Verstärkung von Differenzsignalen

In diesem Kapitel wird diskutiert, wie Differenzsignale verstärkt werden können. Wir suchen dafür Verstärkerschaltungen, die wir an eine Brückenschaltung anschließen können. Der ADC braucht an seinem Eingang ein massebezogenes Signal. Der Verstärker muss also ein Differenzsignal in ein massebezogenes Signal umwandeln.

Für die Verstärkung von Differenzsignalen nutzen wir einen Differenzverstärker. Wird die Ausgangsspannung der Brücke an den Eingängen des Differenzverstärkers angeschlossen, ergibt sich folgendes Schaltbild:

Nehmen wir zur Herleitung der Übertragungsfunktion an, dass an den Eingängen des Differenzverstärkers (an den roten Leitungen) die eingezeichneten massebezogenen Spannungen U1 und U2 anliegen. Diese Spannungen entsprechen den Potentialen aus dem vorherigen Kapitel. Dann beträgt die Ausgangsspannung:

Die Übertragungsfunktion kann jetzt mit den Widerstandswerten beeinflusst werden. Wir können beliebige Steigungen der Kennlinie erzeugen. Die Ausgangsspannung des OPs ist massebezogen und kann deshalb von einem ADC digitalisiert werden.

Beispiel

Die Näherung ist ziemlich heftig und das genäherte Ergebnis recht weit vom realen Ergebnis entfernt. Wir verwenden sie zur groben Abschätzung in der Praxis und zur Berechnung von Klausuraufgaben.

Zusammenschaltung von Schaltungen

Wir schalten eine Brückenschaltung und einen Differenzverstärker zusammen. Dafür müssen wir prüfen, ob Strom von der Brückenschaltung in den Differenzverstärker fließt und ob das problematisch ist. In beide Eingänge des Differenzverstärkers fließt jeweils ein unterschiedlich hoher Strom hinein.

Für die Berechnung der Sensorspannung an der Brücke sind wir davon ausgegangen, dass kein Strom aus der Brückenschaltung abfließt. Es wird klar, dass sich die Sensorspannung beim Zusammenschließen der Schaltungsteile verändert, obwohl sich die Temperatur nicht ändert. Wir machen also einen Fehler. Dieser Fehler ist auch noch abhängig von der Temperatur, denn er ist abhängig von φ1 und φ2. Er ist schwierig zu berechnen und deshalb digital nur mit größerem Aufwand zu beheben.
Die einfachere Lösung bietet der Instrumentenverstärker. Hier gehen beide Ausgänge der Brückenschaltung direkt auf OP-Eingänge. Deshalb fließt kein Strom aus der Brückenschaltung. Die Brücke ist vom Verstärker entkoppelt. Diese Lösung sieht folgendermaßen aus:

Es wird immer dann ein Instrumentenverstärker benötigt, wenn der Strom in die Eingänge der Verstärkerschaltung zu hoch wird, so dass die Messunsicherheit unzulässig hoch wird.

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