Summierverstärker

Der Summierverstärker ist eine OP-Schaltung mit zwei Eingangsspannungsquellen. Eine der Eingangsquellen ist die Sensorspannung. Hier schließen Sie einfach Ihren Sensor an. Die andere ist die Verschiebespannung. Die Verschiebespannung müssen Sie irgendwo in Ihrer Schaltung generieren. Im Labor benutzen Sie dafür einfach ein Netzteil. Wie diese Spannung realisiert wird betrachten wir hier nicht näher.

Zunächst leite ich die Übertragungsfunktion der Schaltung her. Zur Erinnerung: Es gilt Ud = 0V und es fließen keine Ströme in die Eingänge des OPs hinein. Wir können also folgende Gleichungen aufstellen:

Die mathematische Operation in den Klammern wird zuerst abgearbeitet. Diese Schaltung führt also zuerst eine Addition zweier Spannungen durch. Danach erfolgt die Multiplikation mit dem Faktor v. Die Verstärkung v ist negativ, die Summe der beiden Signale wird also einmal invertiert.

Wir können keine Übertragungsfunktion der Schaltung bilden. Das können wir nur mit Funktionsblöcken mit einem Eingang und einem Ausgang. Diese Schaltung weist 2 Eingänge auf. Das ist bei jeder Schaltung der Fall, die verschiebt und verstärkt. Es ist nicht schlimm, wir können auch ohne Übertragungsfunktion die Ausgangsspannung ausrechnen.

Diese Schaltung wird folgendermaßen eingesetzt: Da die Verstärkung negativ ist, muss das Signal nach dem Verschieben vollständig negativ sein. Ein vollständig negatives Signal, das durch die Verstärkung invertiert wird, ist anschließend vollständig positiv.

Beispiel

Das Sensorsignal des PT-100 an einer Stromquelle mit I0 = 10mA liegt im Messbereich von T = [0°C … 100°C] im Bereich uS = [1V … 1,4V]. Die Referenzspannung des ADCs beträgt UREF,ADC = 3V.

Um dieses Signal mit einem Summierverstärker auf den ADC anzupassen, müssen wir das Signal zunächst vollständig negativ machen. Die obere Grenze sollte dabei 0V betragen. Dafür müssen wir das Sensorsignal mit der Verschiebespannung UV= – 1,4V addieren.

In der oberen Schaltung ist zwei Mal die Bezeichnung R1 an unterschiedlichen Widerständen benutzt worden. Dies soll signalisieren, dass die Werte der Widerstände gleich groß sind. Die Verschiebespannung ist als Spannungsquelle eingezeichnet. Sie kann z. B. mit einem Netzteil realisiert werden. Der Ausgang des Sensors (PT-100 mit Stromquelle) wird dort angeschlossen, wo im Schaltbild des Summierverstärkers die andere Spannungsquelle verwendet worden ist.

Die Kennlinie der Ausgangsspannung des OPs über der Temperatur sieht folgendermaßen aus:

Der Messbereich der Temperatur passt jetzt optimal zum Eingangsspannungsbereich des ADCs. Der ADC digitalisiert die Spannung. Wir nehmen einen im Beispiel 8 Bit ADC an.

Die Kennlinie der Zahlen am Ausgang des ADCs über der Temperatur ist in Rot in der oberen Abbildung dargestellt. Die Kennlinie weist Offset und Steigungsfehler auf. Idealerweise hätten wir gerne die blaue Kennlinie. Wir müssen in der digitalen Signalverarbeitung noch eine digitale Korrektur durchführen.

Der Offset in der Kennlinie ist die Spannung bei Temperatur T = 0°C. Die Offsetzahl beträgt 255. Der Offset wird korrigiert, indem die Offsetzahl von allen Zahlen subtrahiert wird, die der ADC ausgibt. Die Steigung beträgt -255 / 100°C. Bei einem 8 Bit ADC mit UREF = 3V gilt:

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