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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Application Note AVR335 (Mikrofonverstärker)


Autor: Gastino (Gast)
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Ein paar Fragen zu dem in der Application Note AVR335 beschriebenen 
Mikrofonverstärker im Zusammenspiel mit einem Elektret-Mikrofon:

1. Hat das Ding schon mal jemand mit den angegebenen Bauteilwerten 
erfolgreich aufgebaut? Erfolgreich natürlich im Sinne von 
"funktioniert".

2. Ist die Verstärkung von 10 nicht erbärmlich wenig?

3. Gibt es sonst noch Punkte, die an der Schaltung auffällig oder gar 
falsch sind? Also so Dinge wie Eingangswiderstand der Schaltung, 
Vorwiderstand für Mikrofon?

4. Gibt es noch Verbesserungspotential? Kondensatoren kann man ja nie 
genug verteilen, so über R4 noch einer? ;)


Die Schaltung an sich sieht für mich zwar recht einfach, aber doch 
plausibel aus. Problem ist nur, dass praktisch kein Signal (außer 
natürlich der Offsetspannung von 2,5 V) am A/D-Wandler-Eingang des 
ATmega messbar ist. Die Betriebsspannung beträgt 5 V, verwendet wird ein 
einfaches Elektret-Mikrofon 
(http://www.reichelt.de/?;ACTION=3;LA=444;GROUP=IA2...).

Auf der Suche nach Problemen habe ich natürlich hier eine Vielzahl an 
Alternativen für Verstärkerschaltungen gesehen. Schön und gut, aber: 
Mich würde interessieren, was konkret an dieser Schaltung problematisch 
oder gar falsch ist. Außer der (zu) kleinen Verstärkung ist mir nämlich 
nichts Dramatisches aufgefallen, was diesen Misserfolg rechtfertigen 
könnte... ;)

Autor: Anselm 68 (anselm68)
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1. Warum sollte es nicht funktionieren?

Zu 2. Vergrössern von R5 erhöht die Verstärkung

ZU 3. Hast du vielleicht den Kondensator am Ausgang ein paar Potenzen zu 
hoch eingebaut?

Da ich die "normale" Ausgangsspannung von Mikros nicht weiss, kann ich 
zum erwarteten Pegel nix sagen.

Gruß Anselm

Autor: Tom (Gast)
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Hallo,

also Versorgung des Mic ist ok mit 5V/5mA über 1k.

Der Eingangswiderstand des inv.Op ist = R1 also 1K. Ausgangsimpedanz des 
Mic 2K. Es herrscht keine Anpassung. Ob das aber der Grund dafür ist??
Testen an dem in der AppNote angegeben Verstärkerschaltung z.B. mit nem 
Kopfhörer würde erstmal die Funktion des Mics sicherstellen!
der OP arbeitet soweit, wenn du die Offsetspannung am AD hast!
Alles andere ist aus der Ferne schwer zu sagen.

Gruß Tom

Autor: Gastino (Gast)
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Danke erstmal für die Antworten. Beruhigend, dass ich da nicht 
irgendwelche groben Fehler gemacht zu haben scheine. Mein nächster 
Versuch heute abend wird sein, R5 deutlich größer zu machen (so um die 
100 kOhm).

Kopfhörer hab ich jetzt leider keine zur Hand, aber ein zweites Mic 
versuchshalber zum ersten parallel (gehalten) hat ebenfalls keinerlei 
Veränderung gebracht...

Autor: X- Rocka (x-rocka)
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aaaaalso...

das ist die absolut einfachste aber nicht schönste variante.

ich würde folgendes ändern:
- versorgung des OPV über 49R9 / 100nF puffern/filtern
- C (~100pF) parallel zu R5
- ich kenne das mikrofon nicht, würde aber meinen frequenzgang durch 
erhöhung des eingangswiderstands R2 senken. 1u/1k hat-3dB bei 160Hz, 
nicht so doll. vielleicht R2 und R5 um bis zu Faktor 10 erhöhen.
- Achtung bei C1, im tiefen Frequenzbereich klirren Keramiken wie 
X7R/X5R/Y5V, und COG/NP0 wird's in der größe nicht geben.

aber wenn das dann eh an einen 10 bit ADC geht, ist alles oben genannte 
schnurz! :)

Autor: Gastino (Gast)
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Jep, ich werde mal die Versorgung mit 100 nF noch puffern, das habe ich 
schon auf dem Plan. Ebenso die Erhöhung des Verstärkungsfaktors. Du 
würdest R2 auf 10 kOhm und R5 auf 100 kOhm (bzw. 1 MOhm bei 
Verstärkungsfaktor 100) erhöhen?
Was bewirkt das C parallel zu R5?

An die Qualität des Audio-Signals stelle ich aber keine großen 
Anforderungen. Nur dass sich praktisch überhaupt nichts tut (ich kann 
nur die Offsetpsannung am Ausgang messen) - das ist mir dann doch nicht 
genug...

Autor: Jens G. (jensig)
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> Was bewirkt das C parallel zu R5?
gar nix, auser daß der Frequenzgang nach oben hin beschnitten wird ...

>An die Qualität des Audio-Signals stelle ich aber keine großen
>Anforderungen. Nur dass sich praktisch überhaupt nichts tut (ich kann
>nur die Offsetpsannung am Ausgang messen) - das ist mir dann doch nicht
>genug...

was heist denn "überhaupt nichts" ? Vielleicht Mikro falsch herum 
angeschlossen?
Grundsätzlich empfinde ich den Eingangswiederstand auch etwas niedrig. 
Aber egal - etwas tun muß sich was. Wie hast Du denn das gemessen? Oszi 
wäre hier auf alle Fälle nicht verkehrt - Schon das Mikro sollte eine 
deutlich sichtbare Wechselspannung abgeben.
5mA empfinde ich aber schon als reichlich bei einem Elektretmikro (wobei 
das der Kurzschlußstrom über den Vorwiderstand wäre). Im DB steht 
1,5V-10V/0,5mA. Du hast also gerade mal 0,5V über den Vorwiderstand. Ich 
würde also den R auf 3,9 oder 4,7k erhöhen, damit das Mikro einen 
einigermaßen mittigen Arbeitspunkt bekommt (vielleicht so reichlich 3V 
anvisieren, was mit 3,9k gegeben sein sollte).
Dann würde ich aber auch den Eingangswiderstand der OPV-Schaltung 
kräftig erhöhen, sonst gibt's zu viel Dämpfung (also z.B. 22k/2M oder 
höher für die Verstärkungseinstellung - aber dann leider 
brummempfindlicher).
Oder nimmst eine nichtinvertierende OPV-Schaltung, was bedeutend höhere 
Eingangswiderstände zuläßt.

Autor: Gastino (Gast)
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>was heist denn "überhaupt nichts" ? Vielleicht Mikro falsch herum
>angeschlossen?

Nein (wahrscheinlich nicht - siehe unten), der Fehler war noch viel, 
viel bekloppter: C1 war nicht 1 uF, sondern 1 nF. Das kommt davon, wenn 
man altes Zeug verwerten will und die Bezeichnung missinterpretiert. Wer 
kommt schon auf die Idee, dass so eine riesige Tonne von 
Folienkondensator nicht 1000 nF, sondern 1000 pF ist?! :)

Nun zappelt etwas, wenn ich das Mikrofon anblase oder direkt 
reinschreie. Auch mit einem höheren Verstärkungsfaktor (R5=82 kOhm) wird 
es zwar ein wenig besser, aber bei weitem noch nicht brauchbar.
Deine Vorschläge hinsichtlich der Dimensionierung der R kann ich leider 
noch nicht umsetzen, weil mir das Material fehlt. 220 kOhm ist das obere 
Ende der Fahnenstange in meiner Bauteilekiste. :( Es klingt aber 
einleuchtend. An den Arbeitspunkt des Mikrofons habe ich Depp noch gar 
nicht gedacht, an den Eingangswiderstand aber schon.

Zur Beschaltung des Mikrofons: Leider ist das Datenblatt mit 
Informationen sehr sparsam. Meine Interpretation war, dass das 
abisolierte Drähtchen der GND-Anschluss und das mit der Isolierung für 
Spannungsversorgung und Signal ist. Eine Verbindung zum Gehäuse kann man 
leider nicht erkennen, um so eindeutig die Zuordnung herleiten zu 
können. Ich hoffe mal, dass ich da richtig liege.

Autor: Jens G. (jensig)
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>man altes Zeug verwerten will und die Bezeichnung missinterpretiert. Wer
>kommt schon auf die Idee, dass so eine riesige Tonne von
>Folienkondensator nicht 1000 nF, sondern 1000 pF ist?! :)

ach - altes Zeug kann man schon zum Spielen nehmen. Bei riesen Tonnen 
sollte man aber im Hinterkopf haben, daß es ein 1600V Kondi sein könnte, 
wie die Dinger im Fernseher zu finden sind ;-)

>Zur Beschaltung des Mikrofons: Leider ist das Datenblatt mit
>Informationen sehr sparsam. Meine Interpretation war, dass das
>abisolierte Drähtchen der GND-Anschluss und das mit der Isolierung für
>Spannungsversorgung und Signal ist. Eine Verbindung zum Gehäuse kann man
>leider nicht erkennen, um so eindeutig die Zuordnung herleiten zu
>können. Ich hoffe mal, dass ich da richtig liege.

Nun ja, wenn es jetzt mit richtigem C schon mal eine Reaktion gibt, dann 
haste das Mikro wohl auch richtig herum angeschlossen (und bei 5V 
machste wohl auch noch nix kaputt, wenn es mal verkehrtherum sein 
sollte).

Autor: Gastino (Gast)
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>ach - altes Zeug kann man schon zum Spielen nehmen. Bei riesen Tonnen
>sollte man aber im Hinterkopf haben, daß es ein 1600V Kondi sein könnte,
>wie die Dinger im Fernseher zu finden sind ;-)

Nein, das Ding ist so ein gelbes 08/15-Teil aus ehemaliger 
DDR-Produktion. "Riesige Tonne" war etwas übertrieben, aber im Vergleich 
zur Kapazität ist das Ding wirklich riesig.

So, jetzt schaue ich noch mal tief in meine Bauteile-Kiste... :)

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Gastino,

der Strom in das Elektretmikrofon ist viel zu groß gewählt. Wenn du 
einen so hohen Strom einstellst, kann der eingebaute FET wahrscheinlich 
nicht mehr richtig arbeiten. Gewöhnlich ergibt sich bei 0,5...1mA eine 
gute Verstärkung bei gleichzeitig niedrigem Rauschen.

Außerdem ist die Lastimpedanz viel zu klein. Ein ELektretmikrofon hat 
eine Ausgangsimpedanz im kOhm Bereich, da ist eine Last von 1k natürlich 
viel zu wenig.

Außerdem fehlt jegliche Betriebsspannungs-Unterdrückung für das 
Elektretmikrofon und die Referenzspannung am "+" Eingang des OPamp.

Ich würde dir eine nichtinvertierende Schaltung empfehlen, wie im 
Anhang. Der LMV321 ist eine Einfachversion des LMV358, der wiederum eine 
verbesserte Version des LM358 ist.

Wenn du nur den LM358 zur Verfügung hast, solltest du beim 150k 
Spannungsteiler den unteren Widerstand auf 100k verkleinern.

Kai Klaas

Autor: Gastino (Gast)
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Hallo Kai,

ich habe den Vorwiderstand des Mikrofons jetzt auf 3,9 kOhm geändert. 
Das hat nochmal eine sichtbare Verbesserung gebracht. Damit dürfte der 
Strom nun auf maximal ca. 0,8 mA eingestellt sein (bei einer 
Ausgangsimpedanz des Mikrofons von 2 kOhm), richtig?

Dass die Lastimpedanz der Verstärkerschaltung zu niedrig ist, habe ich 
mir auch schon gedacht, aber zur Zeit sind mir bei der aufgebauten 
invertierenden Schaltung die Hände gebunden, ich muss erst Widerstände 
nachbestellen. Das gilt auch für Deinen Schaltungsvorschlag, den ich 
dann parallel auch mal aufbauen und anschauen werde.

Was ich nicht ganz an Deinen Erläuterungen verstehe: Die Referenz bzw. 
der Offset am "+"-Eingang wird doch durch die zwei 10 kOhm gegen Vcc 
bzw. GND hergestellt, oder?

Dass keine Betriebsspannungsunterdrückung in der Schaltung ist, stimmt. 
Ich gehe davon aus, dass das in Deiner Schaltung der Teil mit den 220 
Ohm und 100 uF übernimmt.

Autor: Gastino (Gast)
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Achso, das habe ich noch vergessen: Zur Zeit verwende ich den TS912IN, 
der erschien mir als ganz guter Kompromiss aus Preis und Leistung. Ich 
wollte einen OPV, der "Single Supply"- und "Rail to Rail"-fähig ist und 
im Betriebsspannungsbereich 3,3 V und 5 V einsetzbar ist...

Autor: Kai Klaas (Gast)
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>Was ich nicht ganz an Deinen Erläuterungen verstehe: Die Referenz bzw.
>der Offset am "+"-Eingang wird doch durch die zwei 10 kOhm gegen Vcc
>bzw. GND hergestellt, oder?

Genau. Und was ist deine Frage?

>Dass keine Betriebsspannungsunterdrückung in der Schaltung ist, stimmt.
>Ich gehe davon aus, dass das in Deiner Schaltung der Teil mit den 220
>Ohm und 100 uF übernimmt.

Genau.

>Achso, das habe ich noch vergessen: Zur Zeit verwende ich den TS912IN,
>der erschien mir als ganz guter Kompromiss aus Preis und Leistung. Ich
>wollte einen OPV, der "Single Supply"- und "Rail to Rail"-fähig ist und
>im Betriebsspannungsbereich 3,3 V und 5 V einsetzbar ist...

Ja, der ist auch prima geeignet.

Kai Klaas

Autor: Gastino (Gast)
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Noch ein Nachtrag:

Es zeigt sich (mir) mal wieder, dass das Nachbauen einer fertigen 
Schaltung nicht so mein Ding ist. Jetzt, wo es nicht so recht 
funktioniert hat, fängt man erst an, richtig nachzudenken. Mittlerweile 
frage ich mich, warum man bei einem Mikrofonvorverstärker eine 
invertierende OPV-Schaltung nehmen soll, wenn doch der Vorteil der 
nichtinvertierenden in der hohen Eingangsimpedanz liegt?! Was da AVR in 
seiner Application Notes als Schaltung vorschlägt, macht anscheinend 
weder hinsichtlich der Grundschaltung noch bei der Wahl des 
Verstärkungsfaktors und der restlichen Eigenschaften (Vorwiderstand, 
Eingangsimpedanz) wirklich Sinn.
Oder ist mein Elektret-Mikrofon ein so spezieller Vertreter seiner Art 
und andere würden problemlos mit dieser Schaltung leben können?

Autor: Gastino (Gast)
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>Genau. Und was ist deine Frage?

Ich hatte Deinen Satz falsch interpretiert. Ich hatte erst vertanden, 
die Referenzspannung am "+"-Eingang hätte gefehlt. Aber Du meintest ja, 
dass die Betriebsspannungsunterdrückung für diese Spannung fehlt. Damit 
hat sich die Frage natürlich erledigt. :)

Danke nochmal an alle für die gute Hilfe! War eine sehr gute Anregung, 
mal selbst über die Schaltung nachzudenken.

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Gastino,

>Es zeigt sich (mir) mal wieder, dass das Nachbauen einer fertigen
>Schaltung nicht so mein Ding ist. Jetzt, wo es nicht so recht
>funktioniert hat, fängt man erst an, richtig nachzudenken.

Am besten schaut man sich vorher mal um, wie das Andere so machen und 
versucht dann die Unterschiede heraus zu arbeiten. Du mußt dich von der 
Vorstellung verabschieden, daß es "DIE" beste 
Mikrofonverstärker-Schaltung gibt, "DEN" besten OPamp, usw. Eine 
Schaltung entwicklen heißt immer Kompromisse eingehen. Was in der einen 
Anwendung gut genug ist, mag für eine andere untragbar sein.

Wenn du die Unterschiede und die Funktion der Vorlagen analysiert und 
verstanden hast, kannst du dann "DEINE" Schaltung entwickeln.

Kai Klaas

Autor: Jens G. (jensig)
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>Ich würde dir eine nichtinvertierende Schaltung empfehlen, wie im
>Anhang. Der LMV321 ist eine Einfachversion des LMV358, der wiederum eine
>verbesserte Version des LM358 ist.

genau das hatte ich heute schon vorgeschlagen - für Details war ich aber 
leider etwas zu faul ...

Autor: Gastino (Gast)
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So, mittlerweile habe ich mir so eine Art Aushilfs-Oszi für arme Leute 
mit Mirkofonvorverstärkern gebaut: 128 Ausgangswerte werden mittels 
ATmega16 A/D-Wandler aller 100 ms mit ca. 15 kHz abgetastet und in 
Diagrammform auf einem GLCD dargestellt (dazu noch Angabe von Maximal- 
und Minimalwert und Spitze-Spitze-Wert).

Wenn ich recht nahe an das Mikrofon herangehe, sieht das Sprachsignal 
schon ganz hübsch aus. Mit einer etwas höheren Eingangsimpedanz des 
Verstärkers (wenn ich denn mal wieder dafür notwendige Bauteile 
eingekauft habe) dürfte dann auch die Empfindlichkeit etwas besser 
werden. Immerhin sieht man auch bei Geräuschen von etwas weiter weg (1 
m) Ausschläge im Spitze-Spitze-Wert... :)

Juhu! :)

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