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.