Перейти к содержанию

Мост с автобалансировкой

Внутри настольного LCR-метра нет классического моста с ручками балансировки. Вместо этого операционный усилитель сам держит один вывод элемента на нуле, а прибор измеряет два вектора напряжения.

Обновлено Редакция GAW

Мост с автобалансировкой (auto-balancing bridge) — метод измерения комплексного импеданса, на котором построены настольные LCR-метры и анализаторы импеданса. Несмотря на название, ручной балансировки нет: обратная связь автоматически удерживает низкопотенциальный вывод элемента на нулевом потенциале, а прибор измеряет векторы напряжения на элементе и тока через него.

Принцип

Keysight в «Impedance Measurement Handbook» начинает с простейшей схемы: источник, вольтметр и амперметр, Z = V/I. Ниже 100 кГц амперметр заменяют трансимпедансным усилителем — ОУ с резистором Rr в обратной связи:

  1. Ток Ix проходит через измеряемый элемент и полностью уходит в резистор Rr.
  2. Вход ОУ, к которому подключён вывод Low, держится на нуле — это виртуальная земля.
  3. Выход ОУ: Vr = Ix·Rr.
  4. Импеданс: Zx = Vx / Ix = Rr·Vx / Vr.

Vx и Vr — векторы с амплитудой и фазой, поэтому прибор получает и модуль, и фазу импеданса, а из них — ёмкость, индуктивность, ESR и тангенс потерь. Выше 100 кГц вместо простого ОУ работают нуль-детектор, фазовые детекторы и управляемый источник, но смысл тот же.

Возможности метода

Характеристика по KeysightЗначение
Частоты20 Гц — 120 МГц
Точностьвысокая в широком диапазоне импедансов
Подключениечетыре вывода, схема 4TP

Четырёхпроводное подключение — тот же принцип, что метод Кельвина: ток и напряжение подводят разными проводами. Оставшееся влияние приспособления и проводов убирают компенсацией холостого хода и короткого замыкания. Пересчёт импеданса в реактивность и обратно делает калькулятор импеданса.

Частые вопросы

Почему прибор с автобалансировкой работает только до сотен мегагерц?

Метод держится на виртуальной земле, то есть на том, что ОУ или его эквивалент успевает уравновесить ток элемента. Keysight указывает рабочий диапазон метода до 120 МГц; на более высоких частотах импеданс измеряют ВЧ-методами I-V и сетевым анализом через отражение.

Что происходит, если мост не может уравновеситься?

Keysight описывает детектор разбаланса после нуль-детектора: если ток разбаланса превышает порог, прибор выводит сообщение вроде «OVERLOAD» или «BRIDGE UNBALANCED». Результату в таком состоянии доверять нельзя: нужно проверить подключение и диапазон измерения.

Зачем LCR-метру четыре коаксиальных разъёма?

Это схема 4TP: отдельные пары для подачи тока и измерения напряжения, каждая в своём экране. Keysight пишет, что она устраняет взаимную связь между проводами и позволяет точно измерять и малые, и большие импедансы.

Источники

  1. Keysight. Impedance Measurement Handbook: A Guide to Measurement Technology and Techniques, 6th Edition (5950-3000) — табл. методов: мост с автобалансировкой — от НЧ до ВЧ, высокая точность в широком диапазоне импедансов, 20 Гц — 120 МГц (E4980A/AL, E4981A, E4990A), измерение заземлённых элементов; разд. 2.3: импеданс находят по вектору напряжения на элементе и вектору тока через него; ниже 100 кГц вместо амперметра — преобразователь ток — напряжение на ОУ с резистором Rr в обратной связи; ток Ix течёт через Rr, вывод Low удерживается на нуле — виртуальная земля; Vr = Ix·Rr, Zx = Vx/Ix = Rr·Vx/Vr; выше 100 кГц — нуль-детектор, фазовые детекторы и источник, компенсирующий ток; при большом токе разбаланса прибор сигнализирует; 4-терминальная парная схема (4TP) устраняет взаимную индукцию измерительных проводов
  2. Keysight. Impedance Measurement Handbook, 6th ed. (5950-3000), Appendix B: Open/Short Compensation — остаточные параметры приспособления моделируют четырёхполюсником и вычитают компенсацией open/short

Нашли ошибку?

Смотрите также