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2022年8月13日 (土)

アナログディスカバリによるインピーダンス測定のコツ

アナログディスカバリでインピーダンス測定ができるというのは、先日こちらに書きました。

本日は、純正アプリであるWaveFormsの使い方と「ちょっとしたコツ」について紹介いたします。

Discovery01

最新版アプリのダウンロードはこちらから。

 

2~3年前の古いバージョンにはインピーダンス測定項目がありませんので新しいアプリを使います。

 

 

WaveFormsには色々な機能がありますが、今回はインピーダンスを測定するときに使用するものけを取り上げます。

Waveforms_00

 < Welcomeメニューから測定項目を選ぶ >

インピーダンス測定する仕組みとしては、信号1つ(Wavegen)を出して、2つの入力(Scope)で値を取得して計測しています。Impedanceという項目を使うと勝手にやってくれるので特に気にしなくてもよいのですが、基準抵抗に10Ωを使う場合は、Wavegenが出せる出力電流に限界があることに気を付けなければいけません。

内部オペアンプAD8067の性能は最大30mAなので10Ω負荷に対して300mVまでしか出力を上げられません。それ以上電流が流れると波形がクリップして正確に測れなくなってしまいます。

低ESRの電解コンデンサや、電源用インダクタ、電源フィルタなど非常に低いインピーダンスを測るには基準抵抗を一番低い10Ωにするのが適切です。

 

 

使用アダプタ選択と基準抵抗の選択

Waveforms_01

Impedance計測を選択して開いた画面には「接続方法」を選ぶところと「基準抵抗」を選ぶところがあります。接続方法以下の3通り+純正インピーダンスアナライザ基板(Adapter)です。DUTというところに測定対象を挿入し、Registorに基準抵抗を入れます。

Discovery00

純正インピーダンスアナライザ基板は一番上の接続方法で基板上の抵抗がリレーで切り替わります。

 

 

最適信号レベルの調査

測定するときの出力を手動設定するようになっています。信号がクリップしないレベルで可能な限り大きな出力をする方がS/Nが向上して綺麗なトレースカーブが得られます。

Waveforms_02

    < 最適な設定値を調査するのだ! >

 

ということで、次の手順で設定値を洗い出します。

1.DUT部をショートする(0Ωに近い状態にする)

2.WavegeneとScopeを起動する(同時に画面が見えるようにすると使いやすい)

3.Wavegeneの信号を1kHz、100mVくらいから徐々にレベルをUPしていく
   => 最大出力値をメモっておく

Waveforms_03

波形がクリップしたらレベルを下げましょう。純正基板では300mVから400mVくらいが適切だと思います。

 

4.Wavegene出力を1mVに落として、オフセットを微調整する
   => オフセット値をメモっておく

Waveforms_04

1mV -> 2mV -> 3mV・・と変化させて、Scopeの波形がだいたい0mVになればOK。

 

 

そうそう、

純正インピーダンスアナライザ基板では必要ありませんが、私が作った超低インピーダンスアナライザ基板は基板上のOPAMPを動作させるため、±電源をONにしておきます。(Welcomeメニューの電池マークのSuppliesから)

Waveforms_10

電源供給をEnableしてあげないと、アナライザ基板上のOPAMPが動きません。

 

 

 

信号レベル設定

いよいよ、インピーダンスアナライザ画面です。

AmplitudeとOffsetを先ほど調べた値に設定します。

Waveforms_05

ついでに、測定する帯域も設定しておきましょう(緑マーカーの部分)

 

 

open、short校正

0Ωに近い低い抵抗値を測定するには校正が必須になってきます。

Compenstionという所から校正画面(補償画面)を開きます。

Waveforms_06 

10Ω Short Compenstion DUT端子をshortして実行

10Ω Open Compenstion DUT端子を開放して実行

順番はどちらから行っても大丈夫です。ショート時はきっちり接触するよう心掛けてください。

最後に校正をイネーブル(緑で囲ったところ)して閉じます。校正しなおすときは、一旦Disableしておきます。

※ 純正基板を使って基準抵抗10Ω以外を使うときはそちらも校正しておくと良いでしょう。

 

 

 

測定

いよいよ測定です。

とりあえず、DUT部をショートした状態で「Single」で計測してみます。 これ以上小さなインピーダンスが測れないという測定限界です。

Waveforms_07

計測したトレースグラフは右側の「+」のところで画面にストアしておけます。

上の図はプレート抵抗 0.22Ωも測定したときのものです。正しく計測できているようですね。

 

トレース表示の意味

|Z|:インピーダンス
|Rs|:シリーズ 抵抗(コンデンサならESR)
|Xs|:シリーズ リアクタンス(コンデンサならESL)
|Rp|:パラレル 抵抗
|Xp|:パラレル リアクタンス

内部の数式など詳しくは、WaveFormsのHelpをご覧ください。

 

波形がガタガタになってくる部分は、測定限界に近くなっている証拠です。測定時間が長くなりますがアベレージで平均化してなだらかにすることもできます。

 

 

超低インピーダンスアナライザ基板

Ultralow_00

低インピーダンス側に特化したアナライザ基板です。詳細はこちら。

 

純正基板と比較すると以下のようになります。15000uFの電解コンデンサでアベレージングなしで|Z|と|Rs|を表示してみました。

Waveforms_08

緑が純正基板。 赤が自作した基板。アベレージングを行っていない例です。

 

30mΩくらいまで下がってくると純正基板では信号がガタガタですが、自作した基板の方はまだ滑らかです。

低周波領域は完全に一致しています。 100kHzを超える高域の乖離はまだ解明できていません。

 

 

 

なぜ、この超低インピーダンスアナライザ基板を作ったのかと言うと。。。 後日報告しますのでお楽しみに。

 

 

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コメント

オフセットの補償方法、そういう手があるのですね。思いつきませんでした。
0Ω校正の方法ですが、私は電解コンデンサ等の測定の際には、素子の同じ方の足に二つのクリップを挟みます(お互いに接触しないように)。また、測定の際とループの大きさがほぼ同じになるように心掛けています。
オペアンプによるアダプタですが、高域ではオペアンプのスルーレートなどに引っかかるのではないかと思います。校正結果による補償は線形動作を前提とするので、誤差が発生すると思われます。(以前の私のコメントと矛盾していて、すみません。)
オペアンプのデータシートを見ますと、1MHzにおける出力電圧の最大振幅(p-p)は、スルーレートよりも低くなっており、これは初段の飽和などによるものでしょうね。

フルデジタルさん

オフセットは、Scope側でも調整できますが、Wavegeneの方で調整しています。どちらが正しいのか良くわかりません。

SHORT時は、銅線を加えさせた場合と、直接ワニ口同士で食わせた状態とでさほど違いは出ないようです。 それよりも校正したあと時間が経ったときの方が値がおかしくなる傾向がありました。 Analogdiscovery内部のドリフトがあるみたいです(純正基板はOPAMPが無い)


おっしゃる通り、SR制限がありますね。 NJM5534はSR=12V/usなので、振幅が4Vppのとき約500kHz以上で制限がかかってきますね。


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