DE19825436C2

DE19825436C2 - Schaltungsanordnung zur eigenkalibrierten Impedanzmessung

Info

Publication number: DE19825436C2
Application number: DE1998125436
Authority: DE
Inventors: Jigou Liu; Andreas Schoenecker
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1998-05-29
Filing date: 1998-05-29
Publication date: 2002-08-14
Anticipated expiration: 2018-05-30
Also published as: DE19825436A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Impedanzmessung nach dem Oberbegriff des Hauptan spruchs.

Aus der Veröffentlichung "Application of Discrete Fourier Transform to Electronic Measurements" von J. G. Liu et al., IEEE 1997, Seiten 1257 bis 1261, ist eine Impedanzmeßanordnung bekannt, bei der eine Wech seleingangsspannung an eine keramische Probe als Meß objekt angelegt wird, dem ein Widerstand, der als Strom-/Spannungswandler für die Strommessung dient, nachgeschaltet ist. Parallel zu dem Widerstand ist eine Meßvorrichtung mit bekannter Eingangsimpedanz vorgesehen. Mit der Meßvorrichtung wird die Ausgangs wechselspannung gemessen, die einer Fourieranalyse unterzogen wird. Mittels der Grundharmonischen der Ausgangsspannung und unter Heranziehung der Eingangswechselspannung kann die Übertragungsfunktion des li nearen Meßsystems bestimmt werden. Der lineare Teil der Impedanz wird unter Verwendung der Übertragungs funktion und der komplexen Impedanz des Widerstandes und der Eingangsimpedanz der Meßvorrichtung berech net. Der nichtlineare Teil der Impedanz bzw. der Aus gangsspannung wird über den linearen Teil der Impe danz und unter Verwendung der höheren Harmonischen der Ausgangswechselspannung bestimmt.

Diese bekannte Meßschaltungsanordnung erfüllt grund sätzlich ihre Zwecke in zufriedenstellender Weise, allerdings ist die Kalibrierung der Meßschaltung recht aufwendig. Darüber hinaus besteht insbesondere bei Impedanzmessungen elektrischer Werkstoffe bei ho hen elektrischen Feldstärken die Gefahr der Beschä digung der Meß- und Auswertevorrichtung im Falle ei nes fehlerhaften Meßobjekts.

Die DE 31 01 994 A1 betrifft eine Meßanordnung für reelle Widerstände, die mittels Gleichstrom gemessen werden. Dabei sind drei Meßschritte vorgesehen, wobei im ersten Meßschritt die Spannung eines Hilfswider standes durch Schließen eines ersten Schalters gemes sen wird, im zweiten Schritt die Spannung einer Rei henschaltung aus einem Referenzwiderstand und einem Hilfswiderstand unter Schließen von einem ersten und einem zweiten Schalter gemessen wird und im dritten Schritt die Ausgangsspannung an einer Reihenschaltung aus dem Meßwiderstand und dem Hilfswiderstand unter Schließen des ersten und eines dritten Schalters ge messen wird. Aus diesen drei Messungen wird der reel le Widerstandswert des Meßwiderstandes berechnet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schal tungsanordnung zur Impedanzmessung elektrischer Komponenten und analoger Schaltungen nach dem Oberbe griff des Hauptanspruchs dahingehend weiterzubilden, daß eine schnelle Kalibrierung möglich ist und die Gefahr der Beschädigung der Meßvorrichtung verringert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn zeichnenden Merkmale in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.

Dadurch, daß das Meßobjekt über eine Schalteranord nung eine Referenzimpedanz in Reihe geschaltet ist, ist es möglich, in dem einen Schalterzustand eine "Kalibrier"-Messung durchzuführen, bei der das Meßobjekt überbrückt wird, und die Ausgangswechselspan nung bei kurzgeschlossenem Meßobjekt zu messen. Durch die Auswertung der Meßwerte kann die Impedanz der Schaltungsanordnung ohne Meßobjekt bestimmt werden. In dem anderen Schalterzustand liegt die Referenzim pedanz direkt in Reihe mit dem Meßobjekt. Bei der Auswertung der entsprechenden Meßwerte kann die Impe danz des Meßsystems ohne Meßobjekt berücksichtigt werden, wodurch Phasen- und Amplitudenfehler kompen siert werden. Auf diese Weise ist eine Eigenkalibrie rung möglich.

Darüber hinaus bildet die mit dem Meßobjekt in Reihe liegende Referenzimpedanz gleichzeitig einen Schutz widerstand, der seine Funktion dann erfüllt, wenn das Meßobjekt fehlerhaft ist und in ihm ein Kurzschluß auftritt. Auf diese Weise wird die nachfolgende Meß- und Auswertevorrichtung geschützt.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnah men sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse rungen möglich.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeich nung dargestellt und werden in der nachfolgenden Be schreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines eigenkali brierten Impedanzmeßsystems nach der Erfindung,

Fig. 2 eine schaltungsgemäße Ausgestaltung eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,

Fig. 3 und 4 die schaltungsgemäße Ausgestaltung eines zweiten und eines dritten Aus führungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.

In Fig. 1 ist ein Blockschaltild als Prinzipdarstel lung einer Schaltungsanordnung zur eigenkalibrierten Impedanzmessung dargestellt, während Fig. 2 eine schaltungsgemäße Ausgestaltung des Meßsystems dar stellt. Bei der folgenden Erläuterung wird auf beide Figuren Bezug genommen.

Das eigenkalibrierte Impedanzmeßsystem besteht aus einem nichteigenkalibrierten Impedanzmeßsystem IMS, einer Referenzimpedanz Z_r bzw. eines Referenzwider stands 4 und einer Schalteranordnung 3 sowie einem zu messenden Meß- und Prüfobjekt 1 mit der Impedanz Z_x.

In Fig. 2 ist das Meßobjekt 1, das als elektrische Komponente, Widerstand, Kondensator, Sensor, Reaktor usw. oder analoge Schaltung (passive und aktive elek trische und elektronische Schaltungen, z. B. Filter, Verstärker, Netzwerke usw.) ausgebildet ist und die Impedanz Z_x besitzt, mit dem Ausgang eines Si gnalgenerators 2 verbunden, der eine Wechselspannung vorgegebener Frequenz liefert. Mit dem Meßobjekt ist über die Schalteranordnung 3 die Referenzimpedanz 4 derart verbunden, daß Meßobjekt 1 und Referenzimpe danz 4 bei geschlossenem Schalter 5 der Schalteran ordnung 3 in Reihe liegen. Im vorliegenden Fall ist die Referenzimpedanz 4 als reeller Widerstand ausge bildet, wodurch die Berechnung vereinfacht und eine hohe Meßgenauigkeit realisiert werden kann, wobei die Phasenreferenz null ist.

Der Ausgang des Signalgenerators 2 ist über eine Überbrückungsleitung, in der sich ein weiterer Schal ter 6 der Schalteranordnung 3 befindet, direkt mit der Referenzimpedanz 4 verbindbar. Die Schalter 5, 6 der Schalteranordnung 3 sind so miteinander ge koppelt, daß bei geschlossenem Zustand des einen Schalters der andere offen ist und umgekehrt.

Nach der Referenzimpedanz 4 ist ein Widerstand 7 nach Masse geschaltet, der als Strom-Spannungswandler wirkt; die an dem Widerstand 7 abfallende Ausgangs wechselspannung wird von einem Spannungsmeßgerät 8 gemessen, das bei einem diskreten Meßaufbau bei spielsweise als Digitaloszilloskop ausgebildet sein kann. Diese Ausgangsspannung liegt an einem ersten Kanal des Meßgerätes 8 an, während ein zweiter Kanal des Meßgeräts die Eingangswechselspannung der Schal tungsanordnung mißt, das heißt mit dem Ausgang des Signalgenerators 2 verbunden ist. Das Meßgerät 8 ist mit einer Steuer- und Auswerteeinheit 9 verbunden, die beispielsweise als Mikrocomputer ausgebildet ist. Von der Auswerteeinheit 9, die mit dem Signalgenera tor 2 gleichfalls verbunden ist, geht eine Steuerlei tung zu der Schalteranordnung 3. Das nichteigenkali brierte Impedanzmeßsystem IMS nach Fig. 1 wird durch den Signalgenerator 2, das Digitaloszilloskop 8 mit zwei Kanälen und die Steuer- und Auswerteeinheit 9 gebildet.

Die Funktionsweise des Impedanzmeßsystems nach Fig. 1 und Fig. 2 ist wie folgt. Für eine Kalibrierung der Schaltungsanordnung zur Messung der Impedanz steuert die Steuer- und Auswerteeinheit 9 die Schalteranord nung 3 derart an, daß der Schalter 5 offen ist und der Schalter 6 geschlossen ist. Dadurch wird das Meßobjekt 1 kurzgeschlossen, das heißt es wird die Impe danz des Systems ohne Meßobjekt bestimmt, wobei die am Widerstand 7 liegende Ausgangswechselspannung und die Eingangswechselspannung am Meßgerät 8 gemessen werden. Die Auswertung der Spannungssignale wird von der Auswerteeinheit 9 vorgenommen, die unter Verwen dung der diskreten Fourieranalyse die Impedanz bzw. Phase und Amplitude bestimmt. Es wird hier ausdrück lich auf die Offenbarung der oben erwähnten Veröf fentlichung Bezug genommen, die zu dem Offenbarungs gehalt der vorliegenden Erfindung hinzuzurechnen ist. Das dort beschriebene Berechnungsverfahren wird ana log angewandt.

In der Prinzipausführung nach Fig. 1 wird bei ge schlossenem Schalter 6 und offenem Schalter 5 eine "Null-Impedanz", die als Masse gezeigt wird, mit dem Eingang des Additionsoperators verbunden. In diesem Fall wird die Referenzimpedanz Z_r durch das Impedanz meßsystem IMS gemessen. Der Meßwert wird als Z_or be zeichnet.

Nach Messung der Impedanz ohne Meßobjekt 1 schaltet die Steuer- und Auswerteeinheit 9 die Schalter 5, 6 der Schalteranordnung 3 um, so daß nunmehr die Aus gangswechselspannung mit Meßobjekt 1 gemessen wird, das heißt die Impedanz Z_x des Meßobjekts 1 wird mit der Impedanz Z_r der Referenzimpedanz Z, hier des Re ferenzwiderstandes 4 addiert und die addierte Impe danz Z_x und Z_r wird durch das Impedanzmeßsystem gemes sen. Der Meßwert wird mit Z_orx bezeichnet. Diese Meß werte werden in der Auswerteeinheit 9 so ausgewertet, daß die Impedanz des Meßobjektes 1 unter Berücksich tigung der durch den ersten Meßvorgang gemessenen Amplituden- und Phasenfehler bestimmt wird.

Das Meßergebnis wird dann anhand der Meßwerte Z_or und Zorx sowie der Referenzimpedanz Z_r gemäß (1) berech net.

-Z_or = kZ_r (Kalibrierung)
-Z_orx = k(Z_r + Z_x) (Messung)
-Z_x = Z_r(Z_orx - Z_or)/Z_or (Berechnung) (1).

Hier wird das nichteigenkalibrierte Impedanzmeßsystem IMS als ein lineares System betrachtet. Für ein li neares Meßsystem ist der Zusammenhang zwischen der Impedanz Z_i des Meßobjektes 1 und dem Meßwert Z_o auch linear, das heißt, Z_o = kZ_i. Die Linearisierung des Meßsystems kann unter bestimmten Meßbedingungen rea lisiert werden.

Die relative Meßabweichung des Meßverfahrens E_x kann gemäß der Definition und Gleichung (1) abgeleitet und durch Gleichung (2) geschrieben werden.

Durch Einführung von (1) in (2) bestimmt sich E_x zu:

Hier bedeuten
E_mrx: die relative Meßabweichung der Meßgröße (Z_r + Z_x),

(Z_orx: der Meßwert von der Gesamtgröße (Z_r + Z_x) Z_r + Z_x: der Istwert der Gesamtgröße, der durch ein anderes Präzisions meßgerät bestimmt werden muß)
E_mr: die relative Meßabweichung der Meßgröße Z_r,

(Z_or: der Meßwert von der Referenz Z_r, Z_r: der Sollwert der Referenz)
E_r: die relative Abweichung der Referenzimpedanz Z_r,

(Z *|r: der Eichwert der Referenzimpedanz Z_r, Z_r: der Sollwert der Referenz)

Wenn E_mrx = E_mr ist E_x = E_r. Das bedeutet, daß die re lative Meßabweichung nur abhängig von der relativen Abweichung der Referenzimpedanz Z_r ist unter der Be dingung, daß die Meßabweichung des nichteigenkali brierten Impedanzmeßsystems IMS bei den Kalibrie rungs- und Meßvorgängen konstant bleibt. Diese Bedin gung ist nur für lineare Meßsysteme erfüllbar. Des halb muß das Meßsystem unter bestimmten Meßbedingun gen linearisiert werden.

Die Meßbedingungen müssen so bestimmt werden, daß die Meßabweichung des nichteigenkalibrierten Impedanzmeß systems IMS bei den Kalibrierungs- und Meßvorgängen möglichst konstant bleibt. Diese Bedingungen können durch Änderung des Widerstands 7 und des Referenzwi derstands 4 realisiert werden. Dabei sind die Meßab weichungen abhängig von den Meßbedingungen. Es wurde gefunden, daß bei folgender Beziehung zwischen dem Meßobjekt Z_x und der Referenzimpedanz Z_r sowie dem Wert R_o des Widerstandes 7 für eine präzise Impedanz messung erfüllt werden:

R_r ≈ |Z_x| < 10 R_o (4),

wobei |Z_x| als der Betrag der Impedanz des Meßobjekts bezeichnet wird. Hier bedeutet die Bedingung |Z_x| < 10R_o eine Linearisierung für das nichteigenkali brierte Impedanzmeßsystem IMS, d. h. für eine sichere und genaue Messung sollte der reelle Widerstand der Referenzimpedanz 4 größer als der Widerstand 7 sein und der Beterag der Impedanz des Meßobjekts 1 sollte größer als der reelle Widerstand der Referenzimpedanz 4 sein und beispielsweise 10 : 1 betragen.

Falls das Meßobjekt 1 fehlerhaft ist und beispiels weise kurzgeschlossen wird, dient die Referenzimpe danz 4 als Schutzwiderstand, so daß die nachgeschal tete Meß- und Auswertevorrichtung 8, 9 nicht beschä digt wird und gleichzeitig festgestellt werden kann, daß das Meßobjekt 1 fehlerhaft ist.

Um die Meßbedingungen, wie oben erwähnt, optimieren zu können, kann die Messung bei unterschiedlichen Frequenzen durchgeführt werden, wobei der Widerstand 7 veränderlich ausgebildet sein kann. Der Wider standswert kann dann an die gewünschte Meßspannung und -frequenz angepaßt werden.

In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung zur Messung der Impedanz darge stellt, wobei dieses Ausführungsbeispiel für die Im pedanzmessung elektrischer Werkstoffe bei hohen elek trischen Feldstärken geeignet ist. Diese Schaltung unterscheidet sich zu der nach Fig. 2 dadurch, daß das vom Signalgenerator 2 gelieferte Wechselspan nungssignal in einem Verstärker 10 verstärkt wird und die höhere Eingangswechselspannung dem Meßobjekt 1 zugeführt wird. Außerdem ist in der Verbindungslei tung zwischen Verstärker 11 und dem Meßgerät 8, über die die Eingangswechselspannung auf den zweiten Kanal des Meßgeräts 8 gegeben wird, ein Spannungsteiler 12 geschaltet, der die vom Verstärker 11 gelieferte hohe Spannung entsprechend herunterteilt, damit das Meßge rät 8 nicht beschädigt wird. Der Verstärker 11 hat keinen Einfluß auf die Meßergebnisse. Die Übertra gungsfunktion des Spannungsteilers 12 kann vor der Messung geändert werden, um die besten Meßbedingungen realisieren zu können, weil der Verstärkungsfaktor fest bzw. stufig ist. Ansonsten ist die Funktionsweise der Schalteranordnung nach Fig. 3 gleich der nach Fig. 2.

In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel darge stellt. Dieses Beispielsystem enthält keinen Span nungsteiler, damit die Struktur des Meßsystems ver einfacht werden kann. Der Einfluß des Verhältnisses vom Verstärker 11 auf die Meßergebnisse wird durch die Eigenkalibrierung kompensiert. Hier ist die Schalteranordnung 3 als digitale Schaltung zum Bei spiel als Multiplexer ausgebildet.

Die dargestellten Schaltungsanordnungen können dis kret aufgebaut werden, es ist jedoch auch möglich, daß sie zum Bestandteil einer integrierten Schaltung gemacht werden, so daß ein Chip, das das Meßobjekt 1 umfaßt, eine "Built-in"-Prüfschaltung zur Messung der Impedanz mit Eigenkalibrierung aufweist. Dabei kann die Schalteranordnung 3 beispielsweise als logische Schaltung aufgebaut sein.

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Impedanzmessung elektri scher Komponenten und analoger Schaltungen als Meßobjekt mit einem Signalgenerator zur Erzeu gung einer Eingangswechselspannung, mit der das Meßobjekt gespeist wird, einem Strom-/Spannungs wandler, der den durch das Meßobjekt fließenden Strom in eine Ausgangsspannung umwandelt und einer Meß-, Steuer- und Auswertevorrichtung, die die Ausgangsspannung erfaßt und abhängig von dieser die Impedanz bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit dem Meßobjekt (1) über eine Schalteranordnung (3) eine Referenzimpedanz (4) geschaltet ist, wobei die Schalteranordnung (3) einerseits die Referenzimpedanz (4) mit dem Meß objekt (1) verbindet und andererseits das Meß objekt überbrückt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzimpedanz (4) ein reeller Widerstand ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß der Strom-/Spannungs wandler (7) ein reeller Widerstand ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßobjekt (1) ein elektrokeramisches, elektrisches Bauele ment oder eine elektrische Baugruppe ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß- und Auswertevorrichtung (8, 9) die Impedanz bei über brücktem Meßobjekt (1) bestimmt und diese bei der Auswertung für die Impedanz des Meßobjekts (1) berücksichtigt.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvor richtung (8) die Eingangswechselspannung mißt.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die Be stimmung der Impedanz des Meßobjekts (1) die Ausgangs- und/oder die Eingangsspannung einer diskreten Fourieranalyse unterzogen wird.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Signalge nerator (2) ein Verstärker (11) zugeordnet ist.

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter anordnung (3) als logische Schaltung ausgebildet ist.

10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter anordnung (3) von der Meß-, Steuer- und Auswer tevorrichtung (8, 9) steuerbar ist.

11. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusammen mit dem Meßobjekt (1) in einer integrierten Schaltung oder auf einem Chip integriert ist.

12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Refe renzimpedanz (4) gleichzeitig als Schutzwider stand für die Meß-, Steuer- und Auswertevorrich tung bei fehlerhaftem Meßobjekt dient.