MFIA的“特异功能”——测量接地元件的阻抗

MFIA是一款高精度阻抗分析仪。它测量电压、电流和相位以计算阻抗。与大多数阻抗分析仪一样，测量电路的设计使被测设备（DUT）在浮动条件下运行，这意味着DUT的所有端子都没有接地。此配置可确保通过DUT的任何电流都将通过MFIA的电流输入端子，并且没有额外的杂散电流路径。

在测量接地元件时，DUT不再处于浮动状态：这对于大多数阻抗分析仪来说都是有问题的。借助MFIA，我们可以修改测量设置，使其适合测量接地组件。当DUT集成到更大的电路中时（例如在诊断测量期间），或者在另一种情况下，当必须测量大型DUT并且无法轻易地从（电气）接地中移除时，可能需要进行此类测量。

• 构建“电流传感器”

为了测量接地元件，我们必须对当前的测量设置进行一些修改。我们使用测流电阻器，这是一个具有四个端子和一个精确电阻值的电阻器。一种选择是在MFITF测试夹具附带的MFITF载板上使用1 kΩ电阻，该夹具本身随MFIA一起提供。另一种选择是在空载板上焊接合适的电阻器（也包含在MFITF中）。图1显示了将测流电阻连接到MFITF的修改设置，所需连接的描述基于MFITF的标签。电流传感器的工作原理是这样的：通过测量电阻器上的压降并将其除以电阻值，我们得到通过电阻器的电流为 I = V/R。

MFITF的外部连接器——LCUR和HCUR用于通过电阻器的电流路径，而内部连接器LPOT和HPOT用于测量电阻器上的压降。通常，电阻器的电阻比DUT小，以确保大部分测试信号的压降在DUT上，这使得测试电压不必显著增加即可达到DUT上所需的测试信号幅度。

我们可以使用MFIA的辅助输入来测量该电压。但是，电阻上的压降应该小于DUT上的压降，并且“辅助输入”通道只有一个测量范围，即10 V。因此，为了获得最佳结果，应在“辅助输入”上测量较大的电压。如图1所示，DUT（接地元件）的电压通过“辅助输入”进行测量，而电阻器通过“信号输入”通道进行监控。整个测试需要一些额外的连接器和电缆，但这些都是标准测量设备的一部分。

请注意，“辅助输入”是单端的，并且BNC插座的屏蔽层连接到地面，这适用于MFIA 前面板上的所有屏蔽层。这意味着MFITF连接到辅助输入屏蔽层的一侧应与连接到地面的DUT侧相对应。

图 1：用于测量 MFIA 接地元件阻抗的设置示意图。连接器旁边的数字与文本中设置说明中括号中的数字相对应。

• 完整的测量设置

DUT集成在电路中，如图1所示。默认情况下，DUT的一侧接地（图 1 中的连接 1）。为了测量DUT上的压降，另一侧连接到“辅助输入 1”（2）。我们进一步将该侧连接到MFITF以测量电流（3）。MFITF的两个中间连接器分别连接到 LPOT和HPOT（4 和 5），以测量测量电阻器上的压降。最后，MFITF的其余连接器连接到MFIA（6）上的“信号输出”。在此配置中，“信号输入”保持未连接状态。如果接地（1）连接到MFIA后面板上的接地（使用香蕉头），我们看到测量数据质量略有改善，但这取决于测试环境和DUT所连接的接地的质量。原则上，使用一个可靠的接地连接所有部件是有益的，但使用的电缆和连接越多，创建接地回路的风险就越高，该接地回路可能会从线路或其他磁场中拾取噪声。因此，在这里提炼出一条一般规则是相当困难的。一种可能性是使用 LabOne® Scope 模块测试信号质量：在“信号输入”的 FFT 中，只有测试频率应显示为峰值。频率为测试频率倍数的额外峰值表示接地环路或其他接地问题。

图 2：LabOne 的屏幕截图，其中突出显示了与标准阻抗测量相比的修改。这些数字与文本中设置说明中括号中的数字相对应。

设置 LabOne

现在我们转向 LabOne，我们需要对默认条件进行一些调整，以便在所描述的设置中正确测量我们的接地组件。为此，我们打开阻抗分析仪（IA）的“高级”选项卡。首先，我们需要正确分配信号。请注意，“电流输入”和“电压输入”菜单中的选项（图2中的1和2）仅允许计算导纳的配置，即阻抗的倒数。这意味着 IA 选项卡中显示的测量结果不显示DUT的实际阻抗，而是显示其导纳的实部和虚部以及其幅度和相位角。为了直接显示阻抗的实部和虚部，我们需要将阻抗表示更改为“G 电导/B 电纳”（见图 2 中的 3），电导实际上对应于DUT阻抗的实部，而电纳对应于DUT阻抗的虚部。即使单位是西门子，这些数量显示的数值也是正确的。例如，值 1.00314 kS（4）表示测得的 DUT 阻抗的实部为1.00314kΩ。也可以通过使用“阻抗 1 Rep Param 1”作为“X 信号”，将“Impedance 1 Rep Param 2”用作“Y 信号”，在XY表示中设置奈奎斯特图。

我们将“Aux In 1”（1）分配给当前信号，并将电压信号保留为“Voltage Input”（2），就像默认设置一样。电阻器的电阻值可以设置为信号分配下方的系数。这里的设定值将是电阻值的倒数，因为我们必须将电压信号除以电阻。

图 3：从接地元件（2 个电阻器）获得的测量结果，使用 10 Ω分流电阻器测量，无论是否应用用户补偿。所有测量的频率范围为 1 kHz 至 1 MHz。红色迹线显示1 kΩ电阻的测量结果，无需额外的用户补偿。绿色迹线显示了用户使用1 kΩ电阻进行补偿后的测量结果。黄色迹线是350 Ω电阻的结果，使用1 kΩ电阻进行用户补偿。正如我们所看到的，用户补偿在更高的频率下显著改善了结果。

结果

测量电路的复杂性增加和额外的电缆使设置更容易拾取电缆的互感和相位延迟。此外，电阻器本身具有较小的杂散电感。图3中的红色曲线显示了在DUT为1 kΩ、电阻为10 Ω的情况下，无需用户补偿的测量结果。可以看出，在50 kHz以上，测量结果显示电感伪影。为了避免这种情况，我们可以利用用户补偿 （UC） 并使用完全相同的设置执行“负载补偿”。用户补偿菜单中的补偿基于电阻和电容。假设我们测量导纳，导纳值是DUT电阻的倒数，在我们的例子中为1mS（见图 4）。电容可以保持在默认值。补偿后，结果是平坦的，并在1kHz至1MHz范围内显示正确的值（绿色曲线）。使用不同值的电阻器（此处为350 Ω）测试设置和用户补偿的鲁棒性表明，用户补偿为我们提供了可靠导纳。

如果预计电阻种类更多，我们建议使用三个覆盖这些阻抗值整个范围的 DUT 执行“负载-负载-负载”补偿。然后，用户补偿将对补偿值范围内的值使用多项式插值，但这可能会导致超出此范围的DUT的结果不太准确，因为插值总是比外推更可靠。

图 4：用于对接地组件进行测量的用户补偿的菜单屏幕截图。请注意，此处输入的“负载 R （Ω）”值必须是测量电阻的导纳值（对于 1 kΩ 电阻，为 1 mS）。然后可以正确测量接地元件的阻抗，如文中所述。

其他类型的接地组件

在这篇文章中，我们使用了接地电阻器作为最简单的例子。也可以测量阻抗复杂度较高的其他接地元件。对于测量一侧接地的电容器，最好不要使用电阻器，而是使用具有精确电容量的测试电容器。如果只需要绝对电容，则确定绝对电容的一种快速简便的方法是测量两个电压的比率，并将其乘以测试电容器的电容。在这种情况下，请确保选择电容器和设置，以便“辅助输入”能够很好地解析其输入端的正弦波。