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LC Meas: Messung von Induktivität und Kapazität mit Soundkarte



1.1 Vorwort

Viele Freunde von Elektronikbasteleien, speziell aber im Zusammenhang mit Teslaspulen, stehen irgendwann vor Aufgabe, Kapazitäten oder Induktivitäten messen zu wollen.
Natürlich gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten bzw. im Handel erhältlichen Messgeräten, welche entweder recht ungenau oder aber sehr teuer sind. Dieses Problem soll mit diesem Artikel und dem zugehörigen Programm einer Lösung zugeführt werden.

Es ist Ziel dieses Projektes ein sehr kostengünstiges, sehr einfaches und trotzdem recht genaues Messmittel für Induktivitäten, Kapazitäten und Widerstände bereitzustellen.
Basis für dieses Messmittel soll eine Soundkarte mit minimaler äußerer Zusatzschaltung, sowie ein Softwareprogramm mit grafischer Nutzeroberfläche sein.
Hardy Scheidig
(August 2011)

1.2 Historie

  Version   Datum   Bemerkung
  1.0   20.04.2008   Grundversion
  1.1   15.08.2008   geringfügige Korrekturen
  1.2   31.05.2009   geringfügige Anpassungen
  ...   ...   ...
  1.5   14.03.2010   Unterstützung der Auswahl der Soundkarte
  Export-Funktion zum Speichern der aktuellen Anzeige
  Erweiterung der Tools:
  - Capture Tool zum Protokollieren von Messungen
  - Coupling Estimation zur Bestimmung des Koppelfaktors von verkoppelten Induktivitäten
  1.9   28.08.11   Überarbeitung der Messalgorithmen.
  - Anstatt des Zweitonsignals wird nun ein reines Sinussignal mit
  wählbarer Frequenz verwendet.
  -"LineIdent" Funktionalität wurde verworfen.
  -"DirectCal" Kalibrierung wurde eingeführt.

  Vorschlag für einen Eingangsverstärker wurde zugefügt.
  Kapitel FAQ wurde zugefügt.

1.3 Urheberrechtsbestimmung

Der Inhalt dieses Werkes mit allen Texten und Abbildungen ist, soweit nicht anders gekennzeichnet, das geistige Eigentum von Hardy Scheidig.
Es unterliegt den deutschen und internationalen Urheberrechtsbestimmungen.
Alle Rechte vorbehalten.

2 Einführung

Überblick:
Die Messung von Induktivität, Kapazität und Widerstand entspricht in der elektrotechnischen Netzwerkanalyse einer Zweipolmessung.
Als Basis für das Messprinzip soll die einfachste Methode, nämlich ein simpler Spannungsteiler, zur Anwendung kommen. Dieses Messprinzip macht es möglich, dass sich der Bauteilaufwand auf einen einzigen Widerstand plus Anschlusskabel zur Soundkarte reduziert.
Aber, trotz der Einfachheit des Prinzips lassen sich dank der Möglichkeiten eines Computers und mit geeigneten Signalverarbeitungsalgorithmen erstaunliche gute Ergebnisse erzielen.
Die Grundlagen basieren auf einem Verfahren aus dem Jahre 1985, welches nunmehr Stand der Technik ist:
"Verfahren zur Bestimmung von verlustbehafteten Induktivitäten und Kapazitäten";
Patentschrift DD 228 910 A1 , veröffentlicht am 23.10.1985

Messprinzip:
Die folgende Darstellung illustriert das Messprinzip. Die zugehörige Beschreibung gibt einen Überblick über die Funktionalität.

Abbildung 1 -  Messprinzip für Zweipolmessung
Abbildung 1 - Messprinzip für Zweipolmessung

Z:

  • "Z" ist das Messobjekt.
  • Aus theoretischer Sicht ist "Z" ein komplex-wertiger Widerstand
  • Z = Z_real + j*Z_imag
  • Die Zusammensetzung von Z , also welche Wirk- und Blindkomponente kombiniert sind, sein zuerst einmal nicht bekannt.
    Die Identifizierung der Komponenten sei neben der Bestimmung der Größe ebenfalls eine Zielsetzung
  • Wirkkomponente: Leistungsumsetzender Anteil
  • Blindkomponente: Speichernder Anteil, kapazitiv oder induktiv.
  • Z kann allgemein als Serien oder Parallelschaltung von Wirk- und Blindkomponente aufgefasst oder aber auch direkt verschaltet sein
  • Referenzwiderstand R_Ref:

  • R_Ref ist das einzige externe Bauteil.
  • Der Wert dieses Widerstands muss genau bekannt sein. Die Genauigkeit dieses Widerstandes ist im direkten Zusammenhang mit der relativen Genauigkeit der Messergebnisse.
  • Der Widerstand muss dabei keinen bestimmte Wert aufweisen, sondern der Wert eben nur möglichst genau bekannt sein
  • Wenn man es ganz genau haben will, muss man diesen Widerstand einmal mit einem guten Messgerät ausmessen.
  • In der Praxis reicht es allerdings aus, einen Widerstand mit einen Toleranzwert von 1% zu benutzen.
  • Der Wert des Widerstandes sollte im Bereich 10 Ohm...100 Ohm...1000 Ohm liegen
  • 10 Ohm, wenn man sehr kleine Induktivitäten oder sehr große Kapazitäten besonders genau messen will
  • 100 Ohm ist Standard.
  • 1000 Ohm, wenn man sehr kleine Kapazitäten oder sehr große Induktivitäten besonders genau messen will.
    Es ist zu beachten, dass der Einganswiderstand der Soundkarte für diesen Fall möglichst groß sein sollte.
  • R_Ref sollte möglichst keine induktive Komponente beinhalten.
  • Es sollte ein "SMD-Widerstand" verwendet werden.
  • Dies spielt besonders dann eine Rolle, wenn man kleine Induktivitäten oder große Kapazitäten zu messen beabsichtigt.
  • Generator G / SoundCard Output 1:

  • "G" ist ein Signalgenerator.
  • In diesem Fall ist der Signalgenerator durch die Soundkarte realisiert.Es ist aber auch möglich ein extern generiertes Signal zu benutzen.
  • Der Computer berechnet ein so genanntes "Multitonsignal" generiert das Sinussignal mit der gewünschten Messfrequenz und gibt dieses über die Soundkarte aus.
  • Die Frequenz des Sinussignals ist in weiten Grenzen frei wählbar.
  • Höher Frequenzen eigen sich besser zum Messen von kleinen Kapazitäten oder kleinen Induktivitäten.
  • Niedrigere Frequenzen eignen sich besser zum Messen von großen Kapazitäten oder großen Induktivitäten.
  • Spannungsmessung (V) / Soundcard Input 1/2:

  • Es sind zwei synchrone Spannungsmessungen notwendig.
  • "synchron" bedeutet, dass es für dieses Verfahren auf das Betragsverhältnis und die Phasenbeziehung der Signale ankommt.
  • Die Messzeit, also die Dauer der Datenaufnahme für jeweils eine Messung, ist ebenfalls für die Genauigkeit von Bedeutung.
  • Es ist möglich verschiedenen Messzeiten auszuwählen.
  • Eine längere Messzeit reduziert die Standardabweichung (also die Schwankungsbreite der einzelner Messungen um den tatsächlichen Messwert) des Messergebnisses.
  • Schalter S1:

  • Dieser Schalter symbolisiert die notwendige Verbindung für den "Direct-Cal" Kalibriervorgang.
  • Dies kann ein physischer Schalter sein, welche bei "Direct-Cal" geschlossen wird. Man kann aber auch ein extra Kabel verwenden, welches SoundCard-Output1 direkt mit SoundCard-Input1 und SoundCard-Input2 verbindet.
  • Computer:

  • Für die grafische Oberfläche und die Signalverarbeitungsalgorithmen ist ein Computer mit Stereo-Soundkarte erforderlich.
  • Die grafische Oberfläche und die Signalverarbeitungsalgorithmen sind im Programm "LCMeas" zusammengefasst.
    Siehe -->
    4. Programm Lc Meas
  • Eine wesentliche Eigenschaft der Signalverarbeitung sind die Kalibrieralgorithmen.
  • Nur unter der Benutzung der Kalibrieralgorithmen ist es möglich, die relative hohe Messgenauigkeit zu erzielen.
  • 3 Hardware und Verschaltung

    Wie bereits erwähnt, ist im einfachsten Fall außer dem Anschlusskabel zur Soundkarte nur ein einziger Widerstand erforderlich.

    Die folgende Abbildung zeigt die Schaltung

    Abbildung 2 - Verschaltung der Soundkarte zur LC-Messung
    Abbildung 2 - Verschaltung der Soundkarte zur LC-Messung

    Achtung !!
    Vorsicht ist geboten, damit die Soundkarte nicht beschädigt wird.

  • Niemals geladene Kondensatoren anschliessen !!
  • Bei Messung von grossen Induktivitäten, insbesondere bei Verwendung von kleinen R_Ref, sollte man besser Überspannungsschutzdioden D1/D2 verwenden.
  • D1 und D2 sollten eine möglichst kleine Eigenkapazität aufweisen.
  • SoundCard In 1/2 :

  • Im Hinblick auf zukünftige Erweiterungen der TickyVNA (LcMeas2) Funktionalität ist die Zuordnung der Soundkartenanschlüsse wie folgt.
  • SoundCard In 1 = Linker Stereo Eingang.
    Diese ist der Referenzeingang der direkt mit der Signalquelle (SoundCard Out 1) zu verbinden ist.
  • SoundCard In 2 = Rechter Stereo Eingang.
    Diese ist der Messeingang der mit R_Ref und dem Messobjekt zu verbinden ist.
  • Falls die Soundkarte über verschieden Stereoeingänge (Line und Mikrofon) verfügt, sollte man den "Line- Eingang" verwenden.
  • Der Mikrofon- Eingang hat aufgrund der zusätzlichen Verstärkung in der Regel auch einen stärker verzerrten Frequenzgang.
  • SoundCard Out 1/2 :

  • Im Hinblick auf zukünftige Erweiterungen (siehe auch TickyVNA (LcMeas2)) ist der Ausgang SoundCard Out 1 (Linker Stereo Ausgang) zu verwenden.
  • 4. Programm LC Meas

    4.1 Main

    Grafisches User Interface und Messalgorithmen sind im Programm "LCMeas" enthalten.

    GUI LC Meas
    Abbildung 3 - Hauptfenster des Programmes LcMeas

    Settings:

    R_Ref:

  • Hier wird die Größe des Referenzwiderstandes eingegeben
  • Range: 20 Ohm … 1000 Ohm
  • Kleine R_Ref eignen sich besser für kleine Induktivitäten oder große Kapazitäten.
  • Große R_Ref eignen sich besser für große Induktivitäten oder kleine Kapazitäten.
  • Default: 200 Ohm
  • hat sich als guter Kompromiss erwiesen.
  • Bei Verwendung eines Eingangsverstärkers (Siehe --> 6.1 ) können deutlich größere Widerstandswerte (z.B. 10 kOhm) verwendet werden.
  • Generator Frequenz (Gen. Freq.):

  • Hier kann man die Messfrequenz wählen.
  • Range: (20/MeasTime) … 18000 Hz
  • Höhere Messfrequenzen sind vorteilhaft bei der Messung von kleinen Kapazitäten oder Induktivitäten.Niedrigere Messfrequenzen hingegen eignen sich besser für große Induktivitäten/Kapazitäten.
  • Meas Time:

  • Hier kann man zwischen verschiedenen Messzeiten (Beobachtungszeiten) wählen.
  • 100ms, 200ms, 500ms, 1s, 2s
  • Bei längeren Beobachtungszeiten erhöht sich die Messgenauigkeit.
  • Meas Type:

  • Hier kann man den erwarteten Typ der Impedanz direkt auswählen oder aber auch mittels "Auto L/C" - Modus den Messalgorithmus selbst den Impedanztyp bestimmen lassen.
  • Es wird unterschieden zwischen
  • Auto L / C
  • Anhand der Phase wird selbständig zwischen Induktivität und Kapazität unterschieden.
  • Im Fall von Induktivität wird eine Induktivität mit Serienwiderstand angenommen.
  • Im Fall von Kapazität wird eine Kapazität mit Parallelwiderstand angenommen
  • Induktivität mit Serienwiderstand
  • Induktivität mit Parallelwiderstand
  • Kapazität mit Serienwiderstand
  • Kapazität mit Parallelwiderstand
  • Real- und Imaginäranteil (Wirk- und Blindanteil) der Impedanz
  • Action Buttons:

    Start /Stop:

  • Zum starten/stoppen der Messung
  • Die meisten Settings können nur im gestoppten Zustand verändert werden.
  • Die Kalibrierungen sind nur im gestarteten Zustand möglich.
  • Direct Cal:

  • Wen der Button gedrückt wird, wird die Kalibrierung bei geschlossenen Schalter "S1" durchgeführt.
  • Dies dient der Vermessung und Kompensation von Gain- und Phase- Imbalance.
    (Siehe --> Kapitel 5 )
  • (Siehe auch --> Kapitel 5 )
  • Diese Kalibrierung sollte nach jedem Neustart des Programms, sowie bei Änderungen der Sound Regler (z.B. Line-In) und bei Änderung der meisten Settings (Button ändert zum Hinweis die Farbe) durchgeführt werden.
  • Open-Cal:

  • Wenn der Button gedrückt wird, wird die Kalibrierung bei offenen Messanschlüssen durchgeführt. Das heißt an den Anschlüssen A,B gemäß Abbildung 2 ist nichts angeschlossen.
  • Diese Kalibrierung sollte nach jedem Neustart des Programms, sowie bei Veränderung an der Messleitung durchgeführt werden.
  • Bei sehr genauen Messungen (z.B. sehr kleine Kapazitäten von wenigen pF), ist es vorteilhaft diese Kalibrierung unmittelbar vor der gewünschten Messung zu wiederholen.
  • Short-Cal:

  • Wenn der Button gedrückt wird, wird die Kalibrierung bei kurzgeschlossenen Messanschlüssen durchgeführt. Das heißt die Anschlüsse A,B gemäß Abbildung 2 werden direkt miteinander verbunden.
  • Diese Kalibrierung sollte nach jedem Neustart des Programms, sowie bei Veränderung an der Messleitung durchgeführt werden.
  • Bei sehr genauen Messungen (z.B. sehr kleine Induktivitäten ), ist es vorteilhaft diese Kalibrierung unmittelbar vor der gewünschten Messung zu wiederholen.
  • Signal Level:

    Zur Optimierung der Genauigkeit ist es wichtig, dass die Soundkarteneingänge gut ausgesteuert sind. Die "Level-Anzeige" dient der Einstellung einer optimalen Aussteuerung. Am Soundkarteneingang sollte man den Line-Eingang (also nicht den Mikrofoneingang) benutzen und nur eine möglichst geringe Verstärkung einstellen. Die Balance muss mittig stehen. Siehe --> Abbildung 4

    Abbildung 4  Einstellung Soundkarteneingang
    Abbildung 4 Einstellung Soundkarteneingang

    Dann kann man die Lautstärke für den Soundkartenausgang so einstellen, dass die Levelanzeige im "grünen Bereich" steht. Dies sollte sowohl bei "offenen Messanschlüssen" als auch bei "kurzgeschlossenen Messanschlüssen" der Fall sein.
    Eine gelbe Levelanzeige signalisiert nichtoptimale Aussteuerung. Die Messergebnisse sind noch immer richtig. Eine rote Levelanzeige signalisiert Über - oder Untersteuerung. Die Messergebnisse sind vermutlich verfälscht.

    Results:
    Als Ergebnis werden Impedanztyp und Werte für Widerstand und Induktivität bzw. Kapazität angezeigt.
    Die Software unterstützt anzeigemäßig folgende Messbereiche:

  • Induktivität:
  • 0 ... 100 H (Anzeige bis 1000H)
  • Kapazität:
  • 0 ... 1mF (Anzeige bis 10 mF)
  • Widerstand
  • 0 ... 10 MOhm (Anzeige bis 100 MOhm)
  • In einem weiteren Fenster werden zusätzlich folgende Größen angezeigt:

  • "Freq.": gemessene Messfrequenz.
  • Dies macht dann einen Sinn, wenn eine externe Signalquelle anstatt SoundCard Out 1 verwendet wird.
  • Der Messalgorithmus bestimmt die Frequenz, welche den höchsten Betrag im Spektrum aufweist.
  • "Mag": Betrag der gemessenen Impedanz.
  • "Phase": der gemessenen Impedanz.
  • Export:
    Dieser Menüpunkt ermöglicht es, die momentane Darstellung gewissermaßen als Snapshot-Bild abzuspeichern.

    SoundCard:
    Dieser Menüpunkt ermöglicht es, Soundkarteneinstellungen vorzunehmen.

  • Volume-Rx:
  • zum Einstellen der Aufnahmeempfindlichkeit
  • Dazu wird "sndvol32.exe – r" aufgerufen. "sndvol32.exe" sollte automatisch auf jedem Windowssystem zur Verfügung stehen.
  • Volume-Tx:
  • zum Einstellen des Wiedergabepegels
  • Dazu wird "sndvol32.exe " aufgerufen.
  • Select SoundCard:
  • zur Auswahl der zu benutzenden Soundkarte.
  • 4.2 Tool:

    4.2.1 CaptureTool

    Das Capture Tool ermöglicht es, Messungen sowie deren zeitlichen Bezug zu protokollieren. Dies ist hilfreich , wenn die Veränderung einer Impedanz erfasst werden soll.

    Die Protokolldatei wird in ASCII Format angelegt, so dass es möglich ist, diese direkt zu lesen oder auch beispielsweise in Excel zu importieren.

    Das Format soll anhand des folgenden Beispielprotokolls beschrieben werden:

              #capturing started y:m:d:h:m:s: 2010:03:14:12:20:19
              #Measurement Frequency:    5.000 kHz
              Ls; 12:20:19; 9.35825;     0.9 
              Ls; 12:20:19; 9.35823;     0.9
              Ls; 12:20:20; 9.35837;     0.9
              Ls; 12:20:20; 9.35652;     1.0 
              Ls; 12:20:20; 9.35857;     0.9
              Ls; 12:20:21; 9.35879;     0.9
              Ls; 12:20:21; 9.35851;     0.9 
              Ls; 12:20:22; 9.35859;     0.9 
              Ls; 12:20:22; 9.35868;     0.9 
              Ls; 12:20:23; 9.35873;     0.9
              Ls; 12:20:23; 9.35875;     0.9 
              Ls; 12:20:24; 9.35874;     0.9 
              Ls; 12:20:24; 9.35868;     0.9
              Ls; 12:20:25; 9.35875;     0.9
              Ls; 12:20:25; 9.35880;     0.9 
              Ls; 12:20:26; 9.35881;     0.9 
              Ls; 12:20:26; 9.35887;     0.9
              Ls; 12:20:27; 9.35880;     0.9 
              Ls; 12:20:27; 9.35859;     0.9 
              Ls; 12:20:28; 9.35874;     0.9
              Ls; 12:20:28; 9.35871;     0.9 
              Ls; 12:20:29; 9.35888;     0.9
              Ls; 12:20:29; 9.35888;     0.9
              Ls; 12:20:30; 9.35879;     0.9
              #capturing finished y:m:d:h:m:s: 2010:03:14:12:20:33

    Die erste Zeile gibt an , wann die Protokollierung gestartet wurde.

  • Jahr:Monat:Tag:Stunde:Minute:Sekunde
  • Es folgt die Messfrequenz

    Die darauf folgenden Zeilen sind Messergebisse, welche durch ";" voneinander getrennt sind.

  • 1.Spalte:
  • Gibt den "Meas Type" an :ReIm, Ls, Lp, Cs, Cp
  • 2.Spalte:
  • Gibt die Uhrzeit an: Stunde:Minute:Sekunde
  • 3.Spalte:
  • Gibt den Impedanzwert an.
  • Im Fall Induktivität (Ls, Lp) ist die Einheit "mH"
  • Im Fall Kapazität (Cs, Cp) ist die Einheit "nF"
  • Im Fall Wirkanteil (ReIm) ist die Einheit "Ohm"
  • Bemerkung:
    Bei unzureichender Kalibrierung oder sehr kleinen Werten können hier auch negative Werte auftauchen. Negative Werte sind als ungültig zu betrachten.
  • 4.Spalte:
  • Gibt den Resistanzwert an
  • Serienwiderstand im Fall Ls oder Cs
  • Parallelwiderstand im Fall Lp oder Cp
  • Im Fall Blindanteil der Impedanz (ReIm)
  • Die Einheit ist "Ohm"
  • Die letzte Zeile gibt an , wann die Protokollierung beendet wurde.

  • Jahr:Monat:Tag:Stunde:Minute:Sekunde
  • 4.2.2 Coupling Estimation

    Coupling Estimation ist ein Tool zur Berechnung des Koppelfaktors zwei gekoppelter Induktivitäten, wie z.B. bei einem Transformator. Die Grundidee basiert auf dem Zusammenhang zwischen Leerlauf- und Kurzschlussinduktivität in einem System gekoppelter Induktivitäten.
    Die Leerlaufinduktivität bezeichnet dabei die gemessenen Induktivität Lopen einer der beiden (oder auch vielen) Spulen, während die zweite Spule nicht beschaltet ist und sich gewissermaßen im Leerlauf befindet.
    Die Kurzschlussinduktivität bezeichnet die gemessene Induktivität Lshort der Spule (die, für welche zuvor die Leerlaufinduktivität vermessen wurde) , während die zweite Spule kurzgeschlossen wird. Es sind folglich zwei Messungen notwendig eine zur Bestimmung von Lopen und eine zur Bestimmung von Lshort.
    Im Übrigen gilt stets die Relation Lopen >= Lshort.

    Ohne weiter Herleitung ergibt sich der Koppelfaktor zu:

    Formel
    Abbildung 5 zeigt das Coupling Fenster für einen typischen Fall.

    Abbildung 5 – Coupling Estimation Tool
    Abbildung 5 – Coupling Estimation Tool

    L-Open:

  • Durch Betätigen dieses Buttons wird der aktuelle Induktivitätsmesswert in die L-Open Eingabezeile übernommen.
  • Die L-Open Eingabezeile kann auch händisch gesetzt werden.
  • L-Short:

  • Durch Betätigen dieses Buttons wird der aktuelle Induktivitätsmesswert in die L-Short Eingabezeile übernommen.
  • Die L-Short Eingabezeile kann auch händisch gesetzt werden.
  • Coupling:

  • Gibt als Ergebnis den berechneten Koppelfaktor an.
  • Es ist auch möglich, den Koppelfaktor händisch zu setzen. Dies ist beispielsweise hilfreich,wenn man einen bestimmten Koppelfaktor erreichen will und bestimmungsgemäß den zu erwartenden Lshort – Wert in Erfahrung bringen möchte.
  • 5 Messfehler und Kalibrierung

    Überblick: Grundlage des Messverfahrens ist die synchrone, amplituden- und phasenrichtige Signalerfassung über zwei Kanäle. Theoretisch sollten die beiden Kanäle identisch sein. In der Praxis und insbesondere bei der Signalerfassung mittels Soundkarte ist dies jedoch nicht oder nur bedingt der Fall, was zu Einbußen in der Genauigkeit führt.
    Die Unterschiede der Kanäle sind zum einen durch das System (Hardware, Messaufbau, Toleranzen) und zum anderen durch die Software bzw. deren fehlerhafte Einstellung verursacht.
    Zunächst sollten die Einstellungen optimiert werden. Für die restlichen Ungenauigkeiten kommen spezielle Kalibrierroutinen zur Anwendung, welche die Größe vermessen und anschließend weitestgehend kompensieren.
    Generell gilt die Aussage, dass die Genauigkeit bei der elektrischen Netzwerkanalyse stets auch eine Frage der Qualität der Kalibrierung ist. Je veränderlicher das Instrumentarium zur Messung ist, und dies betrifft Messungen mit der Soundkarte im besonderen Maße, desto mehr und öfter muss kalibriert werden.

    Störsignale:

  • Zusätzliche Signale führen zu einer Verschlechterung der Messgenauigkeit.
  • Einstellungsfehler:
  • Soundeffekte, z.B. für bestimmte Systemereignisse, müssen deaktiviert sein.
  • Beim Audio -Mischer müssen alle Signalquellen außer Wave deaktiviert sein.
  • Andere Wave-Quellen (z.B. CD Player) müssen ausgeschaltet sein.
  • Gain Imbalance:

  • Die beiden Kanäle der Soundkarte haben eine unterschiedliche Verstärkung.
  • System Ursachen :
  • Schaltungstechnische Toleranzen in der Soundkarten Hardware.
    Größenordnung des Verstärkungsunterschiedes bis zu 2%.
  • Einstellungsfehler:
  • Falsche Einstellung des Line-In Balance Reglers. Dieser muss exakt mittig eingestellt werden.
  • Aktive Equalizer.
    Die Treibersoftware moderner Soundkarten bietet oftmals Möglichkeiten das Klangbild zu beeinflussen. Diese Soundeffekte sind allerdings meist nur auf das SoundCard Out Signal angewendet. Allerdings führen sie zu einer Verschlechterung der speziellen Stimulussignals und sollten deshalb deaktiviert werden.
  • Zu hohe Line In Verstärkung.
    Der Line In Verstärkungsregler sollte so minimal wie möglich eingestellt werden, da durch die Verstärkung die systembedingte Imbalance ggf. vervielfacht wird. Man sollte besser den Pegel des Generatorsignals erhöhen, und die Verstärkung des Line-In Eingangs so niedrig wie möglich belassen.
  • Systemkompensation erfolgt durch "Direct-Cal"
  • Phase Imbalance:

  • Die beiden Kanäle der Soundkarte drehen die Phase des Eingangssignals unterschiedlich bzw. weisen unterschiedliche Signallaufzeiten auf.
  • System Ursachen :
  • Schaltungstechnische Toleranzen in der Soundkarten Hardware.
  • Qualitativ minderwertige Firmware.
  • Einstellungsfehler:
  • Zu hohe Line In Verstärkung.
    Der Line In Verstärkungsregler sollte so minimal wie möglich eingestellt werden, da sich durch höhere Verstärkung auch die Phasendrehung (und somit der Phasenunterschied) vergrößert.
  • Systemkompensation erfolgt durch "Direct-Cal"
  • Einganswiderstand:

  • Da die Eingangsimpedanz der Soundkarte systembedingt dem Messobjekt parallel geschaltet ist, führt dieser zu einem Messfehler. Die Eingangsimpedanz hat insbesondere Bedeutung, wenn betragsmäßig große Impedanzen (große Induktivitäten oder kleine Kapazitäten) vermessen werden.
  • Größenordnungsmäßig ist der Wirkanteil der Eingangsimpedanz 5..50 kOhm. Der Bildanteil ist meist kapazitiv (u.a hervorgerufen durch das Messkabel) in der Größenordnung 200..600pF.
  • Vorteilhaft wäre ein maximal großer und rein reeller Eingangswiderstand.
  • Systemkompensation erfolgt durch "Open-Cal"
  • Induktivität und Klemmwiderstand:

  • Das Kabel und die Verbindung des Messobjektes hat eine eigene Impedanz.
  • Größenordnungsmäßig ist der Wirkanteil 0.1 Ohm.
  • Der Blindanteil ist induktiv und kann wenige microH betragen.
  • Die dadurch hervorgerufenen Messfehler sind klein und haben nur Bedeutung, wenn betragsmäßig kleine Impedanzen (kleine Induktivitäten oder große Kapazitäten) vermessen werden.
  • Systemkompensation erfolgt durch "Short-Cal"
  • Referenzwiderstand R_Ref:

  • Der Referenzwiderstand sollte keine Blindkomponenten (Induktivität) aufweisen.
  • Es erfolgt keine Kalibrierung bzw. Kompensation
  • Veränderung der Betriebspannung bzw. der Temperatur der Soundkarte:

  • Die Auflösung des Algorithmus ist so hoch, dass bei feineren Messungen sogar die Veränderung der Betriebspannung und der Temperatur der Soundkarte Einfluss nimmt.
  • Dem kann nur durch regelmäßige Widerholung Kalibierroutinen entgegengewirkt werden.
  • 6 Erweiterungen

    6.1 Eingangsverstärker

    Eine der Quellen für Messfehler ist der vergleichsweise niedrige und zeitlich nicht konstante Eingangswiderstand der Soundkarte. Mittels einer einfachen zusätzlichen Beschaltung kann man die Situation wesentlich verbessern. Dazu wird zwischen Soundkarteneingang und dem ursprünglichen Abgriffspunkt ein Operationsverstärker als Impedanzwandler geschaltet. Beispielhaft kommt hier ein altertümlicher BIFET Doppel-Operationsverstärker B082 von RFT zur Anwendung.

    Abbildung 6 - Impedanzwandler am Soundkarteneingang
    Abbildung 6 - Impedanzwandler am Soundkarteneingang

    Abbildung 7 – Praktischer Aufbau USB-Soundkarte und Eingangsverstärker
    Abbildung 7 – Praktischer Aufbau USB-Soundkarte und Eingangsverstärker

    7 FAQ (Frequently Ask Questions)

    7.1 Negative Werte für L und C

    Warum werden zuweilen negative Werte für Induktivität oder Kapazität angezeigt ?

    Aus den mathematischen Modellen können sich negative Werte ergeben, wenn man beispielsweise festlegt eine Kapazität messen zu wollen aber letztendlich eine Induktivität als Messobjekt angeschlossen hat. Negative Ergebnisse deuten also darauf hin, dass die Vorgabe der Art der zu messenden Impedanz falsch ist. Die scheinbar unsinnige Anzeige beispielsweise einer negativen Kapazität beinhaltet letztlich dann doch noch eine nützliche Information, welche bei Unterdrückung des Ergebnisses verloren wäre.

    Negative Werte können zu dem auch dann entstehen, wenn kein Messobjekt angeschlossen ist, da dann die parasitären Elemente, das allgegenwärtige Rauschen sowie die begrenzte Messauflösung zum Tragen kommen.



    Weiterführende Links

    http://de.wikipedia.org/wiki/Induktivität
    .

    http://de.wikipedia.org/wiki/Kapazität
    .