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TickyVNA (LcMeas2)
Vector Network Analyzer zum Messen von Frequenzgang und Impedanz mit der Soundkarte

1.1 Vorwort

Viele Freunde von Elektronikbasteleien, insbesondere im Bereich Audiotechnik oder aber auch im Zusammenhang mit Teslaspulen, stehen vor Aufgabe Impedanzen (z.B. Kapazitäten oder Induktivitäten) oder besser noch deren Frequenzgang zu bestimmen.
Für die reine RLC- Messung gibt es natürlich eine Vielzahl von Möglichkeiten bzw. im Handel erhältlichen Messgeräten, welche entweder recht ungenau oder aber sehr teuer sind. Zudem ist die Funktionalität meist auf die Impedanzmessung bei bestimmten Frequenzen (z.B. 1kHz und 100Hz) beschränkt.
So liefert beispielsweise die pure Messung der Induktivitäten eines Audio- Übertragers für Röhrenverstärker bei einer einzigen Frequenz nicht genug Information, um dessen Verhalten beurteilen zu können. So wie in diesem Beispiel sind große Induktivitäten eben nicht als pure Induktivitäten sondern als Schwingkreise zu betrachten, dessen Frequenzgang von belang ist.
Die Lösung für diese Aufgabenstellung ist ein "Vektor Network Anlyzer". Ein "Vector Network Anlyzer" ist ein Instrument, welches die komplexen Parameter eines elektrischen Netzwerkes misst.
Es ist Ziel dieses Projektes einen sehr kostengünstigen, sehr einfachen und trotzdem recht genauen Vector Network Analyzer (TickyVNA) für den komplexen Frequenzgang von Impedanzen allgemein sowie stationären Induktivitäten, Kapazitäten und Widerstände bereitzustellen.
Basis für den Vector Network Analyzer (TickyVNA) ist zunächst eine Soundkarte mit minimaler äußerer Zusatzschaltung, sowie ein Softwareprogramm mit grafischer Nutzeroberfläche .

Hardy Scheidig
(Juni 2011)

1.2 Historie

  Version   Datum   Bemerkung
  2.0   19.09.2010   Grundversion LcMeas2
  2.2   04.12.2010   Erweiterung um Vierpolanalyse
  2.3   01.05.2011   Erweiterung der Eingangsbeschaltung
  Erweiterung "Single Frequency" Messungen
  Übergang zum "Vektor Network Analyzer" (TickyVNA)
  2.3.1   3.7.2011   Kleine editorische Korrekturen
  2.4.1   26.7.2011   Anpassung hinsichtlich geänderter Level-Anzeige.
L-Ratio-Anzeige, Result- Average und "Simple Auto-LC" hinzugefügt.
Quality-Anzeige entfernt.
FAQ Kapitel erweitert
Editorische Korrekturen

1.3 Urheberrechtsbestimmungen

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

2.1 Überblick

Die Aufgabenstellung der Bestimmung von Eigenschaften oder Komponenten einer Zusammenschaltung von elektronischen Bauelementen wird in der Elektrotechnik auch Netzwerkanalyse genannt. Je nach der Anzahl der Anschlüsse bzw. der Ports (Ein Port besteht aus zwei Anschlüssen) wird unterschieden zwischen:

2.2 Zweipolanalyse

2.2.1 Überblick

Die Bestimmung des Frequenzgangs von Impedanzen 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.
Trotz oder aber vielleicht genau wegen der Einfachheit des Prinzips lassen sich dank der Möglichkeiten moderner digitaler Signalverarbeitungsalgorithmen erstaunliche Ergebnisse erzielen.
Die theoretischen Grundlagen der Meßmethode sind vergleichbar mit denen eines 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

2.2.2 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:



Referenzwiderstand R_Ref:



Generator G / SoundCard Output 1:



Spannungsmessung (V) / Soundcard Input 1/2:



Schalter S1:



Computer:


2.2.3 Hardware und Verschaltung

Außer dem Anschlusskabel zur Soundkarte ist nur ein einziger Widerstand sowie ggf. ein Schalter erforderlich.

Die folgende Abbildung zeigt die Schaltung

Abbildung 2: Verschaltung der Soundkarte LcMeas2

Abbildung 2: Verschaltung der Soundkarte LcMeas2

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


SoundCard In 1/2 :


SoundCard Out 1/2 :


2.3 Vierpolanalyse

2.3.1 Überblick

Neben der Bestimmung des Frequenzgangs von Impedanzen ist oftmals auch die Bestimmung der Übertragungsfunktion sowie des Frequenzgangs von Vierpolen (Zweitoren) notwendig. Als Beispiel sei hier die Bestimmung des Frequenzgangs von Audioverstärkern oder Filtern genannt.
Typische Messgrößen sind:


2.3.2 Messprinzip

Basis des Messprinzips ist die gleichzeitige Spannungsmessung an Eingang und Ausgang des Vierpols unter Einspeisung eines Rauschsignals, welches die zu messenden Frequenzanteile beinhaltet.

Die folgende Darstellung illustriert das Vierpol Messprinzip.

Abbildung 3 - Messprinzip Vierpolmessung

Abbildung 3 - Messprinzip Vierpolmessung

Vierpol ( G(f) ):

Die Beschreibung der anderen Komponenten (G, S1, …) entspricht der Beschreibung von Kapitel 2.2.2.

2.3.3 Hardware und Verschaltung

Außer dem Anschlusskabel zur Soundkarte ist ggf. noch ein Schalter erforderlich.

Die folgende Abbildung zeigt die Schaltung

Abbildung 4 – Beschaltung LcMeas2 für Vierpolmessung

Abbildung 4 – Beschaltung TickyVNA (LcMeas2) für Vierpolmessung

Achtung !!
Vorsicht ist geboten, damit die Soundkarte nicht beschädigt wird. Siehe Hinweise Kapitel 2.2.3

SoundCard In 1/2 :

SoundCard Out 1/2 :


3 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:



Gain Imbalance:



Phase Imbalance:



Einganswiderstand:



Induktivität und Klemmwiderstand:



Referenzwiderstand R_Ref:



Veränderung der Betriebspannung bzw. der Temperatur der Soundkarte:


4 Programm TickyVNA (LcMeas2)

4.1 Überblick

Grafisches User Interface sowie die Messalgorithmen sind im Programm "TickyVNA (LcMeas2)" enthalten.

Programmfenster:

Das Programm TickyVNA (LcMeas2) besteht aus mehreren Fenstern:



Generelle Strategie:

Der Grundgedanke ist, das Programm nach Applikationen zu unterteilen.
Die jeweilig verfügbaren Einstellmöglichkeiten sowie Ergebnisanzeigen sind abhängig von



Die Auswahl der Applikationen erfolgt aus der entsprechenden Liste "Applikation:".


4.2 Applikation "One Port Network"

4.2.1 Überblick

Die folgende Abbildung zeigt das Hauptfenster von TickyVNA (LcMeas2) beispielhaft für die Applikation
" One Port Network".

Abbildung 5: Hauptfenster One Port Networ

Abbildung 5: Hauptfenster "One Port Network"

4.2.2 Settings

R-Ref:



fSample:

Abbildung 6

Abbildung 6


Resolution:


Meas Time:


f_Start / f_Stop:


Res-Avg (Result Average):

4.2.3 Auswahl der Analyse

Application:



Measurments:



Plots:


4.2.4 Action Buttons

Start/Stop:



Direct Cal:



Open-Cal:



Short-Cal:


4.2.5 Ergebnisse und Anzeigen

Level1:

Zur Optimierung der Genauigkeit ist es wichtig, dass die Soundkarteneingänge gut ausgesteuert sind.
Die "Level1-Anzeige" dient der Einstellung einer optimalen Aussteuerung.
"Level1" ist der numerische Wert für die effektive Aussteuerung des Eingangs "SoundCard In1".

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 7

Abbildung 7: Einstellung Soundkarteneingang

Abbildung 7: Einstellung Soundkarteneingang

Dann kann man die Lautstärke für den Soundkartenausgang so einstellen, dass die Levelanzeige im "gewünschten Bereich" steht. Dies sollte sowohl bei "offenen Messanschlüssen" als auch bei "kurzgeschlossenen Messanschlüssen" der Fall sein.

Abbildung 8: Einstellungen Soundkartenausgang

Abbildung 8: Einstellungen Soundkartenausgang


L-Ratio:

Level Ratio ist ein numerische Wert, der das Verhältnis der Aussteuerung "SoundCard In2" zu
"SoundCard In1" angibt. L-Ratio ist ein Maß dafür, wie gut der verwendete Referenzwiderstand R-Ref
zur Messimpedanz Z passt. Der Wertebereich ist 1…0. Für Z = R ergibt sich der optimale Werte
L-Ratio = 0.5. Dies ist in der Praxis nur selten erreichbar. Es gilt:



Results:

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


4.2.6 Fenster Menüs

File:



Device:



Tools:


4.3 Applikation “Two Port Network“

4.3.1 Überblick

Die folgende Abbildung zeigt das Hauptfenster von TickyVNA (LcMeas2) beispielhaft für die Applikation “Two Port Network“.

Abbildung 9: Hauptfenster “Two Port Network“

Abbildung 9: Hauptfenster “Two Port Network“

4.3.2 Settings

fSample:

Resolution:

Meas Time:

f_Start / f_Stop:


4.3.3 Auswahl der Analyse

Application:

Measurments:

Plots:


4.3.4 Action Buttons

Start /Stop:

Direct Cal:

Open-Cal:


4.3.5 Ergebnisse und Anzeigen

Level:

Siehe --> Kapitel 4.2.5

Quality:

Results:


4.3.6 Fenster Menüs

Siehe --> Kapitel 4.2.6

4.4 Applikation “One Port Single Frequency“

4.4.1 Überblick

Die folgende Abbildung zeigt das Hauptfenster von TickyVNA (LcMeas2) beispielhaft für die Applikation
“ One Port Single Frequency“.
Im Unterschied zur “One Port Network“ Messung wird nur auf einer Frequenz gemessen. Dies erhöht
die Messgenauigkeit der zu bestimmenden Messgrößen für diese eine Frequenz.
Die Frequenz ist dabei im Rahmen der Möglichkeiten des Device frei wählbar.

Abbildung 10: Hauptfenster “One Port Single Frequenz“

Abbildung 10: Hauptfenster “One Port Single Frequenz“

4.4.2 Settings

R-Ref:

f Gen:

f Meas:

PlotTime:

Meas Time:

4.4.3 Auswahl der Analyse

Application:

Measurments:

Plots:

4.4.4Action Buttons

Siehe --> Kapitel 4.2.4

4.4.5 Ergebnisse und Anzeigen

Level:

Siehe --> Kapitel 4.2.5

Quality:

Results:

4.4.6 Fenster Menüs

Siehe --> Kapitel 4.2.6

4.5 Applikation “Two Port Single Frequency“

4.5.1 Überblick

Die folgende Abbildung zeigt das Hauptfenster von TickyVNA (LcMeas2) beispielhaft für die Applikation “Two Port Single Frequency“.
Im Unterschied zur “Two Port Network“ Messung wird nur auf einer Frequenz gemessen.
Dies erhöht die Messgenauigkeit der zu bestimmenden Messgrößen für diese eine Frequenz.
Die Frequenz ist dabei im Rahmen der Möglichkeiten des Device frei wählbar.

Abbildung 11: Hauptfenster

Abbildung 11: Hauptfenster “Two Port Single Frequenz“

4.5.2 Settings

Siehe --> Kapitel 4.4.2

4.5.3 Auswahl der Analyse

Application:

Measurments:

Plots:

4.5.4 Action Buttons

Siehe --> Kapitel 4.3.4

4.5.5 Ergebnisse und Anzeigen

Level:

Siehe --> Kapitel 4.2.5

Quality:

Results:

4.5.6 Fenster Menüs

Siehe --> Kapitel 4.2.6

4.6 Tools

4.6.1 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
          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.

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

Die letzte Zeile gibt an , wann die Protokollierung beendet wurde.


4.6.2 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:



Abbildung 12 zeigt das Coupling Fenster für einen typischen Fall.

Abbildung 10: Coupling Estimation Tool

Abbildung 12: Coupling Estimation Tool

L-Open:

L-Short:

Coupling:

4.7 Tickyplot

Tickyplot ist der Anteil des Programms, welcher für das Handling der graphischen Darstellung (Kurvendarstellung) der Applikationen verantwortlich ist. Der Programmteil soll auch in anderen Projekten Anwendung finden und wird sich deshalb ggf. unabhängig weiterentwickeln.
Die Bedienung ist mehr oder weniger intuitiv. Deshalb soll hier nur kurz auf die Grundeigenschaften sowie auf die besonderen, nicht sofort erkennbaren Eigenschaften eingegangen werden.
Tickyplot besteht aus zwei Fenstern, dem eigentlichen Plotfenster (TickyPlot) und dem Plot-Kontrollfenster (TpCtrl).
Das Plotfenster kann in seiner Größe verändert werden. Das Kontrollfenster hingegen ist fix.
Prinzipiell ist die Darstellung von zwei Kurven möglich. Diese sind entweder in getrennten Diagrammen (SplitScreen) oder (sofern die Messgrößen in ihrer Einheit kompatibel sind) in einem Diagramm dargestellt (FullScreen). Für jede der Kurven ist es möglich, einen "Snapshot" durchzuführen. Die Sichtbarkeit der Traces lässt sich über die zugehörigen Kontextmenüs kontrollieren.

Abbildung 11: TickyPlot Kontrollfenster

Abbildung 13: TickyPlot Kontrollfenster

Über die Eingabefelder, kann der Darstellungsbereich festgelegt werden (beispielsweise 0..10kHz; 120..122 Ohm). Der darüber liegende Button kann aber auch zum Auslösen der Autoscale-Funktion gedrückt werden.

Im Cursor – Bereich kann man die Mausfunktion im Plotfenster wählen:



Im Kopfmenü des Tickyplot- Kontrollfensters sind weitere Funktionen verfügbar.


4.8 Messbeispiele

4.8.1 Beispiel 1- Messung von Induktivität mit Reihenwiderstand::

Für dieses Beispiel wurde eine Induktivität mit einem Widerstand in Reihe geschaltet.
Einzelmesswerte mit Standardmessgeräten:

Messung mit TickyVNA (LcMeas2 Version 2.3) (Auto RLC):

Abbildung 14: Messbeispiel1 Hauptfenster

Abbildung 14: Messbeispiel1 Hauptfenster

Abbildung 15: Messbeispiel1 Plotfenster (Rs-Ls)

Abbildung 15: Messbeispiel1 Plotfenster (Rs-Ls)

Bemerkung:
Der Reihenwiderstand führt bei Verwendung eines Standardmessgerätes zu einer wesentlichen Verfälschung des Induktivitätswertes. TickyVNA (LcMeas2) hingegen kann Blind- und Wirkanteil trennen.


4.8.2 Beispiel 2- Messung an einem Netztrafo:

Für dieses Beispiel wurde ein Netztrafo (prim. 220V, sec.12V) primärseitig bei offener Sekundärseite vermessen.

Messwerte mit Standardmessgeräten:

Messergebnisse mit TickyVNA (LcMeas2 Version 2.3) (Auto RLC):

Abbildung 16: Messbeispiel2 Hauptfenster

Abbildung 16: Messbeispiel2 Hauptfenster

Abbildung 17: Messbeispiel 2 Plotfenster (Betrag-Phase)

Abbildung 17: Messbeispiel 2 Plotfenster (Betrag-Phase)


Abbildung 18: Messbeispiel2 Plotfenster (Rs-Ls)

Abbildung 18: Messbeispiel2 Plotfenster (Rs-Ls)

Zunächst erscheint es so, als wären die Ergebnisse im Hauptfenster vollkommen falsch. Die "rote" Qualitätsanzeige weißt auch darauf hin, dass der Messalgorithmus Divergenzen erkannt hat.
Schaut man sich jedoch den Frequenzgang genauer an, kann man die Ursache für das Ergebnis erkennen. Die Ergebnisse im Hauptfenster entsprechen den am besten passenden Wert, bezogen auf die gesamte Messbandbreite. Wie man aus den Plots erkennen kann, sind die elektrischen Eigenschaften die Primärseite des Trafos nicht die einer puren Induktivität, sondern die eines Parallelschwingkreises. Die hohe Kopplung des Trafos (fast 1) transformiert die Windungskapazität der Sekundärseite auf die Primärseite. Die Resonanzfrequenz (Maximum der Amplitude, Phase = 0) liegt bei etwas 4kHz. Vor der Resonanzstelle ist das Verhalten induktiv. Nach der Resonanzstelle ist das Verhalten kapazitiv (Und dies über den größeren Anteil der Messbandbreite).
Dies zweigt auch der Rs-Ls Plot. Vergleicht man die Ls- Kurve (bei den Messfrequenzen 1kHz und 120 Hz) mit den Ergebnissen des Standardmessgerätes kann man nahezu Übereinstimmung feststellen.

4.8.3 Beispiel 3 - Messung Frequenzgang eines Bandpass Filters:

In diesem Beispiel wurde die Übertragungsfunktion eines einfachen LC-Bandpasses (fm ~ 8 kHz) gemessen.

Abbildung 19 - Bandpass 8 kHz

Abbildung 19 - Bandpass 8 kHz

4.8.4 Beispiel 4 - Messung der Signallaufzeit durch ein Kabel:

Bei ordnungsgemäßer Kalibrierung ist es durchaus möglich auch mit der Soundkarte Laufzeiten im Nanosekundenbereich exakt zu messen.
Dazu wurde beispielhaft eine Messung der Gruppenlaufzeit durch ein Kabel mit folgenden Eigenschaften gemessen:

Wichtig ist dabei, dass das Kabel am Ende (Anschluss B gemäß Abbildung 4) mit einem passenden Abschluss (in diesem Fall 50 ohm Durchgangsabschluss) versehen ist.

Messung mittels TickyVNA (LCMeas2 Version 2.3):


Abbildung 20 - Laufzeitmessung durch Koaxialkabel

Abbildung 20 - Laufzeitmessung durch Koaxialkabel

Rein rechnerisch hätte sich ein Laufzeit von 2.1m / (200000 km/s) = 10.5ns ergeben müssen (RG58 hat einen Verkürzungsfaktor von 0.66 ).
Bemerkung:
Die Messung mit einer anderen Methode führte zum nahezu gleichen Ergebnis. Ebenso halbierte sich die Laufzeit bei Verwendung nur eines 1m Kabels anstatt der Zusammenschaltung Zweier.

5 Erweiterungen

5.1 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 21 - Impedanzwandler am Soundkarteneingang

Abbildung 21 - Impedanzwandler am Soundkarteneingang

Die Anwendung dieser zusätzlichen Schaltung ist besonders nützlich, wenn sehr kleine Kapazitäten
vermessen werden sollen. Es ist möglich, den Referenzwiderstand deutlich höher zu wählen
(1kohm..10kohm) Die Varianz der Messung kann bis auf 0.1pF reduziert werden.


6 FAQ (Frequently Ask Questions)

6.1 Inbetriebnahme

Die richtige Einstellung der Soundkarte kann je nach Systemkonfiguration und installierten anderen
Programmen kniffelig sein. Da präzise Messungen auch präzise Signale erfordern, dürfen systemintern
keine "Störsignale" erzeugt werden oder der Frequenzgang (Equalizer) "unnötig" verzerrt werden.
Die Vielfalt der Betriebsystemversionen kommt erschwerend dazu.

Wie nimmt man "TickyVNA" in Betrieb und wie stellt fest, ob die Soundkarte richtig eingestellt ist ?

Nach dem Starten des Programms "TickyVNA" tätigt man die Einstellungen entsprechend des folgenden Bildes und startet die Messung.

Bemerkung:

Die rot markierte Anzeige des Wertes für L-Ratio ist während der Kalibrierung bzw. wenn kein
Messobjekt angeschlossen ist normal.


Abbildung 22 - TickyVNA nach dem Start

Abbildung 22 - TickyVNA nach dem Start

Nach Auswahl des Plots: (Aux1) öffnet sich das Plotfenster TickyPlot sowie das dazugehörige
Kontrollfenster. Im Kontrollfenster sollte man das Autoscaling durch drücken der
"Aux_Abs(1)" bzw. "Aux_Abs(2)" durchführen. Dies ist ggf. nach Änderung der Soundkarteneinstellungen zu wiederholen.

Abbildung 23 - TpCtrl für Autoscaling

Abbildung 23 - TpCtrl für Autoscaling

Im Plotfenster kann man nun beurteilen, ob die Soundkarte optimal eingestellt ist.
Ist dies nicht der Fall, muss man dies mittels der "Hebelchen" und "Schalterchen" in den zur
Soundkarte gehörigen Kontroll- und Einstellfenster korrigieren.

Ziel dieser Aktion ist es, im Plotfenster eine Kurve ähnlich dem folgenden Bild zu erhalten. (guter Fall) Abbildung 24 – Kurven bei optimaler Einstellung der Soundkarte.

Abbildung 24 – Kurven bei optimaler Einstellung der Soundkarte.

Beispielhaft zeigen die folgenden Bilder die zugehörigen Einstellungen der Soundkarte. (guter Fall) Abbildung 25 – Beispielhaft richtige Einstellung der Soundkarte (Sound Out )

Abbildung 25 – Beispielhaft richtige Einstellung der Soundkarte (Sound Out )

Abbildung 26 - Beispielhaft richtige Einstellung der Soundkarte (Sound In )

Abbildung 26 - Beispielhaft richtige Einstellung der Soundkarte (Sound In )

Zur Verdeutlichung, worauf es ankommt, dienen beispielhaft folgende Bilder, welche bei sehr schlechten bzw. schlechten Einstellungen entstehen.

Abbildung 27 – Beispielhafte Kurve bei sehr schlechter Einstellung der Soundkarte

Abbildung 27 – Beispielhafte Kurve bei sehr schlechter Einstellung der Soundkarte

Abbildung 28 - Beispielhaft sehr falsche Einstellung der Soundkarte (Sound Out )

Abbildung 28 - Beispielhaft sehr falsche Einstellung der Soundkarte (Sound Out )

Abbildung 29 - Beispielhafte Kurve bei schlechter Einstellung der Soundkarte

Abbildung 29 - Beispielhafte Kurve bei schlechter Einstellung der Soundkarte

Erst wenn die Soundkarte richtig eingestellt ist, kann man die eigentliche Applikation auswählen, die
entsprechenden Kalibrierungen absolvieren und die gewünschten Messungen durchführen.

6.2 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/Netzwerkanalysator.

http://www.technik.ba-ravensburg.de/Aufbau und Test eines Vektor-Netzwerk-Analysator.