htm

Was da gemacht wird ist die Spannung am Minus-Eingang von der Spannung am Plus+Eingang abzuziehen. Dann wird die Differenzspannung verstärkt. Das Signal kommt an den Plus-Eingang. Dann legt man am Minus-Eingang über einen Spannungsteiler (z.B ein Trim-Poti) eine feste Spannung an. Die Verstärkung stellt man z.B. auf 10 an mit der Formel für R1 = R3, R2 = R4. Dabei kann man für R3 und R4 10k nehmen.

Achte vielleicht darauf, dass du Widerstände mit mindestens 1% Toleranz verwendest.

Ich kann mich den vorrednern nur anschliessen. Der OPA 347 ist ein gute und günstige Wahl.
Wenn Du dir den Beschaltungs und Rechenaufwand erleichtern möchtest, dann kann ich zu einem BURR Brown INA122 P
raten.
Dat ist ein Instrumentenverstärker (Meßverstärker), der für den 5 V Single Supply hervorragend geeignet ist und funktioniert. Diese Sonderform des Differenzverstärkers belastet deinen Sensor nicht. Der Aufwand erfolgt jediglich nur die Beschaltung durch einen Widerstand, der die Verstärkung bestimmt.

Hier ein Beispiel

Instrumentenverstärker sind halt auf Grund der sehr hohen Genauigkeit meistens sehr teuer. Der AD620 ist eine relativ günstige Ausnahme.

Das klappt ja super hier! Echt geniales Forum mit sehr hilfreichen Leuten!
Jetzt hab ich schonmal nen Plan und kann das mal ausprobieren.

Nochmal kurz ne Verständnisfrage zum Plan von Diode. Der Kondensator C3 dient dort dazu Spannungsschwankungen der 5V Quelle zu minimieren oder welchen Zweck hat der?

Hallo,

ich würde dem Vorschlag von michael_x folgen. Die Schaltung im angehängten Bild sollte Deine Anforderungen erfüllen. Sie liefert eine Ausgangsspannung zwischen rund 0,3 und 3,3 V. Falls Du noch etwas mehr willst, kannst Du für R7 330k probieren. Muss man sehen, ob U4 dann schon clippt.

Statt des LTC1046 kannst Du den ICL7660 oder MAX1044 verwenden (die sind leichter zu beschaffen).

Ansonsten kurz zur Schaltung: Der LTC1046 erzeugt die benötigte negative Spannung für die OPV. U1 und U2 sind Impedanzwandler. U3 zieht den Offsetanteil von der Sensorspannung ab und U4 verstärkt den übrig gebliebenen Rest. U4 bekommt als Versorgung +5V und GND, somit ist sichergestellt, dass keine Spannung erzeugt wird, die den Arduino schädigen kann, egal was am Eingang passiert.

Simulieren kannst Du die Schaltung mit LT-Spice. Falls Dir das Modell für den LM358 fehlt, das kannst Du hier runterladen: elektronik-bastelkeller.de

Gruß,
Ralf

PS: Vergessen - +5V und GND kommen vom Arduino.

Ich dachte eher an etwas einfacheres… :wink:
Der Allerwelts-LM358 kann auch mit 0 … 5V betrieben werden. Evtl. muss man durch Roff > 100k etwas vom unteren Ende wegbleiben. Die andere Hälfte des Dual-358 im PDIP-8 kann ja für weitere Verstärkung verwendet werden.

Nachtrag: Roff = 100k liefert in LTSpice schönere Ergebnisse (s.u.), falls das mit der Realität übereinstimmt.

SimpleOffset.png

michael_x:
Der Allerwelts-LM358 kann auch mit 0 … 5V betrieben werden.

Hallo,

mach ich ja bei U4.

Bei Deiner Schaltung gehen 2,5V rein und 1,25V (rund) kommen raus und 2,6V rein, 1,4V kommen raus. Entweder mache ich da was falsch oder ich sehe nicht, was das bringt. Wenn ich das noch 3fach verstärke habe ich 3,75V bis 4,2V, also Auflösung 0,45V.

Gruß,
Ralf

Die Impedanzwandler vor den Eingängen sollte man sich aber gönnen. Sonst wird der Sensor durch die Eingangswiderstände belastet.

ich sehe nicht, was das bringt

Richtig, LTSpice-simuliert hatte ich das mit Roff = 100k. ( 200k ist etwas reichlich, stimmt )
Das macht aus 2.5V Eingang 0V Ausgang, aus 2.6V Eingang 0.2V Ausgang (also eine Verstärkung von 2)
Diese 0.2V könnte man noch 15fach verstärken.

Wäre zu sehen, wie das in der Realität aussieht.
Lt. Datenblatt hat der LM358 einen Ausgangsbereich von 0V bis Vcc -1.5V.

Der Preisunterschied von 0,17 zu 2*1,20 ( bei Reichelt den LM358 mit dem railtorail OPA347 verglichen ) kommt eher nicht von den Herstellungskosten, sondern von der Antwort auf "What's the Value?" :wink:

Impedanzwandler vor den Eingängen sollte man sich aber gönnen

Zugegeben : 100k im Eingang ist ein billiger Kompromiss zwischen "einfach" und hoher Eingangsimpedanz.

kirschboom:
Nochmal kurz ne Verständnisfrage zum Plan von Diode. Der Kondensator C3 dient dort dazu Spannungsschwankungen der 5V Quelle zu minimieren oder welchen Zweck hat der?

Ja kann man so sehen. Ist gemäß dem Datenblatt so vorgesehen.
Ich dachte das wäre mal ein adäquater Lösungsvorschlag für einen eher Elektronik-Anfanger, da der Aufwand gering ist und zum schnellen Erfolg führt. (Gemäß Bild erfolgreich getestet 8))
Zu bedenken ist, dass der 122-er stolze 7 Taler kostet ( vielleicht andere Modelle in Betracht ziehen), aber ohne einer symetrischen Spannungsversorgung (+ & -) ausgkommt.

Der günstigere AD620 kommt wohl nicht ohne symmetrische Spannungsversorgung aus? Werd aus dem was im Datenblatt steht nicht so wirklich schlau. :~

Es geht mit einem Trick und einem OPs als Impedanzwandler. Aber dann muss man sowie es aussieht den Ausgang des Impedanzwandlers als Masse für den ADC nehmen. Man braucht also zwei getrennte Versorgungsspannungen.

Da kann man das Ding auch gleich symmetrisch versorgen. Das kannst du z.B. wie oben beschrieben mit einem LTC1044 oder ähnlichem machen. Der kostet aber noch mal um die 2,50€

Wenn man da so einen Aufwand betreiben muss, kannst du aber auch gleich den teureren INA122 nehmen. Der ist explizit für Single Supply ausgelegt.

Oder eben einzelne, relativ billige OPs. Das müssen wie gesagt nicht unbedingt R2R sein. R2R brauchst du nur wenn du mit dem Ausgang nahe an den Wert der Versorgungsspannungen willst. Das ist hier nicht wirklich erforderlich.

Serenifly:
Oder eben einzelne, relativ billige OPs. Das müssen wie gesagt nicht unbedingt R2R sein.

Eben, probier doch einfach mal meine Schaltung und fertig ist der Lack :slight_smile:

Gruß,
Ralf

Alles klar,

da werd ich mir das nochmal durch den Kopf gehen lassen für welche Lösung ich mich entscheide und dann mal probieren.

Danke erstmal für die Hilfe.