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Operationsverstärker für Maker-Projekte

Sensorsignale effektiv aufbereiten

30. November 2018, 9:00 Uhr | Rich Miron, Digi-Key

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Ein Signal, mehrere Werte

Wie schon erwähnt, nutzte man Operationsverstärker früher, um Differenzialgleichungen zu lösen. Dazu gehört die Fähigkeit, Signale zu differenzieren und zu integrieren. Deswegen lässt sich der Ausgang eines Beschleunigungsmessers einmal integrieren, um die Geschwindigkeit zu bestimmen. Wird nun die Geschwindigkeit integriert, ergibt sich am Ausgang der Weg. Somit lässt sich aus dem Ausgangssignal eines einzigen Beschleunigungsmesser durch Integration mithilfe von OPVs Beschleunigung, Geschwindigkeit und Weg ableiten (Bild 6).

Zum Integrieren nutzt man einen Operationsverstärker mit einem Kondensator in der Rückkopplungsschleife. In diesem Beispiel folgt ein zweiter Operationsverstärker als Tiefpassfilter, um die Bandbreite des Signals zu begrenzen und dadurch das Rauschen zu reduzieren. Diese Technik wird in mehreren handelsüblichen Beschleunigungsmessern verwendet.

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Werden Operationsverstärker als Integratoren verwendet, sind mehrere Punkte zu berücksichtigen. Zum einen tendieren sie zum Driften; jeglicher Ruhestrom im Operationsverstärker schiebt Ladung in den Rückkopplungskondensator, was die Ausgangsspannung verfälscht. Deswegen sollten für solche Anwendungen OPVs mit extrem niedrigen Ruheströmen, wie der TL081 und der OPA337, zum Einsatz kommen.

Wird ein Signal integriert, gibt es zudem eine Integrationskonstante, die zum Signal addiert wird. Der Wert dieser Konstante ist von den Anfangsbedingungen abhängig. In dieser Schaltung wird AC-Kopplung eingesetzt, um diese DC-Konstanten zu entfernen. Das Ergebnis ist, dass das Geschwindigkeits- und das Wegsignal nur relative Werte sind. Beim Wegsignal wird daher nur die Veränderung des Wegs angezeigt, nicht der absolute Weg an sich. Bei Anwendungen wie einer Schwingungsmessung, wo es nur um die Änderung des Wegs geht, ist dies kein Problem. Zur Bestimmung der absoluten Veränderung des Orts des Beschleunigungsmessers eignet sich diese Schaltung jedoch nicht.

Weitere Informationen und Fazit

Verschiedene OPV-Schulungskits können bei der Erkundung dieser nützlichen Komponenten zur Signalverarbeitungs und ihrer Anwendung hilfreich sein. Eines der besten ist das Kit Pro Analog System Lab von MikroElektronika. Dieses zusammen mit Texas Instruments entwickelte Kit enthält 14 Experimente zum Einsatz von OPVs und zugehörigen Bausteinen für die analoge Signalverarbeitung. Die Inhalte dieses Kurses gehen weit über die in diesem Artikel behandelten Beispiele hinaus.

Operationsverstärker sind wichtige Komponenten für die analoge Signalverarbeitung, die Maker wie Bastler verstehen sollten, wenn sie diese in Projekten mit Sensoren und digitalen Prozessoren verwenden. Sie können analoge Signale verstärken, Offset-Spannungen aufaddieren, filtern sowie integrieren oder differenzieren. Dadurch gewährleisten sie, dass die Sensor-Prozessor-Schnittstelle optimal abgestimmt ist. All diese Funktionen sind innerhalb der begrenzten Budgets der meisten Maker problemlos zu realisieren.