ADALM1000 SMU 阻抗测量/频率效应

作者：Doug Mercer和Antoniu Miclaus

本实验活动的目标是：

* 1. 使用ALICE-VVM阻抗分析仪软件测量元件阻抗和电路阻抗。
* 2. 研究RLC电路的幅度和相位随频率变化的情况。

背景：

阻抗是对交流电流的阻力。与电路提供给特定频率的电流完全对立。阻抗(Z)表示为电阻(R)和电抗(X)的组合，并以欧姆(Ω)为单位测量。它可以表示为复量：

在2D极坐标图上表示阻抗，其中x为其实轴，y为其虚轴。电阻分量是沿实轴的线，电抗分量是沿虚轴的线。对于电阻，阻抗与直流电阻相同，并且是沿x轴的线。对于电容，阻抗（或更具体地说，电抗）XC是虚数并且表示为沿2D极坐标图的负y轴的线。电容的电抗取决于频率，公式如下：

其中ω = 2πf为角频率。

对于电感，阻抗（或更具体地说，电抗）XL是虚数并且可表示为沿2D极坐标图的正y轴的线。电感的电抗也取决于频率，公式如下：

串联RLC电路的阻抗是各个元件的阻抗之和。

或

这也可以表示为极坐标图上的相量矢量：

图1. 串联RLC电路的阻抗测量。

图2. 阻抗分析仪：研究串联RLC电路。

材料：

* ADALM1000硬件模块
* 电阻（1.0 kΩ、470 Ω）
* 电容(1.0 μF)
* 电感(10 mH)

步骤：

A. 元件阻抗的测量：

1. 在CA-V和CB-V之间连接一个REXT = 1 kΩ的电阻，在CB-V和2.5 V固定电源之间连接一个470 Ω电阻作为RS。
2. 运行ALICE-VVM软件工具。
3. 在表1记下电阻的幅度、相位、电阻和电抗。请注意，默认频率设置为1000 Hz。验证相量是否沿实轴并且相位为零。此外，由于电抗为零，因此幅度应与电阻相同。
4. 用CS = 1.0 μF替换RS并记下幅度、相位、电阻和电抗值。对于电容，相量应沿负虚轴，相位应为+270°或–90°。
5. 用LS = 20 mH替换CS。记下幅度、相位、电阻和电抗值。对于电感，相量应沿正虚轴，相位应为90°。

B. 在RLC电路上测量电路阻抗和频率效应：

1. 使用给定的元件值设置图1所示的串联RLC电路：REXT = 1 kΩ，RS = 470 Ω，CS = 1.0 μF，以及LS = 20 mH。

图3. 阻抗测量试验板电路。

2. 记下默认频率为1000 Hz的RLC电路的幅度、相位、电抗和电阻。在表1中记录这些值。

3. 调整频率直到相位变为零并记下此频率。这是一个特殊的频率，其总电抗为零，电路是纯电阻的。

如果：

则

因此，RLC电路的阻抗现在只是电阻。发生这种情况的频率称为谐振频率。它可以使用公式9通过数学运算推导出：

4. 以100 Hz为步进改变频率使其低于f o，并通过阻抗分析仪获取最多三个测量读数。在表1中记录这些读数。通过以100 Hz为步进改变频率使其高于f o，重复相同的操作。仔细观察幅度相量的旋转（橙色线）。

注：

与所有ALM实验室一样，当涉及与ADALM1000连接器的连接和配置硬件时，我们使用以下术语。绿色阴影矩形表示与ADALM1000模拟I/O连接器的连接。模拟I/O通道引脚被称为CA和CB。当硬件配置为驱动电压/测量电流时，添加-V，例如CA-V；当硬件配置为驱动电流/测量电压时，添加-I，例如CA-I。当通道配置为高阻态模式以仅测量电压时，添加-H，例如CA-H。

示波器迹线同样按照通道和电压/电流来指称，例如：CA-V和CB-V指电压波形，CA-I和CB-I指电流波形。

作才介绍

Doug Mercer [[e-mail]]于1977年获得伦斯勒理工学院(RPI)电气工程学士学位。自1977年加入ADI公司以来，他直接或间接贡献了30多款数据转换器产品，并拥有13项专利。他于1995年被任命为ADI研究员。2009年，他从全职工作转型，并继续以名誉研究员身份担任ADI顾问，为“主动学习计划”撰稿。2016年，他被任命为RPI ECSE系的驻校工程师。

Antoniu Miclaus [[e-mail]]是ADI公司的系统应用工程师，从事ADI学术项目、Circuits from the Lab®嵌入式软件和QA过程管理工作。他于2017年2月在罗马尼亚克卢日-纳波卡开始在ADI公司工作。他目前是贝碧思鲍耶大学软件工程硕士项目的理学硕士生，拥有克卢日-纳波卡科技大学电子与电信工程学士学位。

审核编辑：何安