Pomiar impedancji za pomocą karty dźwiękowej komputera

Wiele osób zainteresowanych jest możliwością pomiaru impedancji z wykorzystaniem karty dźwiękowej komputera. Jest to nie tylko możliwe, ale zaskakująco łatwe do zrealizowania za pomocą różnych programów komputerowych, w tym darmowych. Szczegóły w kolejnych artykułach, a w tym artykule podane są ogólne informacje wstępne.

Na rysunku poniżej pokazany jest schemat pochodzący z instrukcji obsługi znanego programu LIMP, dostępnej na stronie www.artalabs.hr/AppNotes/LIMP_Tutorial_Version_2_4_English.pdf.

Zasadniczo dotyczy on pomiaru impedancji głośnika lub kolumny głośnikowej, jednak w ten sam sposób można mierzyć impedancję dowolnego obciążenia.

Wykorzystywana jest tu karta dźwiękowa komputera. Sygnał z jej lewego kanału jest podawany na wzmacniacz mocy (power amplifier) i dalej przez rezystor pomiarowy (27Ω) na badany głośnik.

Na dwa wejścia karty audio podawane są wygnały: z wyjścia wzmacniacza oraz z głośnika. Ponieważ wejścia (liniowe) karty audio mogą przetwarzać tylko sygnały o wartości rzędu 1 wolta, a głośnik jest testowany przy użyciu wyższych napięć z użyciem wzmacniacza mocy, na wejściach karty audio zastosowane są rezystorowe dzielniki napięcia, nazwane tu voltage probe. Jak pokazuje poniższy rysunek D, pomiar głośnika można też przeprowadzić prościej, wykorzystując wyjście słuchawkowe karty audio.

Zasada pomiaru jest bardzo prosta. Ilustruje to rysunek E.

Generator karty dźwiękowej wytwarza przebieg o napięciu Eg, ale ma jakąś niezerową rezystancję wyjściową Rg. Nie ma jednak ona wpływu na pomiar, ponieważ ten w sumie polega na porównaniu dwóch napięć.

Interesuje nas wartość impedancji Z, którą można obliczyć, dzieląc napięcie na tej impedancji (U2) przez wartość prądu. Wartość prądu można policzyć, dzieląc napięcie na rezystorze wzorcowym przez wartość jego rezystancji (wzorcowej) R. Napięcie na tym rezystorze jest różnicą napięć (U1 – U2).

Jeżeli do obliczeń wzięte zostaną tylko amplitudy albo wartości skuteczne napięć, to wynikiem obliczeń będzie moduł impedancji. Jeżeli jednak do obliczeń użyte będą wartości wektorowe, uwzględniające także przesunięcie fazy, to wynikiem obliczeń będą pełne informacje o impedancji, to znaczy oprócz wartości (w omach) dostępna będzie też informacja o przesunięciu fazowym, czyli o składowej indukcyjnej lub pojemnościowej. A jeżeli takie obliczenia zostaną przeprowadzone dla różnych częstotliwości, wynikiem będzie zależność impedancji w funkcji częstotliwości, jak pokazuje rysunek F.

Badana oporność Z nie musi być głośnikiem. Może to być dowolny inny element albo obwód elektroniczny. Przedstawiony sposób pozwala w prosty sposób mierzyć także indukcyjność cewek i pojemność kondensatorów, a uzyskane wyniki będą zawierać zarówno informację o reaktancji, jak też o szkodliwej rezystancji ESR. Przykład na rysunku G, pochodzącym z instrukcji obsługi programu LIMP.

Programy LIMP oraz ARTA pozwalają też na podobnej zasadzie mierzyć charakterystyki rozmaitych innych elementów urządzeń i systemów. Przykładowe możliwości zilustrowane są na rysunku H.

Tego rodzaju systemy z głośnikiem i mikrofonem pomiarowym pozwalają mierzyć parametry nie tylko tych dwóch elementów, ale też pozwalają określić wiele ważnych parametrów pomieszczenia. Wprawdzie są to bardzo zaawansowane i trudne zagadnienia związane z odbiciami, pogłosem, jednak warto wiedzieć, że można to badać w taki właśnie sposób.

W każdym przypadku trzeba dostosować i ograniczyć wielkość sygnału na wejściach karty audio, co jest zasygnalizowane przez obecność na schematach dzielników rezystorowych. W rzeczywistości są to bardziej złożone obwody – przykłady na rysunku J.

Widzimy tu rezystory dopasowujące, diody Zenera ograniczające amplitudę, ewentualnie transformator audio dający separację galwaniczną. Takie obwody muszą być dostosowane do warunków i wymaganej dokładności pomiaru. Przykładowo podczas pomiaru impedancji takie obwody, a choćby tylko pojemności użytych kabli (zapewne ekranowanych) wpłyną na wynik pomiaru. W przypadku większości kart audio wejścia liniowe mają stosunkowo małą oporność wejściową, co też wpływa na wyniki pomiarów. Dlatego w wielu sytuacjach warto zastosować wtórniki separujące, w najprostszym przypadku jak na rysunku K.

LIMP oraz ARTA i STEPS to pożyteczne programy pozwalające za pomocą karty dźwiękowej zmierzyć mnóstwo istotnych parametrów elementów i urządzeń elektronicznych. Problemem są ograniczenia licencyjne wersji darmowej.  Warto podkreślić, że dostępne są też liczne inne programy, zarówno komercyjne, jak i darmowe, realizujące podobnie pożyteczne pomiary, niektóre nawet lepiej.  Co prawda tylko w zakresie częstotliwości akustycznych i nieco wyżej, na ile pozwala na to program i maksymalna częstotliwość próbkowania karty (96kHz albo 192kHz).

W następnym artykule MR081 przedstawiony jest praktyczny przykład realizacji takich pomiarów oraz zwrócona jest uwaga na występujące przy tym problemy i ograniczenia.