Осцилограф та функціональний генератор як єдина система

Посилання на сторінку сайту Магазину Gtest® з номенклатурою генераторів сигналів, а також рекомендовані прилади та статті для подальшої самоосвіти - наприкінці цього розділу.

Вимірювання імпедансу за допомогою осцилографа та генератора сигналів

У більшості лабораторій традиційно є достатньо цифрових мультиметрів (DMM) для вимірювання опору по постійному струму, але коли справа доходить до вимірювання індуктивності, ємності та імпедансу, не завжди легко знайти вимірювач LCR, оскільки цей прилад не дуже поширений.

Вимірювачі LCR працюють таким чином, що подають змінну напругу на пристрій, який тестується (DUT), і вимірюють результуючий струм як за амплітудою, так і за фазою відносно сигналу цієї змінної напруги. У цьому випадку ємнісний імпеданс матиме форму струму, яка випереджає форму хвилі напруги. Відповідно, індуктивний імпеданс матиме форму струму, яка відстає від форми хвилі напруги.

Якщо у вашій лабораторії є осцилограф і функціональний генератор, можна застосовувати аналогічний метод для проведення багаточастотних вимірювань імпедансу з хорошими результатами. Цей метод також може використовуватися як навчальна лабораторна вправа.

Що таке імпеданс?

Імпеданс - це повний опір проходженню струму в колі змінного струму. Імпеданс складається з дійсної та реактивної складових. Зазвичай позначається як Z = R + X, де R - активний опір, а X - реактивний опір.

Малюнок 1. Імпеданс, змодельований як конденсатор або котушка індуктивності з еквівалентним послідовним опором.

Реальні компоненти складаються з провідників, з'єднань, діелектриків та інших елементів, які формують характеристики імпедансу. Імпеданс змінюється залежно від частоти тестового сигналу, рівня напруги, наявності постійної складової, струму та умов навколишнього середовища. Найважливішим фактором є саме частота тестового сигналу.

На відміну від ідеальних компонентів, реальні елементи не є чисто індуктивними або ємнісними. Усі компоненти мають послідовний опір, а також додаткові паразитні параметри, які впливають на реактивну складову імпедансу.

Способи вимірювання імпедансу

Метод IV, описаний у цьому матеріалі, є лише одним із багатьох способів вимірювання імпедансу. Інші методи включають мостові та резонансні схеми.

Малюнок 2. Схема випробування методу IV.

Метод IV використовує значення напруги та струму на DUT для розрахунку невідомого імпедансу Zx. Значення струму визначається шляхом вимірювання падіння напруги на прецизійному резисторі, увімкненому послідовно з DUT.

Рівняння 1:

Теоретична розрахункова точність

У цьому прикладі використовується осцилограф змішаних сигналів (MSO) із вбудованим генератором сигналів довільної форми (AFG). Смуга пропускання генератора 50 МГц добре підходить для такого типу вимірювань. Точність посилення постійного струму осцилографа становить близько 3%.

Відповідно до рівняння 1, теоретична точність вимірювання повинна становити приблизно 6%. Оскільки частота дискретизації осцилографа значно перевищує тестові частоти, похибка фазових характеристик буде незначною.

Приклад 1: Керамічний конденсатор 10 мкФ

Для проведення випробування використовується схема, наведена на малюнку 3.

Малюнок 3. Тестова установка для оцінки конденсатора.

Налаштуйте генератор на синусоїдальний сигнал 100 Гц з амплітудою 1 В. Підключіть осцилограф до вузлів A1 та A2 і виконайте вимірювання.

Малюнок 4. Криві напруги та результати вимірювань у вузлах A1 та A2.

Для підвищення точності встановіть усереднення 128 вибірок та зареєструйте амплітуди, частоту і фазовий зсув між каналами.

Відомі параметри:

• Частота сигналу f = 100 Гц
• Прецизійний резистор Rref = 1 кОм
• Амплітуда A1 = 1,934 В
• Амплітуда A2 = 0,310 В
• Фазовий зсув θ = -80°

На основі отриманих значень визначаються модуль та кут імпедансу, а потім розраховуються ESR та ємність конденсатора.

У таблиці 1 порівнюються результати, отримані за допомогою осцилографа та функціонального генератора, з результатами вимірювача LCR та USB-векторного аналізатора мереж.

Таблиця 1. Порівняльні результати вимірювань ємності та ESR.

Для досягнення максимальної точності необхідно правильно підбирати значення прецизійного резистора Rref. Його значення повинно бути достатньо низьким для формування вимірюваного сигналу, але більшим за 50 Ом, щоб мінімізувати вплив вихідного опору генератора.

Малюнок 5. Схема тестування для оцінки індуктора.

Приклад 2: Індуктор 10 мГн

Процедура вимірювання практично аналогічна вимірюванню конденсатора. Генератор налаштовується на синусоїдальний сигнал 10 кГц з амплітудою 1 В.

Малюнок 6. Криві напруги та результати вимірювань у вузлах A1 та A2.

Після вимірювання амплітуд та фазового зсуву обчислюється імпеданс індуктора, а потім його ESR та індуктивність.

Діапазон вимірювань

Для цього методу існують певні обмеження щодо частоти тестового сигналу та значень ємності або індуктивності DUT.

Малюнок 7. Співвідношення ємності та частоти.

Малюнок 8. Співвідношення індуктивності та частоти.

Висновок

Якщо у вашій лабораторії відсутній вимірювач LCR або необхідно проаналізувати поведінку конденсаторів і котушок індуктивності під дією синусоїдального сигналу, осцилограф і функціональний генератор дозволяють реалізувати простий і зрозумілий метод вимірювання імпедансу.

За допомогою цього підходу можна визначати значення ємності та індуктивності з похибкою близько 3-6%. Для цього достатньо мати якісний генератор сигналів, сучасний осцилограф та кілька прецизійних резисторів.

купити осцилограф в Україні

купити генератор сигналів в Україні