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AN103: Gleichtaktspannungen

Die meisten in der Elektronik vorkommenden Signale haben einen aussergewöhnlich hohen Wertebereich wenn man ein Signal mit einem anderen vergleicht. So zum Beispiel die Verstärkung, definiert als Ausgangssignal dividiert durch das Eingangssignal. Operationsverstärker liefern oftmals Verstärkungsfaktoren von weit über 1 Million. Will man z.B. die Übertragungsfunktion eines Verstärkers mit einer Verstärkung von 1 bis 2 Millionen über einen Frequenzbereich von 1 Hz bis 10 MHz darstellen, verwendet man eine Skalierung in Dezibel um den grossen Wertebereich sinnvoll abzubilden.

 

Die Dezibel-Skala ist eine logarithmische Skalierung, die speziell für die Komprimierung grosser Wertebereiche geschaffen wurde. Ursprünglich basiert sie auf dem 10fachen dekadischen Logarithmus der Ausgangsleistung im Verhältnis zur Eingangsleistung: dB=10*log (Pout/Pin)

 

Da die Leistung dem Quadrat der Spannung über einem Widerstand entspricht, kann man die Formel umschreiben, um das Verhältnis der Spannungen auszudrücken: dB=20*log (Vout/Vin)

 

Die Gleichtaktunterdrückung (Common Mode Rejection, CMR) ist eine Spezifikation, die das logarithmische Verhältnis zwischen der Verstärkung des Nutzsignals und der Verstärkung einer überlagerten Gleichtaktspannung beschreibt. Verstärkermodule haben in der Regel zwei Eingangsklemmen Vp, positiver Eingang, und Vn, negativer Eingang. Das Nutzsignal ist die Differenz Vp-Vn. Bei gleichen Spannungen an den Eingängen (Vp=Vn) sollte der Ausgang des Verstärkers eine Spannung von 0 Volt liefern. Leider sind die Verstärker nicht perfekt, und so ergeben sich Ausgangsspannungen, obwohl das gleiche Potential an beiden Eingangsklemmen anliegt. Die Gleichtaktunterdrückung (CMR) spezifiziert, in welchem Verhältnis eine an beiden Eingangsklemmen anliegende Spannung unterdrückt wird.

 

Die Messumformer und Trennverstärker von Dataforth bieten durch ein patentiertes Design eine Gleichtaktunterdrückung von 160 dB, d.h. einen Faktor von 100 Millionen! Dabei ist die CMR -anders als bei den meisten anderen Anbietern- unabhängig von der verwendeten Verstärkung.

 

Details zur Spezifikation der Gleichtaktunterdrückung und die Auswirkungen in praktischen Anwendungen beschreibt eine 5-seitige Applikationsschrift (englisch), die wir hier zur Verfügung stellen:

an103.pdf

AN103: Common Mode Voltages

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Der Einfluss von Eingangswiderständen

Da Messumformer keinen unendlich hohen Eingangswiderstand haben [können], wird das Sensorsignal mit einem Strom belastet. Dieser Strom verursacht am Innen- bzw. Ausgangswiderstand des Sensors einen Spannungsabfall, der einen Messfehler verursacht.

Hierzu ein Beispiel:

 

Die vom Sensor gelieferte Spannung fliesst über R1 und R2 nach Masse. Die an der Verbindung zwischen R1 und R2 gemessenen Spannung unterscheidet sich daher um den Spannungsabfall an R1 um die tatsächliche Sensorspannung.

Dieser Messfehler lässt sich mit der Formal R1/(R1+R2) bestimmen.

Beträgt der Eingangswiderstand des Messumformers 100 kOhm und der Innenwiderstand des Sensors 1 kOhm, so beläuft sich der Messfehler auf 0,99%.

In der Regel werden für in Messgeräte Fehlergrenzen für die gesamte Messkette vorgegeben. Soll beispielweise der Gesamtfehler 0,01% betragen und davon 0,001% auf den Fehler durch Eingangswiderstände entfallen, so muss der Eingangswiderstand des Messumformers 99.999 mal grösser sein, als der Innenwiderstand des Sensors.

Die Formel für die Berechnung des notwendigen Eingangswiderstands lautet:

 

R2 >> [(100 / %Fehler - 1) * R1]

 

Soll also in unserem Beispiel bei einem Quellwiderstand von 1000 Ohm der Fehler kleiner als 0.001% bleiben, so muss der Eingangswiderstand des Messumformers grösser als 100 MOhm sein.

In den Datenblättern der Dataforth Messumformer ist der Eingangswiderstand für drei Betriebsarten angegeben:

  • Widerstand bei eingeschaltetem Messumforner
  • Widerstand bei ausgeschaltetem Messumformer
  • Widerstand bei Überlast

Beim der Auswahl eines Messumformers sollten die Parameter verschiedener Hersteller miteinander verglichen werden, damit keine unerwarteten Messfehler entstehen.

 

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