Hier stehen die Punkte, um die es in diesem Teil geht. Es geht nicht darum, was du dir zutraust, sondern darum, wo dir das schon begegnet ist: im Betrieb, privat oder in einem früheren Lernfeld. Das ist keine Bewertung. Es hilft dir bei der Planung, und am Ende des Teils siehst du in deinem Kompetenzmodell, was sich verschoben hat.

• Steckbrett, die Wägezellenbrücke aus Teil 2, INA126, LM358 und TL072
• Widerstände mit 1 % Toleranz, Kondensatoren, einen Trimmer für den Offsetabgleich
• Einen zweiten Mikrocontroller als Störquelle
• Deine Ergebnisse aus Teil 1 und Teil 2 und die Lernangebote Aufgabe 3.1 und Aufgabe 3.2
• Die Datenblätter von LM358, TL072 und INA126, im Original und oft auf Englisch
• Eine Simulationssoftware für Schaltungen
• Funktionsgenerator, Oszilloskop, Multimeter und die Wissensspeicher-Vorlage

1. Aussteuerung und Verstärkung festlegen
   Lege fest, welche Spannung der Umsetzer bei Kraft null und welche er bei Nennkraft sehen soll. Beachte dabei den empfohlenen Bereich des Umsetzers und die Aussteuergrenzen des Verstärkers aus seinem Datenblatt. Bestimme daraus die Verstärkung, einmal für den Prüfstand mit 5,0 mV, einmal für die Anlage mit 8,0 mV. Lege eine Übersteuerungsreserve fest und begründe sie mit dem Betriebsfall Überlast.
2. Grundschaltungen dimensionieren
   Dimensioniere einen invertierenden und einen nichtinvertierenden Verstärker für dieselbe Verstärkung. Bau beide auf, miss und halte fest, welche Schaltung für einen Brückensensor die richtige ist, und warum.
3. Simulieren
   Bilde den Instrumentenverstärker mit deinen Werten in der Simulation nach. Erzeuge am Eingang 0 mV, 2,5 mV und 5,0 mV Differenzspannung bei 2,5 V Gleichtaktspannung, so wie sie die Brücke liefert, und lies den Ausgang ab. Notiere deine Erwartung für den späteren Aufbau schriftlich.
4. Aufbauen und messen
   Bau die Schaltung auf dem Steckbrett auf: kurze Drähte, durchgehende Masse, Abblockkondensator direkt am IC. Miss die Ausgangsspannung bei denselben Eingangsspannungen. Vergleiche mit der Simulation und beziffere die Abweichung in Prozent.
5. Die Abweichung erklären
   Such die Ursachen: Widerstandstoleranz, Eingangsoffsetspannung, Eingangsruhestrom, endliche Leerlaufverstärkung, Toleranz der Referenzspannung. Rechne jeden Beitrag aus und prüfe, ob die Summe die gemessene Abweichung erklärt.
6. Offset abgleichen
   Lege beide Eingänge auf dasselbe Potenzial, am besten auf die Brückenmitte, und miss die Ausgangsspannung. Rechne zurück auf die Eingangsoffsetspannung. Gleiche ab, mit dem Trimmer oder als Tara im Programm, und protokolliere die Restabweichung.
7. Die Verstärkung umschaltbar machen
   Lege die Widerstände fest, mit denen sich die Verstärkung zwischen Prüfstands- und Anlagenbetrieb umschalten lässt. Rechne beide Werte aus der Datenblattformel, wähle aus E24 und rechne den tatsächlichen Vollausschlag zurück. Kennzeichne die Stellung eindeutig: ein falsch gestecktes Gerät zeigt plausible, aber falsche Kräfte an.
8. Gleichtaktunterdrückung messen
   Lege an beide Eingänge dasselbe Signal. Miss die Ausgangsspannung und berechne die Gleichtaktunterdrückung in dB. Vergleiche mit dem Datenblattwert.
9. Störung zuschalten
   Starte den zweiten Mikrocontroller als Störquelle: 4 kHz Rechteck auf einer Leitung, die einen Meter parallel zur Sensorleitung liegt. Miss den Ausgang einmal mit Einzel-OPV und einmal mit Instrumentenverstärker. Dokumentiere beide Oszillogramme.
10. Aufbau verbessern
    Verkürze die Leitungen, führe die Masse sternförmig, verdrille das Sensorpaar. Miss nach jeder einzelnen Maßnahme. Beziffere, was der Aufbau bringt: am Steckbrett ist das oft mehr als jedes Bauteil.
11. Anti-Aliasing-Filter auslegen
    Lege die Abtastrate fest, bestimme daraus die zulässige Grenzfrequenz nach dem Abtasttheorem und dimensioniere einen Tiefpass vor dem Umsetzer. Weise Aliasing einmal ohne und einmal mit Filter nach.
12. Bandbreite prüfen
    Miss den Frequenzgang bis zur −3-dB-Grenze und vergleiche mit dem Verstärkungs-Bandbreite-Produkt aus dem Datenblatt. Reicht die Bandbreite für einen Presshub von 45 min⁻¹?
13. Ergebnis sichern
    Wissensspeicher-Blatt ausfüllen, Simulationsdateien, Oszillogramme und Messprotokolle in die Projektakte.

Die Lernschritte 2 bis 6, 8 bis 10, 12 und 13 haben kein eigenes Lernangebot. Sie werden im Messprotokoll und in der Projektakte dokumentiert und in der Abnahme geprüft.

Rauschen. Bestimme die Rauschspannung am Ausgang bei kurzgeschlossenem Eingang, einmal mit LM358, einmal mit einem rauscharmen Typ. Lass den ESP32 tausend Werte aufzeichnen und bestimme die Standardabweichung. Rechne auf den Eingang zurück und vergleiche mit dem Nutzsignal. Welche Kraftauflösung bleibt übrig?

Der Teil gilt erst als fertig, wenn der Auftraggeber alle Punkte abnimmt:

• Nullpunkt, Vollausschlag und Überlastfall am Umsetzer sind festgelegt; alle liegen im empfohlenen Bereich des Umsetzers und im Aussteuerbereich des Verstärkers.
• Die erforderliche Verstärkung ist für Prüfstand und Anlage berechnet und die Reserve begründet.
• Invertierender und nichtinvertierender Verstärker sind dimensioniert, aufgebaut und gemessen; die Schaltungswahl ist begründet.
• Die Simulation liegt vor; die erwarteten Ausgangsspannungen sind vor dem Aufbau notiert.
• Die Messwerte des Aufbaus liegen vor; die Abweichung zur Simulation ist in Prozent angegeben.
• Die Abweichung ist durch Einzelbeiträge erklärt, und die Summe stimmt mit der Messung überein.
• Der Offset ist gemessen, auf den Eingang zurückgerechnet und abgeglichen.
• Die Verstärkungsumschaltung ist berechnet, aufgebaut, zurückgerechnet und eindeutig gekennzeichnet.
• Die Gleichtaktunterdrückung ist gemessen, in dB angegeben und mit dem Datenblatt verglichen.
• Die Störeinkopplung ist mit zwei Oszillogrammen dokumentiert; der Vorteil des Instrumentenverstärkers ist belegt.
• Die Wirkung der Aufbauverbesserungen ist einzeln gemessen und beziffert.
• Der Anti-Aliasing-Filter ist ausgelegt, aufgebaut und seine Wirkung nachgewiesen.
• Der Frequenzgang ist gemessen und gegen die Anforderung bewertet.
• Das Wissensspeicher-Blatt ist vollständig.

Ein Blatt „Operationsverstärker im Messkreis“: Schaltbilder und Verstärkungsformeln für invertierenden und nichtinvertierenden Verstärker, Impedanzwandler, Differenz- und Instrumentenverstärker; Definition und Rechenweg für die Gleichtaktunterdrückung; das Rechenschema für den Offsetfehler; die Formel für die einstellbare Verstärkung; die Regel zum Abtasttheorem mit einem Zahlenbeispiel.

Zusätzlich: das Oszillogramm mit und ohne Filter nebeneinander, mit einem Satz Bildunterschrift, der die Wirkung benennt.

• Das Verstärkungs-Bandbreite-Produkt wird ignoriert. Ein LM358 mit etwa 1 MHz hat bei V = 500 nur noch rund 2 kHz Bandbreite.
• Die Simulation wird als Beweis genommen. Das Modell kennt deine Steckbrettkapazitäten und deine Leitungsführung nicht.
• Ein Differenzverstärker aus Einzel-OPV wird mit vier unterschiedlich toleranten Widerständen aufgebaut. Damit fällt die Gleichtaktunterdrückung um Größenordnungen.
• Der Umschaltwiderstand für die Verstärkung wird nicht beschriftet. Das Gerät zeigt in der falschen Stellung Werte an, die plausibel aussehen und falsch sind.