Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik 555er als VCO


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von Da W. (da_w)


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Hallo,

ich möchte in einer Schaltung den Spannungsabfall an einem Widerstand - 
einem Sensor - als Frequenz wiedergeben. Passend dafür erschien mir ein 
CMOS 555er als VCO.

Folgende Schaltung habe ich also an meinem Widerstand angeschlossen:
http://www.talkingelectronics.com/projects/50%20-%20555%20Circuits/images/VCO.gif

Die Versorgung ist 3V und der Spannungsabfall am Widerstand ist zwischen 
0,1 - 2,2 V. Diesen Spannungsabfall möchte ich auf eine Frequenz 
zwischen 1kHz - 15kHz umlegen.

Grundsätzlich funktioniert die Schaltung, nur kommt irgend eine Frequenz 
zwischen 5kHz und 40kHz (mit einer beliebigen Pulsweite) heraus.

Wie könnte ich die Schaltung optimieren damit das ganze etwas 
kontrollierter abläuft? Ziel wäre ein Rechtecksignal das sich im 
hörbaren Frequenzbereich in Abhängigkeit der Spannung ändert.
Ist ein 555er grundsätzlich als stabiler VCO geeignet?

Lg,
Wauschi

: Verschoben durch Moderator
von Lurchi (Gast)


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Da W. schrieb:
> Grundsätzlich funktioniert die Schaltung, nur kommt irgend eine Frequenz
> zwischen 5kHz und 40kHz (mit einer beliebigen Pulsweite) heraus.

Anarchie.

Oder folgt das doch dem Prinzip von Ursache und Wirkung?

von Da W. (da_w)


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:-) ja Anarchie...

Nein, habe schon erste Verbesserung gefunden wo ich auch mit einer 
Formel beschieben den Arbeitsbereich einstellen kann:
http://cornerstonerobotics.org/circuits/555_tone_generator.pdf

Das werde ich als nächstes probieren.

Der Grund warum ich diese Grundschaltung nicht gleich genommen habe ist 
weil die Relation auf die Spannung auf Pin 5 nicht beschrieben ist.

von Da W. (da_w)


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Laut der Formel F = R1+2*R2 müsste ich mit einem Gesamtwiderstand von 
50k - 1k auf eine Frequenz zwischen ca. 500Hz - 12kHz kommen, optimal.

(Noch leichter und ganz genau geht es mit 
http://freespace.virgin.net/matt.waite/resource/handy/pinouts/555/ )

Die Frage ist jedoch wie wirkt sich dann die Spannungsänderung an Pin5 
auf die Frequenz aus?

von Peter D. (peda)


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Ich würde einen ATTiny13 und ein bischen Programm nehmen.
Man kann sich überlegen, ob es zeitlinear oder frequenzlinear sein soll.

Oder einen U-F Wandler, z.B. AD7740.


Peter

von Da W. (da_w)


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Danke Peda,

guter Hinweis! Genau so ein Teil möchte ich mit dem 555er bauen.
Werde gleich einmal nach einer passenden Referenzschaltung suchen.

Danke

von Yalu X. (yalu) (Moderator)


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Da W. schrieb:
> ich möchte in einer Schaltung den Spannungsabfall an einem Widerstand -
> einem Sensor - als Frequenz wiedergeben.

Der Sensor ist also ein veränderlicher Widerstand, bspw. ein Fotowider-
stand oder etwas in der Art?

Warum nimmst du dann den Umweg über den Spannungsabfall und nutzt nicht
den veränderlichen Sensorwiderstand direkt?

Du schaltest den Sensor in deiner ersten Schaltung einfach anstelle des
33kΩ-Widerstands und lässt Pin 5 offen.

von Helmut L. (helmi1)


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Da W. schrieb:
> Die Versorgung ist 3V und der Spannungsabfall am Widerstand ist zwischen
> 0,1 - 2,2 V. Diesen Spannungsabfall möchte ich auf eine Frequenz
> zwischen 1kHz - 15kHz umlegen.

Der NE555 geht aber erst ab 4.5V, da sind deine 3V eindeutig zu 
niederig.

von Ottmar K. (wil1)


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So könnte das Aussehen.
Für niedrigere Vdd gibts es noch z.B. ICM7555 für Vdd 2-18V und auch so 
schöne Sache wie ein 74HC5555....

mfG Ottmar

von Ottmar K. (wil1)


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Da fällt mir noch was ein:

Vor Jahren habe ich mal den RC4151
[http://www.reichelt.de/ICs-NE-STV-/RC-4151-DIP/3/index.html?;ACTION=3;LA=2;ARTICLE=15162;GROUPID=2915;artnr=RC+4151+DIP;SID=13UH42c38AAAIAADzpUmQ8b41b10f90b7d1b6137f5d974449c570]

als AD-Wandler für ein Akku-Kapazitätsmessgerät verwendet. Die 
Linearität war sehr gut. Im Datenblatt werden sogar 0,05% versprochen. 
Allerdings liegt der Betriebsspannungsbereich bei 8-32V (single supply).

mfg Ottmar

von Da W. (da_w)


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@Yalu, ja, aber ich möchte den (3V CMOS) 555er an eine bestehende 
Schaltung hinzuhängen. Der Sensor ist in der Schaltung im Anhang (303) 
eingezeichnet und wenn ich messe kann ich einen Spannungsabfall von 
0,1-2,2V messen. Wenn ich den Widerstand/Sensor direkt an den 555er 
hänge könnte ich die bestehende Schaltung beeinflussen, das muss aber 
nicht sein. Ich werde es ausprobieren. Danke für den Hinweis.

Den XR4151 werde ich mir auch ansehen, danke Ottmar.

von Yalu X. (yalu) (Moderator)


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Da W. schrieb:
> Wenn ich den Widerstand/Sensor direkt an den 555er
> hänge könnte ich die bestehende Schaltung beeinflussen, das muss aber
> nicht sein.

Ja, in diesem Fall funktioniert der Vorschlag nicht. Ich dachte, der
Sensor wäre ein gewöhnlicher variabler Widerstand mit nur zwei
Anschlüssen. Aber dieser Alkoholsensor hat ja drei Anschlüsse.

Um die bestehende Schaltung nicht zu beeinflussen, sollte der Eingang
deines VCO auf jeden Fall hochohmig sein, das wirst du nur mit einem
NE555 kaum zufriedenstellend hinbekommen.

von Da W. (da_w)


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..... ok, ich sehe schon ich muss mir den AD7740 besorgen. Leider ist 
der nicht um die Ecke zu kaufen...

Danke auf jeden Fall.

von Kai K. (klaas)


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>Die Versorgung ist 3V und der Spannungsabfall am Widerstand ist zwischen
>0,1 - 2,2 V. Diesen Spannungsabfall möchte ich auf eine Frequenz
>zwischen 1kHz - 15kHz umlegen.

Vorsicht, der 555 arbeitet bei 0,1V noch nicht richtig:

http://www.umnicom.de/Elektronik/Schaltungssammlung/Vco/Vco.html

Ich würde vielleicht einen LM331 nehmen. Allerdings braucht der 
mindestens 4V Versorgungsspannung.

von Helmut L. (helmi1)


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Hast du dir schon mal den VCO-Teil vom 4046 angesehen?

http://www.ti.com/lit/an/scha003b/scha003b.pdf

von Da W. (da_w)


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Der LM331 wäre extrem einfach zu handhaben, 4 Volt ist leider durch 
Batteriebetrieb nicht möglich. Eine 3V Version habe ich nicht gefungen, 
aber der 4046 ist interessant. Großes Gehäuse (16Pin) aber sogar bei 
Conrad verfügbar. (Für den AD7740 habe ich noch keine Quelle gefunden.)

von Kai K. (klaas)


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>Hast du dir schon mal den VCO-Teil vom 4046 angesehen?

Hat der nicht einen kräftigen Temperaturgang?

von Helmut L. (helmi1)


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Kai Klaas schrieb:
> Hat der nicht einen kräftigen Temperaturgang?

Man kann halt nicht alles haben. Ansonsten bliebe noch der Weg das mit 
diskreten Bauteilen aufzubauen. Also Analogschalter/OPs etc.

von Yalu X. (yalu) (Moderator)


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So in etwa könnte ein VCO mit einem Quad-Opamp-IC aussehen. Die Frequenz
errechnet sich zu

(U_B = Betriebsspannung, U_E = Eingangsspannung)

Mit einer Eingangsspannung von 0,1V bis 2,2V wird damit ein Frequenz-
bereich von 757Hz bis 16,7kHz abgedeckt. Tatsächlich liegt die Frequenz
bei 2,2V nur bei etwa 15,1kHz, weil der LTC6088 als Komparator (U3) zu
langsam ist.

Falls hohe Genauigkeit gefordert ist, kannst du einen schnelleren Opamp
nehmen oder (besser) U3 durch einen echten Komparator ersetzen. Wenn die
Genauigkeit nicht so wichtig ist, kannst du evtl. auch einen langsame-
ren, dafür aber billigeren TS914 oder MCP6004 nehmen.

Der eigentlich VCO besteht nur aus zwei Opamps (U2 und U3). U1 dient
lediglich dazu, den Eingang hochohmig zu machen, was aber nach deiner
obigen Beschreibung wichtig ist.

von Kai K. (klaas)


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>So in etwa könnte ein VCO mit einem Quad-Opamp-IC aussehen.

Hhm, recht niederomige Schaltung für einen MCP6004. "Gefühlsmäßig" würde 
ich die Widerstände rund zehn mal größer wählen...

von Yalu X. (yalu) (Moderator)


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Kai Klaas schrieb:
> Hhm, recht niederomige Schaltung für einen MCP6004. "Gefühlsmäßig" würde
> ich die Widerstände rund zehn mal größer wählen...

Ich habe erst auch überlegt, die Widerstände (insbesondere R1 und R4)
deutlich größer zu machen. Dann wäre aber C1 entsprechend geschrumpft.
C1 wollte ich aber auch nicht allzu klein machen, um Ungenauigkeiten
durch parasitäre Kapazitäten auch bei ungeschicktem Aufbau sicher
ausschließen zu können.

Ich habe mich dann für C1=10nF entschieden und die Widerstände passend
dazu dimensioniert. Der maximale Ausgangsstrom von U1 liegt damit noch
unter 500µA, bei U2 und U3 sind die Ströme noch geringer. Damit ist die
Schaltung zwar nicht Low-Power, aber die Opamps pfeifen auch nicht aus
dem letzten Loch.

Aber du hast recht, Faktor 10 wäre auch noch problemlos möglich.

von Wauschi (Gast)


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Yalu,

könnte ein LM324 auch funktionieren?
Diesen hätte ich verfügbar (und deine Spice Simulation zeigt gute 
Ergebnisse).

Wauschi

von Harald W. (wilhelms)


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Wauschi schrieb:
> Yalu,
>
> könnte ein LM324 auch funktionieren?

Der LM324 ist recht langsam, was in diesem Fall die Genauigkeit
deutlich verschlechtert. Wenn ein Komparator gebraucht wird,
sollte man auch einen Komparator einsetzen und keinen OPV!
Gruss
Harald

von Yalu X. (yalu) (Moderator)


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Wauschi schrieb:
> könnte ein LM324 auch funktionieren?

Beim LM324 mit VCC=3,3V ist bei 2,2V Eingagsspannung wahrscheinlich der
Common-Mode-Range (laut Datenblatt VCC-1,7V=1,6V) überschritten. Man
könnte das zwar mit einem Spannungsteiler am Eingang beheben, dann ist
aber die Hochohmigkeit wieder dahin.

> Diesen hätte ich verfügbar (und deine Spice Simulation zeigt gute
> Ergebnisse).

Welches Modell des LM324 hast du verwendet? Mit dem von TI funktioniert
der Impedanzwandler U1 (begrenzt durch die maximale Ausgangsspannung)
nur bis 1,7V, das von National (huch, das ist jetzt ja auch TI) bis fast
2,2V, was mir aber etwas optimistisch erscheint.

Zudem hängt die Frequenz von der High-Ausgangsspannung von U3 ab. Die
dürfte beim LM324 stärker schwanken als bei einem Rail-to-Rail-Typ.

Wenn es bei der Schaltung aber primär darum geht, je greller der Ton,
umso mehr besoffen, kannst du es mit dem LM324 ja mal versuchen :)

von Da W. (da_w)


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Yalu, du hast die Anwendung ganz gut und richtig erkannt, die 
Sensorwertänderung wird direkt in einen Ton umgesetzt. Den Ton benötige 
ich um über die Mikrofonbuchse meines Handys den Messwert auszulesen. 
Ich habe bereits eine Software die mit dem Ton eine FFT macht und damit 
den Alkoholgehalt auf dem Display anzeigt. Statt der sehr ungenauen 
Rot/Grün Anzeige des Geräts (auf dem Schaltplan weiter oben) kann man 
dann konkrete Werte auf 2 Kommastellen genau anzeigen, vorausgesetzt die 
V-F Umsetzung ist genau :-)

555er mit Pin5 geht also nicht, LM324 ist vermutlich zu ungenau, andere 
Lösungen fallen wegen der 3V Versorgung weg. Bei den von dir 
vorgeschlagenen Teilen bin ich auch nicht ganz sicher, der 6055 wird von 
dir als zu langsam beschrieben und die TS914/MCP6004 nennst du ungenau. 
Für den LM331 habe ich keine 3V Ersatztype gefunden. Bleibt noch der 
AD7740. Bei AD gibt es keine Samples, bei Digikey habe ich den Teil 
gefunden. Mal sehen ob die an mich als privater auch schicken.


Vielen, vielen Dank. Das Forum hat mich im Projekt wirklich 
weitergebracht.

von Helmut L. (helmi1)


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Dein Problem ist das der LM324 als Komparator zu langsam ist.
Du kannst diesen Komparator jedoch durch einen richtigen Komparator 
ersetzen.

Hast du einen LM339 oder LM393 da?

von Peter D. (peda)


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Da W. schrieb:
> Den Ton benötige
> ich um über die Mikrofonbuchse meines Handys den Messwert auszulesen.

Was spricht dagegen, einen kleinen MC (ATtiny24) und LCD direkt 
ranzupappen und ein kleines Programm zu schreiben?


Peter

von Da W. (da_w)


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Peter, du hast recht.
Das Projekt ist "gewachsen", es sollte ursprünglich eine einfache V-F 
Lösung mit einem 555er sein. Da die einfache Schaltung nicht 
funktioniert muss ich jetzt die anderen Optionen abwägen. Das hat sich 
alles erst Gestern durch die Hilfe des Forums ergeben. Einen Tiny24 
müsste ich sogar noch haben....

Morgen kann ich schon mehr sagen...

Danke.

von Yalu X. (yalu) (Moderator)


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Da W. schrieb:
> 555er mit Pin5 geht also nicht, LM324 ist vermutlich zu ungenau, andere
> Lösungen fallen wegen der 3V Versorgung weg. Bei den von dir
> vorgeschlagenen Teilen bin ich auch nicht ganz sicher, der 6055 wird von
> dir als zu langsam beschrieben und die TS914/MCP6004 nennst du ungenau.

Wobei "ungenau" immer relativ ist. Wie genau misst denn der Sensor?
Selbst wenn du den Alkoholgehalt in der Atemluft auf die gewünschten
zwei Kommastellen bestimmen kannst: Kann diese Zahl auch jemand
interpretieren? Ich schätze, die meisten Leute können nur mit dem
Blutalkoholgehalt (in Promille angegeben) etwas anfangen. Dieser Wert
lässt sich aber nur sehr ungenau aus dem Alkoholgehalt der Atemluft
bestimmen.

> Für den LM331 habe ich keine 3V Ersatztype gefunden. Bleibt noch der
> AD7740. Bei AD gibt es keine Samples, bei Digikey habe ich den Teil
> gefunden. Mal sehen ob die an mich als privater auch schicken.

Bei Digikey kannst du auch als Privatmensch bestellen. Allerdings sind
die Versandkosten recht happig.

Da W. schrieb:
> Einen Tiny24 müsste ich sogar noch haben....

Wenn du den auch programmieren kannst, spricht wenig bis gar nichts
dagegen, ihn zu verwenden. Für deine Anwendung kommst du dadurch mit
einer minimalen Anzahl von Bauteilen aus.

von Kai K. (klaas)


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>Bei den von dir vorgeschlagenen Teilen bin ich auch nicht ganz sicher,
>der 6055 wird von dir als zu langsam beschrieben und die TS914/MCP6004
>nennst du ungenau.

Du kannst die Schaltung durch Wahl geeigneterer OPamps fast beliebig 
verbessern. Davon abgesehen sollte Yalus Schaltung, die übrigens auch in 
meinem obigen Link aufgeführt wird, für deine Zwecke vollkommen 
ausreichen, auch wenn du Billig-Opamps nimmst.

Warum arbeitest du überhaupt in einem Frequenzbereich von 1kHz bis 
15kHz?? Sollte das nicht auch mit viel niedrigeren Frequenzen gehen? 
Dann vereinfachen sich auch die Anforderungen an die Schaltung.

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