A metrological analysis of the input circuit of an impedance meter

• Autorzy: Hoja J.

Warianty tytułu

PL

Analiza metrologiczna obwodu wejściowego miernika impedancji

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents an analysis of the input circuit of an impedance meter. It serves to separate two signals proportional to current and voltage across the measured two-terminal network. These signals allow to determine the impedance parameters of the two-terminal network. The most important part of the input circuit is the current-to-voltage converter realized with the use of an operational amplifier. The analysis includes the main factors which influence the signals separated in the input circuit: alternating-current parameters of the operational amplifier in use, the range resistance of the converter, circuit capacitance. It has been found that these factors have an effect on the increase of the input impedance of the current/voltage converter, which gives rise to undesirable changes in the amplitude-phase characteristics of the current signal, The relation has been found which determines the resonant frequency at which the absolute value of the converters input impedance assumes a maximum, leading to an inadmissible increase of the error in measuring the two-terminal networks impedance parameters. Simulations of the signals separated in the input circuit have been carried out for various values, after that tests were conducted on a model of the input circuit realized with OPA627 operational amplifiers. A very high convergence of measurement results with the simulations has been found which confirms the aptness of the conclusions presented in the paper.

PL

W pracy przeprowadzono analizę obwodu wejściowego miernika impedancji. Służy on do wydzielenia dwóch sygnałów proporcjonalnych do prądu i napięcia na mierzonym dwójniku, które pozwalają na wyznaczenie parametrów impedancyjnych dwójnika. Najważniejszym układem obwodu wejściowego jest przetwornik prąd-napięcie zrealizowany na wzmacniaczu operacyjnym. W analizie obwodu wejściowego uwzględniono najważniejsze czynniki wpływające na sygnały na jego wyjściu: parametry zmiennoprądowe zastosowanych wzmacniaczy operacyjnych, rezystancję zakresową przetwornika, pojemności montażowe. Stwierdzono wpływ wymienionych czynników na wzrost impedancji wejściowej przetwornika prąd-napięcie, która powoduje niepożądane zmiany charakterystyki amplitudowo-fazowej sygnału prądowego. Wyznaczono zależność określającą częstotliwość rezonansową, dla której moduł impedancji wejściowej przetwornika osiąga wartość maksymalną. Aby częstotliwość rezonansowa była jak najwyższa (wystąpiła poza zakresem pomiarowym), należy zastosować wzmacniacz operacyjny, realizujący przetwomik, o jak największym iloczynie A(DC) i [omega](3dB) oraz spowodować jak najmniejszą wypadkową pojemność występującą na wejściu przetwornika. Drugi warunek oznacza, że należy stosować jak najkrótsze połączenie dwójnika mierzonego z wejściem przetwornika, aby zminimalizować pojemności przewodów ekranowanych na wejściu miernika impedancji. Znaczenie przedstawionego zjawiska będzie rosło ze zwiększaniem się rezystancji rezystora zakresowego. Jest to powodem ograniczenia maksymalnej wartość mierzonej impedancji miernikiem do (...). Przeprowadzono symulacje sygnałów wydzielanych w obwodzie wejściowym dla różnych wartości pojemności pasożytniczych, następnie dokonano badań modelu obwodu wejściowego zrealizowanego na wzmacniaczach operacyjnych OPA627. Uzyskano bardzo dużą zbieżność wyników pomiarów z symulacjami. Oznacza to, że przyjęty układ zastępczy obwodu wejściowego dobrze uwzględnia rzeczywiste jego parametry, a zależności określające wydzielane w nim sygnały można wykorzystać do wyznaczenia poprawek korygujących wpływ pojemności pasożytniczych i rzeczywistych parametrów wzmacniacza operacyjnego. Pozwoli to na zwiększenie dokładności pomiaru parametrów mierzonego dwójnika Z(x) i zwiększenie maksymaInej częstotliwości pomiarowej.

Słowa kluczowe

EN

impedance measurement; input stages of impedance meter; current-voltage converter

PL

pomiar impedancji; obwód wejściowy miernika impedancji; przetwornik prąd-napięcie

• Wydawca: Komitet Metrologii i Aparatury Naukowej PAN
• Czasopismo: Metrology and Measurement Systems
• Rocznik: 2003
• Tom: Vol. 10, nr 4
• Opis fizyczny: Bibliogr. 10 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Hoja J.

• Gdańsk University of Technology, Faculty of Electronics Telecommunication and Informatics

Bibliografia

• 1. Honda M.: The Impedance Measurement Handbook Yokogawa-Hewlett-Packard LTD, 1989.
• 2. Hoja J.: Mikrosystem do wektorowych pomiarów impedancji w szerokim zakresie częstotliwości (Microsystem for vector impedance measurements in a wide frequency range). Metrology and Measurement Systems, vol. 7, no. 3, PWN, Warsaw 2000, pp 51-67.
• 3. Angrisani L., Baccigalupi A., Pietrosanto A.: A digital signal-processing instrument for impedance Measurement, IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement, vol. 45, no. 6, December 1996, pp. 930-934.
• 4. Hoja J., Lentka G.: Low cost impedance analyzer for diagnostics of non-electrical objects. Proc. 11-th International Symposium, IMEKO TC-4, Lisbon, Portugal 2001, vol. I, pp. 121-124.
• 5. Barna A.: Operational amplifiers. Wiley-Interscience a Division of John Wiley & Sons, Inc. 1974.
• 6. Caranti G. M., Re M. A.: A vector impedance meter digitally controlled. Review of Scientific Instruments, vol. 41, 1996, pp. 993-1001.
• 7. Carullo A., Ferravis F., Parvis M., Vallan A., Angelini E., Spinelli P.: Low cost electrochemical impedance spectroscopy system for corrosion monitoring of metallic antiquities and work of Art. IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement, vol. 49, no. 2, April 2000, pp. 371-375.
• 8. Hoja J., Lentka G.: Virtual instrument using bilinear transformation for parameter identification of high impedance objects. Measurement Science and Technology, vol. 14, no. 5, May 2003, pp. 633-642.
• 9. Fay T. R., McDermid J. E.: The HP3065 board test family; a system ovierview. Hewlett-Packard Journal vol. 35, no. 10, 1984, pp. 4-9.
• 10. Frequency Response Analyzer 1255 Operating Manual, Solartron Analytical 2000.