Anwendung und Prinzipanalyse von LCR-Digitalbrücken bei der Messung von Schaltungsparametern

Im Bereich der elektronischen Prüfung spielen digitale Brücken eine wichtige Rolle. Traditionell wurden digitale Brücken hauptsächlich zur Messung von Parametern wie Induktivität, Kapazität, Widerstand und Impedanz verwendet, eine Praxis, die als konventionell gilt. Während bei frühen Impedanzmessungen tatsächlich traditionelle Brückenmethoden verwendet wurden, wurde dieser Ansatz durch das Aufkommen moderner analoger und digitaler Technologien allmählich verdrängt. Dennoch besteht die Nomenklatur digitaler Brücken, wie z. B. LCR-Brücke, bis heute fort. Insbesondere wenn eine digitale Brücke Mikroprozessortechnologie enthält, wird sie als bezeichnet Digitale LCR-Brücke. Benutzer bezeichnen diese Geräte üblicherweise als LCR-Meter, LCR-Brücken oder LCR-Tester.

Digitale Brücken werden häufig zum Messen der Parameter von Impedanzkomponenten eingesetzt, darunter Wechselstromwiderstand (R), Induktivität (L) zusammen mit ihrem Qualitätsfaktor (Q) und Kapazität (C) zusammen mit ihrem Verlustfaktor (D). Daher werden sie oft als digitale LCR-Messgeräte bezeichnet. Ihr Messfrequenzbereich reicht von der Netzfrequenz bis etwa 100 kHz, mit einem Grundmessfehler von 0.02 %, typischerweise etwa 0.1 %.

Da sich elektronische Schaltkreissignale immer weiter in Richtung höherer Geschwindigkeiten und Frequenzen entwickeln, wird das Verständnis des praktischen Modells von LRC-Komponenten unerlässlich und geht über vereinfachte Idealmodelle hinaus. Eine präzise Messung der Spannung und des Stroms, die auf das zu testende Gerät (DUT) angewendet werden, erleichtert die genaue Bestimmung der Impedanz des DUT. Der Messvorgang umfasst die Verwendung phasenempfindlicher Detektoren (PSDs) innerhalb der Digitale LCR-Brücke um die In-Phase- und Quadraturkomponenten der Spannungen Vx und Vr zu messen, die einem Referenzphasenvektor entsprechen. Anschließend werden diese Werte durch Analog-Digital-Umsetzer (ADCs) digitalisiert und von einem Computer komplexen Berechnungen unterzogen, um die ohmschen und reaktiven Komponenten zu erhalten, die die Impedanz Zx des DUT bilden.

Obwohl sie die Nomenklatur traditioneller Brücken übernehmen, Digitale Brücken haben sich vom Aufbau klassischer Wechselstrombrücken entfernt. Stattdessen haben sie sich weiterentwickelt und arbeiten nun auf einem höheren Niveau, wobei sie auf die Prinzipien und Schaltkreise von Strom- und Spannungsmessern zurückgreifen, die auf dem Ohmschen Gesetz zur Impedanzmessung basieren.

Zur Messung der Phasendifferenz zwischen Spannungs- und Stromsignalen gibt es verschiedene Verfahren:

1. Nulldurchgangsvergleich + Zeitmesstechnik:

Eine gängige Methode besteht darin, einen Pegel von einem Nulldurchgangspunkt aus auszulösen und die Zeitdifferenz zwischen zwei Nulldurchgangspunkten zu messen.

2. Zweikanalige synchrone Abtasttechnik:

Umfasst die Durchführung von Berechnungen und Analysen nach der Abtastung mithilfe von zwei ADC-Kanälen.

3. Analoge Multiplikatormethode: Durch Multiplikation zweier Signale lässt sich die Phasendifferenz ermitteln, wodurch die Impedanz berechnet werden kann.

Digitale Brücken werden häufig in Messabteilungen zum Kalibrieren und Übertragen von Impedanzstandards sowie für Routinemessungen von Impedanzkomponenten in allgemeinen Abteilungen eingesetzt. Viele digitale Brücken sind mit Standardschnittstellen für die automatische Klassifizierung gemessener Komponenten auf der Grundlage ihrer Genauigkeit ausgestattet. Sie können auch direkt an automatisierte Testsysteme für Produktlinientests angeschlossen werden und erleichtern so die Qualitätskontrolle im Herstellungsprozess.

Mitte der 1980er Jahre gab es Dutzende digitaler Brücken mit einer allgemeinen Fehlerrate von unter 0.1 %. Digitale Brücken entwickeln sich immer genauer, bieten mehr Funktionalität, höhere Geschwindigkeit, stärkere Integration und verbesserte Intelligenz.

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