Arduino Vorverstärker

Konzept

Ein Arduino (wie die meisten anderen Microprozessoren) kann an seinem Analogeingang Spannungen zwischen 0V und der Referenzspannung $U_{ref}$ messen. Wenn die zu messenden Spannung aber kleiner und dann noch positiv und negativ ist, so müssen sie in diesen Bereich umgesetzt werden, d.h. sie muss verstärkt und es muss dann noch die halbe Referenzspannung addiert werden. Dies lässt sich alles mit einem Operationsverstärker erledigen. Um einen hohen Eingangswiderstand zu erhalten, wird eine nicht invertierende Beschaltung gewählt und es muss die halbe negative Referenzspannung subtrahiert werden.

Zur Berechnung:

• Für einen idealen Operationsverstärker gilt: $U_{e1}=U_{e2}$ $\left(=U_{e}\right)$ und $I_{e}=0$.
• Laut Kirchhoff (Knotenregel) gilt: $i_1+i_2+i_3=0$.
• Für die Schaltung heißt das:
  $$\frac{\left(U_{a}-U_{e}\right)}{R}+\frac{\left(-U_{ref}/2-U_{e}\right)}{R}+\frac{\left(0-U_{e}\right)}{R_{x}}=0$$
• Für $U_{e}=0$ ergibt sich wie gewünscht: $U_{a}={U_{ref}}/{2}$ (unabhängig von $R_{x}$).
• Ohne Rx ergibt sich eine zweifache Verstärkung des Eingangssignals
• Mit Rx = R / (V – 2) ergibt sich: Ua – Uref/2 = V * Ue, also eine V-fache Verstärkung.
  V = 4: Rx = R / 2
  V = 5: Rx = R / 3
  V = 10: Rx = R / 8

Die halbe negative Referenzspannung lässt sich mit Hilfe eines weiteren Operationsverstärker präzise aus der der Referenzspannung generieren.

Wahl der Referenzspannung und der Spannungsversorgung

Da der Vorverstärker an den Arduino angeschlossen werden soll, so liegt die Spannungsversorgung erst einmal fest. Die für die Schaltung notwendige negative Spannung lässt sich leicht aus der positiven Spannung gewinnen. Für eine Spannung von ±5 Volt aber auch für ±3,3 Volt ist die Auswahl an Operationsverstärkern groß. Wählt man keine Typen mit Rail-to-Rail Ausgang, so muss die maximal mögliche Referenzspannung ca. 1,5 Volt unter der Versorgungsspannung liegen. Die Versorgungsspannung als Referenzspannung ist aber auch bei Rail-to-Rail Typen so nicht möglich. Dafür ist eine Spannungsverdopplung der positiven Versorgungsspannung nötig.
Beim Anschluss an einen Arduino Uno (5 Volt Versorgungsspannung) lässt sich ein einfacher Operationsverstärker wie z.B. der TL072 mit JFET-Eingängen verwenden. Als Referenzspannung bietet sich dann die interne Bandgap-Referenz von ca. 1,1 Volt an. Als externe Referenz kann die regulierte 3,3 Volt Spannung des Arduino oder eine anders erzeugte Referenzspannung bis 3,5 Volt verwendet werden. Die Wahl fiel hier auf den genauen Shunt Regler LM4040 mit einer Spannung von 2,048 Volt. Dieser ist Teil eines Breakout Boards, welches auch einen Regler für 4,096 Volt enthält. Diese Referenzspannung ist allerdings zu hoch für den verwendeten Operationsverstärker. Dafür wäre dann ein Rail-to-Rail Typ notwendig (z.B. TLV272, nicht getestet).

Die Schaltung

Im oberen Teil ist der Verstärker aus dem Schaltungsentwurf zu erkennen. Der zweite Operationsverstärker erzeugt aus der Referenzspannung die negative Offsetspannung. Die Verstärkung lässt sich wie hier als Beispiel über Jumper einstellen. Dem eigentlichen Verstärker sind noch zwei Spannungsteiler als Abschwächer vorgeschaltet, die auch über Jumper zugeschaltet werden können. Diese Spannungsteiler haben einen Gesamtwiderstand von jeweils 1MOhm, so dass der Eingangswiderstand des Verstärkers 500kOhm ist, wenn beide bestückt sind. Die Diode am Ausgang verhindert eine negative Spannung am Analogeingang des Arduino. Die Schaltung benötigt eine zusätzliche negative Spannungsversorgung. Diese wird mit Hilfe des bekannten Spannungskonverters ICL7660 erzeugt. Die LC-Glieder in den Versorgungsleitungen sind keinesfalls Zierrat!

Die Referenzspannung kann aus dem Arduino entnommen werden (1,1V). Alternativ kann auch wie schon erwähnt eine präzise Referenzspannung (0,1%) mit dem Shuntregler LM4040 (2,048V) benutzt werden. Dazu ist der entsprechende Jumper zu setzen. Dabei ist es wichtig, dass der Arduino VOR dem Anschluss des Vorverstärkers (bzw. Setzen des Jumpers) auf externe Referenzspannung konfiguriert ist und nicht noch ein Sketch mit einer anderen Konfiguration des ADC läuft! In den Tabellen ist hier die Eingangsempfindlichkeit des Vorverstärkers bei einer Referenzspannung von 2V und den verschiedenen Verstärkungsfaktoren aufgeführt.

Dies ist nur ein Vorschlag für die Realisierung. Die Jumper wurden z.B. nur gewählt, weil die Schaltung permanent auf einem Prototyping Shield aufgebaut werden soll. Auch Erweiterungen bieten sich an. Beispielsweise fehlt ein Schutz vor zu hohen Eingangsspannungen. Ebenso könnte ein Komparator nachgeschaltet werden, um einen Frequenzzähler anzusteuern.

#Arduino, #Analogeingang, #Vorverstärker