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如何使用Moku進(jìn)行阻抗測(cè)量,？

頻率響應(yīng)分析儀

Moku的頻率響應(yīng)分析儀(FRA)在Moku輸出上驅(qū)動(dòng)掃描正弦波，并同時(shí)測(cè)量Moku輸入接口接收到的信號(hào)幅度（或功率）,。FRA可以測(cè)量系統(tǒng)或被測(cè)設(shè)備(DUT)的傳遞函數(shù),，從而創(chuàng)建幅度和相位與頻率的關(guān)系圖，通常稱為波特圖,。

圖1 波特圖示例

為了測(cè)量被測(cè)設(shè)備的阻抗(Zdut)，我們需要了解 FRA 的功率圖,。FRA 圖使用dbm或相對(duì)于一毫瓦(1 mW)的分貝為單位；在這種情況下,，一個(gè)方便的計(jì)量單位,。定義為：

Moku FRA掃描正弦輸出可以以伏特（峰峰值）為單位進(jìn)行設(shè)置。對(duì)于正弦曲線：

將上式帶入(2)式,，可得：

以dBm表示,，換算為mW，并且我們已知Moku 輸入阻抗為50 Ω，得出：

我們使用Moku的FRA生成1 Vpp正弦波 ,，Moku輸出1直接連接到輸入1,，如圖2所示。當(dāng)然,，所得幅度在整個(gè)頻率范圍(0-1 kHz)4.050 dBm處是平坦的,，非常接近到計(jì)算出的3.979 dBm。差異相當(dāng)于1.7 mV(0.17%),。

圖2 在Moku輸入中直接驅(qū)動(dòng)的1 V pp的FRA圖

電阻測(cè)量

單端口測(cè)量：

現(xiàn)在FRA的基本電源單位已經(jīng)清楚,，我們可以進(jìn)行阻抗測(cè)量工作。在第1個(gè)示例中,，我們將測(cè)量一個(gè)簡(jiǎn)單的10 kΩ,、10% 容差電阻器的Rdut。等效電路為：

圖3 單端口測(cè)量等效電路

請(qǐng)注意,，Vout為2 V,，這會(huì)導(dǎo)致50 Ω負(fù)載上的電壓為1 V。

Moku FRA的運(yùn)行頻率高達(dá)120 MHz,，但對(duì)于這些電阻測(cè)量,，繪制至40 kHz 的圖就足夠了。圖4顯示了Vin時(shí)的Moku FRA幅度響應(yīng) = -35.821 dBm ,。

圖4 10 kΩ,、20%、單端口DUT的FRA圖

重新整理(1)式并代入(4)中的P,，我們可以得出：

從圖4中可得,，PdB = -35.821dB，通過(5)式可得Vin=10.23mV

由圖3的等效電路,，可得分壓公式：

該電阻器的數(shù)字電壓表(DVM)讀數(shù)顯示為9750 Ω,。

通過這一簡(jiǎn)單的單電阻測(cè)量，我們可以得出結(jié)論,，Moku 的準(zhǔn)確度在 77 Ω(< 1%)以內(nèi),。

低阻抗測(cè)量：

上面的示例使用了標(biāo)準(zhǔn)10% 容差電阻。我們還可以高精度地測(cè)量較低的阻抗,。為此,，我們將使用100 Ω、0.005% 容差的高精度電阻器,。使用上述方法,，我們得到了功率幅值圖。

圖5 100 Ω,、0.005%,、單端口的 FRA 屏幕截圖

將測(cè)得的-1.972 dBm功率代入方程(5)和(7),，我們計(jì)算出Rdut為98.41Ω。這與已知值幾乎一致,，但我們可以通過雙端口測(cè)量做得更好,。

二端口測(cè)量：

為了改進(jìn)我們的測(cè)量，我們需要考慮Moku 50 Ω輸出上DUT的負(fù)載,。

我們可以通過雙端口測(cè)量來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn),，利用Moku的第二個(gè)輸入端口來觀察實(shí)際應(yīng)用的信號(hào)電平。圖6顯示了使用Moku:Lab的硬件設(shè)置示例,。

圖6 Moku:Lab的兩端口配置

圖7 二端口等效電路

我們可以根據(jù)歐姆定律推導(dǎo)出圖6中的Rdut：

將(9)帶入(8)可得：

我們使用嚴(yán)格公差100 Ω,、0.005%電阻器設(shè)置此雙端口測(cè)量，并捕獲圖7中的 Moku FRA圖,。

圖7 100Ω,、0.005%、兩端口的FRA屏幕截圖

請(qǐng)注意,，黃色線即為我們使用 FRA 數(shù)學(xué)通道（V2/V1）,。在iPad界面上進(jìn)行配置非常快速且簡(jiǎn)單,。

從(10)中我們可以看出,，我們可以根據(jù)V2/V1電壓比計(jì)算Rdut。

FRA數(shù)學(xué)通道計(jì)算出的功率比為9.505 dBm,，因此電壓比為：

代入到(11)中,，可得：。我們將該值代入(10)可得Rdut=99.36Ω,。

電阻測(cè)試總結(jié)：

Moku的FRA可用于進(jìn)行阻抗測(cè)量并確定電阻值,，精度<1%。

在雙端口方法中,，測(cè)量精度將更高,。

電感測(cè)量

在本例中，我們將測(cè)量一個(gè)已知電容器：Wurth Elektronik 7447021,。這是一個(gè)100μH電容器,，額定功率為10kHz,容差為20%，如下圖12所示,。

圖12 電容器的簡(jiǎn)要參數(shù)

我們將采用與圖6與圖7相同的兩端口測(cè)量方式,。

圖13 阻抗向量示意圖

因此，如果我們測(cè)量頻率 f 下的相位,，我們就可以確定電感L,。

設(shè)置與測(cè)量：

圖14 Moku:Lab設(shè)置

圖14顯示了 Moku：Lab的設(shè)置，我們只需幾分鐘,，即可在 Moku:Lab的iPad 應(yīng)用程序上設(shè)置搭載FRA 儀器并生成幅度和頻率與相位的關(guān)系圖,。然后通過點(diǎn)擊云按鈕來共享應(yīng)用程序上的曲線，屏幕截圖和高分辨率數(shù)據(jù),，并可導(dǎo)出到MyFiles,、SD 卡或電子郵件中。在本例中,，我們將數(shù)據(jù)共享到Dropbox文件夾,，如圖15所示。您也可以使用PC應(yīng)用程序?qū)⒁陨夏枰臄?shù)據(jù)直接下載到您的PC上,。

圖15 100μH,、20%、雙端口電感器的FRA屏幕截圖

Moku 輸出通道1上生成了1 kHz至10 MHz的掃頻正弦波,。藍(lán)色線顯示通道2(V2),，而紅色跡線顯示通道1(V1)。Moku數(shù)學(xué)通道呈橙色,，并配置為兩通道的除法運(yùn)算 (ch2/ch1),。我們添加了幾個(gè)光標(biāo)來測(cè)量10 kHz、100 kHz 和 1 MHz處的相位和幅度,。

橙色數(shù)學(xué)通道光標(biāo)使我們能夠快速查看 10 kHz 頻率處的相位差,，即∅ = 6.775°。代入到式(12)(13)中可得XL = 5.94Ω,L = 94.5μH,，在100 µH±20%的范圍內(nèi),。

雖然電感器的工作頻率為10 kHz，但我們也可以在100 kHz下根據(jù)圖15的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量,，其中= 47.619°,。再次代入式(13)，得出L = 87.2 µH,。這低于標(biāo)定值,，但這是現(xiàn)實(shí)線圈電感器的正常現(xiàn)象,。

我們使用Moku iPad應(yīng)用程序,，通過Dropbox將高分辨率FRA幅度和相位數(shù)據(jù)保存到 .CSV文件中，因此我們可以將其快速導(dǎo)入Excel中,，并利用式(13)生成電感（藍(lán)色）和相位（綠色）與頻率的關(guān)系,，如圖16所示。

這低于標(biāo)定值,，但這是現(xiàn)實(shí)線圈電感器的正?，F(xiàn)象。

我們使用Moku iPad應(yīng)用程序,，通過Dropbox將高分辨率FRA幅度和相位數(shù)據(jù)保存到 .CSV文件中,，因此我們可以將其快速導(dǎo)入Excel中,，并利用式(13)生成電感（藍(lán)色）和相位（綠色）與頻率的關(guān)系，如圖16所示,。

圖16 電感與相位和頻率的關(guān)系圖

從圖中我們可以清楚地看到,，在100 kHz以上，電感穩(wěn)定下降,，直到5 MHz左右,，此時(shí)電感實(shí)際上為零。發(fā)生這種情況的原因是,，實(shí)際上我們使用的線圈電感器不是理想的電感器,，而是具有一些電阻和電容。等效電路實(shí)際上如圖17所示,。

電感器的阻抗隨頻率線性增加,。但現(xiàn)實(shí)世jie中的電感器包含了電阻元件Resr、并聯(lián)的Repr與寄生電容(Cepc),。Resr有時(shí)在數(shù)據(jù)表中被引用為直流電阻,，是線圈的電阻；Repr是有效并聯(lián)或交流電阻,，Cepc是由于線圈靠近而產(chǎn)生的并聯(lián)電容,。

因此，共振頻率由下式?jīng)Q定：

通過查詢?cè)撾姼械臄?shù)據(jù)表,，我們可以找到該電感器的典型阻抗特性,。該阻抗特性曲線顯示諧振峰在5 MHz左右，如圖18所示

圖18 電感器的典型特性曲線

由于Moku設(shè)備可以非常簡(jiǎn)單地通過Dropbox將FRA的數(shù)據(jù)共享到 .CSV,，因此我們可以輕松使用Excel提供幅值阻抗與頻率的關(guān)系圖,，如圖19所示。

圖19 Moku:Lab測(cè)試的阻抗曲線

測(cè)量得到的諧振頻率略高于5 MHz,，測(cè)量特性與圖18非常一致,。

總結(jié)

通過使用Moku:Lab的FRA（頻率響應(yīng)分析儀）儀器，我們可以方便快捷的進(jìn)行高精度的阻抗測(cè)試,，并取得了很好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,。不僅如此，使用Moku:Go或Moku:Pro同樣也可完成該測(cè)試,。Moku系列產(chǎn)品不僅有頻率相應(yīng)分析儀,，鎖相放大器，任意波形發(fā)生器,、頻譜分析儀,、數(shù)據(jù)記錄器、示波器,、相位計(jì),、PID控制器,、波形發(fā)生器、云編譯等功能,，還有多儀器并行功能可以同時(shí)使用多個(gè)儀器,，歡迎您與我們一同交流討論！

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