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2022年8月 2日 (火)

超低インピーダンス測定アナライザ

先日、アナログディスカバリとインピーダンスアナライザという基板を使ってコンデンサなどのインピーダンスを測定してみましたが、もう一息低いインピーダンスが測定できたらいいなって思っていました。

Ultralow_00

そこで作ったのがこのultra-lowインピーダンスアナライザー基板。(オペアンプ計測基板と一緒に作っていました)

 

アナログディスカバリのソフトウェアで以下の3通りの回路で測定できるというのは先日書いた通りです。

Discovery00

ultra-low基板は、一番上の回路と、中央の回路で計測できるようにしてみました。測定用基準抵抗は10Ωです。

前回(純正のインピーダンス測定基板)と違うのは、アンプ回路を仕込んでいて微小信号を10倍に増幅して、アナログディスカバリの14bitADCの微小領域の限界を持ち上げているところです。それにより10倍ほど感度があがって1/10ほど低いインピーダンスまで測れるといいな。っと思って作りました。

 

 

 

ではでは、早速、実験してみましょう。

Ultralow_01

測定して比較した結果はこのような感じです。

 

番下の線から説明すると、緑色のギザギザがUltra-Low基板で、ワニ口クリップをショートしたもの。その上の赤いギザギザが純正のインピーダンスアナライザ基板でワニ口をショートさせたもの。

どちらもOpen,Short校正を行った後のデータです。 つまりこれらが低インピーダンス側の測定限界です。一桁ほどUltra-Low基板の方が低いところまで測れそうです。アンプで10倍にしているので計算通りです。

Ultralow_03

その上のカーブ2本は15000uFと4700uFの電解コンデンサのインピーダンスです。周波数が低い領域では完全に重なっているので、Ultra-Lowインピーダンスアナライザ基板での測定値は一応正しいと言えます。

 

注目すべき点は30mΩを下回る領域で、少しギザギザし始めている黄色とオレンジの線が純正基板。滑らかなカーブを描いているのがUltra-Low基板です。

ホントは10mΩ以下のインピーダンスになる測定対象があればもっとハッキリ比較できたのでしょうけども、手元には見当たりませんでした。

周波数が100kHzを超えてくると純正とUltra-Lowとで徐々に乖離してきます。ここは搭載したオペアンプの性能がイマイチだからかもしれません。1ch、2ch間のセパレーションを重視したかったので、シングルオペアンプを使っていますが、低ノイズ品としてNJM5534を使ってみました。 高域特性が伸びているLT1115あたりの方が良いかもしれません。

 

 

とりあえず、目標としていた純正基板の1/10測定領域拡大は達成できていそうな雰囲気は感じました。

機会がありましたらオペアンプを交換して実験してみようかと思います。

 

 

最後に回路図をUPしておきます。 ほんと単純に信号を10倍にしているだけです。

Ultralow_02

J1にDUT接続するときはR2に10Ωを実装。
J2にDUT接続するときはR1に10Ωを実装。

という感じで排他使用です。また、使用上で気を付ける点はWave出力レベルです。

300mV以上は10Ω抵抗をアナログディスカバリがドライブしきれないため波形がひずんで正しい計測ができなくなります。 純正も含めて、Wave出力とScope画面をみて波形が歪まない最大の値にセットして測定するのが吉です。

 

 

そもそも、10mΩという抵抗値は、コネクタやリレーの接点の接触抵抗ぐらいの数値なので正確に測るのは至難の業です。

OPEN、SHORT校正のときのワニ口クリップの噛み方でも2倍くらい数値が変わってしまうので難しさmaxです。

 

 

 

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電子回路」カテゴリの記事

コメント

こんにちは いつも読ませて貰ってます。
うちのアナログディスカバリもたまに使ってあげないと湿気で緑青でも吹きかねない状況です。
ところでこちらに基板は頒布予定はございませんか?

あしたばさん

現状は、結構シビアなセッティングが必要ですが、改善する方法があれば改善してから頒布してもいいかなっと思っています。

いつも楽しく拝見させて貰っています。
私もインピーダンス測定の際にAnalogDiscoveryを使うことがありますが、低インピーダンスの測定の際には、4端子測定としています。インピーダンス測定では、真ん中の回路を使うことになりますが、Network測定を使用する場合は自由度が上がります。クリップは、ケルビンクリップではなく、クワガタのものを4つ使用していますが、クリップの接触抵抗を気にしなくて済みます。その代わり、ドライブの線からセンスの線に電磁誘導を起こしますので、配線には少し気を配る必要があります。
コンデンサの測定例ですが、オペアンプを使用した結果の方が、私の経験に合致します。高域では、インダクタンス成分で、インピーダンスが上がっていきます。リードの長さを1cm長くするだけでその影響が大きくなります。
オペアンプで増幅する影響ですが、2chのf特性がマッチしていれば、f特の影響は相殺されると思います。

純正のインピーダンスアナライザーはオートレンジもできてとっても便利なんだけど、極端なケースの測定はイマイチなんですよね。自作のV-I変換基板でS11測定してて感じたのですが、低いインピーダンスの測定するときはある程度というかジャブジャブ電流流した方が安定して値が読めるような気がしてます。 私の測定アダプタ基板はたかじんさんのとは逆の発想で駆動電流を10倍流して測定する方式とも言えますね(笑)確かに経験的にも貼り付けたURLの論文にあるように100mAほど流して測ると値が違ってきて訳わかめ〜な事になったりしてました。 想像するに電解とかだと電極の箔厚やエッチングの具合で大きなリップル電流(スピーカのネットワークとかも同様ですね)が流れる使い方だと明白に音に違い出るのを測定値での違として多少でも読めるようになるといいなぁと思ってます。

私の測定用基板のURL書き忘れてました。 参考まで・・・
https://cyberpithilo.web.fc2.com/audio/inst/index2.html

フルデジタルさん

4端子測定ですか。 良いですね。 あのワニ口(?)が手に入らないので4端子測定にしにくかったのですが、ワニ口を4本使ってしまう手がありましたか。 良さそうです。

確かに、リード線を1cm長くつまむだけでインダクタンスの影響を受けてしまうのは感じました。非常にシビアな領域だと思います。

> 2chのf特性がマッチしていれば、f特の影響は相殺されると思います。

なるほど。 そういうものですかね。 一応、OPEN、SHORTで校正しているためそこで相殺できているかもっと思っていましたが、純正の基板との差が若干あったもので心配になっていました。

HILO@町田さん

HILOさんのインピーダンス測定回路は何年か前に拝見させて頂いておりました。 駆動電流が多い方がS/N的にも有利そうというのはあるのですが、もっと奥が深い現象があるみたいですね。

Analog Discovery2は、供給電流が多いとのことで、ドライブ能力を増強するのもあまり手間が無くできそうで良いです。 私のは初代Analog Discoveryなので、実質30mAくらいが限度なようで、今回の構成になっています。

リンク頂いた論文を読みますと、なんだかヤバそうなものに首を突っ込んでしまったな。というのが正直な感想です(笑)

スピーカーリレーの接触具合も、大電力を加えたあと接触が回復する現象は何度も経験していて、接触がよろしくない時に非線形なひずみも発生しているだろうな、っと薄々感じていました。

あのワニ口(ケルビンクリップ)は、一応市販されています。
テイシン電機 C-117 B ケルビンクリップ(黒)
https://www.sengoku.co.jp/mod/sgk_cart/detail.php?code=EEHD-4YRG
でも、あまり安くはありません。
TEXIOのLCRメータに使用されているものと同じだと思います。
私が使っているのは、
ICクリップ(グラバークリップ) 10色セット (20個入)
https://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-03436/
で、薄いところが良いです。(でも、面倒くさい。)

>リンク頂いた論文を読みますと、なんだかヤバそうなものに首を
>突っ込んでしまったな。というのが正直な感想です(笑)

そうなんですよ、私も思うに接点でダイオード的な挙動や非直線性な抵抗値変化がピンプラグやスピーカーターミナルでも起きてて、それがケーブルによる音の違いといわれてる現象とかにも一役買ってるんじゃないかなぁ
なんてイヤな予感がしてます。 ともすればオカルトとか言われてる
領域に引っ張られかねない勢いを感じます(笑)

フルデジタルさん

ありがとうございます。テイシン電機 C-117 Bは、秋月にもあるみたいでした。
https://akizukidenshi.com/catalog/g/gC-16133/
試してみようかと思います。 まあ、基板側が4端子になっていないので、効果がでるかどうか。。。

薄いクリップは、私も持っています。 アナログディスカバリ用に購入したのですが、いまひとつクランプが安定しないですよね。


HILO@町田 さん

そうそうダイオードの整流のような、何か怪しい接触になりますね。 オーディオと科学・物理とオカルトは相性抜群ですね(笑)  科学的根拠、物理現象を説明しているようで実はオカルトだったりする。


たかじんさん

横から失礼します
>オーディオと科学・物理とオカルトは相性抜群ですね(笑)  科学的根拠、物理現象を説明しているようで実はオカルトだったりする。

科学とオカルトの決定的な差異は、
科学は、因果を事実の積み重ねで説明を試みて公開議論を徹する。
オカルトは、相関を直感で因果に置き換えて断定と共感で決定論とする。
だと感じています(理系かつ技術系である私個人の感想ですが)。

オカルトの厄介なのは多数による「民主主義」的世界を作り上げることにあるのかなぁ、とも感じます。専門家とかの権威もいたりして。

ただ、オカルト的現象を科学の手法で説明を試みる余地はあるとは感じます。一概に否定はしません。誰かの意見を鵜呑みもしないけど。
オーディオの現象は量子論の世界じゃない(と思う)ので、現在の計測手段では計測できなくても、技術の革新で測れるようになる可能性があると考えています。
真面目に現象に対する仮説と検証を繰り返せば、かなりイケるんじゃないでしょうか?

sawanoriichi さん

ここで書いた「相性が良い」というのは完全に皮肉で、
特許技術、独自技術、MIL規格、NASA技術、**大学の研究、**現象、ノイズ低減、電磁波遮断などなど、、

いかにも科学的根拠があるような文面で説明して商品価値を高めるような行為=オカルト的な商品に結びつきやすいという意味です。

https://av.watch.impress.co.jp/docs/news/1322896.html
https://av.watch.impress.co.jp/docs/news/549663.html
こんな具合に。

ちゃんと学んだ理系の人は簡単には騙されないとは思うのですが、それ以外の人は巧みな言葉を鵜呑みにしてしまう可能性があります。「いま売れてます」なんてショップ店員の後押しなんかあるとコロっと。。。

シールド系アクセサリーや防振効果が本当にあるものも同じような技術説明をするしかないため、判断が難しい面もありますしね。

https://av.watch.impress.co.jp/docs/news/740267.html
オーディオ機器のシャシーに繋げるBOXが34万円・・・


おっしゃる通り、測定系の技術革新で信号の違いが測れるようになれば、効果を証明できますね。 耳に聞こえない高周波領域(例えば1MHz以上など)の特性改善を謳ったりしている抵抗やコンデンサなど、測定での差はあるけど、人の耳に対してどうなの?という疑問も出てきてしまうけども。

ifiのDCアダプタも Active Noise Cancellationで1uV以下のノイズに、、と書くなら、オシロ波形などを掲載して欲しいところです。実際、1uV以下のノイズを実現するのは、超低ノイズオペアンプを使用した回路ですら至難の業ですから。

オーディオ系オカルトネタとしてはスピーカーケーブルの接続方向が一例に挙げられますね。
オーディオ信号はアンプからスピーカーに流れるという一見もっともらしく聞こえる話だって、オーディオ信号は原理的に交流であるからしてケーブルの導体中で電子はあっちに行ったりこっちに来たりと運動している訳で、そんな導体に異方性があったら歪みの要因にしかなり得ません。果たして、そこまで考えて話しているものか。

COVID-19だって、生物学・免疫学を学び直して現在の状況を考えてみれば、もはや感染症分類は5類が妥当でマスク・行動制限などは不要というのが論理的な帰結なのですがね。


先週の土曜、小樽に食い倒れに行って来ました。動画公開済みです。

たかじんさん

あはははは、たかじんさんの皮肉表現は理解したつもりでおります。
だもんで、私も言葉遊びに近い皮肉表現を使用してみましたが(笑)。

個々人の感覚器官の特性差は計測不可能ですから
感覚器官経由の感じ方を検証比較はできないわけで、
この辺りは科学の世界からかけ離れて認知学の世界に入ってしまう危険性を感じます。

オカルトのずるい所は、「科学の成果は素晴らしく可なりの事が可能」と万能性を醸し出し持ち上げておいて、検証不可能な事象を科学の言葉で修飾(粉飾かも?)して述べるところかな、と考えます。
科学の人は科学を万能視した物言いをしないし、オカルトの人はシンプル・伊豆・ベスト(ここワザと)に万能性を強調するんで、科学感性の低い人にはオカルトの人の方が信頼されやすい傾向にあるような気がします。データやファクトなんてのも扱い方次第でナントカに刃物の対象だし。

まあ、趣味で電子工作する限りであっても、前提条件と具体的なデータをもとにロジックで思考して物事をとらえていきたいな、と考えています。

すみません、この記事の主眼とズレた話を長々と書いてしまいました。

三毛にゃんジェロさん

そうですね。

ところで、下らないお話ですが。
電位差のある導体中の自由電子の移動速度は1秒間に数ミリである、
と言うのを高校の物理の授業でやった記憶があります。
当時は計算式も使って説明を受けたのですが、きれいさっぱりと記憶領域から消失しております。

電流の便宜的概念と物理現象は、結構違うものだと認識した次第。
もっとも、違っても理解上大きな問題が生じないのなら、それでもいいかな、といういい加減な性格の人間なのであまり追及したりはしないです。

導体結晶の等方性・異方性の度合いに対する自由電子の移動現象を把握できない限り、異方性の電流変化に対する影響度合いは把握できないと想像できます。(ACだと表皮効果もあって導体内3次元移動現象の把握は想像するだけでメンドクサイ連成解析が必要)
いろいろな説を述べられている方は検証できない仮説を喋っているだけ、という程度にしておくのが適切かなと思ってます。(ここから先は科学に関する論理学の世界ですね。)

三毛にゃんジェロ さん

食い倒れツアー いいですね。 小樽にも観光船があるんですね。 例の知床の観光船は、隣のお店の船に乗ったことありました。。。

交流信号の場合の配線の方向性は、疑問ですよね。 シールド付きの信号で片側のみシールドを落とすようなときは、出力端をシールドに繋げるか、受け側でシールドに繋げるかで選択を迫られることはあるのですけども。


sawanoriichi さん

いやはや。 参りました(笑)
オーディオではない分野では、水素水とか健康食(?)関係でも科学なのかオカルトなのか判別しにくい説明がよくされてますよね。

電子の移動速度。 おっしゃる通りです。電気信号が伝わる速度=光速というのが印象に強く残るため勘違いしてしまいますね。
表皮効果による高域減衰は、比較的簡単に測定できるかと思います。 身近なとことではIHヒーターなど20kHz~30kHzくらいでもリッツ線が使われることからも、意外と低い周波数から効果がでているんですよね。(近年のオールメタルIHは90kHzくらいの高周波らしいです。)
https://news.mynavi.jp/article/20201211-panasonic/

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