第5章阻抗测量.

第5章阻抗测量25.1引言5.2阻抗标准5.3阻抗的模拟测量法§5.1概述一、集总参数元件特性表征1.阻抗定义及表示方法阻抗：对流经器件或电路电流的总抵抗能力。IUZ阻抗定义图IUZ实际上，阻抗元件不会是纯电阻、纯电容或纯电感。测量条件对阻抗特性的影响较大。如：电流大小、工作频率、温度、湿度等。sinZXcosZRRXarctgXRZ22阻抗两种坐标形式的转换关系为：DUTZ},R{Z实轴+j-j电阻电感电容虚轴阻抗矢量包括实部（电阻）和虚部（电抗）直角坐标下：ZRjX极坐标下：(cos()sin())jZZeZjRX22221||jRXYjZRXRXGjBYe导纳电导电纳导纳幅度导纳角2.阻抗器件的电路模型理想电阻考虑引线电感考虑引线电感和分布电容电阻器RRL0RC0L0理想电容考虑泄漏、引线电阻和电感考虑泄漏、介质损耗等电容器CCR0CR0L0R,0电感器理想电感考虑导线损耗考虑导线损耗和分布电容LR0LC0LR0（1）几个概念区分★真值：排除了寄生参数缺陷的电器元件量值。只有学术意义，无法得到。★有效值：考虑了元件寄生参数的影响。需要得到的值，和频率有关。★指示值：测量得到的值。存在误差，受多种因素影响。（2）影响元件阻抗值测量结果的因素①频率电阻器的频率响应寄生电容C0R低阻值电阻理想RƒR|z|高阻值电阻理想RƒR|z|引线电感RL001//RjC0RjL电感器的频率响应C0LR0LC0R0C0的影响|z|理想LƒR0理想LC0的影响|z|ƒR0L0的影响|z|R0理想CƒR0CL0电容器的频率响应测试信号（AC）电平对电容器和铁芯电感器的影响与AC电平有关的磁芯电感器与AC电压有关的陶瓷电容器(a)测试电压(AC)②测试信号电平：高K值中K值低K值ΔCoV(b)测试电流(AC)ΔLoIK：陶瓷电容材料的介电常数与直流偏置电压有关的电容器直流偏置电压与直流偏置电流有关的磁芯电感器陶瓷电容器与铁芯电感器的直流偏置影响③直流偏置高K值低K值ΔCoV0直流偏置电流oΔLI0④温度时间温度中K值高K值陶瓷电容器的温度相关性陶瓷电容器的老化相关性oΔCΔCo11010210310425二、元件参数测量的基本技术电桥法321ZZZZxxZ2Z3Z1ZD1.测量方法概述电桥法的优缺点和频率范围高精度（0.1%典型值）使用不同电桥可得到宽频率范围价格低需要手动平衡单台仪器的频率覆盖范围较窄频率范围：DC~300MHz谐振法改变电容C直到电路谐振谐振时XL=XC仅有RX存在EVRXRXQEVRIVXXCXLXCRXDUTLXEZEICVOSCV谐振法的优缺点和频率范围可测很高的Q值需要调谐到谐振阻抗测量精度低频率范围：10KHz~70MHz电压电流法由测量的电压值和电流值计算被测阻抗ZX电流通过它所流经的RS上的电压计算sxRVVIVZ211V2RSZXIOSCV1电压电流法的优缺点和频率范围可测量接地器件适合于探头类测试需要使用简单工作频率范围受使用探头的变压器的限制频率范围：10KHz~100MHzRF电压电流法(a)低阻抗类型射频电压电流法与低频电压电流法的原理相同有两种连接电压表和电流表的方法122212121121VVRRVRVVIIVIVZxRV1VV2RI1ZXIOSCRI2R(b)高阻抗类型RVV2V1ZXIOSCRR——2122/21221VVRRVVVIVZx射频电压电流法的优缺点和频率范围高精度（0.1%典型值）高频下的宽阻抗范围工作频率范围受使用探头的变压器的限制频率范围：1MHz~3GHz自动平衡电桥法通过DUT的电流也通过电阻R“L”点的电位保持为0V（称为虚地）-+DUTHLR虚地V1II2V2I=I2V2=I2RZ=V1I=V1RV2V1I2=───自动平衡电桥法的优缺点和频率范围高精度（0.05%典型值）很宽的测量范围使用简单不能适应更高的频率范围频率范围：20Hz~110MHz网络分析法通过测量输入信号与反射信号之比得到反射系数用定向耦合器或电桥检测反射信号用网络分析仪提供激励并测量响应DUTVINCVR输入信号反射信号定向偶合器或电桥OSCZXV1V2网络分析法的优缺点和频率范围高频率范围当被测阻抗接近特征阻抗时得到高精度改变测量频率需要重新校准阻抗测量范围窄频率范围：300KHz~3GHz网络分析法300KHz1101001K10K100K1M10M100M1G10G10KHz70MHz10KHz110MHz1MHz3GHzRF电压电流法电压-电流法谐振法0HZ300MHz电桥法20HZ110MHz自动平衡电桥法频率和测量方法选择选择正确的测量方法每种方法都有其各自的优缺点必须首先考虑测量的要求和条件，然后选择最合适的方法需要考虑的因素包括频率覆盖范围、测量量程、测量精度和操作的方便性没有一种方法能包括所有的测量能力，因而在选择测量方法时需折衷考虑2.仪器分类模拟阻抗测量的仪器采用电桥法的：万用电桥；惠斯登电桥等各种电桥仪器采用谐振法的：Q表采用电压-电流法的：多用表；可变电阻器；参数测量仪数字式阻抗测量仪器采用RF电压电流法的：射频阻抗分析仪采用自动平衡电桥法的：LF阻抗测量仪采用网络分析法的：网络分析仪3.测试连接头所有阻抗测试都涉及连接头的问题.常用的连接方法有：两端接线柱式（或香蕉插头）适用于Q表等低准确度谐振式阻抗仪器有极性的同轴的连接头中性精密同轴连接头三端连接头、四端连接头、五端连接头四端对接头阻抗的连接图、示意图和测量范围两端连接头HpLCDUTLPHCHC为电流高端Hp为电位高端LP为电位低端LC为电流低端(a)连接图(b)示意图R0L0DUTVAR0L0C01m10m100m1101001K10K100K1M10M100M2T)((c)阻抗测量范围适用于Q表等低准确度谐振式阻抗仪器。易引入不确定的附加阻抗影响。三端连接头HpLCDUTLPHC(a)连接图(b)示意图R0L0DUTVAR0L0C01m10m100m1101001K10K100K1M10M100M3T)((c)阻抗测量范围(d)具有屏蔽的两端连接头DUTVA四端连接头HpLCDUTLPHCDUTVA(a)连接图(b)示意图1m10m100m1101001K10K100K1M10M100M4T)((c)阻抗测量范围可减小引线阻抗的影响。当被测件阻抗较低时（1Ω），与电压检测电缆的互感耦合，产生误差。RxIrIrVxDMMRl1Rl2RxIrIrVxDMMRl1Rl2Rl3Rl4a.二端法b.四端法R=Rx+Rl1+Rl2测量值偏大12,xlxlRRRRR=Rx34,linlinRRRRRin为DMM输入电阻1m10m100m1101001K10K100K1M10M100M5TDUTVA(d)具有屏蔽的四端连接头)((c)阻抗测量范围HpLCDUTLPHC(a)连接图DUTVA(b)示意图五端连接头四端对连接头HpLCDUTLPHC(a)连接图(b)示意图DUTVA1m10m100m1101001K10K100K1M10M100M4TP)((c)阻抗测量范围实际的阻抗测量范围不仅取决于测量仪器，而且也取决于四端对连接头与DUT的正确连接。否则也会限制测量范围。每种连接方法各有优缺点，必须根据DUT的阻抗和要求的测量精度，选择最适合的连接方法。§5.2阻抗标准一、电阻标准1、标准概况2、标准电阻器二、电容标准1、标准概况2、标准电容器三、电感标准1、标准概况2、标准电感器一、电阻标准1）标准概况电阻实物标准→量子化霍尔电阻标准稳定度高，一致性好，准确度高电阻计量标准器具分为一等和二等两个等级，不同等级有不同的年允许变化要求和检定不确定度要求。一等电阻标准包括10-3Ω，10-2Ω，10-1Ω，1Ω，10Ω，102Ω，103Ω，104Ω，105Ω9个标称值及一等电阻标准装置。二等电阻标准除上述9个标称值及电阻标准装置外，还有106Ω和107Ω及其相应装置。电阻工作计量器具有13个标称值,从10-4Ω到108Ω.每个标称值又有0.00005级到0.2级不等的7到9个准确度等级。电压端子2、标准电阻器水银罩电流端子插入温度表无感线圈的锰铜电阻线(a)构造电流端子电流端子电压端子(b)外观图6-8标准电阻器制作标准电阻器的电阻材料要求：①电阻值稳定；②电阻的温度系数小（不大于10-5Ω/℃）；③对铜的热电动势小。二、电容标准1、标准概况标准电容器分为三等。一等和二等标准电容量具采用标称值分别为1PF，10PF，100pF和1000PF的标准电容器。它们的差别在不确定度和年稳定度。三等标准电容量具采用标称值为10-4PF～1F的标准电容器。2、标准电容器端子1端子2接地端(b)外观水晶极板蔽罩端子1端子2接地端(a)构造标准电容器条件：（1）电容量不受频率和温度的影响；（2）介电损耗小；（3）绝缘好，耐反压高。2、标准电感器1.511线圈大理石(a)构造面（剖面图）RLC(b)等效电路图三、电感标准1、标准概况采用标称值为1μH-10000H的标准电感器作为标准电感量具。标准电感量具分成0.01级、0.02级、0.05级、0.1级、0.2级、0.5级和1.0级，对应的级别指数a为0.01，0.02，0.05，0.1，0.2，0.5和1.0，对应的最大允许误差δ和年稳定度γ为a%。§5.3阻抗的模拟测量法一、电压电流法二、电桥法三、谐振法测量元件参数四、Q值测量一、电压电流法电压-电流法又叫伏安法，即利用欧姆定律，用测量的电压值和电流值计算被测阻抗值：被测器件的导纳为：..||jxUZRjXZeI1jYGjBYeZ二、电桥法1、电桥的平衡条件用指数形式表示上式必须同时满足324xzzzz342423xjjjjxzezezeze423423xxzzzz阻抗模乘积阻抗角之和xZ2Z3Z4ZD交流电桥交流情况下，必须调节两个以上的元件才能使电桥平衡。实用电桥设计：①电桥两臂采用纯电阻；②若相邻两臂为纯电阻，则另外两臂阻抗性质必须相同，同为容性或同为感性；③若相对两臂为纯电阻，则另外两臂阻抗性质必须相反，一个是容性阻抗，一个是感性阻抗；直流电桥，4臂都是纯电阻，不考虑相位问题。2、交流四臂电桥精密万用电桥方框图平衡调节机构测量桥路平衡指示电路显示电路电源测量信号源关键装置测量电阻：惠斯登电桥；测量电容：电容比较电桥；测量电感：海氏电桥；xR2R3R4RG惠斯登电桥2S1SExR2R3R4RD电容比较电桥xC3CxR2R3R4RD海氏电桥4CxL234xRRRR234432xxRRRRRCCR22344244234244()1()1()xxRRRCRCRRRCLCR3、变压器耦合臂电桥两电桥的平衡条件都为s21xZwwZ电压比例臂构成的桥路xZSZ1W2W电流比例臂构成的桥路xZSZ1W2W1.I2.IDD各绕组端电压与匝数成正比各绕组电流与匝数成反比要求：标准臂阻抗性质与被测阻抗性质相同。特点：准确度高，稳定性高，抗干扰能力强。4、电桥法测量集总参数元件的误差①标准元件值的误差②电桥指示器的误差（灵敏度不够）③屏蔽不良引起误差（如寄生耦合和外界电磁场的干扰引起的误差）。三、谐振法测量元件参数谐振法测量原理图CMVALLCCLCLXLC202000011011当回路达到谐振时:测量精度比交流电桥法低；线路简单，比高频电桥容易实现；常用于测高频电路参数。1、直接测量并联谐振法测电容xCsC0f振荡器DML适用于CX较小时选择适当电感L(不必为标准电感)，接入标准可变电容CS，调至较大值Cs1，调信号源频率，使回路谐振。然后并联接入被测电容C