Widerstände analysieren: Elektrische Impedanz und was dahinter steckt
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Elektronische Schaltkreise
Sobald das äquivalente Schaltungsmodell validiert ist, muss das elektronische Datenerfassungssystem entwickelt werden, um den Frequenzdurchlauf durchzuführen und die Daten zu erfassen. Dies ist oft eine komplexe und zeitintensive Aufgabe, welche zur Optimierung der Schaltkreise bestimmte Elektronikkenntnisse verlangt.
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Schaltkreise müssen entwickelt werden, um den Frequenzdurchlauf einer gewünschten Auflösung über den Bereich von Interesse zu erzeugen. In vielen elektrochemischen Systemen muss vermieden werden, dass sich das Sammeln von Daten und der elektrochemische Prozess selbst beeinflussen. Kleine AC-Signale werden normalerweise angelegt. Auch ist es wichtig, dass keine DC-Potentialdifferenz über dem System entsteht, welche zusätzliche elektrochemische Aktivitäten verursachen könnte. Das Systemverhalten auf die Anregungsfrequenz müssen dann mit dem A/D-Wandler erfasst werden. In einigen Designs sind zwei A/D-Wandler erforderlich, um sowohl das Anregungs- wie auch das Ausgangssignal zu erfassen. Dies kann komplex sein, da eine simultane Abtastung der A/D-Wandler erforderlich ist, um Phasenänderungen zwischen den Signalen aufspüren zu können.
Der AD5933 zum Beispiel ist ein Chip, welcher sowohl einen programmierbaren Frequenz-Sweep-Generator wie auch einen integrierten A/D-Wandler enthält und in Verbindung mit der Anregungsfrequenz arbeitet, um das Ausgangssignal zu erfassen. Zusätzlich muss das Gesamtsystem linear bleiben. Mit anderen Worten: Die gesamte Bandbreite des Systems muss adäquat und die Signalgrößen groß genug sein, um gute Messungen zu erhalten. Die Signale dürfen jedoch nicht so groß sein, dass der Bereich des A/D-Wandlers oder Bereiche von anderen Bauteilen überschritten werden und eventuell Verzerrungen entstehen.
Da das zu testende Element oft einen unbekannten Impedanzbereich aufweist, sind oft zunächst „Trial-and-Error“-Experimente erforderlich, um einerseits das System zu optimieren und andererseits sicherzustellen, dass es linear bleibt. Das Ausgangssignal wird normalerweise unmittelbar nach seiner Digitalisierung an einen Computer zur weiteren Analyse weitergeleitet. Neuere Konzepte wie der AD5933 führen einen Großteil der Analyse auf dem Chip durch, indem sie die Real- und Imaginärteile des Ausgangssignals vor der weiteren Verarbeitung mit einem Computer extrahieren. Dies entlastet den Computer von arithmetischen Berechnungen und verbessert die Datensammlung, da die analoge Signalverarbeitungsschaltung auf die Zusammenarbeit mit anderen Funktionsblöcken optimiert ist. Man sollte daran denken, dass das Endergebnis Fehler enthalten wird – obwohl Computer sehr leicht Ergebnisse mit vier oder mehr Stellen liefern können –, bis die Messung des Analogsignals gültig ist und das lineare Verhalten des Gesamtsystems sichergestellt wird. Um gültige Messungen und genaue Ergebnisse zu erhalten, muss auf eine sorgfältige Systementwicklung und Validierung geachtet werden.
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