LCR meter - konstrukce

[Jiří Kučera]

Je to sice silne predcasne, ale budiz.
Pred casem se zde objevilo tema kostrukce LCR metru , tema me zaujalo, tochu jsme to s kolegou Huttou probirali i mimo konferenci a tak jsem si to o volnych chvilich zacal kreslit.
Podotykam, je to spise nastin,neni to hotove , analogova technika neni muj obor a proto brat s rezervu mohou tam byt zasadni koncepcni chyby a samozrejme spousta prehlednuti a nedodelku.
Schema a nejake obrazky viz.
http://www.uloz.to/xQJb3t1/lcr1-zip

Na uvod.
- ucelem je odpovedet na otazku zda dnes jde amatersky postavit LCR,ktery by se mohl merit s profi meraky minuleho stoleji jako Agilent 4284A
- v konstrukci jsme se snazil o jistou univerzalnost, viceucelovost a modifikovatelnost.
- samozrejme uvitam kazdy podnet ci pripominku.


1. Zdroj mericiho signalu.
- Pro LCR metr potrebujeme zdoj mericiho signalu sinus s co nejvysi kvalitou. 
- Proto jsme zvolili 14bit DDS AD9954 u ktere je signal power to quantization noise power (SQR) 86dB a i kdyz objetujeme jeden bit na digitalni rizeni amplitudy stale je SQR 80dB 
- AD9954 neji zrovna levny obvod a bylo by skoda nevyuzit jeho moznosti proto jsem pridal moznost vyzit tuto cast konstrukce jako beznou DDS do 150MHz.

1.1 Predpokladane praramtery
LCR cast
- frekvence 0-750kHz 
- amplituda 25mVp-p - 2.5Vp-p (s digitalnim rizenim apllitudy je min (12,5mV)
- rizeni amplitudy digitalni 0 - 1/2, skokove 1/2, 1/5 , 1/10
- DC offset 0-5V, rizeno 12bit DAC

DDS cast
frekvence 10kHz-150MHz 
- amplituda 25mVp-p - 2.5Vp-p (s digitalnim rizenim apllitudy je min (12,5mV)
- rizeni amplitudy digitalni 0 - 1/2, skokove 1/2, 1/5 , 1/10
- DC offset 0-5V, rizeno 12bit DAC

digitalni hodiny
- pokud neni vyuzita moznost DC offsetu vystupniho signalu je modul mozno pouzit k generovany obdelnikoveho signalu (hodin)
- frekvence 0-150MHz (75MHz pri vystupu 1,8V
- amplituda rizeni je plynule 1,8-5V, ale relne se pocita s hodinami pro logikou 1,8V, 2,5V 3V, 5V

1.2 Popis konstrukce
Pocita se s umistenim do standartni krabicky AH102

1.2.1
Hodiny pro DDS
Zde jsem si trochu hral a z hlediska LCD jde o zbytnou vec a stacil by bezny krystal.
Zakladni f. oscilatoru 100MHz je vyvedena na P1 a bude pouzita jako zakladni casova platforma, DDS jako takova je mirne pretatovana a pojede na 5th harmonicke tj. na 500MHz.

Oscilator X1 100MHz obdelnik cca 3V -> filtr HPF C28+C29+L6 -> sirokopasmovy zesilovac Q1+R2+R1 -> pasmova propust BandGap 500MHz C24+C30+L5
v cislech 

harm.	 amplituda	  HPF		amplituda	zesilovač	amplituda	BandGap		amplituda	potlačení	
1	1,336969729V	-42,8dB		0,009685489V	13,7dB		0,046894464V	-39,9dB		0,000474375V	-68,38059991dB
3	0,445656576V	-11,8dB		0,114551378V	13,7dB		0,554626121V	-24,4dB		0,033419529V	-31,42302501dB
5	0,267393946V	-0,18dB		0,261909692V	13,7dB		1,268094357V	-0,16dB		1,244949027V	  0.00000000dB
7	0,190995676V	-0,27dB		0,185149922V	13,7dB		0,896444763V	-22dB		0,071207139V	-24,85256071dB

Zaver nejrusivejsi slozkou na 1.5kOhm hodinovem vstupu DDS bude 7th harmonicka cca -25dB a predpokladam, ze to nemude problem.
V sekci hodin jsem doplnil SPI teplotni cidlo TC77, to pokud by si nekdo nekdy chtel hrat s teplotni stabilizaci krystalu, pro LCR to nema smysl, u DDS je to ladeni na dlouhe zimni vecery.
- Otazkou je zda to cele lze prostorove nahnoucat tak jak je naznaceno na 3D obrazku tistaku (zatim to neni tistak, jen 3D model predpokladaneho rozlozeni sucastek, abych videl jak se to vejde nebo nevejde ?

1.2.2
LCR vetev za AD9954
AD9954 ma complementarni proudovy DAC, proto je idealni osadit na vystup  vystupni transformator, to je bohuzel v rozporu s pozadavkem LCR sekce, ktera by mala chodit od co nejnizsich frekvenci, idelane od 50Hz (100Hz), proto je vystup rozdelen na low frequency LCR a high frequency DDS vetev prepinanou relatky K1,K2
Nasleduje filtr typu dolni propust , parametry viz. Obr1.jpg , parametry  
100kHz -0.146dB
300kHz -0.225dB
500kHz -0.215dB
600kHz -0.290dB
750kHz -0.434dB
818kHz -2.960dB
1MHz   -41dB

Nasleduje nizkosumovy zesilovac s zesilenim 5x osazeny AD8021 , sum teto casti je 15.5nV/Sqrt(Hz)

1.2.3
DDS vetev za AD9954
Jako prvni je osazen sirokopasmovy transformator 1:1, predpokladam namotani v dvouderovem feritu http://www.ges.cz/cz/dvouderove-feritove-jadro-bn-61-202-GES05503283.html
Nasleduje filtr typu dolni propust , parametry viz. Obr2.jpg , parametry
100MHz -0.21dB
140MHz -0.54dB
160MHz -0.30dB
183MHz -41dB

Nasleduje sirokopasmovy tranzisotrovy zesilovac Q3, Q2 ,ktery jsem si jako celek pujcil z baluovo DDS. 
Kdyz ted na to koukam mam tem chybu R7 definujici impedanci zbernice za LPF je nejpsise spatne 50Ohm, jelikoz je paralelne s R8 560 Ohm mel by nejspise byt 55ohm ?
Tranzistorovy zesilovac ma pomerne velky klidovy proud, proto je jeho napajeni odpojovano K2, poklud neni pouzit.

1.2.4
Nasleduje modul attunatoru, resenych jako PI clanek prepinany relatkem, pocitano na necem jako toto http://chemandy.com/calculators/matching-pi-attenuator-calculator.htm
Atteunator je tristupnovy s utlumem 1/10, 1/5 a 1/2.

1.2.5 
Vystupni sekce
Vystupni impedanci cele konstrukce definuje R26 na 100Ohm, ktery napaji vystupni zesilovac U4 AD8021 s nastavenym zesilenim 2x (sum 8.2nV/Sqrt(Hz)).
LCR sekce vyzaduje za jistych okolnosti moznost DC offsetu signalu. To zajistuje U5 (0-5V) pres polovodicove rele U6 a  R39.

1.2.6
Digitalni vystup P4
Interni rychly komparatot v AD9954 vytvari z signalu odebraneho pred sekce atteunatoru obdelnikovy signal, ktery napaji bus transciever SN74LVC1T45, ktery je napajen z U5 1.8-5Vcimz je umozneno rizeni vystupni amplitudy.
 
1.2.7
Napajeni
Cely modul je napajen +12V -12V a +3.3V, dale je potrebne napeti 1.8V  pro AD9954 o ktere se stara U8.


1.3
Predpokladane parametry vystupnich signalu 

1.3.1
SMA konektor P3
Sin 0 - 750kHz s krokem 0,116Hz
Sin 10kHz - 150MHz s krokem 0,116Hz
Amplituda +- 2.5Vpp, ktera muze byt analogove tlumena 1/2 + 1/5 + 1/10 + je zde moznost 14bit digitalniho rizeni v DDS
Sum pri prepnuti na "pomalou" vetev, neumim spocitat sum samotne DDS, ale pokud vezmeme jen sum vlozeny U3 a U4 tak bych SNR videl na -73dB
DC offset 0-5V s krokem 1.2mV pokud pominu sum z DAC, respektive jeho cast,ktera projde filtrem R44+C68+R45 bude SNR v DC sekci cca -100dB

1.3.2
SMA konektor P4 
Obdelnikovy hodinovy signal 0-150MHz 75MHz max pro 1.8V logic
Amplituda 1.8, 2.5, 3.0 3.3 5.0 , plymula regulace 1.6-5.0

1.3.3
SMA konektor P1
Hodinovy signal 100MHz 3.3V

1.4
Zname chyby, nejasnosti, nedodelky.

- Nejsem si jist zda sekce hodin muze byt nahnoucana tak jak jsem ji naskladal viz levy horni roh na obr3.
- Impedance sbernice, zkontrolovat, viz R7, pravdepodobne by mel byt 55Ohm
- C58/C60 presunout mezi vystup U3 a vstup K2
- pridat dalsi SN74LVC1T45 napajeny 3.3V, takto ziskany signal se pak pouziji v ridici sekci LCR metru pro urceni pocatku periody sin.
- Pridat C 100nF na vstup U8
- Omezit sirku pasma U4 a tim zlepsit SNR o cca -15dB

It is all for this time.
Pripadne podnety, pripominky a namety vytany.
Dasi sekce LCR metru priste, nektere, ale zatim mam jen v hlave a jine ani tam ne :-)


Jirka