R&S®HM8118: измерение конденсаторов и катушек индуктивности

Измерительная задача

Резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности — базовые компоненты электронных схем. Необходимо, чтобы они работали надлежащим образом и точно. Поэтому требуется проведение тщательных испытаний данных компонентов во время разработки схем. Это обычно делается с помощью LCR-измерителей, которые стали незаменимыми устройствами в лаборатории и на производстве. В настоящих рекомендациях по применению описываются способы выполнения точных и достоверных базовых измерений конденсаторов и катушек индуктивности.

Решение компании Rohde & Schwarz

Основы измерений

Мостовой LCR-измеритель R&S®HM8118 отличается от типичного прибора на базе моста Вина, Максвелла или Томсона. В нем используется входной сигнал переменного тока для измерения сопротивления Z и фазового угла Φ.

При выполнении измерений необходимо учитывать, что свойства электрических компонентов (например, конденсаторов) варьируются в зависимости от определенных параметров, особенно от частоты. Другие факторы, влияющие на поведение компонента, включают в себя старение, температуру, дополнительное смещение и электрическое напряжение.

Эквивалентная схема каждого ИУ содержит индуктивные, омические и емкостные элементы. Например, конденсатор будет иметь паразитные индуктивные и омические элементы, а у катушки индуктивности обнаружатся паразитные омические и емкостные элементы. Это означает, что идеальный фазовый угол Φ (90° = чисто индуктивный, 0° = чисто омический, –90° = чисто емкостной) недостижим в любом случае. Влияние паразитных элементов приводит к авторезонансу на определенной частоте для любой разновидности элемента.

Также необходимо отметить, что существование паразитных элементов обуславливает определенную неточность любого измерения и генерацию систематических ошибок измерения.

Испытательная сборка

Всегда помните, что порядок испытательной сборки может существенно влиять на измерение. Например, с конденсаторами емкости в диапазоне пикофарад положение зажимов существенно влияет на результат измерения. Это можно легко продемонстрировать с помощью приведенного ниже эксперимента, в котором используются стандартные зажимы Кельвина, поставляемые вместе с устройством:

• Вначале нажмите [RECALL] (Вызвать) [9] для установки заводских настроек прибора и выполните калибровку КЗ, замкнув зажимы накоротко и нажав кнопку [SHORT] (КЗ)
• Затем разместите зажимы на расстоянии как минимум 20 см друг от друга и нажмите [OPEN] (ХХ) для выполнения калибровки ХХ. Теперь переключитесь на режим C-D, зафиксируйте зажимы так, чтобы их контакты не соприкасались, после чего оцените результат измерения. Емкость составит примерно 3 пФ даже при отсутствии подключенных дополнительных компонентов и изменении только положения зажимов.

Эксперимент показывает, что очень важно выбрать испытательный адаптер, подходящий для своего варианта применения. 4-контактный адаптер R&S®HZ181 — отличный выбор для проводных компонентов; он позволяет избежать сложностей с дистанцией.

Калибровка испытательной конструкции

Для достижения оптимальных показателей производительности и точности рекомендуется калибровать прибор на всех доступных частотах (от 20 Гц до 200 кГц с 69 шагами) при измерении неизвестных устройств. После выбора подходящей испытательной сборки и прогрева прибора в течение как минимум 30 минут выполните следующие действия по калибровке:

• Нажмите [RECALL] (Выбрать) [9] для установки заводских настроек прибора. Для калибровки на всех частотах нажмите [SELECT] (Выбрать) [3], выберите (Mode) (Режим) с помощью поворотной ручки и нажмите на нее. Теперь смените настройку SGL на All (Все), снова нажмите на ручку и выйдите из меню, нажав [ESC]
• Теперь выполните калибровку КЗ, замкнув зажимы накоротко и нажав [SHORT] (КЗ). Калибровка КЗ занимает менее 2 минут.
• Затем разомкните зажимы (если используются зажимы Кельвина, убедитесь, что они находятся примерно в том же положении, которое используется для выполнения целевых измерений) и нажмите [OPEN] (ХХ) для выполнения калибровки ХХ. Это займет менее 2 минут.

Измерение неизвестной катушки индуктивности

Примечание. Для катушек индуктивности с ферромагнитными сердечниками обычно указывается определенный частотный диапазон. Если катушка индуктивности испытывается с частотой измерения вне данного диапазона, результаты могут отличаться от указанных в спецификации. Это требует предварительной проверки. Сначала включите контрольный индикатор уровня сигнала:

• Нажмите [SELECT] (Выбрать) [2]
• Измените настройку на (Vm/Im) с помощью поворотной ручки
• Измените значение на ON (Вкл) и снова нажмите на ручку
• Выйдите из меню, нажав [ESC]

Теперь подключите неизвестную катушку индуктивности к испытательной конструкции и выберите измерение Z/Φ, нажав [Z – Φ]. Фазовый угол должен быть положительным.

Найдите наилучшую частоту захвата данных:

• Нажмите [FREQ] (Частота)
• Измените частоту с помощью поворотной ручки, удерживая Φ как можно ближе к 90°
• Нажмите [L – R]

Теперь катушка индуктивности отображается вместе с последовательным сопротивлением. Убедитесь, что напряжение не упало слишком сильно (снижение до 35 % от номинального напряжения считается нормой; в данном случае номинальное напряжение составляет 1 В; см. раздел LEV (Уровень) в левом верхнем углу экрана).

Измерение неизвестного конденсатора

Примечание. Золотые конденсаторы измерять с помощью R&S®HM8118 невозможно в связи с высокой инерционностью материала.

Включите контрольный индикатор уровня сигнала и подключите неизвестный конденсатор к испытательной конструкции.

Измените настройку на измерение Z/Φ, нажав [Z – Φ] (фазовый угол должен быть отрицательным). Найдите наилучшую частоту захвата данных:

• Нажмите [FREQ] (Частота)
• Измените частоту с помощью поворотной ручки, удерживая Φ как можно ближе к –90°
• Нажмите [C – D]

Теперь конденсатор отображается вместе с последовательным сопротивлением.

Убедитесь, что напряжение не упало слишком сильно (снижение до 35 % от номинального напряжения считается нормой; в данном случае номинальное напряжение составляет 1 В; см. раздел LEV (Уровень) в левом верхнем углу экрана).

Дополнительная информация

Если напряжение падает ниже 35 % от номинального значения, включите режим постоянного напряжения. При переходе на этот режим выполненная калибровка остается действительной.

Если режим постоянного напряжения включен (ON), сопротивление источника предварительно устанавливается равным 25 Ом. Напряжение, подаваемое на испытуемый компонент, будет примерно постоянным для всех компонентов с импедансом существенно выше 25 Ом. Это может значительно улучшать результаты при меньших значениях индуктивности. Необходимо учитывать, что при работе в этом режиме точность снижается в 2 раза.

Также можно определить характеристики ИУ, используя предназначенную рабочую частоту без настройки. Этот подход позволяет выполнить калибровку только для этой частоты, используя режим SGL (меню устройства CORR – MODE: SGL (Коррекция – Режим: SGL)).

Библиография

• Руководство пользователя R&S®HM8118
• R&S — вопросы и ответы: запуск HM8118 с определенной калибровкой
• R&S — вопросы и ответы: разные результаты измерения HM8118 для одной и той же катушки
• R&S — вопросы и ответы: настройка измерителя HM8118 на использование внешнего смещения