Impedanzmessgerät für den PC

© 2005 Marcel Müller

Abstract:
Mit dem hier beschriebenen Gerät und einem PC mit einer handelsüblichen Soundkarte kann man 2-Pol- und 4-Pol-Analysen (Impedanz und Übertragungsfunktion) im NF-Frequenzbereich durchführen. Die Impedanzen sollten im Bereich von ca. 0,01Ω bis 100kΩ liegen.
Damit ist es beispielsweise möglich LCR-Messungen, ESR-Messungen von Elektrolytkondensatoren oder auch die Messung der Impedanzkurve von Lautsprechern durchzuführen. Zusammen mit einem Oszilloskop eignet sich das Gerät auch für Kennlinienmessungen. Die Grundgenauigkeit des Gerätes ohne Eichung ist 2%.
Zum Nachbau benötigt man Übung mit dem Lötkolben. Für den Betrieb wird zusätzlich ein externes Netzteil benötigt.

Vorwort

Bei meinen Versuchen Impedanzmessungen mit dem PC zu machen, habe ich bald festgestellt, dass es praktischer ist, die erforderlichen Komponenten fest verdrahtet in einem Gerät zu haben, als sie immer einzeln zusammenzusuchen und zusammenzustecken. Deshalb habe ich aus vorwiegend alten Bauteilen das hier beschriebene Gerät gefertigt. Sicherlich kann man das eine oder andere besser oder einfacher machen, aber die Auslegung ist so bemessen, dass bei den vorgesehenen Messungen nahezu keine Beeinträchtigung des Ergebnisses stattfindet. Es ist eben eine Preiswerte Lösung. Für Messungen bis 40kHz (mit 96kHz-Karten) eignet sich die Schaltung nicht.

Aufbau

BlockschaltbildDer PC-Adapter für Impedanzmessungen besteht im Wesentlichen aus den im nebenstehenden Blockschaltbild gezeigten Funktionsgruppen. Aufgrund der hohen Symmetrie des Aufbaus ist die Schaltung relativ unanfällig gegen Störungen. Die beiden Referenzeingänge sind wenn möglich gegenphasig anzusteuern.

Das Referenzsignal wird sehr niederohmig über eine Reihenschaltung des Messobjekts und des Referenzwiderstands geschickt. Dadurch wird sowohl eine Spannungs- als auch eine Strombegrenzung erreicht.

Die Spannung über dem Messobjekt und dem Referenzwiderstand wird im 4-Punkt-Verfahren abgegriffen mit einem Differenzverstärker mit hochohmigem Eingang abgegriffen. Die Spannung über dem Referenzwiderstand ist dabei Proportional zum Strom im Messobjekt.

An den Ein- und Ausgängen befinden sich gemeinsam geschaltete Verstärkerstufen mit dem der Leistungspegel am Messobjekt um einen Faktor 100 abgesenkt werden kann. Dabei bleibt das Messergebnis in einem Toleranzbereich von 1% unverändert.

Mit einem Offset-Schalter können gepolte Kapazitäten vorgespannt werden, um eine Umpolung zu vermeiden.

AnschlußplanDer Anschluss an den PC und an das Messobjekt erfolgt wie abgebildet. Die Verbindungskabel zum PC sollten nicht länger als ca. 2-3m sein. Die Anschlussleitungen zum Messobjekt sollten so kurz wie möglich sein, da sonst Leitungskapazitäten das Ergebnis verfälschen können.

Anwendung

Messgleichung

ZX = Uout/Iout · Rref

Solange lineare Komponenten gemessen werden, gilt die obige Gleichung aufgrund des Superpositionsprinzips auch für komplexe Impedanzen, also wenn ZX, Uout und Iout frequenzabhängig sind.

→Beispielmessungen

Kalibrierung

Eine Kalibrierung ist, wenn die Referenzwiderstände etwas taugen, nicht unbedingt erforderlich. Aber am oberen Ende des Frequenzspektrums und bei der Messung von Bauteilen mit hoher Güte ist eine Kompensation des Übersprechens und von Phasendifferenzen zu empfehlen. Üblicherweise genügt eine Zwei-Punkt-Kalibrierung, einmal mit ZX = 0 und einmal mit ZX = ∞. Daraus lässt sich die Transformationsmatrix für die Korrektur, M, bestimmen. M ist frequenzabhängig.

Uout(∞) Iout(∞)
Uout(0) Iout(0)

U  = M-1 ·  Uout
I · Rref Iout

Da das Referenzsignal aufgrund des Spannungsabfalls in den Zuleitungen (Widerstand, Induktivität) bei beiden Messungen nicht äquivalent ist, müssen die einzelnen Messungen zuvor auf Uout + Iout = 1 normiert werden. Das gibt zwar einen Folgefehler, der ist aber normalerweise vernachlässigbar. Lediglich bei sehr geringen Referenzwiderständen (<0,5Ω) kann es eng werden.

Uout(∞)
Uout(∞) + Iout(∞)
Iout(∞)
Uout(∞) + Iout(∞)
Uout(0)
Uout(0) + Iout(0)
Iout(0)
Uout(0) + Iout(0)

Der Effekt der parasitären Leitungskapazität parallel zu ZX wird damit auch kompensiert. Allerdings ist dieser Effekt abhängig vom Referenzwiderstand, weshalb die Kalibrierung beim Umschalten des Messbereichs normalerweise nicht erhalten bleibt.

Schaltplan

 DIFFAMP


 POWER SUPPLY

Die Widerstände mit ! sollten 1% Toleranz, die mit !! 1‰haben. Als Differenzverstärker kann man alternativ auch einen INA105 verwenden; der ist aber deutlich teurer und bringt in diesem Kontext kaum Vorteile.

Schaltungsalternativen

Mechanik

FrontansichtInnenansicht

Und es passt doch auf eine Euro-Platine! Etwas achten sollte man darauf, dass die stark stromführenden oder einstreuempfindlichen Signale als Twistet-Pair geführt werden, dann gibt es auch eine halbwegs vernünftige Übersprechdämpfung.

Technische Daten

Betriebsparameter Versorgungsspannung ±10..±15V
Referenzsignal ≤7,5Vp abzüglich des halben eingestellten Offsets
max. Ausgangsleistung an der Messlast 50µW bei Referenzsignal +IN - -IN = 2VRMS  und Rref = 20k
500µW bei Referenzsignal +IN - -IN = 2VRMS  und Rref = 2k
5mW bei Referenzsignal +IN - -IN = 2VRMS  und Rref = 200Ω
49mW1 bei Referenzsignal +IN - -IN = 2VRMS  und Rref = 20Ω
445mW1 bei Referenzsignal +IN - -IN = 2VRMS  und Rref = 2Ω
2,2W1 bei Referenzsignal +IN - -IN = 2VRMS  und Rref = 0,2Ω
DC-Offset 0V/1V/3V/10V ±20%
Treiberstufen Spannungsverstärkung
×1 ±2%
im Normalmodus
×0,1 ±2% im Feinmessmodus
Ausgangsstrom 4A
kurzzeitig
Flankensteilheit ≥1V/µs
Offset
±20mV bei Offset Schalter = 0V
Differenzverstärker Spannungsverstärkung ×1 ±1,5% im Normalmodus
×10 ±1,5% im Feinmessmodus
Nutzfrequenzbereich (±0,5dB) 0Hz..25kHz im DC-Modus
25Hz..25kHz im AC-Modus
Gleichtaktunterdrückung -54dB bei 1kHz
Offset
±30mV im Normalmodus
  1. Die Ausgangsleistung wird faktisch durch den Widerstand der Leitungsverbindungen begrenzt. Die Werte sind geschätzt.

Kontakt

Anmerkungen, Ergänzungen, Einwände (nur nicht zu viele :-):

Originale Seite: http://www.maazl.de/electronic/LCR/LCR-Adapter.html