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Misurare alte impedenze con Arta Limp

Introduzione

Questo circuito serve per ampliare le possibilità di misura con Arta Limp, un software per computer che permette di eseguire misure precise utilizzando un personal computer e una scheda audio.
Il principale problema nella misure di alte impedenze con Arta Limp utilizzando la scheda audio di un computer è costituito dall'errore di lettura introdotto dalla bassa (in relazione a quella da misurare) impedenza del circuito di ingresso della scheda audio, che dipendentemente dal modello va da pochi KOhm a qualche decina di KOhm.
Per ovviare a questo inconveniente occorre munirsi di un piccolo circuito esterno di interfaccia.
Quindi, riassumendo, questo circuito serve per analizzare l'impedenza, come modulo e fase di qualsiasi circuito che sia caratterizzato da una impedenza relativamente alta. Uno degli utilizzi possibili e misurare il pickup di una chitarra o di un basso elettrico. Ma si può adattare a molto altro.

Circuito base di misura con Arta Limp

Sotto è riportato il circuito normalmente utilizzato con Arta Limp per misure di impedenze basse come ad esempio quelle tipiche degli altoparlanti magnetodinamici. L'ingresso linea canale destro serve per misurare accuratemente la tensione in uscita dalla scheda audio, l'ingresso linea canale sinistro misura la tensione ai capi di Z che è l'impedenza che vogliamo misurare. Essendo nota la resistenza in serie a Z (in questo caso 100Ohm) il programma analizzerà il comportamento di Z sia come modulo di impedenza che di fase.
La stessa cosa si può fare con un analizzatore di spettro e un generatore di funzioni in grado di produrre un rumore bianco ma con una precisione decisamente inferiore e un costo dell'attrezzatura molto superiore.
Ricordiamoci che una scheda audio che si rispetti effettua una campionatura a 24bit contro l'analizzatore di spettro che campiona di solito a 8bit. Quest è valido ovviamente per le sole audiofrequenze (la scheda audio è progettata per questo).

Ora analizziamo il circuito equivalente tenendo conto della impedenza di ingresso di "ingresso linea canale destro e sinistro".

L'influenza di Zs (Ingresso linea canale sinistro) è praticamente nulla perché misura il valore della tensione all'uscita di G (uscita audio cuffia della scheda audio) che ha una resistenza interna molto minore di Zs.
Come si può facilmente notare Z è in parallelo a Zd che è l'impedenza di ingresso del canale destro della scheda audio. Se Zd>>Z allora non c'è nessun problema. Se Zd ha un valore paragonabile a Z la misura sarà falsata e sarà la sommatoria del comportamento di Z e Zdf nel dominio delle frequenze. Quindi se vogliamo misurare il comportamento di Z, dove Z è maggiore di Zd dovremo fare in modo di aumentare l'impedenza di ingresso (Zd) per renderla molto più grande di Z. Allo scopo ho utilizzato un amplificatore operazionale con ingresso ad alta impedenza come buffer non invertente.

Interfaccia di misura per alte impedenze con Arta Limp

Sopra è visibile lo schema di principio.

Sopra è visibile lo schema elettrico del misuratore per alte impedenze da abbinare al software Arta Limp.

E' stato utilizzato un amplificatore operazionale (Amp.Op.) integrato di tipo TL082 caratterizzato da un ingresso a FET ad alta impedenza (10¹² Ohm) e una banda passante a valore unitario di 4MHz.

La prima sezione dell'Amp.Op. IC1/a è stata aggiunta perché avevo a disposizione un TL082, quindi ho utilizzato un amplificatore presente all'interno dell'integrato per bufferizzare anche l'ingresso sinistro della scheda audio per migliorare la simmetria.
La seconda sezione dell'Amp.Op. IC1/b è quella che realmente svolge il lavoro di elevatrice di impedenza per il segnale misurato ai capi dell'impedenza Z e si collega al canale destro della scheda audio.
Ho utilizzato quello che avevo a magazzino, alcuni componenti possono essere cambiati e migliorati come ad esempio l'amplificatore operazionale e i condensatori in ingresso agli operazionali che potrebbero avere un valore più alto per aumentare la precisione di misura alle basse frequenze.

Per adattare questo circuito alla misura di impedenze più elevate occorre rimpiazzare il resistore R3 con un valore simile a quello dell'impedenza massima che vogliamo misurare. Il Trimmer Trim1 serve per eliminare tramite taratura la tolleranza del resistore R3 con cui forma un parallelo. La taratura viene eseguita misurando il parallelo con uno strumento sufficientemente preciso e poi variando Trim1 fino al valore esatto desiderato che in questo caso è 100KOhm.
Una possibile modifica è applicare un commutatore in modo da selezionare diversi gruppi di R3 e Trim1 in modo da poter cambiare la scala quando si vuole.
Per quanto riguarda la tensione di alimentazione del circuito non ci sono particolari problemi, va bene una tensione duale da ±4 a ±18V che la tensione massima applicabile al circuito integrato. Per quello che riguarda l'assorbimento, siamo al massimo sui 3-4 mA, valore compatibile con una alimentazione a batteria che risolve anche il problema di possibili disturbi captati dalla rete elettrica.
Tutti i valori di tensione dei condensatori devono essere di almeno superiori alla tensione di alimentazione.

Tutti i resistori sono con la minor tolleranza possibile.
L'alimentazione del circuito è ricavata da un partitore resistivo con un condensatore in parallelo ad ogni resistenza in modo da ricavare al centro una massa virtuale come visibile a destra nello schema sopra, utilizzando un alimentatore singolo da 12V.
Si possono anche banalmente utilizzare 2 batterie da 9V collegate in serie ricavando la massa nel punto centrale di collegamento delle due batterie e +9V/-9V per alimentare gli operazionali.