Kapazitive Last am Komparator

Gast #3429741
Lesenswert?
• ▲
▼
Hallo,

ich möchte eine Kapazität (Feuchtesensor Mk33, 300pF +-ca.60pF) messen. 
Die Kapazität hängt am Eingang eines Multivibrators (Komparator). Die 
Kapazität wird über den Ausgang des Komparators aufgeladen bzw. 
entladen.
Die Periodendauer erfasse ich dann mit einem µC.

Da das ganze erst mal genau werden soll, möchte ich einen Komparator 
nehmen der eine rise/fall time von 10ns hat.

In den Datenblättern von Komparatoren steht meistens, dass die rise/fall 
time innerhalb der Spezifikation ist, wenn eine Last von 15pF anliegt.

Meine Frage ist jetzt, wie wirkt sich die Sensorkapazität (Mk33), die 
direkt am Minuseingang hängt und über einen 170kOhm Widerstand am 
Ausgang hängt, auf das Verhalten des Komparators aus? Wenn ja, wie wirkt 
sich die größere Kapazität auf die rise/fall time aus?
Gast #3429760
Lesenswert?
• ▲
▼
lora schrieb:
> In den Datenblättern von Komparatoren steht meistens, dass die rise/fall
> time innerhalb der Spezifikation ist, wenn eine Last von 15pF anliegt.

Damit ist die Lastkapazität am Ausgang gemeint, an den Eingang kannst du 
anschließen so viel du willst

> Meine Frage ist jetzt, wie wirkt sich die Sensorkapazität (Mk33), die
> direkt am Minuseingang hängt und über einen 170kOhm Widerstand am
> Ausgang hängt, auf das Verhalten des Komparators aus?

Je größer die Kapazität, umso niedriger die Frequenz.

> Die Kapazität wird über den Ausgang des Komparators aufgeladen bzw.
> entladen.

Der Komarator braucht aber eine Hsyterese.

> Da das ganze erst mal genau werden soll, möchte ich einen Komparator
> nehmen der eine rise/fall time von 10ns hat.

Derartige Anstiegs-/ Fallzeiten wirken sich bei 10kHz (=der empfohlenen 
Arbeitsfrequenz) nicht merklich auf die Frequenz aus.
Gast #3429801
Lesenswert?
• ▲
▼
Dank für die schnelle Antwort.

>Damit ist die Lastkapazität am Ausgang gemeint, an den Eingang kannst du
>anschließen so viel du willst

Okay. Jetzt nur für das Verständnis. Was passiert wenn der 
Rückkopplungswiderstand (170k) immer kleiner wird? Dann "sieht" der 
Komparatorausgang den Kondensator doch immer mehr als Last, oder?

Ab welchem Widerstand, kann man sagen, dass diese Kapazität einen 
Einfluss auf die Komparatorspezifikation hat?

>Der Komarator braucht aber eine Hsyterese.

Ja, eine Hysterese ist natürlich vorgesehen (ca. 2/3Ub minus 1/3Ub).

>Derartige Anstiegs-/ Fallzeiten wirken sich bei 10kHz (=der empfohlenen
>Arbeitsfrequenz) nicht merklich auf die Frequenz aus.

Das war für mich der Sinn der Sache, damit die Kapazität relativ genau 
gemessen werden kann, bzw. erst einmal von dieser 
Auswertungsschaltungsstufe so wenig wie möglich verfälscht wird. Oder 
habe ich da etwas falsch verstanden.
#3429812
Lesenswert?
• ▲
▼
lora schrieb:

> Das war für mich der Sinn der Sache, damit die Kapazität relativ genau
> gemessen werden kann, bzw. erst einmal von dieser
> Auswertungsschaltungsstufe so wenig wie möglich verfälscht wird. Oder
> habe ich da etwas falsch verstanden.

Da Feuchtemessungen sowieso nur mit begrenzter Genauigkeit möglich
sind (Bestenfalls 1%) muss man sich nicht auf solche Feinheiten
konzentrieren. Viel wichtiger wäre da eine Kalibrierung nach
Fertigstellung der Schaltung.
Gruss
Harald
#3429821
Lesenswert?
• ▲
▼
>ich möchte eine Kapazität (Feuchtesensor Mk33, 300pF +-ca.60pF) messen.
>Die Kapazität hängt am Eingang eines Multivibrators (Komparator). Die
>Kapazität wird über den Ausgang des Komparators aufgeladen bzw.
>entladen.
>Die Periodendauer erfasse ich dann mit einem µC.

Was sich in der Theorie einfach und elegant anhört, wirft in der Praxis 
nicht selten eine Menge Probleme auf: Schon die geringsten Störungen am 
Eingang des Komparators lassen die Frequenz merklich schwanken. Die 
Konsequenz ist ein deutlicher Jitter, der sich in der Regel nicht 
vollständig herausmittelt.

Gerade schnelle Komparatoren sind da problematisch. Deswegen würde ich 
dringend die Verwendung eines speziellen Chips empfehlen, der für diese 
Aufgaben getrimmt ist, beispeilsweise den 555 bzw. seine CMOS-Version.

Zusätzlich mußt du gut filtern und gut abschirmen. Die Lage des 
Massepunkts des kapazitiven Sensors muß wohl bedacht werden. Hier 
sollten keine Masseströme aus anderen Schaltungsteilen drüber fließen.
Gast #3429822
Lesenswert?
• ▲
▼
lora schrieb:
> Ab welchem Widerstand, kann man sagen, dass diese Kapazität einen
> Einfluss auf die Komparatorspezifikation hat?

Auf die Spezifikationen hat das gar keinen Einfluss, nur auf sein 
Verhalten in der Schaltung. Wie genau, hängt vom Komparator-Typ und 
seiner Beschaltung ab (es gibt Open-Kollektor-Typen).

> Das war für mich der Sinn der Sache, damit die Kapazität relativ genau
> gemessen werden kann, bzw. erst einmal von dieser
> Auswertungsschaltungsstufe so wenig wie möglich verfälscht wird. Oder
> habe ich da etwas falsch verstanden.

10ns sind 1/10000 von 100µs, an der Stelle zu "optimieren" ist sinnlos. 
Der Sensor selbst hat einen Linearitäsfehler und eine Hysterese von je 
bis 2%, also das 200-fache.
Gast #3430027
Lesenswert?
• ▲
▼
Vielen Dank für die Antworten. Diese haben mir die Augen geöffnet.

Also sollte man vielmehr auf niedrige Temperaturkoeffizienten der 
einzelnen Komponenten achten und anschließend eine Kalibrierung 
durchführen, richtig?
#3430066
Lesenswert?
• ▲
▼
>Also sollte man vielmehr auf niedrige Temperaturkoeffizienten der
>einzelnen Komponenten achten und anschließend eine Kalibrierung
>durchführen, richtig?

Da du ja schon einen µC da hast, kannst du theoretisch alles 
wegkalibrieren, bis auf die Hysterese und die Langzeitdrift.
#3430112
Lesenswert?
• ▲
▼
lora schrieb:
> Okay. Jetzt nur für das Verständnis. Was passiert wenn der
> Rückkopplungswiderstand (170k) immer kleiner wird? Dann "sieht" der
> Komparatorausgang den Kondensator doch immer mehr als Last, oder?
>
> Ab welchem Widerstand, kann man sagen, dass diese Kapazität einen
> Einfluss auf die Komparatorspezifikation hat?

Wenn der Komparator einen CMOS-Ausgang hat, dann liegt der äquivalente 
Ausgangswiderstand bei 30-50 Ohm. Spätestens bei einem zehnmal so großen 
Rückkopplungswiderstand würde ich die kapazitive Belastung des Ausgangs 
als "nicht vorhanden" einstufen.

Man baut solche Oszillatoren typisch als Relaxationsoszillator: vom 
Komparatorausgang über einen Widerstandsteiler auf den (+) Eingang [1] 
und über das RC-Glied an den (-) Eingang. Dann kompensiert sich die 
Betriebsspannung praktisch raus. Was bleibt, sind die Durchlauf- 
verzögerung des Komparators und sein Eingangsstrom und -Offset.

[1] die Variante für unipolare Betriebsspannung hat einen Spannungs- 
teiler auf 1/2 Vcc am (+) Eingang und von da einen Widerstand zum 
Ausgang. Bei 3 gleichen Widerständen sind die Spitzenwerte an den 
Komparatoreingängen ca. 1/3 Vcc und 2/3 Vcc.


XL

Antwort schreiben

Hinweis: der ursprüngliche Beitrag ist mehr als 6 Monate alt. Bitte hier nur auf die ursprüngliche Frage antworten, für neue Fragen einen neuen Beitrag erstellen.

Formatierung
  • [c]C-Code[/c]
  • [code]Code in anderen Sprachen, ASCII-Zeichnungen[/code]
  • [math]Formel in LaTeX-Syntax[/math]
  • [[Titel]] – Link zu einem Artikel
  • Verweis auf einen anderen Beitrag: Rechtsklick auf dessen Beitrags-ID (#8078628), „Adresse kopieren“, in den Text einfügen

Mehr zur Formatierung

Längeren Sourcecode als Anhang, nicht in den Text. JPG nur für Fotos und Scans; Zeichnungen und Screenshots als PNG oder GIF. Siehe Bildformate.

Schon registriert? Anmelden

Wird nicht angezeigt. Wir schicken dir einen Link; sobald du damit bestätigst, erscheint dein Beitrag.

Mit dem Abschicken legst du einen kostenlosen Account an und erkennst die Nutzungsbedingungen und die Datenschutzerklärung an.