Differenzverstärker - Messverstärker auf Steckplatine

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Für Lehrer, Schüler, Auszubildende, praktische Messungen, Funktionsmuster, Rapid Prototyping und Experimente

Einleitung

Inhalt
Versuchsaufbau Differenzverstärker / Messverstärker Gesamtansicht

Wenn potentialfreie Messungen durchgeführt werden sollen, benötigt man einen Differenzverstärker / Messverstärker. Insbesondere bei Messungen mit dem Oszilloskop ist das der Fall. Die folgende Anwendung beschreibt einen Differenzverstärker / Messverstärker, der auf Steckplatinen [9] unter Verwendung von CEK-Modulen [10] aufgebaut wurde. Dabei kommt man völlig ohne Löten und mechanische Bearbeitung aus. Außerdem werden nur Standard-Widerstände mit maximal 1% Toleranz verwendet, die leicht erhältlich sind. Der Aufbau auf Steckplatinen geht schnell und alle Teile auf den Steckplatinen können später wieder demontiert und weiterverwendet werden. Der Aufbau kann für Experimente im Unterricht bzw. zur Ausbildung eingesetzt werden. Aber auch praktische Messungen sind möglich. Immer wieder wird behauptet, das Schaltungen, die Frequenzen bis in den MHz Bereich verarbeiten, auf Steckplatinen (Breadboards) nicht möglich sind. Der vorliegende Aufbau beweist das Gegenteil.

Inhalt

Ziele

  • Die Schaltung soll einen praktischen Nutzen haben, es sollen also reale Messungen möglich sein.
  • Die Schaltung soll einfach nachzuvollziehen und lehrreich sein, z.B. für Schüler und Auszubildende
  • Es werden nur elektronische standard Bauteile mit üblichen Toleranzen verwendet
  • Mit der Schaltung können verschiedene Experimente ohne großen Aufwand durchgeführt werden.
  • Es soll gezeigt werden, dass der Aufbau von Schaltungen im MHz Bereich auf Steckplatinen (Breadboards) möglich ist.
  • Alle Bauelemente und Module, die auf den Steckplatinen aufgebaut sind, sollen wieder verwendbar sein.
  • Es soll nicht gelötet werden.
  • Die Aufbauzeit soll kurz sein.
  • Änderungen und Experimente sollen leicht möglich sein.
  • Der Aufbau soll zu eigenen Versuchen und Experimenten animieren.


Funktionen und Daten

Tabelle Daten

Parameter Wert,Einheit
Eingangswiderstand 11MOhm
Eingangsteilerverhältnis (änderbar) 1/11
Verstärkung gesamt mit Eingangsteiler (bei A=11) 2) 1
Eingangsteiler Frequenzgang kompensiert
Verstärkung A einstellbar / justierbar 11
Frequenzgang -3dbV ohne Eingangsteiler bei A=1 >1000Khz
Frequenzgang -3dbV mit Eingangsteiler bei A=11 400Khz
Eingangsspannung Differenz maximal mit Teiler, A=1,1 1) ±60 (120)V
Eingangsspannung Differenz maximal mit Teiler, A=11 11V
Eingangsspannung Gleichtakt maximal mit Teiler, A=11 ±60 (120)V
Offset einstellbar mit Teiler, A=11 <0,2mV
CMMR DC (ohne Eingangsteiler, bei A=1) >80dbV
CMMR DC (mit Eingangsteiler, bei A=11) >80dbV
CMMR (mit Eingangsteiler, bei A=11) siehe Bild
maximale Ausgangsspannung ±12V
Stromaufnahme, kleiner als 10mA
Versorgungsspannung symmetrisch ±5V... ±15V
Versorgungsspannung asymmetrisch +10....+30V
  • alle Werte bei V+ = V- = ±15V bzw V+ = 30 V
  • OP TL084 oder TL074

1) Theoretischer Wert, da aus Sicherheitsgründen nur bis 60VDC bzw. 25VAC gearbeitet werden soll!

2) die Verstärkung A bezieht sich auf die Verstärkung der Schaltung ohne Eingangsteiler

Realisierung

Differenzverstärker - Messverstärker Übersicht mit Legende

Im Folgenden wird die Ralisierung des Differenzverstärker / Messverstärker auf Steckplatinen mit CEK - Modulen beschrieben.

Die folgenden Positionen beziehen sich auf das Bild:

1) Steckplatine GL5D [11]

2) Steckplatine GL5S [12]

3) Steckplatine GL10 [13]

4) Steckplatine GL5D

5) Steckplatine GL10

6) Eingangsbuchen 2mm Messbuchsen / Laborbuchsen [14]

7) Ausgangsbuchsen 2mm Messbuchsen / Laborbuchsen

8) Ausgangsbuchse BNC-Modul [15]

9) Stromversorgung V+ GND/2mm Messbuchsen / Laborbuchsen

10) Stromversorgung V- GND/2mm Messbuchsen / Laborbuchsen

11) Anschluss Stromversorgung über Adaptermessleitung 2mm/4mm [16]

12) Verdrahtung mit fertig konfektionierten Drahtbrücken [17]


Steckplatinen Pos. 1) - 5)

Zusammen- stellung von Steckplatinen [1]

Die gesamte Schaltung ist auf Steckplatinen (Breadboards) der Serie Profi-Line GL aufgebaut. Es kann jedoch genau so gut die Serie Standardline oder eine andere Serie verwendet werden. Die Schaltung würde auch auf die Steckplatine GL- 24 oder Steckplatine BB-2T4D passen Eingangsbuchsen 2mm Messbuchsen / Laborbuchsen

Eingangsbuchsen: 2mm Messbuchsen / Laborbuchsen Pos. 6)

Eingangs- buchsen: 2mm Messbuchsen / Laborbuchsen [2]

Als Eingansbuchsen werden in diesem Beispiel 2mm Messbuchsen / Laborbuchsen verwendet [18]. Das Messobjekt kann über 2mm Mess- bzw. Laborkabel [19] mit dem Differenzverstärker / Meßverstärker verbunden werden. Es können jedoch statt dessen für U1 und U2 auch 2 BNC-Module [20] eingesetzt werden. Die Eingangswiderstände / Kondensatoren entfallen dann, ebenso wie die beiden Trimmkondensatoren C5 und C6. Der Frequenzabgleich geschieht dann mit 2 Standard HF-Tastköpfen [21] für Oszilloskope [22]

Ausgangsbuchsen: 2mm Messbuchsen / Laborbuchsen Pos. 7)

Ausgangs- buchsen: 2mm Messbuchsen Laborbuchsen [3]

An die Ausgangsbuchsen kann ein Voltmeter oder ein Multimeter [23] angeschlossen werden. Wenn es 2mm Mess- und Prüfspitzen besitzt, kann das Multimeter direkt verbunden werden.

Ausgangsbuchse: BNC - Modul Pos. 8)

CEK Prototypen Modul BNC Buchse [4]

Das BNC-Modul [24] ist parallel zum Modul 2mm Messbuchsen / Laborbuchsen geschaltet. An die BNC - Buchse kann ein BNC-Kabel [25] angeschossen werden.

Stromversorgung: 2mm Messbuchsen / Laborbuchsen Pos. 9) - 10)

Strom- versorgung über 2mm Messbuchsen [5]

Die Spannungen V+, V- und GND der Stromversorgung wird über 2mm Messbuchsen / Laborbuchsen zugeführt [26].

Anschluss Stromversorgung: Adaptermessleitung 2mm/4mm Pos. 11)

Adapterkabel 4mm - 2mm [6]

Die Spannungsversorgung geschieht über Adaptermessleitungen 2mm/4mm [27] . Die 4mm Bananenstecker können direkt mit den Netzteilen verbunden werden.

Stromversorgung Pos. 12)

Festspannungs-Netzteil 13,8V [7]

Wenn die Stromversorgung symmetrisch ist, werden zwei Betriebsspannungen benötigt. Im Bild (s.o.) ist die Spannungsversorgung mit zwei kleinen Festspannungsnetzteilen [28] zu sehen. Die Versorgung ist auch mit Steckernetzteilen / Kleinnetzteilen [29] und Labornetzteilen [30] möglich. Bei der geringen Stromaufnahme können auch 2 9V Blockbatterien bzw. 2 Blockakkus verwendet werden (Achtung die Akkus müssen gegen Kurzschluss gesichert werden.) Wenn die Stromversorgung asymmetrisch ist, kann ein Netzteil verwendet werden. Die symmetrische Speisespannung wird intern mit dem IC1C erzeugt.

Verdrahtung: fertig konfektionierte Drahtbrücken Pos. 13)

Vorkonfektionierte Drahtbrücken [8]

Die Verdrahtung auf den Steckplatinen erfolgt mit vorkonfektionierten Drahtbrücken [31] . Diese gibt es in unterschiedlichen Längen in Vielfachen vom Rastermaß der Steckplatinen.

Schaltung


Schaltbild

Schaltung des Differenzverstärkers / Meßverstärkers


Frequenzkompensierte Eingangs - Spannungsteiler

In den beiden Eingängen befinden sich Spannungsteiler mit dem Teilerverhältnis von 1/11. Das Teilerverhältnis wurde zu 1/11 gewählt, damit Widerstände mit Standard-Werten verwendet werden können. Das Teilerverhältnis wird durch die Widerstände R1, R2 und R7, R8 festgelegt und kann auf der Steckplatine [32] leicht geändert werden. Die Kondensatoren C3, C4, C5 bzw. C7, C8, C10 dienen zur Kompensation des Teilers.

Puffer - Verstärker

IC1D und IC1A sind Pufferverstärker. Die Differenzverstärkung wird auf 11fach eingestellt, so dass sich eine Gesamtverstärkung von 1 ergibt. Auch die Verstärkung kann leicht geändert werden, Die Widerstände R4, R5, müssen entsprechend dimensioniert werden. Mit dem Präzisions - Wendelpoti kann die Verstärkung exakt auf den gewünschten Wert eingestellt werden.

Differenzverstärker

IC1C ist der eigentliche Differenzverstärker mit einem Verstärkungsfaktor von 1. Auch diese Verstärkung kann leicht durch Änderung der Widerstandswerte von R9, R10, R15, R13 angepasst werden. Das Potentiometer R17 dient zum Abgleich der Offsetspannung, das Potentiometer R12 zum Abgleich der Gleichtaktunterdrückung. Beide sind als Präzisions - Wendelpoti mit 25 Umdrehungen ausgelegt. Damit ist ein sehr präziser Abgleich möglich.

Stromversorgung mit einer Spannung

Mit IC1B wird aus einer unsymmetrischen Speisespannung von 10..30V eine symmetrische Spannung erzeugt. Der Ausgang von IC1B muss in diesem Fall mit GND verbunden werden. Bei symmetrischer Speisung bleibt er frei.

Entkopplung der Speisespannung

Die Kondensatoren C6, C9, C1, C2 dienen zur Entkopplung der Speisespannung, ohne sie schwingt die Schaltung.

Abgleich

Die folgende Beschreibung bezieht sich auf die Schaltung mit Eingangsteiler.

DC - Offset - Abgleich

Der DC Offset - Abgleich wird mit dem Potentiometer R17 durchgeführt. Die beiden Eingänge 6) werden mit einer einer kurzen 2mm Messleitung [33] kurzgeschlossen. An den 2mm Buchsen 7), dem Ausgang, wird ein Multimeter [34] angeschlossen und der Anzeigewert auf Minimum getrimmt. Es ist ein Wert von <1mV (0,2mV) erreichbar.

DC - Gleichtaktunterdrückung, DC CMMR

Der Eingang des Differenzverstärkers bleibt kurzgeschlossen. Zwischen Eingang und GND wird eine Gleichspannung von z. B. 60VDC angelegt. Mit R10 wird auf Minimum abgeglichen. Es wird ein Wert von unter 2mV erreicht.

DC - Verstärkung

Die DC Verstärkung des Differenzverstärker / Meßverstärker inklusive Vorteiler wird mit dem Spindeltrimmer Poti R5 abgeglichen. An den Differenzeingang wird eine Spannung von ca. 10 V angelegt und diese mit einem mindestens 3 1/2 stelligen Voltmeter gemessen. Mit dem Spindeltrimmer Poti R5 wird die Spannung am Ausgang des Differenzverstärker / Meßverstärker auf denselben Wert wie die Eingangsspannung eingestellt. Die Genauigkeit ist besser als 0,5%

Eingangsteiler Frequenzabgleich

Der Differenzeingang wird mit einer Rechteckspannung von 1V und einer Frequenz von 1khz verbunden. Der Masseanschluss des Eingangs wird mit GND verbunden, d.h. das Signal wird asymmetrisch eingespeist. Mit dem zugehörigen Trimmkondensator wird die Kurvenform des Ausgangssignals auf eine Rechteckform abgeglichen. Dann wird das Eingangssignal umgepolt, der Masseanschluss wieder auf GND gelegt und der andere Trimmkondensator abgeglichen.

Eingangsteiler unterkompensiert
  • Wenn der Frequenzgang des Eingangsteilers unterkompensiert ist, sind die Ecken abgerundet


Eingangsteiler überkompensiert
  • Wenn der Frequenzgang des Eingangsteilers überkompensiert ist, schwingt das Signal über


Eingangsteiler korrekt abgeglichen
  • So sieht das Ausgangssignal des Differenzverstärker / Meßverstärker aus, wenn der Eingangsteiler korrekt abgeglichen ist.


HF Gleichtaktunterdrückung, HF CMMR

Der Differenzeingang wird kurzgeschlossen. An den Eingang und an GND, also asymmetrisch wird ein Sinussignal mit einer Amplitude von 10Vss und 100khz angeschlossen. Das Ausgangssignal wird mit den beiden Trimmkondensatoren C5 und C10 auf Minimum abgeglichen. Die Kondensatoren müssen sehr feinfühlig verstellt werden, sonst muss der Frequenzabgleich wiederholt werden. Nach der Optimierung der HF Gleichtaktunterdrückung sollte dieser nochmals kontrolliert werden. Es wird ein Wert von <20mV erreicht, was einer HF Gleichtaktunterdrückung, CMMR, von 54dbV entspricht.

Ergebnisse

Was wurde erreicht

Mit diesem Aufbau des Differenzverstärker / Meßverstärker auf Steckplatinen wurde folgendes erreicht:

  • mit dem Differenzverstärker / Meßverstärker können praktische Messungen durchgeführt werden, er hat also einen praktischen Nutzen
  • Es ist möglich, Schaltungen bis in den MHz Bereich auf Steckplatinen (Breadboards) zu realisieren
  • Die Aufbauzeit ist kurz, Änderungen und Experimente sind schnell durchführbar.
  • Der komplette Versuchsaufbau ist lötfrei.
  • Der Versuchsaufbau ist robust und stabil und führt zu reproduzierbaren Ergebnissen.
  • Die Messgeräte und Prüflinge können mit Standardanschlüssen (2mm Stecksystem, BNC-Buchse, usw. angeschlossen werden)
  • Alle Bauelemente und Module, die auf den Steckplatinen aufgebaut sind, können wieder verwendet werden.

Messergebnisse

Frequenzgang mit Eingangsteiler
  • Das Bild zeigt den Frequenzgang des Differenzverstärker / Meßverstärker mit Eingangsteiler und einer Verstärkung A=11 (gesamt A =1). Die -3db Frequenz liegt bei 400khz.


Gleichtaktunterdrückung, CMRR mit Eingangsteiler
  • Das Bild zeigt die Gleichtaktunterdrückung des Differenzverstärker / Meßverstärker mit Eingangsteiler und einer Verstärkung A=11 (gesamt A =1).


Frequenzgang ohne Eingangsteiler
  • Der Differenzverstärker / Messverstärker kann selbstverständlich auch ohne Eingangsteiler betrieben werden. Das Bild zeigt den Frequenzgang des Differenzverstärker / Messverstärker ohne Eingangsteiler und einer Verstärkung A=1 (gesamt A =1). Die Grenzfrequenz ist deutlich höher, da der Verstärker nur mit einer Verstärkung von 1 betrieben wird. Ab ca. 700 Khz ist ein Anstieg der Verstärkung festzustellen. Das Maximum mit +3dbV liegt bei 900khz,


Gleichtaktunterdrückung, CMRR ohne Eingangsteiler
  • Das Bild zeigt die Gleichtaktunterdrückung des Differenzverstärker / Messverstärker mit Eingangsteiler und einer Verstärkung A=1 (gesamt A =1).


Siehe auch (Artikel)

Bezugsquellen

  • CEK-Module [35]
    • 2mm Messbuchsen / Laborbuchsen [36]
    • BNC-Modul [37]
  • Drahtbrücken [38]
    • 2mm Mess- / Laborkabel [39]
    • Adaptermessleitung 2mm/4mm [40]
    • BNC-Kabel [41]
    • Drahtbrücken [42]
  • Stromversorgung [47]
    • Festspannungsnetzteile [48]
    • Labornetzteile [49]
    • Steckernetzteile / Kleinnetzteile [50]
  • Steckplatinen [51]
    • Steckplatine GL10 [52]
    • Steckplatine GL5D [53]
    • Steckplatine GL5S [54]