Современные измерители RLC параметров

Современные измерители RLC параметров

Шиганов А.А. АО «ПриСТ» В состав любого аналогового или цифрового оборудования входит множество пассивных элементов: резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности. Поэтому при разработке, изготовлении, настройке или ремонте электронной аппаратуры возникает необходимость измерения параметров радиодеталей и различных компонентов схем. В статье рассмотрены особенности, основные технические характеристики и возможности многофункциональных RLC измерителей АКИП-6103, АКИП-6105 (АКИП™). Подробные технические характеристики прибора...

В  силу зависимости модуля комплексного сопротивления от частоты существует необходимость определения параметров элементов на различных частотах. Парадоксально, но факт, при простом принципе действия приборов для определения комплексного сопротивления элемента их схемотехника достаточно сложная. При определении электрических параметров диапазон частот варьируется от десятков килогерц для массовых элементов до десятков, и даже сотен мегагерц в особых случаях. Однако с увеличением частоты возрастают и трудности измерения. Это обусловлено тем, что на высоких частотах измерения проводятся в стандартизованных экранированных трактах, а не на точечных выводах элементов. Поэтому наличие в измерителях  RLC тестовых частот в диапазоне до 1 МГц переводит их уже на другой, более высокий уровень конструктивного исполнения.

Примером такого оборудования являются новые измерители RLC параметров АКИП-6103, АКИП-6105 (рис.1). Измерители предназначены для проведения измерений сопротивления, ёмкости, индуктивности, тангенса угла потерь, добротности, комплексного сопротивления и фазового сдвига. Базовая погрешность измерений составляет ±0,05%. Измерители обладают функциями программирования режимов, ручного или автоматического выбора диапазона измерений. Все эти достоинства позволяют выполнять измерения широкой номенклатуры пассивных компонентов электрических схем.

Рисунок 1. Внешний вид АКИП-6103

Рисунок 2. Внешний вид АКИП-6105

Режимы работы:  6-ти разрядный «Измеритель» на выбранных частотах тест-сигнала, табличные измерения параметра по 10 точкам «Таблица», а также экранное отображение графиков качания основного и вспомогательного параметра «График».

В основу работы приборов положены технологии прямого цифрового синтеза  DDS (Direct Digital synthesis) и цифровой обработки сигнала DSP. Это принципиально отличает их от измерителей с мостовой схемой на переменном токе, в которых производится сравнение неизвестного комплексного сопротивления с образцовой мерой. На практике в качестве меры применяется конденсатор, поскольку процесс изготовления высокодобротных образцовых катушек связан с определёнными трудностями. Для сопоставления необходимо напомнить, что погрешность измерения уравновешенных классических  мостов переменного тока  обеспечивается  в диапазоне значений 0,5…5%.

В измерителях АКИП-6103, АКИП-6105 источником тест-сигнала является генератор DDS (с переключаемым внутренним сопротивлением), который позволяет получить непрерывный набор частот с минимальной дискретностью перестройки. Тестовый сигнал представляет собой непрерывное колебание синусоидальной формы, погрешность установки частоты  ±0,02%.

Приборы отличаются широким частотным диапазоном, высокой скоростью измерений (до 20 изм/сек), расширенным алгоритмом программной калибровки (КЗ/ ХХ/ на нагрузке). Имеется режим сортировки компонентов (10 ячеек выборок), внутренний источник тест-сигнала с уровнем до 2 В/до 20 мА (скз). Усреднение отображаемого результата программируется пользователем в диапазоне от 1 до 255 с  шагом  «1». При работе измерителя с электролитическими конденсаторами к тестовому сигналу переменного тока может быть добавлена постоянная составляющая  (смещение) величиной до 2 В / до 20 мА от внутреннего источника. Доступны для выбора режимы измерения: FAST/Быстро, MED/Средне и SLOW/Медленно. Основные технические характеристики приведены в таблице 1.

За один цикл измерения АКИП-6103, АКИП-6105 могут одновременно вычислять 2 параметра импеданса - первичный  и вторичный параметры.

Первичный параметр:

• IZI - Импеданс (Модуль сопротивления)
• IYI - Адмиттанс (Модуль полной проводимости)
• L- Индуктивность
• C- Ёмкость
• R- Сопротивление
• G- Проводимость

Вторичный параметр

• D - Тангенс  угла диэлектрических потерь (коэфф. рассеяния)
• Q - Добротность (область префиксной экранной  клавиши)
• Rs - Эквивалентное последовательное сопротивление
• Rp - Эквивалентное параллельное сопротивление
• X - Реактивное сопротивление
• B - Полная проводимость
• ? - Угол сдвига фаз

Измеряемые объекты подключаются к измерителю через BNC гнёзда передней панели с помощью измерительного кабеля (рис. 4) или адаптера для RLC компонентов (рис. 4), входящих в комплект поставки.

Рисунок 3. Измерительный кабель	Рисунок 4. Адаптер компонентов

Процесс измерений контролируется микропроцессором, он же используется для расчёта усредняемых значений и обработки данных, выводимых на дисплей. При измерении происходит автоматическое отображение на дисплее основного и вторичного параметра тестируемого компонента (Z, R, L или C) в требуемом их сочетании. Ниже представлены возможные комбинации  (в каждой из 4-х колонок):

Первичный параметр	Z, Y	L, C	R	G
Вторичный параметр	? (угол в град.),  ? (угол в рад.)	D, Q, RS, RP, G	X	B

Меню функций измерителя, результаты и единицы измерений, индикатор режима (в том числе эквивалентная схема) и предупреждающие сообщения отображаются на ЖК-дисплее, который условно делится на 5 контекстных секторов (рис. 5).

Рисунок 5. Структура информации на дисплее

Дисплей является монохромной графической матрицей с разрешением 320х240 пикселей, которая обеспечивает отображение не только буквенно-числовой информации, но и возможность построения графиков измеряемых параметров во всех функциональных режимах. При необходимости для удобства считывания результатов пользователь с помощью функции SWAP PARAM может осуществить взаимную перемену местами 2-х значений на дисплее (другими словами, сделать рокировку параметров): например, в процессе измерений отображение «Cp-D» – сменить на «D-Cp».

Диапазон частот тест-сигнала измерителя составляет от 20 Гц до 1 МГц с шагом перестройки  0,001 Гц. Выбор уровня тестирования представляет собой процедуру задания с.к.з. значения сигнала синусоидальной формы. При этом можно задать как величину напряжения тестирования, так и величину тока. Выходной импеданс источника сигналов для согласования с объектом тестирования можно выбрать из значений: 100 Ом или 30 Ом.

В приборе имеется функция постоянного смещения по напряжению от 0 до 2,0 В (шаг перестройки 10 мВ); по току - от 0 до 20 мА (шаг перестройки 10 мкА). В процессе измерений функция автоматической регулировки уровня (ALC) корректирует фактический уровень сигнала в соответствии с заданным значением. Благодаря этому обеспечивается постоянство тест-сигнала. Диапазоны стабилизации при использовании функции ALC: по напряжению 10 мВ…1 В (скз), по току 0,01 мА…10 мА (скз). Функция контроля напряжения или тока, протекающего через тестируемое устройство (мониторинг), позволяет измерить и отобразить на дисплее их реальные значения ([Vm] / [Im]).

Встроенный компаратор позволяет распределять тестируемые компоненты максимум по 10 каналам выборок (BIN1 … BIN9 и BIN OUT), а также задать до 9 пар предельных значений основного параметра и одно предельное значение вторичного параметра. Если основной параметр тестируемого устройства не выходит за рамки предельных значений, а второй находится вне данного диапазона, то тестируемое устройство будет отнесено к вспомогательному каналу дополнительной выборки (AUX BIN).

Задавать предельные значения можно двумя способами, аналогично выбору частоты и уровня тест-сигнала. Нажимая на соответствующую префиксную клавишу, можно включить или отключить функцию компаратора.

Приборы имеют возможность подсчёта числа компонентов в выборках (в каналах сравнения). При необходимости через экранное меню доступно включение или выключение счётчика в каждом из каналов.

Одновременно с функцией компаратора при сортировке по различным выборкам прибор подсчитывает в нарастающем порядке количество тестируемых элементов, отнесённых к каждому из каналов выборки. Максимальная индикация счётчика «999.999». Превышение на дисплее отображается символом "----", но внутренний подсчёт при этом продолжается, а фактически подсчитанное значение можно получить через интерфейс GPIB (КОП).

В соответствующих секторах дисплея указываются: номинальное значение параметра (NOM), измеряемый параметр (FUNC), предельные значения каналов (LOW/ HIGH) (Нижний/ Верхний). При этом в поле параметров «FUNC» контролируется символ для текущего измерения. В данном случае на экране отображается «Cp-D», где Cp  соответствует компаратору первичного параметра, а D- вторичного параметра.

Функция свипирования (качания), поддерживаемая АКИП-6103 и АКИП-6105, автоматически осуществляет  циклическую развёртку до 10-и точек частоты, уровня тестирования или постоянного смещения (по току или напряжению). Соответствующий параметр FREQ, LEVEL, BIAS (V/I) – предварительно выбирается пользователем в меню. При этом возможен выбор одного из 2-х режимов: SEQ (Последовательный) или STEP (Пошаговый). В режиме SEQ при нажатии клавиши [TRIG] будет осуществляться автоматическое качание сразу по всем заданным точкам. В режиме STEP при каждом запуске может осуществляться развёртка только одной заданной точки.

В режиме «LIST SWEEP/ТАБЛИЦА» на дисплее (рис. 6) автоматически отображаются значения измеряемого параметра соответствующие заданной частоте, уровню измерения или постоянного смещения в форме таблицы. 

Рисунок 6. Отображение результатов качания  в режиме «Таблица»

Как отмечалось ранее, помимо табличных измерений приборы имеют продвинутую функцию «GRAF/ГРАФИК». Наличие графического анализа следует выделить особо, т.к. он реализуется преимущественно в «топовых» моделях современных измерителей RLC, ценовая категория которых составляет ~200-400 тыс. рублей или предлагается другими производителями как опция. При активации осуществляется автоматическое линейное / логарифмическое качание с построением графика измеряемого компонента максимум по 240 точкам (АКИП-6103) или по 960 точкам (АКИП-6105) частоты (уровня или постоянного смещения).

Для настройки режима графического качания необходимо задать значения и требуемые условия:

• Параметр (Param Type):  FREQ[Hz], LEVEL[V], BIAS[V], BIAS[I]
• Режим (Sweep Mode): LINE, LOG
• Настройка (Start Freq (нач. частота),Stop Freq (конечная частота)) 
• Число точек (Points)
• Предельные значения (MinA/Max A, MinB/MaxB)
• Режим отображения (DispMode): REFRESH/Обновление, OVER/Наложение

При нажатии  клавиши [GRAPH SWEEP] прибор автоматически начнёт построение графиков 2-х параметров в соответствии с заданными значениями и условиями. В режиме графического отображения можно наблюдать формирование кривой значений измеряемого компонента (основной и второстепенный параметр) во всём диапазоне качания. Данная функция применяется для обнаружения частот резонанса, определения максимального и минимального значения параметра в пределах выбранного диапазона качания (рис. 7 - а, б, в, г).

а) точка тест-сигнала f= 601,23 Гц	б) точка тест-сигнала f= 1,2816 кГц
в) точка тест-сигнала f= 3,7788 кГц	г) точка тест-сигнала f= 10,00 кГц
Рисунок 7. Отображение этапов качания в режиме «График»

 

Вместе с графиком на дисплей выводится вертикальный маркер (курсор), который может перемещаться вдоль линии графика и отображать величины по оси  X (частота) и оси Y (значение 2-х параметров: основной Cp и второстепенный D – рис. 8).

Рисунок 8. Отображение курсорных значений на графике качания

Изменение коэффициента масштабирования (т.е. развёртки горизонтальной шкалы дисплея) - производится автоматически в момент  пересечения курсором графопостроителя правой вертикальной линии экрана.

Вычислительные возможности прибора заключаются в определении абсолютного (?Abs) и относительного (?%) отклонения от номинального значения. Данная функция предназначена для отображения отклонения вместо прямых измерений значения. Это позволяет наглядно проследить, каким образом изменился определённый параметр компонента в зависимости от температуры, частоты, величины токового смещения и т.п. Функцию можно применить к первичному или вторичному параметру либо к обоим одновременно:

• Режим абсолютного отклонения. Значение отклонения представляет собой разность между фактическим измеренным значением параметра и сохранённым  исходным значением: ?Abs = X – Y.
• Режим  отклонения, выраженного в процентах. Значение отклонения представляет собой разность между фактическим измеренным значением параметра и сохранённым исходным значением выраженную в процентах: ?% = (X – Y)/Y ?100 [%].

Режимы запуска измерений: INT (внутренний), MAN (ручной), EXT (внешний),  АКИП-6103 имеет дополнительный вид - BUS (по шине LAN). Если выбран режим триггера INT, то измерения, осуществляемые прибором, будут выполняться автоматически (т.е. непрерывно). В режиме MAN (ручной) измерения будут проводиться поочерёдно одно за другим только при каждом очередном нажатии клавиши [TRIG]. Эти возможности обеспечиваются не только для режима отображения результата измерения на дисплее, но также в режимах «Таблица» и «График».

Функцией «DELAY/Задержка» можно задать требуемое время задержки при выполнении  измерения (Trigger Delay Time) в диапазоне 1 мс ….60с (с разрешением 1 мс). С помощью программирования задержки обеспечивается надёжная и устойчивая связь между тестируемым устройством и прибором. Функция наиболее востребована в случае формирования автоматизированной системы измерений.

Измерители имеют ячейки памяти для типовых настроек, что позволяет сохранять установленные системные параметры (профили) во внутренней энергонезависимой памяти. Эти данные в виде файлов профилей настроек при выключении питания - не будут утрачены. АКИП-6103 сохраняет до 10 профилей, АКИП-6105 – до 520. Для вызова требуемых параметров во время следующего сеанса работы пользователю достаточно загрузить только соответствующие файлы, не вводя параметров заново, что, безусловно, повышает эффективность работы. При включении питания по умолчанию активируется  профиль измерения, сохранённый в ячейку № 0 (режим, параметры, частота и уровень тест-сигнала  и т.п.).

Программирование измерителей, ДУ и вывод полученных результатов измерений осуществляется с помощью интерфейсов RS-232, USB, LAN  (опция GPIB/КОП). 

Таким образом, АКИП-6103, АКИП-6105 являются универсальными измерителями RLC параметров, способным проводить быстрые и точные измерения иммитанса на частотах до 1 МГц.

Автор:  Шиганов А.А.
Дата публикации:  15.09.2008