Название сайта!

Главная » 2014 » Январь » 24 » Мостовой измеритель импеданса — приставка к компьютеру

19:05 Мостовой измеритель импеданса — приставка к компьютеру
Заинтересовавшись измерением импеданса с помощью компьютера, американский радиолюбитель Джордж Стебер (George и. Steber, WB9LVI) разработал простую измерительную приставку, подключаемую к аудиокарте компьютера, и разработал управляющую аудиокартой программу, которая выполняет все необходимые расчеты и наглядно отображает результат на экране монитора. Об этом и о некоторых полученных результатах он написал в статьях [1, 2], опубликованных американскими радиолюбительскими журналами QST и QEX. Изложение этих статей мы предлагаем читателям. Импеданс (от лат. impedire — препятствовать) — полное сопротивление электрическому току, самая важная величина, характеризующая любой элемент линейной электрической цепи: резистор, конденсатор, катушку индуктивности. Обладают импедансом (входным, выходным, а в некоторых случаях и переходным — отношением выходного напряжения к входному току или наоборот) и более сложные устройства — усилители, генераторы, фильтры, антенно-фидерные системы. Импеданс Z — комплексная величина: Импеданс Z — комплексная величина: Z = R+jX. Его действительная часть — знакомое всем активное сопротивление R — характеризует способность элемента превращать электрическую энергию в тепловую, механическую или излучать ее в пространство в виде электромагнитных волн. Мнимая часть — реактивное сопротивление X. Оно характеризует способность элемента хранить энергию в своем электрическом или магнитном поле. В соответствии с приведенной выше формулой любой элемент линейной электрической цепи можно рассматривать как состоящий из последовательно соединенных резистора и конденсатора (при Х0). Такие "эквивалентные" схемы самых распространенных элементов приведены в табл. 1. Они неплохо отражают отличия свойств реальных элементов от идеальных, но зачастую лишь вблизи одной частоты приложенного к цепи напряжения или текущего по ней тока — той, на которой измерен импеданс. Чтобы учесть зависимость свойств реального элемента от частоты точнее, применяют и другие эквивалентные схемы, например, с параллельным соединением активного и реактивного компонентов, а также с увеличенным их числом. Часто для удобства вычислений импеданс выражают в показательной форме: - модуль полного сопротивления (отношение амплитудных значений синусоидальных напряжения и тока); — фазовый сдвиг между напряжением и током. Первоначально автор предполагал применить мостовую схему, показанную на рис. 1. Здесь источники напряжения Ux и Ur — цифроаналоговые преобразователи (ЦАП), генерирующие синусоидальные сигналы одной и той же круговой частоты W0, но разной амплитуды и фазы: Амплитуда А образцового напряжения Ur неизменна, а его начальная фаза принята за ноль. Параметры В и фи напряжения Ux изменяют таким образом, чтобы сбалансировать мост — добиться равенства нулю напряжения e(t), измеряемого компьютером с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Можно показать, что при балансе выполняется равенство Для балансировки моста был выбран метод наименьших средних квадратов (англ. LMS — least mean square). Он заключается в вычислении среднеквад-ратического значения напряжения e(t) и его минимизации постепенным изменением значений В и фи. Соображения по выбору оптимального алгоритма измерения приведены в статье [2]. Достоинство алгоритма LMS заключается в том, что результат измерения не зависит от абсолютных значений амплитуды сигналов, а только от их отношения и от сопротивления образцового резистора Rm. Недостаток — требуется большой объем вычислений, с которым, однако, современный компьютер вполне справляется. Еще один недостаток состоит в том, что элемент Zx, импеданс которого измеряется, не имеет соединения с общим проводом, что может оказаться значительным неудобством при практических измерениях. Отметим также, что отсчеты формируемых цифровым методом сигналов Ux и Ur, а также напряжения e(t) должны производиться синхронно. Типовая аудиокарта персонального компьютера содержит прекрасные 16-разрядные двухканальные ЦАП и АЦП. Она, казалось бы, прекрасно справится с поставленной задачей, если бы не требование синхронности выходных и входных отсчетов... Тот, кто знаком с операционной системой Windows, вероятно, знает, что все операции ввода—вывода она выполняет через буферы. И сама решает, когда тот или иной буфер будет прочитан или заполнен новой информацией для вывода. Это и не дает возможности синхронизировать ввод и вывод с точностью до отсчета. После безуспешных попыток решить эту проблему автор пришел к заключению, что нужно искать другое схемное решение мостового измерителя импеданса. В результате родилась схема измерительной приставки к компьютеру, показанная на рис. 2. Разъем XS1 соединяют с выходом "Line OUT" аудио-карты компьютера, а разъемы XS2 и XS3 — соответственно с правым и левым каналами ее входа "Line IN". Можно использовать стандартные экранированные аудиокабели с соответствующими разъемами. К зажимам ХТ1, ХТ2 подключают образцовый резистор Rm, а к зажимам ХТЗ, ХТ4 — элемент, импеданс которого Zx необходимо измерить. Сопротивление образцового резистора должно быть известно с погрешностью не более 1 %. ОУ DA1.1 и DA1.2 служат буферами, устраняющими влияние емкости соединительных кабелей и входного сопротивления звуковой карты на результаты измерения. Здесь применен недорогой сдвоенный ОУ LM358N, однако подойдут и его многочисленные аналоги. Микросхему DA1 питают от любого двуполярного источника постоянного напряжения. Значение Uпит должно лежать в интервале 3...15В, причем рекомендуется выбирать его поменьше, что убережет входы аудиокарты от случайного повреждения. Можно использовать батарею из четырех гальванических элементов типоразмера ААА, сделав отвод от ее середины. Внешний вид собранной на макетной плате приставки показан на рис. 3. Желательно, чтобы в компьютере была установлена полнодуплексная аудиокарта с низким уровнем шума и нелинейных искажений. Прекрасно подойдет, например, Sound Blaster Live. Вероятно, пригодны и многие другие аудиокарты, но поскольку Дж. Стебер их не испытывал, он ограничивается описанием работы именно с этой. Если уровни входных и выходных сигналов отрегулированы неправильно, источниками искажений могут стать как входные, так и выходные усилители аудиокарты. Проверка, проведенная с помощью цифрового осциллографа TDS360, имеющего режим анализатора спектра, показала, что при Rm=10 Ом и Zx=0 (зажимы ХТЗ и ХТ4 замкнуты) вторая и третья гармоники выходного сигнала становятся заметными, если Ur превышает 820 мВ. Поскольку напряжение сигнала на линейном выходе аудиокарты может достигать 1,62 В, его следует уменьшить с помощью "аудиомикшера" Windows либо с помощью регулировки, предусмотренной в рассматриваемой далее программе измерения импеданса. Автор предпочел, установив в Windows максимальную громкость воспроизведения, задавать в своей программе легко запоминаемый коэффициент 0,5. Особой точности здесь не требуется, так как алгоритм LMS нечувствителен к фактическому значению напряжения Ur. Однако существует опасность перегрузки входных усилителей линейного входа аудиокарты. Проверка показала, что этого не происходит даже при установке в Windows максимального уровня записи, если напряжение подаваемого на измерительный мост сигнала не превышает 0,82 В. Очень важна балансировка чувствительности двух входных каналов. Она непосредственно влияет на точность вычисления программой значения Ur-Ux. Несколько замечаний относительно устаревших, но еще установленных во многих компьютерах аудиокарт SB 16 и AWE32 и некоторых других, "совместимых" с Sound Blaster. К сожалению, не все они способны работать в режиме полного дуплекса. После длительных экспериментов автору удалось заставить одну из таких карт работать с программой измерения импеданса, но полученные результаты оказались не совсем удовлетворительными. Архив с программой LMSbridge можно скачать здесь. Распаковав его в отдельную папку, подключите к компьютеру описанную выше приставку и запустите программу. При попытке сделать это на экране может появиться сообщение об ошибке "Required DLL file MSVBVM60.DLL was not found" (требуемый файл динамической библиотеки не найден). Это — библиотека времени исполнения системы Visual Basic, обычно уже установленная на многих компьютерах. В противном случае ее легко найти в виде самораспаковывающегося архива на странице интернет-сайта компании Microsoft под названием "Visual Basic 6.0 SP5: RunTime Redistribution Pack (VBRun60sp5.exe)". При успешном запуске программы LMSbridge на экране монитора появится окно, изображенное на рис. 4. Его центр занимает экран программного осциллографа, отображающего снимаемые с моста сигналы. Вверху слева от экрана в поле "Oscilloscope" находятся органы управления, которыми можно установить наиболее удобный масштаб изображения по вертикали и по горизонтали ("Time Base"). Ниже находится поле управления двумя вертикальными линиями-курсорами, с помощью которых можно получить числовые значения отсчетов наблюдаемых осциллограмм. Наиболее важная область окна находится внизу справа под рубрикой "UNKNOWN" (неизвестные). Здесь отображаются результаты измерения: Rs и Xs — соответственно действительная и мнимая части измеренного импеданса (Ом); \|Z\| и Ang Z — модуль (Ом) и фазовый угол (град.) импеданса, представленного в показательной форме; Ls и Q — соответствующая измеренному Xs индуктивность (Гн) и ее добротность. Если Xs меньше нуля, то вместо индуктивности на экран выводятся емкость Cs (Ф) и тангенс угла потерь d. Прежде чем выполнять измерение, необходимо, выбрав пункт "Rm" главного меню программы, задать значение образцового сопротивления, подключенного к зажимам ХТ1 и ХТ2. Заданное значение отображается в самой нижней строке окна программы слева. Чем точнее известно образцовое сопротивление, тем более точным будет результат. Ориентировочные пределы измерения индуктивности и емкости в зависимости от образцового сопротивления при частоте измерительного сигнала 1225 Гц приведены в табл. 2. Частоту и амплитуду этого сигнала можно изменить, воспользовавшись пунктом "SigGen" главного меню. Выбранное значение частоты (Freq) будет отображено в самой нижней строке окна справа. Однократное измерение выполняют, нажав на кнопку Start 1 справа от экрана осциллографа. При нажатии на кнопку Start2 измерения повторяются циклически до нажатия на Stop. Учтите, стандартная кнопка завершения программы в верхнем правом углу ее окна не действует. Чтобы выйти из программы, нужно нажать на расположенную под кнопкой Stop кнопку Exit. Как и любой измерительный прибор, рассмотренный мост имеет паразитные параметры, которые влияют на результаты измерений. В программе предусмотрен их учет и соответствующая автоматическая корректировка результатов, но для этого необходимо произвести ряд контрольных замеров. При Rm=100 кОм и в отсутствие измеряемого элемента Z, (к зажимам ХТЗ и ХТ4 ничего не подключено) измеряют паразитную входную емкость прибора. У автора она получилась равной 14,1 пФ. Открыв пункт главного меню "Tare — Manual Tare", заносят в соответствующую графу полученное значение. Далее к зажимам ХТ1 и ХТ2 подключают образцовый резистор сопротивлением 10 Ом, не забыв ввести это значение в программу. Зажимы ХТЗ и ХТ4 соединяют короткой перемычкой. Измеряют паразитные индуктивность и сопротивление проводов моста. Полученные значения вводят в соответствующие графы окна "Manual Tare". Для настройки аудиокарты откройте на "Панели управления" Windows пункт "Звуки и аудиоустройства". На закладке "Аудио" этого окна нажмите на экранную кнопку "Громкость..." в поле "Воспроизведение звука". В открывшемся окне "Общая громкость" установите в максимальное положение движки регулировки громкости "Общая" и "Звук". Все остальные каналы, в том числе "Лин. вход", выключите. Очень важно, чтобы все движки "Баланс" были установлены строго в среднее положение. Иначе можно получить очень странные результаты. Закрыв окно "Общая громкость", нажмите на кнопку "Громкость..." в поле "Запись звука". В открывшемся окне "Уровень записи" включите "Лин. вход", установите здесь максимальную громкость и выключите все остальное. Импеданс многих электронных компонентов был измерен как с помощью описанных выше приставки и программы, так и измерителем сопротивления, индуктивности и емкости промышленного изготовления. В спецификации этого прибора было указано, что его погрешность — 1...5 % в зависимости от измеряемой величины и выбранного предела. В большинстве случаев различие показаний двух приборов укладывалось в 1 %. Исключение — малогабаритные катушки индуктивности на ферритовых магнитопроводах, при измерении которых результаты различались значительно больше. Чтобы измерить входной импеданс усилителя или другого устройства, достаточно подключить "горячий" провод интересующего входа к зажиму ХТЗ моста, а общий ("холодный") — к зажиму ХТ4. Чтобы не перегрузить проверяемое устройство, необходимо установить минимально необходимый уровень подаваемого на мост с аудиокарты напряжения и выбрать образцовое сопротивление, близкое к ожидаемому модулю измеряемого импеданса. Учтите, что входной импеданс многих устройств сильно зависит от частоты и амплитуды сигнала. Поэтому измерения желательно повторять при нескольких значениях этих параметров. Автору статьи удалось измерить импеданс линейного входа используемой аудиокарты. Для этого оказалось достаточно, исключив из схемы ОУ DA1.2, соединить вход левого стереоканала непосредственно с зажимом ХТ2 или ХТЗ. На частоте 1225 Гц при Rm=1 кОм получено значение модуля импеданса 28,2 кОм с фазовым углом 6,41°. Обмотки трансформаторов и громкоговорители подключают непосредственно к зажимам ХТЗ и ХТ4. Измерение импеданса громкоговорителей рекомендуется начинать при Rm=10 Ом. В качестве примера автор привел результаты измерения импеданса первичной обмотки небольшого аудио-трансформатора Mouser 42MC003 с коэффициентом трансформации 12,25. При нагрузке вторичной обмотки резистором 8,2 Ом результат получился равным 1,24 кОм с фазовым углом 13,78° (частота 1225 Гц, Rm=1 кОм). Если измерять индуктивность катушки, не имеющей магнитопровода, изменяя с помощью аудиомикшера Windows напряжение сигнала, подаваемого на измерительный мост с аудио-карты, можно убедиться, что результат хотя и немного меняется под действием шума и помех, но в целом от уровня сигнала не зависит. Иное дело — катушка с ферромагнитным магнито-проводом. К удивлению автора статьи (а он все-таки бывший профессор электроники), обнаружилось, что ее индуктивность растет с увеличением уровня сигнала. Оказывается, магнитная проницаемость ферромагнетика имеет наименьшее значение при близкой к нулю напряженности магнитного поля и растет с ее увеличением. Поскольку индуктивность пропорциональна магнитной проницаемости, она минимальна при самом малом токе сигнала. Если же увеличивать ток, индуктивность возрастает, но при некотором его значении наступает насыщение магнитопровода (об этом-то автор знал!) и индуктивность вновь начинает уменьшаться. Этот факт всегда учитывается разработчиками импульсных стабилизаторов напряжения. Интересно, что активная часть импеданса катушек индуктивности зависит от частоты. Измерения упоминавшегося выше трансформатора с ненагруженной вторичной обмоткой подтверждают это. При изменении частоты от 525 до 2205 Гц активная часть импеданса изменяется от 1,14 до 3,93 кОм. С нагрузкой 8,2 Ом интервал ее изменения уменьшается до 1,06...1,26 кОм. Подобным образом ведут себя электромагниты. Их импеданс зависит и от положения якоря. Попробуйте подключить к измерительному мосту в качестве Zx так называемый конвертер отрицательного сопротивления (КОС), собранный по схеме, изображенной на рис. 5 (нумерация элементов продолжает начатую на рис. 2). Нужно обязательно позаботиться о том, чтобы сопротивление резистора R2 было меньше образцового Rm, иначе возникнет генерация. При Rm=1 кОм и R2=470 Ом программа LMSbridge показывает импеданс минус 470 Ом! На практике КОС находят очень ограниченное применение из-за склонности к самовозбуждению. ЛИТЕРАТУРА 1. Steber G. Low Cost Automatic Impedance Bridge. — QST, 2005, October, p. 36—39. 2. Steber G. An LMS Impedance Bridge. — QEX, 2005, September/October, p. 41—47. Радио №5, 2009
1 2 3 4 5 Категория: Измерение \| Просмотров: 2275 \| Добавил: Alex \| Рейтинг: 3.0/1