Messungen und Genauigkeit
Praktische Messungen
Alle Testobjekte sind außerhalb einer Schaltung zu vermessen, Kondensatoren sind vorab zu entladen, Elektrolytkondensatoren sind nicht für die Vermessung geeignet.
Die Messung von Kondensatoren und Spulen geschieht durch die Auswahl des entsprechenden Modus, aus einer Kalibrierung mit offenen (C-Modus), bzw. kurzgeschlossenen (L-Modus) Meßleitungen und einem Anschluß des Meßobjekts.
Das LCQ-Meter ist in der Lage Kapazitäten von weniger als 1 pF bis mehr als 10 nF zu vermessen. Größere Kondensatoren verhindern, wegen der dann zu geringen internen Rückkopplung, ein Anschwingen des Oszillators. Induktivitäten können von weniger als 1 µH bis mehr als 100 mH vermessen werden.
Die Vermessung von Parallelschwingkreisen beginnt mit der Auswahl des entsprechenden Betriebsmodus und einem möglichst direkten Anschluß des Testobjektes an die Buchsen. Bewährt haben sich dabei kleine Adapter aus Bananenstecker mit angelöteten Klemmen. Ein Klicken des Relais des Referenzkondensators ist normal, da dieser für die Messung immer wieder zu und abgeschaltet werden muß. Das Display zeigt nun wechselseitig die Kapazität und Induktivität, als auch die errechnete Resonanzfrequenz und Güte des Kreises. Die Güte wird nur dann angezeigt wenn die Messung vorab durch den rechten Taster eingeschaltet wurde.
Der Meßbereich ist in etwa der Gleiche wie in den anderen Modi. Bei sehr kleinen Kondensatoren im Kreis ist jedoch Vorsicht geboten. Bei kleiner 10 pF läßt die Genauigkeit aufgrund der niemals perfekten Berücksichtigung der parasitären Kapazität des Gerätes nach. Des Weiteren wird die Meßfrequenz sehr hoch. Der Oszillator schafft problemlos 50 MHz, aber der Vorteiler des Mikrokontrollers steigt irgendwo zwischen 40 MHz bis 50 MHz aus. Eine noch höhere Frequenz wird durch die parasitäre Kapazität selbst vermieden.
Der Meßbereich für die Güte funktioniert gut bis zu einer Güte von 300, sofern die Güte und die Kapazität im Kreis nicht zu gering sind. Falls möglich sollte der Kondensator des Schwingkreises größer 100 pF betragen. Handelt es sich um einen hochwertigen Typ, wird somit der Einfluß der parasitären Kapazität des Gerätes und dessen etwas geringerer Güte klein gehalten. Bei einem Kondensator von 1000pF sind Gütemessungen auch bis zu einer Güte von 500 und darüber hinaus sinnvoll. Immer vorausgesetzt, solche hochwertigen Bauelemente stehen überhaupt zur Verfügung.
Die Frequenzmessung ist nahezu selbsterklärend. Nach Auswahl des entsprechenden Betriebsmodus wird die Frequenz eines Signals am externen Anschluß angezeigt. Die maximale Frequenz hängt wiederum vom Vorteiler ab. 40 MHz bis 50 MHz sind möglich. Das Signal sollte eine Spitzenspannung über 1 Volt haben (abhängig von R8). Der Eingangswiderstand des Anschlusses beträgt ca. 150 Ohm. Es gilt zu berücksichtigen, dass es sich hier lediglich um eine Basis-Frequenzmessung handelt. Die Torzeit der Messung liegt bei 0,5 Sekunden, so das die Genauigkeit bei kleiner 1 MHz bei plus minus 2 Hertz liegt. Oberhalb von 1 MHz setzt der Prescaler ein und bedingt durch dieses Teilungsverhältnis eine entsprechend schlechtere Genauigkeit.
Genauigkeit des LCQ-Meters
Auch bei einer Auslegung als preiswertes und handliches Meßgerät muß eine gewisse Genauigkeit für Amateurzwecke gegeben sein. Mit den beschriebenen Verfahren kann niemand eine Genauigkeit von 0,1 % oder besser erwarten.
Als praktischen Ansatz bestand der Anspruch einer 5 % Genauigkeit für die Messung von Kapazität und Induktivität, sowie einer 10 % bis 20 % Genauigkeit für Gütemessungen.
Bild 21: Kondensatoren und Spulen als Testobjekte für das LCQ-Meter
Verfügbare Komponenten nach Bild 21 wurden für einen Test herangezogen. Eine Referenzmessung wurde mit einem DG8SAQ Vektor Netzwerk Analysator (VNWA), mit und ohne RF-IV Meßzusatz, durchgeführt.
Für die Gütemessung von Spulen und Parallelschwingkreisen wurde ebenfalls der VNWA mittels verschiedener Methoden eingesetzt. Die Notch-Methode nach [4], in der seriellen und parallelen Variante, zeigte sich dabei als robusteste Methode über einen großen Meßbereich hinweg.
Dennoch zeigte sich das einen Gütemessung mit einer Güte größer 300 sehr empfindlich gegenüber parasitären Kapazitäten und Widerständen ist. Bild 22 zeigt 2 verschiedene Meßaufbauten für die Notch-Methode. Die untere, kleine Meßplatine stellte sich trotz niedriger Frequenzen als ungeeignet heraus. Auch bei sorgfältiger Kalibrierung konnte für die C1 und L5 Kombination (1 nF Glimmer mit 12,6 µH Ringkernspule) keine Güte oberhalb von 280 gemessen werden. Das LCQ-Meter zeigte hingegen stets eine Güte größer 300 an.
Nach einigen händischen Auswertungen von Hüllkurvenmessungen des LCQ-Meters wurde klar, dass dort kein Fehler vorliegt und die Güte größer 280 sein muß. Zu guter Letzt haben sich parasitäre Widerstände der Anschlüsse der kleinen Testplatine als die Bösewichte herausgestellt. Ein paar Milliohm mehr oder weniger sind hier entscheidend! Nach sorgfältiger Verlötung des Testobjektes direkt an SMA Buchsen und sorgfältiger Kalibrierung des VNWA (Bild 22 oben) ergab sich eine Güte von 306, sowohl bei der seriellen als auch bei der parallelen Notch-Methode.
Bild 22: Testobjektanschlüsse bei der Messung mit VNWA nach der Notch-Methode
Bild 23 wird zeigen, das Gütemessungen bei sehr kleinen Kapazitäten eine zusätzliche Herausforderung darstellen.
Alle Meßergebnisse für den C-Modus, L-Modus und L||C-Modus sind in Bild 23 aufgeführt. Zusätzlich sind die Gütemessungen nach der Notch-Methode, in beiden Varianten, dargestellt.
Bei den Varianten nach der Notch-Methode zeigen sich Unterschiede von bis zu 60 % sobald die 10 pF Glimmerkondensatoren als Kapazitäten eingesetzt werden. Es ist abzusehen, dass Gütemessungen mit solch kleinen Kapazitäten generell anspruchsvoll sind.
Bild 23: Meßergebnisse
Zunächst aber zu den Meßergebnissen von Kapazität und Induktivität.
Für isolierte Kondensatoren und Spulen zeigen sich durchweg gute Ergebnisse, innerhalb der gewünschten Genauigkeit. Für die 100 mH Spule konnte mit dem vorhandenen VNWA leider kein Referenzwert bestimmt werden.
Auch für die Messung von Kapazität und Induktivität zeigen sich zumeist gute Ergebnisse, innerhalb der gewünschten Genauigkeit. Die Leiterplattenversion 2.3 mit wesentlich niedrigerer, parasitärer Kapazität zahlt sich hier aus. Sogar bei Nutzung des 10 pF Kondensators wird eine akzeptable Genauigkeit erreicht. Die noch vorhandenen Abweicheichungen (zum Teil kleiner 1 pF) dürften in der Amateurfunkpraxis nur eine geringe Rolle spielen.
Bei einer praktikablen Kombination von Spule und Kondensator sind die Ergebnisse der Gütemessung besser als erwartet. Ist insgesamt jedoch eine zu niedrigere Güte (wesentlich kleiner 100) vorhanden, so fällt die Hüllkurve für eine genaue Messung zum Teil zu schnell ab, und führt daher zu größeren Abweichungen.
Auf der anderen Seite bestätigt sich hier die Aussage, dass mit dem LCQ-Meter Gütemessungen bei höheren Güten genauer werden. Dies stellt einen wesentlichen Vorteil gegenüber anderen Methoden zur Gütemessung da. Andere Methode verlieren in der Regel bei höheren Güten an Genauigkeit.
Das ursprüngliche Ziel bestand darin Güten bis zu einer Frequenz von 10 MHz zu bestimmen. Sehr geringe Kapazitäten und zu kleine Güten stellen eine Herausforderung da.
Es stellt sich allerdings die Frage, ob diese Einschränkungen für die Zielgruppe Amateurfunk von wesentlichem Belang ist. Wer baut schon einen Schwingkreis mit einer 100 µH Spule mit einem 10 pF Kondensator auf. Nun gut, man weiß ja nie.
Falls also die Möglichkeit besteht den Kondensator für einen Gütemessung frei zu wählen (bei der Gütebestimmung von Spulen parallel zu einem hochwertigen Kondensator), so ist der Wert so groß wie praktikabel machbar zu auszuführen.
Ein weiterer, hier nicht gezeigter Test, bestand in der Einfügung von bekannten Serienwiderständen in der Größenordung von 1 oder 2 Ohm in den Schwingkreis. Dadurch wurde ein höherer Verlustwiderstand simuliert. Die gemessene Verringerung der Güte entsprach den errechneten Werten.
Aus diesen und weiteren Messungen sind die folgenden technischen Daten abgeleitet.
Technische Daten
Zusammenfassung
Das hier dargestellte LCQ-Meter zeigt auf das es auch bei einem preiswerten, handlichen Meßgerät wesentliche Funktionserweiterungen gegenüber den verfügbaren Geräten geben kann. Es demonstriert ebenfalls, wie mächtig eine aktuelle Kombination von Mikrokontroller, Hardware und Software selbst für anspruchsvolle Meßaufgaben sein kann.
All dies ist preiswert durchführbar. Die benutzten Komponenten sind allesamt aus dem unteren Preissegment und sind gut verfügbar. Falls jemand nicht alle Betriebsspannungsvarianten oder alle Funktionalitäten benötigt, können einige Bauelemente eingespart werden.
Alle Dateien (Software, EAGLE für die Platine) sind auf meiner Webseite [5] für die nicht kommerzielle Nutzung erhältlich.
Ganz besonders bedanken möchte ich mich bei DJ6EV und DD1KT für den Test von Prototypen und die vielen wertvollen Hinweise zur Verbesserung.
Ich hoffe der Artikel hat einige interessante Hintergründe und Ideen aufgezeigt. Konstruktive Kommentare und Anregungen sind stets willkommen.
Michael Knitter, DG5MK
Quellenverzeichnis
[1] AADE L/C Meter, http://www.aade.com/lcmeter.htm
[2] HP/Agilent Impedance Measurement Handbook, http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5950-3000.pdf
[3] Broadband amplitude-stabilized oscillator by JULIUS FOIT, Proceedings of the 5th WSEAS Int. Conf. on Microelectronics, Nanoelectronics, Optoelectronics, Prague, Czech Republic, March 12-14, 2006 (pp1-5)
[4] Experimental Methods in RF Design; Hayward, Campbell, Larkin; 1st edition published by ARRL; chapter 7.9
[5] Webseite des Autors, http://www.dg5mk.de