阻抗测量

第6章阻抗测量第6章阻抗测量26.1引言6.2阻抗标准6.3阻抗的模拟测量法6.4阻抗的数字测量法元件的工业趋势6.1概述6.1.1集总参数元件特性表征1.阻抗定义及表示方法IUZ阻抗定义图IUZ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2.电阻器、电容器、电感器的电路模型(1)真值，有效值和指示值(2)元件的影响因素测试信号频率测试信号电频直流偏置电压和电流温度其它影响因素（环境，湿度，老化等）理想电阻考虑引线电感考虑引线电感和分布电容电阻器RRRC0L0L0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CCCR0R0L0R,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测量器件的寄生参数影响DUT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RL0电感器的频率响应C0LR0LC0R0C0的影响|z|理想LƒR0理想LC0的影响|z|ƒR0电容器的频率响应L0的影响|z|R0理想CƒR0CL0测试信号（AC）电频对电容器和铁芯电感器的影响与AC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测试信号电频：高K值中K值低K值ΔCoV(b)测试电流(AC)ΔLoI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oΔCΔCo110102103104256.1.2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VRXDUTLXEZEICVEVRXRXQEVRIVXXCXLXCOSC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V1V2RSZXIOSC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VVRRVRVVIIVIVZxRV1VV2RI1ZXIOSCRI2(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-+DUTHLR虚地V1II2I=I2V2=I2RZ=V1I=V1RV2V1I2=V2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）───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-ZAnalyzerQ:165Q:120LCRmeterQ:165Q=120?L:5.231uH?L:5.310uHLCRmeter5.310uHLCRmeter5.231uHuH网络分析法300KHz1101001K10K100K1M10M100M1G10G10KHz70MHz10KHz110MHz1MHz3GHzRF电压电流法电压-电流法法谐振法0HZ300MHz电桥法20HZ110MHz自动平电桥法频率和测量方法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.仪器分类阻抗测量仪器分为两种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R0L0DUTVAR0L0(b)示意图1m10m100m1101001K10K100K1M10M100M2T)((c)阻抗测量范围C0三端连接头HpLCDUTLPHC(a)连接图(b)示意图R0L0DUTVAR0L0C0(d)具有屏蔽的两端连接头1m10m100m1101001K10K100K1M10M100M3T)((c)阻抗测量范围DUTVA四端连接头HpLCDUTLPHCDUTVA1m10m100m1101001K10K100K1M10M100M4T(a)连接图(b)示意图)((c)阻抗测量范围五端连接头HpLCDUTLPHCDUTVA(a)连接图(b)示意图1m10m100m1101001K10K100K1M10M100M5TDUTVA(d)具有屏蔽的四端连接头)((c)阻抗测量范围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。6.2阻抗标准6.2.1电阻标准1）标准概况2）标准电阻器6.2.2电容标准1）标准概况2）标准电容器6.2.3电感标准1）标准概况2)标准电感器6.2.1电阻标准1）标准概况电阻计量标准器具分为一等和二等两个等级一等电阻标准包括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6.2.2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6.2.3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%。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6.3阻抗的模拟测量法6.3.1电压电流法6.3.2电桥法6.3.3谐振法测量元件参数6.3.4Q值测量6.3.1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：jXRIUZ..xjYjBGZ1Y6.3.2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324xj3j2j4jxzzzz324x324xzzzzxZ2Z3Z4ZD交流电桥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.IDD4）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③屏蔽不良引起误差寄生耦合和外界电磁场的干扰也会引起误差。6.3.3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:（1）直接测量谐振法直接测电容xCsC0f振荡器DML当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（如虚线所示），调回路至谐振，然后接入被测电容CX21ssxCCC当CX较大时CX应和CS串联接入1221ssssxCCCCC（2）替代法：①并联替代法（测大电感）并联替代法测量电感的原理图信号源sCLVxL12241sCfL222411sxCfLL)(411222ssxCCfLsCLVxL串联替代法测电感②串联替代法（测小电感）12241sCfL22241sxCfLL2122214ssssxCCfCCL1.Q表组成原理及测量原理Q表是根据谐振原理制成的，又称为品质因素测量仪。它由高频振荡器、测量电路和输入、输出指示器等组成。2．Q表测量中产生测量误差的因素Q表的基本组成框图xL高频振荡器sCxC2C1C1PV2PV1.U.2U12346.3.4Q值测量6.4阻抗的数字测量法6.4.1矢量电流-电压法1.矢量电流-电压法的原理（1）固定轴法（2）自由轴法2.智能化LCR测量仪的基本组成6.4.2自动平衡电桥6.4.1矢量电流-电压法1.矢量电流-电压法的原理jXRIUZ..xZsRsUxUUxZsRU.xUsU.接入标准阻抗RSssxxxssRUUIUZRUI,2）阻抗的数字测量法原理图xZsZ1S2S（1）固定轴法yxosy.U固定轴法矢量关系图xxUxU.sUjXRIUZ..ssxxssRUUZRUI,sssUjUU0.sxysxxssxsxUUjUURUURZ.（2）自由轴法自由轴法矢量关系图yxosyU.xxU.sxU.sUxyUxU2222..sysxsyxxsxxysysxsyxysxxxssysxxyxxssxsxUUUUUUjUUUUUURjUUjUURUURZxyxxxjUUU.sysxsjUUU.2智能化LCR测量仪的基本组成选择开关1测试信号源可变衰减器相敏检波器放大器滤波器选择开关2积分器比较器单片微机系统显示器功能选择自由轴发生器0RXZSRSUXUV/I转换器双斜积分信号调理-+A1A2A3+-+-6.4.2自动平衡电桥信号源部分矢量比检波器部分自动平衡电桥调制器到数字部分HC-电流高端LC-电流低端Hp-电位高端LP-电位低端LC电流电压转换器本振HPHC源电阻LP振荡器放大器缓冲器缓冲器1S混频器放大器ATTA/D自动衰减器量