第7章电子元器件参数测量技术

第7章电子元器件参数测量技术7.1万用电桥工作在低频电路的元件参数常采用电桥法进行测量，电桥法实际上是一种比较测量法，它把被测量与同类性质的标准量进行比较，从而确定被测量大小的方法。万用电桥就是一种在低频条件下测量电阻、电容、电感参数的交流阻抗电桥。7.1.1电桥的分类与平衡条件1.直流电桥直流电桥电路原理图如图7-1所示，四个桥臂均为电阻，由直流电源供电，只能测量电阻，该电桥又称惠斯通电桥。工作时，调节一个或几个桥臂上的电阻，使检流计指示为零，此时电桥处于平衡条件，被测电阻为如果R1、R2、R3均为标准电阻，检流计的灵敏度也很高，则被测电阻的准确度很高。GRXR3R2R1U123RRRRx图7-1直流电桥电路原理图交流电桥电桥平衡条件为（7-2）根据上式，可以计算出被测元件ZX的量值。电桥平衡时有（7-3）（7-4）GZXZ3Z2Z1U图7-2交流电桥电路原理图312ZZZZX||||||||312ZZZZX312X当相邻两桥臂为纯电阻时，另外两个桥臂应呈现同性电抗；当某一对角桥臂为纯电阻时，另外一对角桥臂应呈现异性电抗；当两个桥臂由纯电阻构成时，呈现电抗特性的桥臂必须由标准可调电阻和电抗件构成，该电抗件一般选用标准可调电容。电桥的整体框图如图7-3所示，它由桥体、信号源(1000Hz振荡器)和晶体管指零仪三部分组成。桥体是电桥的核心部分，由标准电阻、标准电容及转换开关组成，通过转换开关切换，可以构成不同的电桥电路，对电阻、电容、电感进行测量。测量桥体由惠斯通电桥、电容串联电桥、麦克斯威电桥。7.1.2QS18A万用电桥1.万能电桥组成和工作原理（1）电桥法测电容测量电容时，桥体连接成图7-4所示的串联电容电桥(维恩电桥)。根据电桥的平衡条件：ZXZ4＝Z2Z3，可导出243243223411)1()1(CjRRRRRCjRCjRRRCjRXXXX（7-7）由实部相等可得243RRRRX由虚部相等可得234CRRCX221RCQtg（7-9）（7-10）（7-8）图7-4串联电容电桥4(2)电桥法测电感测量电感时，桥体连接成如图7-5所示(麦克斯威电桥)。被测电感接在1、2两端，LX是它的电感量．RX是它的等效串联损耗电阻。当电桥平衡时由平衡条件可以导出：图7-5麦克斯威电桥LX=R2R3C4RX=R2R3/R4Q=ωC4R4这里只例举了两种电桥。实际上，不同厂家、不同型号的产品，综合了多种不同特点的电桥以获得更好的性能。表7-1给出了常用的各种电桥的基本线路、特点和平衡条件。电桥设计要点：①为结构简单，设计两臂为电阻。相邻两臂为电阻，另两臂则为同性阻抗相对两臂为电阻，另两臂则为异性阻抗②为易平衡：③多采用标准电容作标准电抗（它比标准电感精度高）(3)电桥法测电阻QSl8A型万能电桥的电阻测量电路采用惠斯通电桥，如图7-1所示，原理同直流电桥。直流电桥用于精确地测量电阻的阻值。当电桥平衡时，有：通常，R3，R2与的比值做成一比率臂，K称为比率臂的倍率，R1为标准电阻，称为标称臂。只要适当地选择倍率K和R1的阻值，就可以精确地测得Rx的阻值。1123KRRRRRx23RRK这里只例举了三种电桥。实际上，不同厂家、不同型号的产品，综合了多种不同特点的电桥以获得更好的性能。表7-1给出了常用的各种电桥的基本线路、特点和平衡条。电桥设计要点：①为结构简单，设计两臂为电阻。相邻两臂为电阻，另两臂则为同性阻抗相对两臂为电阻，另两臂则为异性阻抗②为易平衡：③多采用标准电容作标准电抗（它比标准电感精度高）（2）面板说明图7-6QS18A型万用电桥面板图(1)测量接线柱(2)外接插孔(3)拨动开关(4)量程开关(5)损耗微调(6)损耗倍率选择开关(7)指示电表(8)灵敏度调节(9)读数调节旋钮(10)损耗平衡调节旋钮2.QS18A万能电桥的使用(1)测量范围①电容测量②电感测量③电阻测量3.使用方法例7.1用QS18A万用电桥测量线圈的电感量Lx及Qx值。当电桥平衡时，左边测量读数盘(粗调)示值为0.6，右边测量读数盘(细调)示值为0.028，量程开关在100mH挡上，损耗倍率开关在Q×1挡上，损耗平衡盘读数为3.5，求被测电感Lx和品质因数Qx。解：由上面介绍的QS18A万用电桥的使用方法可知：Lx=(0.6+0.028)×100mH=62.8mHQx=1×3.5=3.5【例7.2】有一标称值为510pF的电容，用QS18A型万用电桥测量。试问①量程选择和损耗倍率开关应放在何位置？②若两读数盘示值分别为0.5和0.043，损耗平衡示值为1.2，其电容量和损耗值各为多少？解:①量程选择开关应放在1000pF处，损耗倍率开关应放在D×0.01处。②C=1000×(0.5+0.043)=543pF；D=0.01×1.2=0.0127.2高频Q表工作在高频电路中的元件参数通常采用谐振法进行测量，谐振法把被测元件接入LC回路，调节回路参数使其产生谐振特性，然后根据相应的关系来确定被测量的数值。在测量精度要求不高时，则常常使用谐振法。虽然它没有电桥法测量准确，但它的测量条件要求低，测量电路简单，受分布参数影响小，因此得到广泛应用。高频Q表是一种利用谐振法，在高频条件下，测量电容量及损耗因数（D值）、电感量及品质因数（Q值）、电感线圈的分布电容、高频回路的等效电阻及传输线的阻抗特性等参数的多用途仪器。其使用简便，工作频带宽，易于校准，更适合于高Q元件的测量。7.2.1谐振法测量原理当回路达到谐振时，有图7-7谐振法原理图LC10且回路总阻抗为零，即LCCLCLX2020001101将回路调至谐振状态，根据已知的回路关系式和已知元件的数值，求出未知元件的参量。1．谐振法测电感图7-7串联替代法测电感图7-8并联替代法测电感)(411222CCfLX12241CfL222411CfLLX不接LX调谐接LX调谐直接法测电容图7-10直接法测量电容LfCX2)2(12.谐振法测量电容按图7-10把被测电容Cx接好，调节振荡源频率f使电压表指示最大，则被测电容为直接法测量电容的误差包含：分布电容(线圈和接线分布电容)引起的误差；当频率过高时引线电感引起的误差；当回路Q值较低时，谐振曲线很平坦，不容易准确找出谐振点(电压表指示值最大)，也会产生误差。替代法测电容图7-11并联替代法测小电容在不接CX的情况下，将可变电容C调到某一容量较大的位置，设其容量为C1，调节信号源频率，使回路谐振。然后接入被测电容CX，信号源频率保持不变，此时回路失谐，重新调节C使回路再次谐振，这时C为C2，那么被测电容CX=C1-C2。替代法测电容当被测电容容量大于标准电容器的最大容量时，必须用串联接法，如图7-12所示。先将图中1、2两端短路，调到容量较小位置，调节信号源频率使回路谐振，这时电容量为C1。然后拆除短路线，将CX接入回路，保持信号源频率不变，调节C使回路再次谐振，此时可变电容C为C2，显然C1等于C2与CX的串联值，即。由此得图7-12串联替代法测大电容)/(221xxCCCCC1212CCCCCX3.Q表的工作原理Q表是由一个频率可变的高频振荡器，一只标准的可变电容器和一个高阻抗的电子电压表组成。当谐振电路谐振时，电容(或电感)上的电压：ssCcuQCfRuXIu021Q=XC/R=1/R2πf0CQ=us/ucUS图7-13Q表工作原理图IUc除了从电压表读出Q值外，还可以由振荡器和电容器的刻度盘上读出f和Cs的数值，从而根据sxCLf21的关系计算出线圈的电感Lx。为了方便起见，在标准电容器的度盘上加一条电感刻度，那么在测量一些特定频率时，可以不经计算而直接由刻度盘上读出Lx值。7.2.2QBG-3型高频Q表QBG-3型Q表是一种多功能、多用途、多量程的阻抗测试仪器。它是根据串联谐振原理，以电压比值刻度Q值的。•它能测量高频电感和谐振回路的Q值，电感器的电感量及其分布电容量，电容器的电容量和损耗角。配以专用夹具对电工材料的高频介质耗损，高频回路有效并联及串联电阻，传输线的特性阻抗等等。(1)波段选择开关(2)频率刻度盘(3)定位指示表(4)定位零位校直旋钮(5)定位细调、粗调旋钮(6)Q值指示表头(7)Q值零位校直旋钮(8)Q值范围选择开关(9)主调电容度盘(10)微调电容度盘(11)电源开关(12)电源指示灯(13)测量用接线柱图7-14QBG-3型Q表面板图主调电容度盘Cx接线柱Lx接线柱开定位零位校直Q值范围Q值零位校直Q×1定位表Q值定位细调定位粗调波段开关频率旋钮pFL.f对照表微调CL7.3晶体管特性图示仪晶体管特性图示仪简称图示仪，具有显示直观、使用方便、读测简单等优点，用途比较广泛。它可以测量PNP和NPN型三极管的输入特性、输出特性、电流放大特性；各类晶体二极管的正反向特性；场效应管漏极特性、转移特性，以及反向饱和电流、击穿电压、β值、夹断电压和跨导等参数。尤其在晶体管各种极限参数和击穿特性的观测时，采用瞬时电压和瞬时电流能使被测晶体管只承受瞬时过载而不会造成损坏，因此对晶体管的测试和晶体管的合理应用都带来极大的方便，但是一般不能用于测量晶体管的高频参数。7.3.1晶体管特性图示仪的测量原理与基本组成（1）基极阶梯波发生器：（2）集电极扫描电压发生器：（3）测试转换开关：（4）垂直放大器、水平放大器（或称X轴和Y轴放大器）（5）按作用在X轴和Y轴上的物理量不同，示波管显示不同的特性曲线1.晶体管特性图示仪的基本组成功耗限制取样电阻Y轴放大器X轴放大器示波管ieicibCEB阶梯波发生器集电极扫描电压发生器测试转换开关RcRf基极电阻Rb2.晶体管特性图示仪的测量原理晶体管特性曲线是指晶体管极电压与电流或电流与电流之间的关系曲线，对于晶体三极管，输出特性曲线是指在IB固定的条件下，集电极电流IC随集电极和发射极电压UCE变化而变化的关系曲线。对应于不同的IB都有一条与之对应的输出特性曲线，从而形成一簇特性曲线。图7-16是NPN型三极管输出特性曲线逐点测量法示意图。首先调节EB固定基极电流IB，改变EC值，可测得一组UCE和IC值；再改变基极电流IB，重复上述过程，可测得多组数值。适当选取坐标，即可得到三极管输出特性曲线，如图7-15(b)所示。图7-16NPN型三极管输出特性曲线逐点测量法示意图逐点测量法是晶体管特性图示仪测量原理的基础，而晶体管特性图示仪的测量为动态测量，因此为了实现以上过程，晶体管特性图示仪应具备以下功能：(1)能够提供测试过程所需的不同的基极电流IB；(2)每一个固定IB期间，集电极与发射极之间的电压UCE应作从小到大的相应改变；(3)能够及时取出各组UCE－IC曲线送至示波管X－Y电路，从而显示出输出特性曲线。在晶体管特性图示仪中，所需的基极电流由基极阶梯信号发生器提供，如图7-17所示，改变阶梯波每个周期的级数，可得到不同的曲线数。7.2高频Q表基极阶梯信号和集电极扫描电压信号是为被测晶体管提供合适的偏置电压，使其工作在放大状态，改变这两部分信号的极性开关，就可以对晶体管（NPN型或PNP型）提供极性不同的偏置电压；改变这两部分信号的大小，可使被测晶体管工作在特定的工作状态。通过改变X轴和Y轴上的物理量，在示波管上可测的管的不同参数。7.3.2YB4811型晶体管图示仪Y轴部分(6)示波管波形显示(7)电流/度开关(8)Y轴移位电源及示波管显示部分（1）电源开关：（2）辉度：（3）光迹旋转（4）聚焦（5）辅助聚焦X轴部分(9)X轴移位(10)电压/度开关(11)双簇移位(12)(13)级/簇阶梯信号(14)调零（15）串联电阻（16）电流—电压/极（17）重复/关(选择开关)（18）单簇按钮（19）极性集电极电源部分(20)保险丝1.5A(21)容性平衡(22)辅助容性平衡(23)功耗限制电阻(24)峰值电压Vce旋钮(25)Vce极性(26)峰值电压范围(27)3K