Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Elektroda.pl
Licencja Pulsonix
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Precyzyjny pomiar impedancji - podstawy

ghost666 08 Maj 2019 11:04 1470 2
  • Potrzeby technologiczne współczesnego świata wymagają coraz częstszych pomiarów impedancji, czyli zależności pomiędzy napięciem i prądem w obwodach prądu przemiennego. Impedancja mierzona może być na wiele sposobów, z wykorzystaniem zarówno rozwiązań dyskretnych, jak i scalonych. Firma Analog Devices posiada w swojej ofercie elementy, takie jak AD5933 czy ADuCM350 - scalone systemy do pomiaru impedancji elektrycznej. Układy te spotkały się z szerokim, pozytywnym odzewem na rynku, jednakże nie są one w stanie spełnić wymagań wszystkich aplikacji, co sprawia, że inżynierowie elektronicy często nadal stają przed wyzwaniem zaprojektowania własnego systemu do pomiaru impedancji, opartego na elementach dyskretnych.

    Jakkolwiek w teorii zaprojektowanie takiego układu wydawać może się proste, to w rzeczywistości przekraczać może kompetencje elektroników, którzy nigdy wcześniej nie tworzyli takiego toru pomiarowego. Poniższy materiał ma za zadanie przybliżyć zagadnienia związane z projektowaniem tego rodzaju systemów.

    Precyzyjny pomiar impedancji - podstawy
    Przyjrzyjmy się w pierwszej kolejności, co można zrobić z przy wykorzystaniu nowoczesnych układów scalonych. Zacznijmy od podstaw. Chociaż większość ludzi myśli o impedancji definiowanej jako stosunek napięcia do prądu, to w warunkach rzeczywistego obwodu, pomiar tej wartości sprowadza się to do pomiaru dwóch sygnałów napięciowych i wyliczeniu na ich podstawie zależności między znaną i mierzoną impedancją.

    Na przykład, aby zmierzyć prąd płynący przez nieznany rezystor o impedancji Ru, możemy umieścić ten rezystor w obwodzie o znanym napięciu Vi z znanym rezystorem o oporze R. Układ taki tworzy dzielnik napięcia o napięciu wyjściowym równym Vo, które można przekształcić, aby wyznaczyć zeń Ru, korzystając ze wzoru (uwaga, na obrazku po lewej jest błąd we wzorze):

    $$R_u = R \times \frac {V_0} {V_i - V_0} $$

    Aby uzyskać precyzyjny pomiar stosunku tych dwóch napięć, Vo nie może być zbyt małe w porównaniu do Vi. Najlepiej jest, aby wartości tych napięć były mniej więcej równe. Ta prosta metoda działa bardzo dobrze dla sygnałów zmiennych, jednakże wraz ze zwiększaniem częstotliwości prądu w obwodzie, pasożytnicze pojemności i indukcyjności elementów sprawiają, że zwiększa się błąd pomiaru indukcyjności.

    Precyzyjny pomiar impedancji - podstawy
    Innym klasycznym rozwiązaniem jest umieszczeniu znanych i nieznanych elementów obwodu w mostku Wheatstone'a i takie sterowanie znanym sygnałem, aby zbalansować mostek. W punkcie równowagi mostka, gdzie sygnał jest, nieznana impedancja może być obliczona przy użyciu znanych wartości elementów w mostku. Metoda ta daje bardzo dokładne wyniki, ale wymaga ręcznej manipulacji dużymi i drogimi zmiennymi kondensatorami, cewkami indukcyjnymi i rezystorami, co czyni system niepraktycznym w wielu rzeczywistych zastosowaniach.

    Poprawą tego klasycznego podejścia jest częściowa automatyzacji mostka i wykorzystanie sterowanych elementów oporowych. Jest to możliwe poprzez wstawienie sterowanych elementów w jednym ramieniu mostka. Metoda ta, zwana „mostem równoważonym automatycznie”, może zostać zaimplementowana za pomocą prostego wzmacniacza operacyjnego. Ponieważ mostek taki utrzymuje punkt zerowy prawie w stałym punkcie, redukuje to wymagania co do CMRR wzmacniacza, użytego do pomiaru napięcia na nieznanej impedancji. Metoda ta, chociaż dosyć prosta, wymaga wykorzystania wzmacniacza operacyjnego, który jest w stanie pracować w pełnym zakresie częstotliwości wykorzystywanych do pomiaru impedancji badanego elementu. Często są to częstotliwości powyżej 10 MHz, co oznacza, że konieczne jest wykorzystanie precyzyjnych wzmacniaczy pomiarowych. Wykorzystać można układy, takie jak LTC6268, ADA4817-1, LTC6252 lub ADA4625-1 przy pomiarach impedancji przy częstotliwościach do 10 MHz. Dla wyższych wartości częstotliwości wykorzystać trzeba szybkie wzmacniacze pomiarowe, takie jak AD8250, AD8251, AD8429 lub AD8421. Wykorzystania op-ampa pomiarowego, z w pełni różnicowym wejściem, pozwala na uniknięcie wpływu wartości pasożytniczych, jako że będą one podobne na obu wejściach i w różnicy obecnej na wyjściu układu będą się znosić.

    Precyzyjny pomiar impedancji - podstawy
    Kolejnym wyzwaniem jest zmierzenie zależności fazowych i amplitudowych pomiędzy sygnałami mierzonymi na znanej i nieznanej impedancji. Do tego celu wykorzystuje się m.in. precyzyjne przetworniki analogowo-cyfrowe, takie jak 18-bitowe konwerter AD4003 czy LTC2387-18. Pozwalają one na przeprowadzenie dalszej analizy sygnałów programowo, co znacznie upraszcza projektowanie systemu. Cyfrowe przetwarzanie sygnałów ma szereg zalet, nad przetwarzaniem analogowym - pozwala na osiągnięcie precyzyjniejszych rezultatów, przy wykorzystaniu mniejszej powierzchni płytki drukowanej. Tego rodzaju systemy są odporniejsze na zakłócenia i elastyczniejsze w działaniu. Finalnie, wykorzystując systemy cyfrowe, np. generatory DDS, dużo prościej wygenerować sygnały wzbudzenia układu. Wykorzystać do tego można układy, takie jak na przykład AD9834, które pozwolą uzupełnić analogowy front-end pomiarowy.

    Precyzyjny pomiar impedancji - podstawy


    Źródło: https://ez.analog.com/b/engineerzone-spotlight/posts/the-challenges-of-measuring-impedance-accurately

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
  • Licencja Pulsonix
  • #2
    Tytus Kosiarski
    Poziom 14  
    Wydaje mi się, że jest błąd we wzorze na dzielnik napięciowy. Według mnie powinno być:

    Vo = (Vi * Ru) / (R + Ru)

    stąd po wyprowadzeniu:

    Ru = (Vo * R) / (Vi - Vo)

    Z teorii obwodów pamiętam, że rezystor, na którym mierzymy napięcie wyjściowe, jest w liczniku tego ułamka.

    Pozdrawiam, KT
  • Licencja Pulsonix
  • #3
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Tytus Kosiarski napisał:
    Wydaje mi się, że jest błąd we wzorze na dzielnik napięciowy. Według mnie powinno być:

    Vo = (Vi * Ru) / (R + Ru)

    stąd po wyprowadzeniu:

    Ru = (Vo * R) / (Vi - Vo)

    Z teorii obwodów pamiętam, że rezystor, na którym mierzymy napięcie wyjściowe, jest w liczniku tego ułamka.

    Pozdrawiam, KT


    To prawda, na stronie źródłowej był błąd - poprawiłem. Dzięki za zwrócenie uwagi.