Kapazitätsmessung - NE555 als astabile Kippstufe

[Andreas L. (andreas_l441)]

Hallo,
ich möchte gerne eine sich ändernde Kapazität im Bereich von 100pF - 
8000pF durch Frequenzmessung mit einem Mikrocontroller messen. Dazu habe 
ich an die astabile Kippstufe mit dem NE555 gedacht (siehe Bild), dessen 
Rechtecksignal ich auf einen Eingang des Mikrocontrollers lege. Die 
Formel für die resultierende Frequenz f lautet wie folgt:

$$f = \frac{1{,}44}{(R_A+2*R_B)*C}$$

Ich habe ein paar Rechnungen dazu durchgeführt und erhalte ziemlich hohe 
Widerstände für Ra und Rb im MegaOhm-Bereich wenn ich die sich ergebende 
Frequenz gering halten möchte. Hat das irgendeinen besonderen Nachteil 
oder kann ich ohne Bedenken solch hohe Widerstände verwenden?
Beispielsweise erhalte ich für

$$(R_A+2*R_B)$$

 einen Widerstand von

$$7{,}11~M\Omega$$

 wenn ich eine Auflösung von 1 pF erreichen möchte und der Timer des 
Mikrocontrollers mit 16 MHz taktet (Frequenzmessung durch Auslesen des 
Zählerstandes nach einer Periode).

[Hp M. (nachtmix)]

Derartig hochohmige Widerstände solltest du nicht mit dem NE555 
verwenden, wei dann die (temperaturabhängigen) Eingangsströme der 
Transistoren in der Formel berücksichtigt werden müssten.
Es gibt aber eine CMOS-Version des 555, mit der sollte es klappen.

[Ralph S. (jjflash)]

Wie oben schon erwähnt: du solltest einen der vielen CMOS Derivate 
nehmen.

Wenn es grundsätzlich "nur" darum geht, eine Kapazität zu bestimmen, 
haben mittlerweile extrem viele Controller mindestens einen 
Analogkomparator (oder einen ADC an Board, der einen externen 555 
unnötig macht).

Wenn also nur das Ergebnis zählt, solltest du dir mal den Thread mit dem 
Transistortester anschauen, der schon seit Ewigkeiten Kapazitäten (über 
Ermittlung des Wechselstromwiderstands) messen kann.

Wenn es - wie du vorhast - über die Lade- (und Entladezeit) eines 
Kondensators erfolgen soll und ein externer 555 hierfür herhalten soll, 
würde ich dennoch keinen Rechteckgenerator aufbauen und die Frequenz 
messen, sondern den 555 im Monoflop-Betrieb verwenden:

- ein Ausgangspin triggert den 555 und eine interne Stopuhr startet
- ein Eingangspin des Controllers ist mit dem Ausgang des 555 verbunden, 
sobald wie der 555 wieder in seinen stabilen Zustand zurückgibt hält die 
Stopuhr und die vergangene Zeit ist ein absolutes Maß dafür, wie groß 
der Kondensator war.

Ich würde dennoch als Ladewiderstand nicht über 1 M-Ohm hinaus gehen, 
weil mit zunehmender Größe des Widerstands auch der Fehler immer größer 
wird.

Eine Möglichkeit - wenn du Anfänger bist - ist auch:

- Triggern des 555
- eine Zählschleife zählt solange Zähler hoch, bis Eingangspin ein 
zurückkippen des 555 erfasst
- Zählerstand ist Maß für die Kapazität, in einer Lookuptabelle (und 
einer Interpolation) kannst den Kondensatorwert bestimmen (ohne bspw. 
logarithmische Mathematikfunktionen zu benötigen).

Gruß, Ralph

[Werner H. (werner45)]

Der 555 ist nicht stabil, besonders wenn man mit grenzwertiger 
Dimensionierung arbeitet. Besser sind Monoflops (die sind angeblich 
temperaturstabilisiert)

Meine Erfahrung mit der Messung kleiner Kapazitäten:

Beitrag "Re: Auswerteschaltung kapazitives Sensorelement"

Auszug:
...noch einen Trick zur Messung kleiner Kapazitäten (pF):

z.B für Valvo-Feuchtesensor-Auswertung oder pF-Meßgerät.

Ein Taktgeber triggert ZWEI Monoflops gleichzeitig! An einem ist der
Sensor, an dem anderen ein Trimmer, um die Anfangskapazität des Sensors
zu kompensieren und den Meßbereich zu dehnen. Beide Ausgangspulse werden
mit EXOR (aus 4 NAND) verknüpft und dessen Ausgang analog integriert,
die Spannung ist proportional zur Sensorkapazität.

Für ein pF-Meßgerät dient ein Zeigerinstrument als Integrator und
Anzeige. Als Meßkabel eine Stegleitung, damit die Kabelkapazität
konstant bleibt und statt des Trimmers ein Drehko. Wenn die Versorgung
der beiden Monoflops gut voneinander entkkoppelt ist, kann man sogar
Bruchteile eines pF messen (ansonsten gibt es Mitzieh-Effekte).
Ich hatte die "antiken" 74121 verwendet. Das Gerät hatte bis zum Tod
durch Korrosion gut gearbeitet. Wird neu aufgebaut, wenn ich wieder
kleine Kondensatoren messen muß...

Gruß   -   Werner