學(xué)子專區(qū)——ADALM2000活動：電感自諧振

目標(biāo)

本實驗室活動的目標(biāo)是測量電感的自諧振頻率(SRF)，并根據(jù)測量數(shù)據(jù)確定寄生電容。 

背景知識

與所有非理想電氣元器件一樣，部件套件中提供的電感并不完美。圖1為常見的實際電感簡化模型電路圖。除了所需的電感L之外，實際元件還會有損耗（建模為串聯(lián)電阻，在圖中以R表示）和并聯(lián)寄生電容（以C表示）。電阻越小（接近0 Ω），電容越?。ń咏? F），電感就越理想。

圖1.3元件LRC電感模型。 

繞組間電容與自諧振頻率

C通常表示電感的匝間分布電容（以及匝間與磁芯之間的電容等）。在特定頻率(SRF)下，該匝間電容將與電感L形成并聯(lián)諧振，使電感變?yōu)檎{(diào)諧電路。 

3元件LRC模型阻抗與頻率

在低于SRF的頻率下，模型呈電感性。在高于SRF的頻率下，模型呈電容性，在SRF頻率下，模型呈電阻性，因為感抗和容抗的大小相等，相位相反，因此相互抵消。

在電感的SRF下，滿足以下所有條件：

?        輸入阻抗處于峰值。

?        輸入阻抗的相位角為零，從正值（感性）轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值（容性）。

?        由于相位角為零，因此Q也為零。

?        有效電感為零，因為負(fù)容抗(X_C = 1/jωC)剛好抵消了正感抗(X_L = jωL)。

?        2端口插入損耗(S21 dB)達(dá)到最大值，對應(yīng)于頻率與S21 dB圖中的最小值。

?        2端口相位（S21角）為零，從較低頻率下的負(fù)值轉(zhuǎn)變?yōu)檩^高頻率下的正值。

公式1表示電感模型電路中SRF與電感和電容的關(guān)系。

其中：

L為電感，單位為H

Cp為寄生電容，單位為F

公式1清楚地表明，提高電感或電容會降低測量的SRF值，而降低電感或電容則會提高SRF值。 

3元件LRC電感模型的實驗室前仿真

圖2為3元件LRC電感模型的仿真測試電路。L、R和CP用于對電感進(jìn)行建模。V1是理想的交流測試電壓源，電阻RS表示V1的源電阻。CL和RL是負(fù)載元件，其中CL設(shè)置為ADALM2000示波器輸入通道的典型輸入電容。RL可以設(shè)置為RS，也可以設(shè)置為更高的值，例如示波器通道的1 MΩ輸入電阻。 

圖2.仿真原理圖。 

在實際構(gòu)建電感測試電路之前，您應(yīng)使用圖2所示電路進(jìn)行仿真。

如圖3所示，以1 mH電感L為例，我們進(jìn)行了兩次頻率掃描仿真，頻率范圍為10 kHz至10 MHz，其中CP設(shè)置為15 pF，R設(shè)置為100 mΩ。紅色曲線表示RL設(shè)置為與RS相同的200 Ω。當(dāng)電感阻抗達(dá)到最大值時，RL處測得的幅度在SRF時急劇下降。藍(lán)色曲線表示RL設(shè)置為示波器輸入的1 MΩ。同樣，當(dāng)阻抗達(dá)到最大值時，我們觀察到急劇下降的零點。我們還看到RL的幅度出現(xiàn)明顯的尖峰，大約在陷波下方一個倍頻程處。當(dāng)源電阻和負(fù)載電阻不匹配時，就會出現(xiàn)這種峰值。 

圖3.仿真結(jié)果：紅色曲線RL = 200 Ω，藍(lán)色曲線RL = 1 MΩ。

材料

?        ADALM2000主動學(xué)習(xí)模塊

?        無焊試驗板和跳線套件

?        一個1 mH電感

?        其他不同數(shù)值的電感

?        兩個200 Ω電阻（可由兩個100 Ω電阻串聯(lián)而成） 

說明

在無焊試驗板上構(gòu)建如圖4所示的電感測試電路。藍(lán)色方塊表示連接ADALM2000 AWG和示波器通道的位置。 

圖4.電感測試電路。 

硬件設(shè)置

ADALM2000 AWG輸出和示波器通道輸入的連接方式如圖4藍(lán)色框所示。部件套件中應(yīng)包含多個不同數(shù)值的電感。將電感逐個插入測試電路。 

程序步驟

在Scopy窗口打開網(wǎng)絡(luò)分析儀軟件工具。配置掃描范圍，起始頻率為100 kHz，停止頻率為30 MHz。將幅度設(shè)置為1 V，偏移設(shè)置為0 V，將伯德圖的幅度范圍設(shè)置為–60 dB至+40 dB。將最大相位設(shè)置為+180°，最小相位設(shè)置為–180。在通道選項中，點擊通道1，將其設(shè)為參考通道。將步驟數(shù)設(shè)為100。

對部件套件中的每個電感運行單次掃描。您應(yīng)該會看到，幅度和相位與頻率的關(guān)系曲線和仿真結(jié)果非常相似。將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到.csv文件，以便采用Excel或MATLAB?進(jìn)行深入分析。

圖5.電感測試電路試驗板連接 

圖6.Scopy截圖，L = 100 μH，RL = 200 Ω。

圖7.Scopy截圖，L = 100 μH，RL = 1 MΩ。 

問題：

使用SRF公式計算實驗裝置中使用的電感的匝間寄生電容值。

您可以在學(xué)子專區(qū)論壇上找到問題答案。 

附加實驗

若要進(jìn)一步探索這種諧振現(xiàn)象，請將外部39 pF和/或100 pF電容與電感并聯(lián)，然后重新測量頻率響應(yīng)。這樣就能獲得更多的諧振頻率數(shù)據(jù)，同樣可以使用諧振公式來計算和確認(rèn)簡化模型中的電感L和CP。 

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關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2023財年收入超過120億美元，全球員工約2.6萬人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。 

關(guān)于作者

Antoniu Miclaus現(xiàn)為ADI公司的系統(tǒng)應(yīng)用工程師，從事ADI教學(xué)項目工作，同時為Circuits from the Lab?、QA自動化和流程管理開發(fā)嵌入式軟件。他于2017年2月在羅馬尼亞克盧日-納波卡加盟ADI公司。他目前擁有貝碧思鮑耶大學(xué)軟件工程碩士學(xué)位，并擁有克盧日-納波卡科技大學(xué)電子與電信工程學(xué)士學(xué)位。

Doug Mercer于1977年畢業(yè)于倫斯勒理工學(xué)院(RPI)，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。自1977年加入ADI公司以來，他直接或間接貢獻(xiàn)了30多款數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，并擁有13項專利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年，他從全職工作轉(zhuǎn)型，并繼續(xù)以名譽研究員身份擔(dān)任ADI顧問，為“主動學(xué)習(xí)計劃”撰稿。2016年，他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。