임피던스 측정을 위한 빠른 주파수 스위프

January 19, 2021 by Tim Ashworth

장치나 재료를 주파수의 함수로 특성을 측정 할 때, 시간이 지남에 따라 환경이나 재료 자체가 변화하여 결과 스펙트럼도 변할 수 있습니다. 이 시간에 따른 변화는 MFIA 또는 MFLI의 LabOne Sweeper 모듈로 순차적 주파수 스위프를 수행하여 캡처)할 수 있습니다. 각 스위프에는 포인트당 20ms가 필요하므로 일반적인 500포인트 스위프에는 최소 10초가 필요합니다. 이것은 샘플의 시간 변화를 추적하는 편리하고 신뢰할 수 있는 방법이며 LabOne으로 쉽게 설정할 수 있습니다.

그러나 더 빠른 스위프가 필요한 경우 1초 미만의 속도로 스위프를 획득할 수 있도록 LabOne을 구성할 수 있습니다. 이 블로그 게시물에서는 300ms 만에 업데이트되는 1024포인트 스위프를 설정하는 방법을 배우게 됩니다(그림 1 참조).

Figure-1-Animated-gif-of-the-DAQ-Module-with-300-ms-per-shot.gif

그림 1: 50kHz ~ 500kHz의 주파수 범위에서 측정된 임피던스 위상의 1024포인트 스위프를 보여주는 DAQ 모듈을 실시간으로 캡처하는 GIF. 스위프는 300ms마다 업데이트됩니다.

이러한 빠른 스위프를 설정하기 위해 LabOne과 많은 모듈의 기능을 활용합니다. 사용되는 모듈은 다음과 같습니다.

빠른 스위프를 위한 6단계

Threshold unit 모듈을 사용하여 사각 전압 펄스를 생성합니다.
Aux 모듈에 라우팅하고 크기를 조절합니다.
해당 펄스를 PID 모듈에 공급하고 주파수 램프를 종료합니다.
PID를 조정하여 주파수 스위프속도를 수정하고 Plotter 모듈에 나타나게합니다.
DIO 모듈을 열고 트리거 신호를 구성합니다.
DAQ 모듈을 열고 빠른 스위프를 수집하도록 트리거합니다.

이제 각 단계를 자세히 살펴보겠습니다.

1단계: Threshold unit 모듈 장치는 수신된 입력을 기반으로 빠른 출력을 만들 수 있는 강력한 도구입니다. 이 모듈을 구성하여 사각 전압 펄스를 생성합니다(이 블로그 게시물에 자세히 설명됨). 그림 2는 보다 자세한 구성을 보여줍니다. 임계값 단위 1만 사용됩니다(맨 위 라인).

2단계: Aux 모듈을 사용하여 채널 1의 출력 신호로 "TU 출력 값"을 선택하고 "aux 출력 1"의 출력이 센터가 0V인 +1V ~ -1V의 사각 펄스 센터가 될 때까지 크기와 오프셋을 조정합니다.(플로터 모듈을 사용하여 Aux 출력 1 모니터링 합니다). 그림 3은 구성된 LabOne Aux 모듈을 보여줍니다.

3단계: PID/PLL 모듈을 열고 "Aux in 1"을 입력으로 선택하고 "Oscillator Frequency 1"을 출력으로 선택합니다. 주파수 스위프 범위도 여기에서 정의할 수 있습니다. 이 경우 중심 주파수는 500kHz이고 하한 및 상한은 각각 -450kHz 및 500kHz입니다. 이것은 50kHz ~ 1MHz에서 시작하는 주파수 스위프에 해당합니다. 스위프 속도는 I 값으로 조정할 수 있으며 P 및 D는 0으로 유지해야 합니다. 설정이 완료되면 PID를 활성화합니다. 주석이 달린 설정은 그림 4에 나와 있습니다.

그림 4: 주석이 있는 PID/PLL 모듈의 스크린샷.

4단계: Plotter 모듈을 사용하여 주파수 스위프를 표시하고 PID 매개변수를 조정하여 실험 요구 사항에 따라 스위프 속도를 조정합니다.

5단계: 트리거링이 정확해야 하므로 아날로그 지연을 피하기 위해 내부 디지털 트리거를 사용합니다. 그림 6과 같이 DIO 모듈을 열고, Trigger out 1을 "Threshold 1"로 설정합니다. 이것은 각 스위프/샷을 정확하게 트리거하는 데 사용됩니다.

6단계: 이제 데이터 수집 모듈에서 트리거 신호를 "Demod 1 Trig Out 1"로 설정하고 상승 혹은 하강에지를 트리거로 선택합니다. 그런 다음 control 하위 탭의 수직 축 그룹에 원하는 트레이스를 추가하고 "Demod 1 Sample Frequency"를 추가하는 것을 잊지 마십시오. 여기에는 각 스위프의 주파수에 대한 정보가 포함됩니다. 이제 Run/stop을 클릭하면 초기 전압 펄스 주기에 의해 정의된 대로 스위프이 나타나고 모든 주기가 업데이트됩니다. Grid 하위 탭의 열 필드를 사용하여 스위프의 길이를 정의합니다. 매개변수를 최적화하면 그림 1과 같이 원하는 주파수 스위프에 해당하는 데이터 수집 모듈의 샷이 표시되어야 합니다.

측정 확인

그림 1에 표시된 스위프가 스위퍼 모듈에서 수행된 스위프와 일치하는지 확인하기 위해 그림 1과 동일한 주파수 범위(50kHz ~ 500kHz)에서 샘플을 스위프합니다. 스위퍼에 있는 기능의 위치와 진폭은 그림 1에서도 관찰할 수 있으며, 이는 높은 스위프 속도에도 불구하고 높은 수준의 충실도를 보여줍니다.

더 자세한 비교를 가능하게 하기 위해 우리는 그림 8에서 DAQ 모듈 옆에 스위퍼 모듈 데이터의 확대된 섹션을 배치합니다. 결과가 잘 일치하는 것을 볼 수 있으며 핵심적인 세부 사항의 대부분이 잘 캡처됩니다. 그러나 주요 피크의 왼쪽 측면에 있는 어깨와 같은 일부 미세한 구조와 같이 위상의 진폭이 완전히 해결되지는 않습니다. 이것은 측정속도를 높이면 해상도가 떨어진다는 것을 확인시켜줍니다.

명심해야 할 주의 사항

MF-PID 옵션이 필요합니다(체험판은 문의하십시오).
결과 스위프의 x축은 주파수가 아닌 타임베이스(ms)에 있습니다. 이를 변환하려면 사후 처리에 추가 단계가 필요합니다.
이러한 빠른 스위프 중에는 입력 범위를 변경할 수 없으므로 전류 및 전압 입력을 고정하고 자동 범위 조정을 비활성화해야 합니다.
측정 대역폭은 주파수에 따라 대역폭이 자동으로 최적화되는 표준 스위퍼와 달리 전체 고속 스위프에 대해 고정됩니다.
각 데이터 포인트에 안정화 시간 지연이 내장되어 있지 않으므로 스위퍼 모듈을 사용할 때보다 정확도가 떨어집니다.
반응성 DUT의 경우 DUT의 RC 응답 시간으로 인해 주파수가 지연되어 스위퍼 모듈을 사용할 때와 비교하여 더 많은 부정확성이 발생합니다.

추가 설명

이 블로그 게시물에 사용된 DUT(테스트 대상 장치)는 간단한 piezo 부저(TDK PS1550L40N)입니다. 이 장치는 여러 위상 공진을 나타내므로 임피던스 스위프에 이상적인 테스트 샘플입니다.

스위프 없이 빠른 주파수 응답을 측정하는 다른 방법은 UHF-AWG 및 UHF-DIG 옵션을 사용하여 구현할 수 있습니다. 자세한 내용은 블로그 게시물을 참조하세요.

결론

이 블로그 게시물에서 스위퍼 모듈이 실험에 필요한 만큼 빠르지 않을 때 MF-PID 옵션을 사용하여 빠른 주파수 스위프를 설정하는 방법을 살펴보았습니다. 이 기술은 MFIA 및 MFLI의 한계를 뛰어 넘으므로 위의 주의 사항 목록을 고려하십시오. 스위퍼 모듈은 항상 정확도를 위한 최선의 선택이지만 이 기술은 주파수 범위에서 장치 또는 재료의 응답 시간 변화를 특성화하는 데 매우 유용합니다. 질문이 있는 경우 연락하십시오. 이 측정 방식을 사용하려는 의도를 기쁘게 생각합니다.

감사의 말: 이 기술을 제안한 Jan Šedivý와 구현 최적화를 도와준 Meng Li에게 감사드립니다.