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如何使用Moku进行阻抗测量?

更新时间:2024-06-03 点击次数:238

如何使用Moku进行阻抗测量?


频率响应分析仪


Moku的频率响应分析仪(FRA)在Moku输出上驱动扫描正弦波,并同时测量Moku输入接口接收到的信号幅度(或功率)。FRA可以测量系统或被测设备(DUT)的传递函数,从而创建幅度和相位与频率的关系图,通常称为波特图。


图1 波特图示例


为了测量被测设备的阻抗(Zdut),我们需要了解 FRA 的功率图。FRA 图使用dbm或相对于一毫瓦(1 mW)的分贝为单位;在这种情况下,一个方便的计量单位。定义为:



Moku FRA扫描正弦输出可以以伏特(峰峰值)为单位进行设置。对于正弦曲线:



将上式带入(2)式,可得:



以dBm表示,换算为mW,并且我们已知Moku 输入阻抗为50 Ω,得出:



我们使用Moku的FRA生成1 Vpp正弦波 ,Moku输出1直接连接到输入1,如图2所示。当然,所得幅度在整个频率范围(0-1 kHz)4.050 dBm处是平坦的,非常接近到计算出的3.979 dBm。差异相当于1.7 mV(0.17%)。


图2 在Moku输入中直接驱动的1 V pp的FRA图


电阻测量


单端口测量:

现在FRA的基本电源单位已经清楚,我们可以进行阻抗测量工作。在第1个示例中,我们将测量一个简单的10 kΩ、10% 容差电阻器的Rdut。等效电路为:




图3 单端口测量等效电路


请注意,Vout为2 V,这会导致50 Ω负载上的电压为1 V。

Moku FRA的运行频率高达120 MHz,但对于这些电阻测量,绘制至40 kHz 的图就足够了。图4显示了Vin时的Moku FRA幅度响应 = -35.821 dBm 。


图4 10 kΩ、20%、单端口DUT的FRA图


重新整理(1)式并代入(4)中的P,我们可以得出:



从图4中可得,PdB = -35.821dB,通过(5)式可得Vin=10.23mV

由图3的等效电路,可得分压公式:



该电阻器的数字电压表(DVM)读数显示为9750 Ω。


通过这一简单的单电阻测量,我们可以得出结论,Moku 的准确度在 77 Ω(< 1%)以内。


低阻抗测量:


上面的示例使用了标准10% 容差电阻。我们还可以高精度地测量较低的阻抗。为此,我们将使用100 Ω、0.005% 容差的高精度电阻器。使用上述方法,我们得到了功率幅值图。


图5 100 Ω、0.005%、单端口的 FRA 屏幕截图


将测得的-1.972 dBm功率代入方程(5)和(7),我们计算出Rdut为98.41Ω。这与已知值几乎一致,但我们可以通过双端口测量做得更好。


二端口测量:


为了改进我们的测量,我们需要考虑Moku 50 Ω输出上DUT的负载。


我们可以通过双端口测量来实现这一点,利用Moku的第二个输入端口来观察实际应用的信号电平。图6显示了使用Moku:Lab的硬件设置示例。


图6 Moku:Lab的两端口配置


图7 二端口等效电路


我们可以根据欧姆定律推导出图6中的Rdut



将(9)带入(8)可得:



我们使用严格公差100 Ω、0.005%电阻器设置此双端口测量,并捕获图7中的 Moku FRA图。


图7 100Ω、0.005%、两端口的FRA屏幕截图



请注意,黄色线即为我们使用 FRA 数学通道(V2/V1)。在iPad界面上进行配置非常快速且简单。

从(10)中我们可以看出,我们可以根据V2/V1电压比计算Rdut

FRA数学通道计算出的功率比为9.505 dBm,因此电压比为:




代入到(11)中,可得:。我们将该值代入(10)可得Rdut=99.36Ω。


电阻测试总结:


Moku的FRA可用于进行阻抗测量并确定电阻值,精度<1%。


Rdut/Ω

单端口/Ω

双端口/Ω

数字电压表/Ω

100

98.41

99.36

100.0

10000

9675

9762

9750


在双端口方法中,测量精度将更高。


电感测量


在本例中,我们将测量一个已知电容器:Wurth Elektronik 7447021。这是一个100μH电容器,额定功率为10kHz,容差为20%,如下图12所示。


图12 电容器的简要参数


我们将采用与图6与图7相同的两端口测量方式。


图13 阻抗向量示意图



因此,如果我们测量频率 f 下的相位,我们就可以确定电感L。


设置与测量:


图14 Moku:Lab设置


图14显示了 Moku:Lab的设置,我们只需几分钟,即可在 Moku:Lab的iPad 应用程序上设置搭载FRA 仪器并生成幅度和频率与相位的关系图。然后通过点击云按钮来共享应用程序上的曲线,屏幕截图和高分辨率数据,并可导出到MyFiles、SD 卡或电子邮件中。在本例中,我们将数据共享到Dropbox文件夹,如图15所示。您也可以使用PC应用程序将以上您需要的数据直接下载到您的PC上。


图15 100μH、20%、双端口电感器的FRA屏幕截图


Moku 输出通道1上生成了1 kHz至10 MHz的扫频正弦波。蓝色线显示通道2(V2),而红色迹线显示通道1(V1)。Moku数学通道呈橙色,并配置为两通道的除法运算 (ch2/ch1)。我们添加了几个光标来测量10 kHz、100 kHz 和 1 MHz处的相位和幅度。


橙色数学通道光标使我们能够快速查看 10 kHz 频率处的相位差,即∅ = 6.775°。代入到式(12)(13)中可得X= 5.94Ω,L = 94.5μH,在100 µH±20%的范围内。

虽然电感器的工作频率为10 kHz,但我们也可以在100 kHz下根据图15的测量数据进行测量,其中= 47.619°。再次代入式(13),得出L = 87.2 µH。这低于标定值,但这是现实线圈电感器的正常现象。


我们使用Moku iPad应用程序,通过Dropbox将高分辨率FRA幅度和相位数据保存到 .CSV文件中,因此我们可以将其快速导入Excel中,并利用式(13)生成电感(蓝色)和相位(绿色)与频率的关系,如图16所示。


这低于标定值,但这是现实线圈电感器的正常现象。


我们使用Moku iPad应用程序,通过Dropbox将高分辨率FRA幅度和相位数据保存到 .CSV文件中,因此我们可以将其快速导入Excel中,并利用式(13)生成电感(蓝色)和相位(绿色)与频率的关系,如图16所示。


图16 电感与相位和频率的关系图


从图中我们可以清楚地看到,在100 kHz以上,电感稳定下降,直到5 MHz左右,此时电感实际上为零。发生这种情况的原因是,实际上我们使用的线圈电感器不是理想的电感器,而是具有一些电阻和电容。等效电路实际上如图17所示。



电感器的阻抗随频率线性增加。但现实世jie中的电感器包含了电阻元件Resr、并联的Repr与寄生电容(Cepc)。Resr有时在数据表中被引用为直流电阻,是线圈的电阻;Repr是有效并联或交流电阻,Cepc是由于线圈靠近而产生的并联电容。


因此,共振频率由下式决定:



通过查询该电感的数据表,我们可以找到该电感器的典型阻抗特性。该阻抗特性曲线显示谐振峰在5 MHz左右,如图18所示


图18 电感器的典型特性曲线


由于Moku设备可以非常简单地通过Dropbox将FRA的数据共享到 .CSV,因此我们可以轻松使用Excel提供幅值阻抗与频率的关系图,如图19所示。


图19 Moku:Lab测试的阻抗曲线


测量得到的谐振频率略高于5 MHz,测量特性与图18非常一致。


总结


通过使用Moku:Lab的FRA(频率响应分析仪)仪器,我们可以方便快捷的进行高精度的阻抗测试,并取得了很好的实验结果。不仅如此,使用Moku:Go或Moku:Pro同样也可完成该测试。Moku系列产品不仅有频率相应分析仪,锁相放大器,任意波形发生器、频谱分析仪、数据记录器、示波器、相位计、PID控制器、波形发生器、云编译等功能,还有多仪器并行功能可以同时使用多个仪器,欢迎您与我们一同交流讨论!




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