Добрый день!
Первый раз взял в руки операционный усилитель, и не могу понять что происходит.

Есть датчик, внутренне сопротивление неизвестно, есть только рекомендация производителя - нагружать его на 10К (как я понимаю от 10К и выше). Датчик выдает 10,4mV.
При закорачивание выводов датчика резистором 100К - напряжение падает до 10,3mV, т.е. как я понимаю внутреннее сопротивление датчика в пределах 500R-1K.
Напряжение измеряю мультиметром MY64, других "приборов" нет.

Сигнал с датчика необходимо усилить в 10 раз, и дальше подать на АЦП ATmega8.
Для усиления решил использовать операционник LM358. Питание однополярное от "кроны", стабилизированное на LM7805. Операционник подключен по неинвертирующей схеме, токи смещения выровнены резистором на неинвертирующем входе (внутреннее сопротивление датчика пока не учтено). Коэффициент усиления принят К=10, резистор обратной связи многооборотистый подстроечник 100К (см. рис.2).
При подключении датчика к усилителю - на выходе наблюдаю 104mV (выход оставлял и висящим в воздухе, и подключал его к АЦП - результат не меняется). Т.е. получаю просто усиленный сигнал с датчика в 10 раз. Но согласно теории тут должно быть еще напряжение сдвига.
Напряжение сдвига замерил по следующей схеме (см. рис.1) - усилитель подключил по схеме повторителя, неинвертирующий вход подключил на землю - на выходе получил 2,7mV.

Не могу понять куда делось напряжение сдвига (т.е. 2,7mV*10 = 27mV).
Из неучтенного - внутреннее сопротивление датчика. Но если его учитывать, то необходимо уменьшить резистор на неинвертирующем входе на величину внутреннего сопротивления датчика (которое пока неизвестно), что должно привести к уменьшению выходного напряжения с операционника, и эта поправка никак не решает вопрос о напряжении сдвига.

Также непонятно почему некоторые утверждают, что LM358 не может выдать меньше 100mV. "Исскуство схемотехники" раздел про LM358 читал, если я правильно понял, то там написано про ограничение в 100mV при "висящем в воздухе" выходе ОУ, а также про ограничение на входной ток 50uA. При подключении к АЦП ATmega8 я наблюдал и 80 и 70mV, без АЦП пока не проверил, да и непонятно - кто использует ОУ с "висящем в воздухе" выходом.
И такой момент - при подключении LM358 к АЦП ATmega8 (у которой, если я правильно понимаю, АЦП построен на базе емкостного ЦАП) мы получим входной ток в ОУ, при условии, что ОУ выдает напряжение меньшее 0,5AREF АЦП. Этот входной ток я подсмотрел тут: Демоны в АЦП STM32 и судя по порядку полученных результатов (хотя там и рассматривается не ATmega8), входной ток составляет единицы uA, что тоже не должно налагать ограничений на выходное напряжение LM358.



Сообщение отредактировал ddd204 - Mar 10 2015, 08:40

Вы выбрали самый неподходящий ОУ для Вашей задачи. Ни по входу, ни по выходу ничего хорошего от него не получите.
Про напряжение сдвига - если вы его измеряли тоже без отрицательного питания, то это неправильная методика и результат не засчитывается.

Возможно это и неподходящий ОУ, но я пока не вижу причин в чем это выражается. Если это возможно, поясните в чем он плох.
Насчет двуполярного питания - вроде LM358 по даташиту возможно применять при однополярном питании, вот цитата:
"These circuits consist of two independent, high gain, internally frequency compensated which were designed specifically to operate from a single power supply over a wide range of voltages." Да и напряжение сдвига, вроде как всегда положительная величина (тут могу ошибаться).
Непонятно - для чего нужно двуполярное питание при замере напряжения сдвига?

Вы задали сразу слишком много плохо сформулированных вопросов. Ответ на некоторые можно узнать из книг.
Лучше напишите, какой у Вас датчик, с какой точностью Вы хотите с его помощью что-то измерять.

Датчик - PSR-11-39-JD.
Точность 0,1mV (после усиления - 1mV).

Не выясняла принцип действия, но цена датчика позволяет не экономить на усилителе.
Тут у Вас большой выбор. Написано, что датчик довольно медленный, поэтому можно посмотреть в сторону операционных или инструментальных усилителей с т. наз. нулевым дрейфом.

Да, если ничего не получится с LM358 я конечно переключусь на другие ОУ.
Но меня заинтересовало именно напряжение сдвига LM358.
Т.к. не понимая принципа действия я могу довольно долго плутать и с другими ОУ, а закрывать глаза на сдвиг, маскируя его ОУ с нулевым дрейфом - нет желания.
Поэтому я и зарегистрировался на форуме, чтобы найти причину, т.к. в книгах/интернете решения не нашел.

Вот у меня вопросы, надеюсь они не отнимут много времени:
1. Возможно ли замерить напряжение сдвига у LM358 при однополярном питании, используя схему на рис.1 (из первого поста).
2. Как надо изменить схему на рис.2, чтобы понять что на выходе (с коэффициентом усиления К=10) есть влияние напряжения сдвига.

1. А я вот не вижу смысла это измерять - в даташите все написано. Обычно дрейф (от температуры или чего-то там еще) может быть больше. Но можно измерить, только вход приподнять какой-нибудь батарейкой. И измерять разность между входом и выходом. Еще бы туда добавить резисторов. Обычно смещение измеряют, усиливая его.
2. См. 1. Добавить еще резистор, сделав простейший инструментальный усилитель. Влияние есть всегда, естественно.

Нет, невозможно. LM358 не может выдавать в таком включении напряжения меньше нуля вольт, да и напряжения до 0.7 вольт, тоже (без немаленькой нагрузки выхода на землю).
Для измерения напряжения смещения (а не сдвига, сдвига - это ток, причем та его часть, которая не компенсируема одинаковостью резисторов), следует создать искусственную среднюю точку при помощи делителя из резисторов, которую использовать в качестве замли для входного и выходного сигналов.

И с терминологией распутайтесь:
- Напряжение смещения - это то, о чем Вы.
- Ток смещения - это ток, потребляемый входами ОУ, он равный для обоих входов, и он компенсируется резисторами.
- Ток сдвига - это ток, на который отличается входной ток одного входа от тока другого входа, и он, превращаясь в напряжение на сопротивлении источника (имеется в виду одинаковом, с учетом компенсации тока смещения, включая резисторы компенсации этого тока), прибавляется к напряжению смещения.

Немного не понял - куда надо добавить еще резисторов? Вроде как инструментальный усилитель собирается на трех ОУ.

Подал на вход 153mV (через резистивный делитель), выход подключал как к АЦП, так и через резистор 10K на землю - результаты одинаковые.
По схеме повторителя: земля->выход=153mV; вход->выход=0mV
По схеме усилителя: земля->выход=1535...1545mV(наиболее часто 1537mV); вход->выход=1380...1390mV.

Подал на вход 1500mV.
По схеме повторителя: земля->выход=1500mV; вход->выход=0mV

Вход посадил на землю.
По схеме повторителя: земля->выход=2,5mV
По схеме усилителя: земля->выход=2,7mV. (По идее должно быть 25mV).
Вот тут становится понятным, что эти 2,5...2,7mV никакого отношения к напряжению сдвига не имеют. Получается, я замеряю температуру на Марсе, как и сказал alexvu.

Но тема напряжения сдвига так и не раскрыта.

Собираете усилитель (без разницы, инвертирующий или неинвертирующий), т.е. схему из ОУ и двух резисторов, замыкаете его вход (не ОУ, а собранного усилителя) — на выходе и будет усиленное в Ку раз напряжение смещения данного ОУ, положительное или отрицательное, для чего питание, само собой, должно быть двуполярным, т.е. либо с явным общим проводом, либо с созданным виртуально, хотя бы двумя резисторами делителя. Разумеется, входной и выходной сигналы данной схемы измеряются относительно данного, т.е. сигнального общего провода.

Вывод из узнанного — чтобы хотя бы теоретически измерять посредством такого мусора, как LM358, такого порядка сигнал, требуется каждый раз сперва измерять его смещение, а затем быстренько измерять сигнал, после чего не торопясь вычитать одно из другого, т.е. перед усилителем требуется, ура, всего-навсего обыкновенный аналоговый ключ — например, первый попавшийся такой же подножный корм 74HC4053 и т.п.

Т.е. вы хотите сказать, что напряжение смещения может быть таким, что при этом на выходе должно получиться отрицательное напряжение?

Хорошо, если используя схему повторителя невозможно замерить напряжение смещения (по причине невозможности получить отрицательное напряжение при однополярном питании), то при включении по схеме усилителя и подсоединении датчика с напряжением 10,4mV на выходе должно быть: 10,4*10-2,7*10=77mV. Но я то получаю 104mV. В чем тут может быть дело?
Да и напряжение меньше чем 0,7V (а точнее - 70mV) с LM358 я получал при подключении выхода ОУ к АЦП ATmega8.
И такой вопрос - если взять другой LM358 - то внутренний дисбаланс может привести к тому, что напряжение смещения будет положительной величиной? И используя схему повторителя таки возможно будет замерить напряжение смещения?

Про среднюю точку я думал, но это добавит определенные сложности с АЦП, т.к. обрабатывать нужно не только датчик, но и напряжение с батарейки. Но для успокоения любопытства я попробую задать среднюю точку и замерить напряжение смещения.

С общепринятой терминологии меня сбила книга "Операционные усилители и линейные интегральные схемы" Р.Кофлин, Ф.Дрискол. Глава 9.5 так и называется - "Входное напряжение сдвига". Я заметил что переводчик, или автор подменил слово "смещение" словом "сдвиг" касательно напряжения, но не придал этому большого значения.

Учитывая, что Вы не имели дело с ОУ, и стремитесь разобраться в теме, могу подсказать следующее:
Обычные ОУ (по умолчанию) предназначены для работы в диапазонах Uвх и Uвых "далеких" от + и - питания.
Иногда это даже вообще не пишут в даташитах, как не пишут, например, что телефон не предназначен для работы под водой.
Для работы по входу и / или по выходу вблизи плюса и / или минуса (с различными комбинациями этих условий) делают специальные ОУ.
Я, например, для эксперимента купил ОУ скоростной, у которого было Uвых явно указано от 0В, а про вход ничего не написано.
Оказалось - вход работает от 0.7 В (а мне надо было тоже от 0)! Пришлось менять, а он недешевый был.

А по поводу Вашей задачи - Вам правильно было бы задать другой вопрос:
какие ОУ подойдут для моей задачи? Думаю, знающие люди Вам подскажут.

Вот именно этим я и занимаюсь, только питание однополярное и без исскуственной средней точки. При замыкании входов - на выходе я получаю 2,5mV - это без резисторов обратной связи, т.е. Ку=1, а при Ку=10 получаю 2,7mV, что наводит на мысль - что тут что то не то. Если в данном экземпляре напряжение смещения приводит к отрицательному напряжению на выходе, то может этот экземпляр так и использовать - т.е. никакого напряжения смещения не будет, т.к. питание однополярное, и приложив на вход 10,4mV на выходе получим 104mV. Именно этот результат я и получаю, но мне не верится что тут все гладко.


За идею спасибо, для меня понятие "аналоговый ключ" неизвестно, надо будет почитать. Вместо ключа я собирался использовать второй ОУ в корпусе, с надеждой, что его смещение будет приблизительно таким же, как и смещение первого.

Нет, Вы и не слушали ни написанного в бумажках до того, и ещё вдобавок создали тему для сбора дополнительного материала, который так же не собираетесь слушать.