Autor |
Beitrag |
   
Stefan Wimmer [Moderator] (Stefan)
Bewertung: - Abstimmungen: 0 (Abstimmen!) | Veröffentlicht am Donnerstag, 21. März 2002 - 19:29 Uhr: |     |
Hallo Leute, angeregt durch einige "elektronische Mißverständnisse" in einem anderen Forum habe ich mal ein paar Grundlagen zusammengetragen. Vielleicht kann ja jemand was damit anfangen Der Instrumentenverstärker - Aufzucht und Hege Steigt man in die "gehobene" Raketenelektronik ein, stößt man immer wieder auf das folgende Problem: Ein Sensor (Druck, mechanische Kräfte (DMS), Magnetfeld, etc...) besteht intern oft aus einer Brückenschaltung wie dieser hier:
Man kann sich diese als zwei nebeneinanderliegende Spannungsteiler vorstellen. Die Mittelabgriffe sind die Ausgänge. Im Idealfall (den man leider niemals antrifft) sind im Ruhezustand die Teilerverhältnisse der beiden Spannungsteiler identisch und die Spannung an den beiden Abgriffen ist ebenfals gleich. Wird nun der Sensor mit seiner Meßgröße beaufschlagt, so wird dieses Gleichgewicht verschoben (die beiden Teilerverhältnisse werden ungleich) und die Spannungen an den Mittelabgriffen laufen auseinander. Die eigentlich interessierende Ausgangsspannung ist also die Differenz der Spannungen an den beiden Abgriffen. Bei realen Sensoren kann dieses Ausgangssignal recht klein sein, während gleichzeitig der Ruhepegel (Offset) irgendwo zwischen Null und der Versorgungsspannung liegt. Man könnte nun auf die Idee kommen, einfach einen Operationsverstärker zur Differenzbildung und gleichzeitigen Verstärkung der Signale zu verwenden:
Das funktioniert sogar, hat in dieser Ausführung aber leider einige Nachteile: Die Eingangsimpedanz ist recht niedrig und an den beiden Eingängen auch noch unterschiedlich, was zu einer ungleichmäßigne Belastung des Sensors und zur Verstimmung der Eingangsspannungen führt. Außerdem müssen die Verhältnisse der Widerstände untereinander sehr genau miteinander übereinstimmen, da sonst Anteile der Offsetspannung mitverstärkt werden und das Ausganggsignal des Verstärkers unbrauchbar machen können (schlechte Gleichtaktunterdrückung (common mode rejection, CMR)). Besser ist folgender Aufbau:
Hier führen die Sensor-Ausgänge direkt und ohne weitere Beschaltung auf die relativ hochohmigen Eingäge zweier Operationsverstärker. Ein weiterer Vorteil dieser Variante ist, daß die Verstärkung nur noch durch einen einzigen Widerstand festgelegt wird und Offsetkorrekturen z.T. schon am invertierenden Eingang von A1 vorgenommen werden können. Da jedoch A1 die Sensorspannung inclusive des Offsets verstärken muß, bevor in A2 dann die Differentz gebildet wird, kann A1 auch hier leicht in Sättigung geraten und schränkt somit die maximale Offsetspannung ein. Sind die Verhältnisse von Signal- und Offsetspannung eines Sensors so, daß man mit dieser Einschränkung leben kann, steht dem Einsatz dieser Schaltungsvariante nichts entgegen. Wie in http://e-www.motorola.com/brdata/PDFDB/docs/AN1557.pdf (121KB) gezeigt, ist die Dimensionierung relativ einfach und durch Anfügen einer dritten Stufe können auch negative Offsets beherrscht werden. In der Praxis hat sich schließlich folgende Schaltung durchgesetzt und gilt als der "klassische Instrumentenverstärker":
Hier arbeiten die beiden Eingangsstufen gegen ein 'schwimmendes' Bezugspotenzial an RG welches der Eingangs-Offstespannung folgt und können somit nicht durch den Offset in die Sättigung getrieben werden. Verstärkungs-Gleichlauf und CMR (siehe oben) hängen davon ab, wie genau R2 und R2' bzw. R3 und R3' miteinander übereinstimmen und die Verstärkung kann via RG in weiten Grenzen gewählt werden. Für die Ausgangsspannung gilt: Vout = (Vin+ - Vin-) * ( (2R1/RG + 1) * (R3/R2)) Quellen: Datenblätter und Application Notes von Motorola und Analog Devices |
   
Stefan Wimmer [Moderator] (Stefan)
Bewertung: - Abstimmungen: 0 (Abstimmen!) | Veröffentlicht am Donnerstag, 21. März 2002 - 19:36 Uhr: |     |
Oops, da habe ich zuletzt das falsche Bildchen angehängt. Es sollte eigentlich dieses sein:
 |
   
Harald Lutz (Haraldl)
Bewertung: - Abstimmungen: 0 (Abstimmen!) | Veröffentlicht am Freitag, 22. März 2002 - 12:52 Uhr: |     |
Sind überhaupt Operationsverstärkerschaltungen wie hier abgebildet für die Verwendung in einer kleinen Rakete das Richtige? Denn man braucht eine symmetrische Spannungsversorgung also 2 Batterien (es sei denn jemand kennt Baterietypen für symmetrische Spannungen). Wäre nicht für viele Anwendungen ein frequenzvariabler Oszillator, bei dem der frequenzbestimmende Widerstand oder Kondensator durch die Meßgröße verändert wird, hier das Richtige? Ein solches Gerät kann sehr klein gebaut werden und liefert als Ausgangssignal eine Wechselspannung deren Frequenz von der Meßgröße abhängt und die problemlos auf jeden Sender aufmoduliert werden kann! |
   
Stefan Wimmer [Moderator] (Stefan)
Bewertung: - Abstimmungen: 0 (Abstimmen!) | Veröffentlicht am Freitag, 22. März 2002 - 14:35 Uhr: |     |
...über Offset-Verschiebungen sind auch bipolare Sensorsignale leicht in den positiven Bereich zu verschieben, und dann kann man single-Rail OpAmps verwenden, die nur eine Versorgungsspannung benötigen. Die Schaltungen oben dienen nur der Verdeutlichung des Prinzips. |
|