Powrót

NanoVNA – precyzyjne pomiary cz. 2

W poprzednim artykule MR093 dość szczegółowo omówiliśmy sposoby pomiaru z pomocą VNA dużych i małych impedancji. Przypomnijmy to co najważniejsze. Otóż pomiary impedancji niewiele większych i niewiele mniejszych od 50 omów mierzymy w najprostszy sposób, dołączając element do portu – gniazda Ch0.

Z kolei pomiar dużych impedancji, powyżej 50Ω, należy przeprowadzać według poniższego rysunku 1.

Rysunek 1

Natomiast do pomiaru małych impedancji, poniżej 50Ω, ma służyć konfiguracja shunt-through według rysunku 2.

Rysunek 2

W konfiguracji według rysunku 2 wejście Ch1 VNA mierzy napięcie na mierzonej (małej) impedancji Zx. Czym mniejsza impedancja Zx, tym mniejsze napięcie (V2), więc teoretycznie dolny zakres mierzonych wartości impedancji Zx jest wyznaczony przez poziom szumów własnych użytego analizatora VNA. W porównaniu z kosztownymi, profesjonalnymi VNA, w NanoVNA ten poziom szumów jest stosunkowo wysoki i dynamika jest niezbyt duża. Ogranicza to od dołu zakres mierzonych impedancji. Tak samo szumy własne VNA od góry ograniczają zakres mierzonych (dużych) impedancji w konfiguracji według rysunku 1.

Ale to nie wszystko, co dotyczy błędów: także w przypadku taniutkiego NanoVNA trzeba omówić pewien istotny problem, dotyczący wszystkich VNA. Jest to bardzo ważne w praktyce, ponieważ często chcemy w szerokim zakresie częstotliwości mierzyć małą impedancję obwodów zasilania (PDN – Power Distribution Networks) i ich elementów składowych, w szczególności stosowanych tam kondensatorów odsprzęgających.

Pełna kalibracja

Gdy wykorzystywaliśmy tylko gniazdo Ch0 i pomiar S11, wystarczyła trzystopniowa kalibracja SOL (Short, Open, Load). Jeżeli jednak chcemy wykorzystywać konfiguracje pomiarowe według rysunków 1, 2, czyli mierzyć także parametr S21, powinniśmy, a wręcz musimy przeprowadzić pełną kalibrację pięciostopniową SOLIT.

Zróbmy to z wykorzystaniem wspomnianego wcześniej  komputerowego programu NanoVNA-Saver, wykorzystując Calibration assistant,  po trzech krokach nie klikniemy Apply, tylko Yes, a wtedy wyświetlą się kolejno dwa komunikaty pokazane na rysunku 3.

Rysunek 3

Pierwszy dotyczy kalibracji IIsolation, na czas której na gniazdo wyjściowe Ch0 należy nakręcić nakrętkę Load (50 omów), a jeżeli mamy drugą 50-omową, to także na wejście Ch1. Wtedy wejście Ch1 jest skutecznie izolowane od wyjścia Ch0 i kalibrujemy jakość tej izolacji.

W następnym kroku T mamy kalibrować przejścieThrough i na ten czas Ch0 należy bezpośrednio połączyć z wejściem Ch1.

Na koniec taką pełną kalibrację trzeba zastosować – wprowadzić do programu (Apply), ewentualnie także zapisać na dysku w postaci pliku .cal po kliknięciu Save calibration.

W zasadzie procedura pełnej, pięciostopniowej kalibracji jest dziecinnie prosta, jednak jak mówi przysłowie, diabeł tkwi w szczegółach. Przekonamy się o tym niebawem.

W każdym razie dopiero pełna kalibracja SOLIT pozwala wykorzystać konfiguracje pomiarowe z rysunków 1 i 2, które genialnie rozszerzają zakres pomiarów impedancji w porównaniu z wykorzystaniem jedynie gniazda Ch0.

Ja do dokładniejszych pomiarów dwuportowych wykorzystałem pokazany na fotografii 4 10-centymetrowy (4 cale) półsztywny kabel RG402 z dwoma męskimi kątowymi wtykami SMA, zakupiony kiedyś pod adresem: https://bit.ly/3F7SAnj.

Fotografia 4

Rozciąłem ekran kabla, przeciąłem wewnętrzną żyłę, a do ekranu (masy) przylutowałem na stałe dwa rezystory 50Ω (równolegle po dwa 100Ω SMD), które są potrzebne do kalibracji. W ten sposób do pomiarów według rysunków 1, 2 wykonałem adapter pokazany na fotografii 5.

Fotografia 5

Do kalibracji S (short – zwarcie) zwieram końcówkę A połączoną z gniazdem Ch0 za pomocą kawałeczka drutu, co na fotografii 6 pokazuje czerwona strzałka.

Fotografia 6

Jednocześnie drugą końcówkę pomiarową B, połączoną z Ch1, dołączam do rezystancji 50 omów, jak pokazuje zielona strzałka (co ma niewielkie znaczenie, ale jest zalecane). Jeden z rezystorów 50Ω pozostaje niepodłączony (niebieska strzałka).

W następnym kroku kalibracji O (open – rozwarcie) końcówka A jest odłączona, czyli „wisi w powietrzu”, a końcówka B nadal jest dołączona do rezystora 50Ω.

W następnym kroku kalibracji L (load – obciążenie) dołączam końcówkę pomiarową A do niepodłączonego wcześniej rezystora 50Ω według fotografii 7.

Fotografia 7

Kolejny krok kalibracji to I (isolation – izolacja między portami Ch0, Ch1). Układ połączeń jest taki sam jak podczas poprzedniego kroku L – do obu gniazd dołączone są rezystancje 50Ω.

Ostatni krok pełnej kalibracji to T (through – przejście z Ch0 do Ch1). Dwa rezystory pomocnicze zostają odłączone, a punkty A, B – zwarte, jak pokazuje fotografia 8.

Fotografia 8

W procesie takiej pełnej kalibracji celowo nie wykorzystuję nakrętek kalibracyjnych z zestawu NanoVNA, tylko zwyczajne rezystory SMD wielkości 0805, jednak w zakresie częstotliwości do kilkuset megaherców taki sposób z rezystorami SMD jest całkowicie wystarczający do naszych celów edukacyjnych.

Efekty pomiarów z użyciem obu portów po takiej właśnie kalibracji już widziałeś m.in. w poprzednim artykule MR093 na rysunkach 1, 2, które pokazują wyniki pomiarów rezystorów (22kΩ i 470kΩ) w konfiguracji z zamieszczonego tam rysunku 6. Pomiary z wykorzystaniem tylko portu Ch0 i parametru S11 mają istotne wady, nie tylko wąski zakres pomiarowy, w pobliżu 50 omów.W programie NanoVNA-Saver jest też kłopot ze zobrazowaniem wyników, a mianowicie niemożliwość przedstawienia  modułu impedancji |Z| obliczonej na podstawie S11 w skali logarytmicznej (a przynajmniej ja nie potrafię tego zrobić w starej wersji wykorzystywanej podczas tworzenia tego artykułu). Przy pomiarach z użyciem dwóch portów mamy dwie konfiguracje dla dużych i małych impedancji (rysunki 1, 2), a wartość zmierzonej impedancji można przedstawić w skali podwójnie logarytmicznej.

Właśnie w skali podwójnie logarytmicznej przedstawiane są  charakterystyki częstotliwościowe impedancji elementów L, C, jak pokazuje przykład z rysunku 9 (z materiałów Keysight).

Rysunek 9

Na takich podwójnie logarytmicznych wykresach bardzo dobrze widać, że reaktancja pojemnościowa maleje ze wzrostem częstotliwości, a indukcyjna – rośnie. Sensownie przedstawiony jest też wtedy rezonans własny (SRF) wynikający z niedoskonałości kondensatorów i cewek elementów.

W programie NanoVNA-Saver klikając „prawą myszką” na wykresach można ustawić logarytmiczną skalę częstotliwości (rysunek 10).

Rysunek 10

Wartość modułu impedancji też powinna być przedstawiona w skali logarytmicznej – wtedy uzyskamy piękne, podręcznikowe charakterystyki.

Rysunek 11

Jak pokazuje rysunek 11, w starej wersji 0.3.8 NanoVNA-Saver po kliknięciu Display setup była możliwość wyboru logarytmicznego zobrazowania tylko wartości S21 Gain, która rzeczywiście niesie informacje o badanej impedancji, ale nie pokazuje jej w omach. Na pionowej osi na wykresie mamy decybele, ale nie są to „decybeloomy” i najprawdopodobniej należałoby uwzględnić rezystancję charakterystyczną 50Ω.

Z uwagi na takie ograniczenia, w tej starej wersji przy pomiarach dużych rezystancji według rysunku 1, na wykresie otrzymamy charakterystykę odwróconą, czego przykład mamy na rysunku 12.

Rysunek 12

To był dość istotny kłopot, ale na szczęście już w następnej wersji 0.3.9 NanoVNA-Saver pojawiły się nowe możliwości zobrazowania wyników. Autorzy programu dodali cztery nowe sposoby zobrazowania potrzebne właśnie do pomiarów impedancji według rysunków 1 (series), 2 (shunt). Czerwone strzałki   na rysunku 13 pokazują wybór modułu impedancji |Z|.

Rysunek 13

I ten moduł impedancji można zobrazować w skali liniowej albo logarytmicznej.

Rysunek 14

Rysunek 14 to wyniki pomiaru tego samego dławika 22uH (fotografia 15) w wersji programu 0.3.9.

Fotografia 15

Wartość od razu podana jest w omach. W dwóch górnych oknach ten sam moduł impedancji (S21 |Z| series) przedstawiłem na dwa sposoby: w skali podwójnie liniowej i ten sam wynik w skali podwójnie logarytmicznej. Komentarza chyba nie potrzeba.

Skalę zobrazowania wartości modułu impedancji można zmienić, klikając „prawą myszką” na wykresie według rysunku 16. Ja na potrzeby artykułu wybrałem zakres Fixed span i dobrałem wartości skrajne. Jednak najczęściej korzystamy z opcji Automatic.

Rysunek 16

Na rysunku 14 w dolnym lewym oknie zobrazowane są oddzielnie: składowa rzeczywista (rezystancyjna – R; skala z lewej strony) oraz składowa urojona (reaktancyjna – X; skala z prawej strony). Przy takim zobrazowaniu nie można ustawić logarytmicznej skali oporności, a tylko logarytmiczne zobrazowanie częstotliwości. Ma to uzasadnienie, bo skala logarytmiczna nie obejmuje zera ani wartości ujemnych, a wartość reaktancji może być dodatnia lub ujemna. Nie jest to więc niedoróbka. Tym bardziej że mało kto czuje intuicyjnie taki sposób zobrazowania impedancji.

Pomimo ulepszeń wersji 0.3.9, nadal jest kłopot z odwzorowaniem kąta przesunięcia (fazy) między prądem i napięciem w mierzonej impedancji. Nawet w tej nowszej wersji programu nie przewidziano odpowiedniego wykresu. Na rysunku 14 w dolnym prawym oknie przedstawiona jest faza parametru S21. Wykres taki okazuje się jak najbardziej użyteczny, ale nie jest to dokładne, a jedynie przybliżone odwzorowanie przesunięcia między prądem i napięciem w badanej impedancji.

Z lewej strony rysunku 14 warto też zwrócić uwagę na informacje o trzech kolorowych markerach, które można dowolnie ustawić na skali częstotliwości. Można tam odczytać, co algorytmy zastosowane w programie NanoVNA-Saver wyliczyły ze zmierzonych wartości S11, S21. Wyliczają między innymi indukcyjność i podają wynik bliski 22uH. Niestety, w wersji 0,3.9 nie wyliczają wartości modułu impedancji, co byłoby bardzo pożyteczne przy takich pomiarach. Wartości modułu impedancji trzeba odczytać z rysunku. W razie potrzeby można to zrobić dokładniej, korzystając z opcji „Fixed span” i ustawiając według potrzeb wartości pokazywanej oporności: minimalną i maksymalną.

Rysunek 17

Rysunek 17 analogicznie pokazuje w skali podwójnie logarytmicznej wyniki pomiaru dwóch kondensatorów 100nF w konfiguracji shunt według rysunku 2. Krzywa fioletowa to przebieg modułu impedancji starego, dużego kondensatora MKSE 100nF 630V. Krzywa niebieska to zapamiętana (za pomocą polecenia Set current as reference) charakterystyka maleńkiego kondensatora SMD 0805 o nominale 100nF, który jest wskazany czerwoną strzałką na fotografii 18. Fotografia ta pokazuje pomiar shunt dużego kondensatora foliowego, a maleńki kondensator SMD jest niepodłączony, a tylko jedną końcówką przylutowany do ekranu kabla.

Fotografia 18

Widzimy wyraźnie, że najpierw ze wzrostem częstotliwości impedancja (reaktancja pojemnościowa) maleje, ale tylko do częstotliwości rezonansu własnego. Powyżej dominuje rosnąca ze wzrostem częstotliwości reaktancja indukcyjna szkodliwej indukcyjności. Co najważniejsze, na wykresach 14 i 17 pionowa skala podaje wartość modułu impedancji wprost w omach. Jest to szczególnie ważne w przypadku badania kondensatorów, bowiem po niezbędnej prawidłowej kalibracji uzyskujemy cenną informację o wartości ESR, która generalnie powinna być jak najmniejsza. Wartość ESR określa najniższy punkt wykresu na rysunku 17. A ogólnie biorąc, wysokość nachylonej charakterystyki pokazuje, jaka jest reaktancja (pomijając niewielkie szkodliwe rezystancje). Czym wyżej przebiega nachylona charakterystyka, tym mniejsza pojemność albo większa indukcyjność, które zresztą można obliczyć (odczytać) dla dowolnego punktu wykresu.

Na rysunku 17 też warto zwrócić uwagę na markery. Jak pokazuje marker czerwony, z wyników pomiaru przy częstotliwości około 500kHz program prawidłowo wyliczył wartość szeregowej pojemności bliską 100nF.

Przypominam, że zasadniczo NanoVNA mierzy parametry tylko przy 101 częstotliwościach rozmieszczonych liniowo. Dla uzyskania większej dokładności i możliwości sensownego zobrazowania w logarytmicznej skali częstotliwości trzeba przeprowadzić wiele pomiarów – ja i przy pomiarach, i przy kalibracji ustawiłem 20 segmentów, więc miernik dokonuje ponad 2000 pomiarów, co trwa dość długo. Pojedynczy pomiar trwa prawie 40 sekund, ale za to wykres jest dokładniejszy.

W tym odcinku nauczyliśmy się mierzyć impedancję w szerokim zakresie wartości. Zachęcam do samodzielnego pomiaru impedancji różnych elementów i obwodów!

Podczas takich pomiarów zapewne pojawią się dziwne wyniki i różne zagadkowe zjawiska. Warto być przygotowanym na różne niespodzianki. W następnym artykule MP095 zaczniemy się w to zagłębiać.

Piotr Górecki