Hoogwaardige LCR- en impedantiemeter

De waarde nauwkeurig volgens de norm gemeten

Wie een LCR-meter wilde hebben, kon tot voor kort niet bij Rohde & Schwarz terecht. Men kon u wel een exemplaar van het budget-merk Hameg leveren, maar niet een hoogwaardig instrument met vele meetmogelijkheden. De Hameg is op zich een prima instrument maar de nieuwe R&S LCX-serie heeft veel meer mogelijkheden. Dit is een reeks hoogwaardige LCR-meters die voldoen aan de huidige normen hoe componenten getest moeten worden.

Om de waarde van een weerstand te meten, hebben we meestal genoeg aan een standaard multimeter. Anders wordt het met de waarden voor spoelen en condensatoren. De universeelmeter mag dan wel universeel toepasbaar zijn, maar bereiken voor L en C zitten er meestal niet op. Daarvoor moeten we toch echt een LCR-meter gebruiken die met een wisselspanning de impedantie en daarmee de capaciteit of inductiewaarde bepaalt.
Nu wordt de waarde van een component over het algemeen netjes op de een of andere manier op het onderdeel aangegeven, maar dit is slechts zelden de werkelijke waarde. Door de tolerantie die bij met name condensatoren op kan lopen tot wel 25% is de werkelijke waarde slechts zelden de opgegeven waarde. Schakelingen kunnen daardoor niet werken zoals verwacht, omdat bijvoorbeeld filters niet op de gewenste frequenties zijn afgestemd.
Voor schakelingen waar de tolerantie van de gebruikte componenten heel laag moet zijn, kan het verstandig zijn om onderdelen voordat ze gemonteerd worden, eerst te selecteren op hun waarde om zo problemen te voorkomen.

Tot 10 MHz
Het bepalen van de waarde van een weerstand is simpel. Met een bekende gelijkspanning en een goede stroommeter kan met behulp van de wet van Ohm vrij snel de exacte weerstandswaarde bepaald worden. De gelijkstroomweerstand die we op deze manier bepaald hebben, zegt echter niets over het gedrag van de weerstand bij wisselspanning. Naast de gelijkstroomweerstand heeft hij namelijk ook nog een parasitaire capaciteit en inductiviteit en het zijn deze eigenschappen die maken dat de weerstand zich toch anders gedraagt bij wisselspanning.
Voor een spoel en een condensator geldt dit ook. Ook dit zijn geen ideale onderdelen. Naast de afwijking door de tolerantie heeft een condensator een parasitaire gelijkstroomweerstand en inductiviteit en heeft de spoel een parasitaire weerstand en capaciteit.
Omdat de impedantie (wisselstroomweerstand) frequentieafhankelijk is, en we met name bij lage waardes voor de parasitaire L en C pas bij hogere frequenties gaan zien dat deze een belangrijke bijdrage op de impedantie uitoefenen, is het van belang om te meten met een wisselspanning met een frequentie die in overeenstemming is met de frequentie waarop het onderdeel gebruikt wordt. Werken met een meetsignaal met een frequentie van enkele kHz is dan ook niet de methode om een goed beeld van de impedantie te krijgen. De nieuwe serie RCL-meters van R&S bestaat daarom uit meerdere modellen. Zo is er de LCX100 die het frequentiebereik van 4 Hz tot 300 kHz bestrijkt en de LCX200 die een frequentielimiet van 500 kHz heeft en kan indien nodig worden uitgebreid tot 1 MHz of 10 MHz met behulp van software-opties. Dit wil dus zeggen dat het frequentiebereik van het aangeschafte meetinstrument later, als dat gewenst is, door middel van het aanschaffen van een softwaresleutel kan worden uitgebreid.

Breed inzetbaar
Door het veel grotere frequentiebereik waarmee gemeten wordt, zijn de nieuwe RCL-meters van R&S veel nauwkeuriger in het bepalen van de impedantie die te verwachten is in de applicatie waar u de onderdelen gebruikt. Met het frequentiebereik van 4 Hz tot 10 MHz is de R&S LCX niet alleen geschikt voor de overgrote meerderheid van applicaties die werken op 50 of 60 Hz of 400 Hz voor vliegtuigen, maar ook voor laagfrequente seismische sensoren, audioversterkers en elektronische muziekinstrumenten tot aan hoogvermogen communicatiecircuits die werken in het frequentiebereik tot 10 MHz. Met de R&S LCX kunnen ontwikkelaars die geschikte condensatoren, spoelen en weerstanden voor analoge filters selecteren die zij voor de toepassing nodig hebben. De R&S LCX modellen meten de impedantiewaarden met een uitmuntende nauwkeurigheid. Ook hogere snelheidsmetingen met een nauwkeurigheid voor productiegebruik voor kwaliteitscontrole en monitoring worden ondersteund. Alle essentiële software en hardware die nodig is voor productie-omgevingen is beschikbaar, met inbegrip van afstandsbediening en het loggen van resultaten.
Het instrument kan ook gebruikt worden voor het bepalen van de equivalente serieweerstand (ESR) en de equivalente serie-inductantie (ESL) van elektrolytische condensatoren en kunnen gebruikers transformatoren testen en de DC-weerstand meten, naast het volledige gamma impedantiemetingen.

Bediening
Beide modellen beschikken over een groot capacitief touchscreen (afbeelding 1) waarop naast de resultaten ook een virtueel toetsenbord opgeroepen kan worden om het instrument in te stellen en alle hoofdmetingen te ondersteunen. Als alternatief kunnen spannings-, stroom- en frequentiewaarden ook worden ingesteld met de draaiknop. Minder vaak gebruikte functies zijn menugestuurd. Instellingen, resultaten en statistieken kunnen op het scherm worden weergegeven of worden geëxporteerd voor geautomatiseerde post-processing. Tot vier metingen kunnen worden geselecteerd en op het display worden uitgezet als functie van de tijd, met minimum- en maximumwaarden. In één oogopslag is zo te zien of een onderdeel voldoet aan de gestelde normen (pass/fail-analyse).
Met de binning-functie kunnen de gemeten componenten op hun waarden worden gesorteerd in maximaal acht tolerantiebereiken. Acht I/O-lijnen die via een D-connector op de achterkant Afbeelding 2) van het instrument te vinden zijn, kunnen hierbij gebruikt worden om sorteercontainers aan te sturen. De gemeten componenten kunnen zo gemakkelijk op hun waarde worden gesorteerd. Ook is het instrument extern te triggeren (via een BNC-connector) en is er een ingang om te werken met een zelf in te stellen DC-biasspanningen. Intern is de DC-biasspanningen 10 V_dc , maar via de externe ingang kunt u een eigen spanning tot 40 V_dc gebruiken. Aan de andere kant maakt deze optie het mogelijk om de interne bias-bron in de stroomregelmodus te laten werken met een instelbare stroom tot 200 mA.
Voor gebruik in testsystemen kunnen de LCX LCR-meters op afstand worden bediend. De volgende interfaces zijn beschikbaar:

• USB en LAN (Ethernet) interfaces zijn standaard geïnstalleerd. Via deze interfaces kunnen alle instrumentparameters op afstand worden bestuurd.
• IEEE-488 (GPIB) interface (optioneel): De IEEE-488 (GPIB)-poort kan ook achteraf door de gebruiker worden ingebouwd.

Veel van de genoemde mogelijkheden zijn standaard op de instrumenten te vinden, maar een aantal is alleen als optie leverbaar. Net als het frequentiebereik zijn deze opties in bijna alle gevallen al op het instrument aangebracht en moet de functie alleen nog vrijgegeven worden met een softwaresleutel. Voor R&S heeft deze methode grote voordelen, omdat alle diverse modellen uit de serie in feite als één en hetzelfde instrument gebouwd kunnen worden. De kosten voor de extra hardware wegen niet op tegen de kosten die gemaakt moeten worden om van alle modellen fysiek verschillende apparaten te maken en op voorraad te leggen.

Meetfuncties
Naast de vele verschillende impedantiemetingen kunnen de twee LCR-meters ook transformatoren en weerstanden meten met gelijkspanning. Het display kan maximaal vier meetparameters tegelijk weergeven en de meetfuncties kunnen paarsgewijs worden geselecteerd uit een lijst met 19 verschillende parameters (Cp, Cs, Lp, Ls, D, Q, G, Rp, Rs, Rdc, R, X, Z, Y, Θd, Θr, B, M, N). Dynamische impedantiemetingen kunnen worden uitgevoerd met behulp van een set geavanceerde analysefuncties. Bij deze metingen worden de impedantiewaarden bepaald voor een reeks frequentiewaarden of andere parameters.
Voor het registreren van alle meetwaarden beschikken de meters over een snelle logfunctie. Hierbij worden de meetresultaten of op een externe USB-stick opgeslagen of via USB of LAN naar een externe pc overgebracht.

Tot slot
De serie LCR-meters van R&S zijn unieke instrumenten waarover nog veel meer te vertellen is. Gelukkig is er veel informatie te vinden op de site van R&S.