Val av operationsförstärkare vid MCP3008 ADC?

[lillahuset]

Fråga en av mina nuvarande kunder och du kan nog få en avvikande åsikt.

[Al_Bundy]

Bra att ni sade till. Vad ska jag göra utan er?

Men är inte Gain 1000 lite lite för en utsignal på 3.3 mV på 50 kg? AD634 ampen har ju gain mellan 0 och 1000.

Det blir ju 0.33 volt vid max gain.

Raspberry pi har ju stöd för 5 volts Vcc och 3.3 volt Vcc.

[Magnus_K]

3,3mV = 0,0033 V
0,0033 V * 1000 = ?

[Castor]

Magnus K: Du förstår inte den nya matematiken.

[Al_Bundy]

Huvudräkning är inte min grej.

Hur som helst. På en förstärkare så anger man V+ och V-. På V+ åker det in 5 volt och V- anses som referens. Om output är 3 volt. Är då V- 2 volt då?
Nu har jag inte så mycket koll. Men på något sett så måste det finnas en annan output som skickar iväg "restspänningen".

Vi säger att jag förstärker upp A = 1000, A*(0,003-0) = 3 volt = output. Och min V+ är 5 volt. Vad blir då V-?

[lillahuset]

Que?

[Castor]

Om nu "huvudräkning" inte är din grej kanske du skall använda något hjälpmedel när du räknar!

[Magnus_K]

Snabbkurs i operationsförstärkare (opamp):

Hur kopplingspunkterna nedan benämns i olika dokument kan ibland skilja lite om man vet hur en opamp fungerar så kan man också snabbt skilja på dessa olika namn.
För att göra detta inlägg enhetligt så kommer jag referera till bilden och dess benämningar.

Opamp.JPG

Vsupply+ och Vsupply-:
Matningsspänning till opampen. Som du förstår så måste opampen ha en matning som så många andra ting. Förutom en helt "vanlig" matning så kan du också se dessa två spänningar som ändlägen i utsignalen. Man brukar säga att utgången "svingar" mellan dessa matningar.
Pga sin konstruktion så kommer aldrig utgången kunna svinga exakt till sina matningsspänningar utan beroende på konstruktion kommer du komma olika nära.
När jag började labba med opampar så var detta en av de första sakerna jag gjorde bort mig på. Jag matade min opamp med +5 och jord och när jag förväntade mig att utgången skulle ge jord (0V) så kome den aldrig lägre än 1,5V.
Det berodde just på vad jag skrev ovan. Konstruktionen förhindrade den att gå närme än 1,5V till Vsupply-.
Det vackra med opampar är å andra sidan att Vsupply- inte alltid ska jordas utan du har möjligheten att mata med negativ spänning här. Hade jag matat med +5V och -1,5V så min utgång kunnat gå ner till 0V.
Tänk på det här när läser databladen och designar din kretsen. Förutsätt aldrig att din opamp:s utgång kan nå upp/ner till exakt den spänningen du matar med.

Vin+ och Vin-:
Det är här du koppplar in dina två signaler som ska "behandlas".
Det underbara med opampar är att dom alltid har skyhög ingångsimpedans här. Enkelt sagt så innebär det din opamp inte kommer påverka din övriga krets så mycket - den "stjäl" i stort sett ingen ström från din signalkrets. (Obs. till skilland på matningarna däremot, där den tar den så mycket ström den får).
Det opampen alltid försöker sträva efter är att hålla ingångarna lika. Förklaring av detta följer.

Tänk dig att du står med en vattenslang och två hinkar framför dig. Vattenstrålen går inte att stänga av och du måste spruta i en hink hela tiden, aldrig utanför.
Är det massor av vatten i den ena hinken så kommer du självklart sikta på den tomma hinken. När du sedan kommit ikapp så siktar du på den andra hinken.
Opampen kommer göra det samma. Ligger Vin- över Vin+ så kommer utgången kräma på allt den kan för jämna ut dom och ligger helt plötsligt Vin- under Vin+ så kommer utgången svinga åt andra hållet för att kompensera.
Givetvis kan inte utgången ändra din insignal eftersom dessa inte är ihopkopplade... eller? Återkommer om detta.

Hur "kraftfullt" utgången kommer jobba för att jämna ut dina ingångar är beroende på förstärkningsfaktorn (gainen).
En idealisk opamp har oändlig gain men i verkligheten är den många tusen gånger. Kanske kring G = 100000.
I många fall kan det här var bra men i ditt fall så vill ju du ha en bestämd förstärkningsfaktor, eller hur? Hur gör vi det här då? Jo, med feedback - återkoppling.

Nu kommer vi till delen med att utgången påverkar din insignal.
Genom att återkoppla (koppla ihop) utgången med en eller båda dina ingångar så kan vi lite bättre kontrollera opampens hysteriska sätt att agera. Göra man det här på ett visst sätt så kan du ställa den egna förstärkningsfaktor och du har gjort din egna differentialförstärkare.
Gör man det enkelt för sig så behövs bara några motstånd och sen är du klar men du har också då förstört en av dom vackra funktionerna - hög ingångsimpedans.
Pga återkopplingen så kan du börja dra ström från dina signaler och detta blir ibland inte så bra.

Då dina signaler kommer från en spänningsdelare (trådtöjningsgivare) så vill vi absolut inte börja dra en massa ström från denna signal utan vi vill behålla vår skyhöga ingångsimpedans, men hur gör vi då? Vi vill bestämma gain med återkoppling men inte påverka signalkretsen. Jo, då tar vi till plånboken och köper en instrumentförstärkare.
Dessa är så fint konstruerade så du kommer ha jättehög ingångsimpedans och du ställer din förstärkningsfaktor - bravo.

Avslutningsvis ett snabbexempel på din krets.
Får du tex in 1mV högre på Vin+ än Vin- så skulle en "vanlig" opamp dra din utgång direkt till en av matningsspänningarna, pga den skyhöga förstärkningsfaktorn.
Har du istället ställt in en förstärkningsfaktor själv så kommer opampen så vackert jämföra differensen mellan ingångarna och multiplicera denna med förstärkningen och vidare ge den spänningen på utgången. 1mV differens på ingångarna med faktor 1000 kommer att ge dig 1V utången. Punkt slut.

Förhoppningsvis läser i alla fall TS fortfarande men många har nog lagt av att läsa vid det här laget. Hoppas att det i alla fall hjälper dig lite på traven att läsa opamp:ars datablad och hur dom används.
Jag har medvetet överförenklat vissa saker och någon kanske rent utav blir uppåt väggarna men tyckte det var nödvändigt för att få till en förklaring.

[jesse]

Huvudräkning är inte min grej.

Hur som helst. På en förstärkare så anger man V+ och V-. På V+ åker det in 5 volt och V- anses som referens. Om output är 3 volt. Är då V- 2 volt då?
Nu har jag inte så mycket koll. Men på något sett så måste det finnas en annan output som skickar iväg "restspänningen".

Vi säger att jag förstärker upp A = 1000, A*(0,003-0) = 3 volt = output. Och min V+ är 5 volt. Vad blir då V-?

Är det en instrumentförstärkare du talar om?
Rita ett schema (eller posta en länk med ett exempel med schema) annars vet vi inte vad du pratar om.

Exempel på instrumentförstärkare med bryggkoppling finns här: INA333 (sidan 18).

Utsignalen (Vout) är relativ till ref. som här är på 1.5 volt. (Man måste skapa ref, det finns inte med på schemat, t.ex. med en spänningsdelare och en OP-förstärkare). Om förstärkningen G = 1000 och spänningsskillnaden på ingångarna (V+ - V-) är 0.77mV blir utsignalen Uout = G*(V+ - V-) + 1,5V = 0.77+1.5V = 2.27V.

[Al_Bundy]

Snabbkurs i operationsförstärkare (opamp):

Hur kopplingspunkterna nedan benämns i olika dokument kan ibland skilja lite om man vet hur en opamp fungerar så kan man också snabbt skilja på dessa olika namn.
För att göra detta inlägg enhetligt så kommer jag referera till bilden och dess benämningar.

Opamp.JPG

Vsupply+ och Vsupply-:
Matningsspänning till opampen. Som du förstår så måste opampen ha en matning som så många andra ting. Förutom en helt "vanlig" matning så kan du också se dessa två spänningar som ändlägen i utsignalen. Man brukar säga att utgången "svingar" mellan dessa matningar.
Pga sin konstruktion så kommer aldrig utgången kunna svinga exakt till sina matningsspänningar utan beroende på konstruktion kommer du komma olika nära.
När jag började labba med opampar så var detta en av de första sakerna jag gjorde bort mig på. Jag matade min opamp med +5 och jord och när jag förväntade mig att utgången skulle ge jord (0V) så kome den aldrig lägre än 1,5V.
Det berodde just på vad jag skrev ovan. Konstruktionen förhindrade den att gå närme än 1,5V till Vsupply-.
Det vackra med opampar är å andra sidan att Vsupply- inte alltid ska jordas utan du har möjligheten att mata med negativ spänning här. Hade jag matat med +5V och -1,5V så min utgång kunnat gå ner till 0V.
Tänk på det här när läser databladen och designar din kretsen. Förutsätt aldrig att din opamp:s utgång kan nå upp/ner till exakt den spänningen du matar med.

Vin+ och Vin-:
Det är här du koppplar in dina två signaler som ska "behandlas".
Det underbara med opampar är att dom alltid har skyhög ingångsimpedans här. Enkelt sagt så innebär det din opamp inte kommer påverka din övriga krets så mycket - den "stjäl" i stort sett ingen ström från din signalkrets. (Obs. till skilland på matningarna däremot, där den tar den så mycket ström den får).
Det opampen alltid försöker sträva efter är att hålla ingångarna lika. Förklaring av detta följer.

Tänk dig att du står med en vattenslang och två hinkar framför dig. Vattenstrålen går inte att stänga av och du måste spruta i en hink hela tiden, aldrig utanför.
Är det massor av vatten i den ena hinken så kommer du självklart sikta på den tomma hinken. När du sedan kommit ikapp så siktar du på den andra hinken.
Opampen kommer göra det samma. Ligger Vin- över Vin+ så kommer utgången kräma på allt den kan för jämna ut dom och ligger helt plötsligt Vin- under Vin+ så kommer utgången svinga åt andra hållet för att kompensera.
Givetvis kan inte utgången ändra din insignal eftersom dessa inte är ihopkopplade... eller? Återkommer om detta.

Hur "kraftfullt" utgången kommer jobba för att jämna ut dina ingångar är beroende på förstärkningsfaktorn (gainen).
En idealisk opamp har oändlig gain men i verkligheten är den många tusen gånger. Kanske kring G = 100000.
I många fall kan det här var bra men i ditt fall så vill ju du ha en bestämd förstärkningsfaktor, eller hur? Hur gör vi det här då? Jo, med feedback - återkoppling.

Nu kommer vi till delen med att utgången påverkar din insignal.
Genom att återkoppla (koppla ihop) utgången med en eller båda dina ingångar så kan vi lite bättre kontrollera opampens hysteriska sätt att agera. Göra man det här på ett visst sätt så kan du ställa den egna förstärkningsfaktor och du har gjort din egna differentialförstärkare.
Gör man det enkelt för sig så behövs bara några motstånd och sen är du klar men du har också då förstört en av dom vackra funktionerna - hög ingångsimpedans.
Pga återkopplingen så kan du börja dra ström från dina signaler och detta blir ibland inte så bra.

Då dina signaler kommer från en spänningsdelare (trådtöjningsgivare) så vill vi absolut inte börja dra en massa ström från denna signal utan vi vill behålla vår skyhöga ingångsimpedans, men hur gör vi då? Vi vill bestämma gain med återkoppling men inte påverka signalkretsen. Jo, då tar vi till plånboken och köper en instrumentförstärkare.
Dessa är så fint konstruerade så du kommer ha jättehög ingångsimpedans och du ställer din förstärkningsfaktor - bravo.

Avslutningsvis ett snabbexempel på din krets.
Får du tex in 1mV högre på Vin+ än Vin- så skulle en "vanlig" opamp dra din utgång direkt till en av matningsspänningarna, pga den skyhöga förstärkningsfaktorn.
Har du istället ställt in en förstärkningsfaktor själv så kommer opampen så vackert jämföra differensen mellan ingångarna och multiplicera denna med förstärkningen och vidare ge den spänningen på utgången. 1mV differens på ingångarna med faktor 1000 kommer att ge dig 1V utången. Punkt slut.

Förhoppningsvis läser i alla fall TS fortfarande men många har nog lagt av att läsa vid det här laget. Hoppas att det i alla fall hjälper dig lite på traven att läsa opamp:ars datablad och hur dom används.
Jag har medvetet överförenklat vissa saker och någon kanske rent utav blir uppåt väggarna men tyckte det var nödvändigt för att få till en förklaring.

Tack för ditt långa inlägg.

Så Vsupply+ och Vsupply- är bara amplitudgränser?

Så om jag sätter Vsupply+ till 3.3 volt och Vsupply- till 0 volt t.ex. GND så kommer min op amp's utgång bara ge mellan 3.3 volt och 0 volt? Visst, försärkningen avgör också hur kännslig den ska vara.

Då måste jag hitta en OP AMP som kan fungera med 3.3 volt. INA128 vill ha minst 4.85 volt enligt databladet.

Men då har jag en liten fråga om MPC3008. Om referensspänningen är 3.3 volt hos MPC3008 och en ingång är på ca 3.3 volt. Vad blir då ADC värdet? Blir den då 1023 eller 0?

[Biker]

Näe inte normalt , sök OP rail to rail design

Man måste ha lite mer som supply(matningspänning till op) om man skall nå hela vägen , negativ matning också

[Al_Bundy]

Blev 8 stycken av INA128 och 10 stycken 8 pin DIP socklar. Som tur så har pajen 5 volts utgångar och 3.3 volts utgångar. INA128 kräver minst 4.85 volt men min output kommer bara pendla mellan 0 till 3.3 volt.

http://www.ebay.com/itm/1PCS-Instrument ... 1426510847

[TomasL]

Hur vet du att spänningen på utgången blir max 3,3V?

[Magnus_K]

Så Vsupply+ och Vsupply- är bara amplitudgränser?

Så om jag sätter Vsupply+ till 3.3 volt och Vsupply- till 0 volt t.ex. GND så kommer min op amp's utgång bara ge mellan 3.3 volt och 0 volt?

I en perfekt värld ja, men beroende hur den är konstruerad så kommer den antagligen inte nå riktigt till varken 3,3 eller 0 volt.
Dom olika spänningsnivåerna i en krets brukar på engelska kallas "rails".
Är man beroende av att kunna gå väldigt nära railarna/matningsspänningarna så ska man, precis som Biker skriver, leta efter "rail to rail" opampar.

Det här "rail to rail" uttrycket som många tillverkare brukar marknadsföra sina kretsar med verkar vara ganska flummigt. Bara för att du hittar en "rail to rail" opamp så ska du absolut inte förutsätta att du kommer dyngnära spänningarna, men det är en bra sökterm för att sortera ut många som inte passar ditt behov.
En annan bra sökterm kan också vara "single supply" vilket innebär att man kan mata som du tänkt göra, dvs "jord" och en högre spänning. Mest vanligt är ändå att man matar en opamp med både positiv och negativ spänning för att utgången ska kunna jobbat helt fritt åt båda hållen.

Men då har jag en liten fråga om MPC3008. Om referensspänningen är 3.3 volt hos MPC3008 och en ingång är på ca 3.3 volt. Vad blir då ADC värdet? Blir den då 1023 eller 0?

Då blir det 1023.
Precis som jag skrev tidigare så kan du försöka tänka att den spänningen din ADC använder som referens kommer ge dig 1023 om du har det på ingången.
(Det här är givetvis om du har en 10-bitars ADC, dvs 0-1023. Har du tex en 8-bitars ADC så skulle 3,3V på ingången, med 3,3V referens ge dig 255, då ADC-värdet sträcker sig mellan 0 och 255.)

[Al_Bundy]

Jadu. Någonstans måste den ju landa

Helt ärligt vet jag inte. Men om jag har ca 5 volt på weathstonebryggan med en lastcell som ger 1 mV vid 50 kg så måste den ge 0.5 mV vid 25 kg.

Då kan jag ju gaina upp det till ca 3.3 volt som output.

Fast jag skulle vilja fördela spänningen så att om det är 0 volt i output så är det 3.3 volt på GND på en ADC MCP3008 och vise versa.