第七章电子元器件测量仪器

第7章电子元器件测量仪器7.1概述7.2集总参数元件特性7.3万用电桥原理及使用7.4高频Q表原理及使用7.5晶体管特性图示仪本章小结7.1概述电子元器件中，电阻器、电容器和电感器为基本电路元件；晶体二极管、三极管、场效应管、单结管、晶闸管等为半导体器件；运算放大器、数字逻辑电路、半导体存储器、微处理器等为集成电路器件。不同类型的电子元器件，需要使用不同的仪器进行测量。基本电路元件按其在电路中的工作频率不同，采用不同的测量方法和仪器。工作在低频电路中的元件，常采用电桥法测量，通常使用直流电桥、交流电桥和万用电桥；工作在高频电路中的元件，常采用谐振法测量，通常使用Q表、高频电感电容测量仪。因为半导体器件需要测量的参数很多，有直流参数、低频参数和高频参数，应根据需要测量参数的不同选择不同的测试仪进行测量。常用的仪器有晶体管特性图示仪、晶体管直流参数测试仪、h参数测试仪、Y参数测试仪和场效应管测试仪等。7.2集总参数元件特性电阻器、电容器、电感器这些基本电子元件，由于它们的特性可由两端的电压和电流之间的关系来确切表达，这种关系可用参数来描述，因此又称集总参数元件。1.电阻器具有电阻性质的元件称为电阻器，简称电阻，用R表示。电阻在电路中是耗能元件，电阻值的单位是欧姆(Ω),常用单位还有千欧(KΩ)和兆欧(MΩ)。电阻器的主要参数有电阻值及其误差，额定功率，温度系数等。实际应用中，需要测量的主要参数是电阻值。实际电阻器并不是纯电阻，存在引线电感和分布电容，当电阻器工作在低频时，主要为电阻性质，电抗性质可忽略。但工作在高频时就必须考虑其影响，高频时电阻器的等效电路如图所示。RLC2.电容器具有电容性质的元件称为电容器，简称电容，用C表示。电容在电路中是一个储能元件，电容量的单位法拉(F),常用单位有微法(μF)和皮法(pF)。实际电容器由于极间的电介质存在漏电阻（RCP），会使电容器消耗一定的能量，这种能量损耗称为电容器的介质损耗，此时电容器的等效电路如图所示。电容器的主要参数有电容量及其误差、额定电压（击穿电压）、温度系数、损耗因数等，实际应用中需要测量的是电容量和损耗因数。RcpC(a)RcpC(b)3.电感器具有电感性质的元件称为电感器，简称电感，用L表示。电感在电路中也是一个储能元件，电感量的单位是享利(H)。常用单位有毫享(mH)和微享(μH)。实际电感器由于线圈存在直流电阻，使电感器消耗一定的能量，这种能量损耗称为电感器的电阻损耗，此时电感器的等效电路如下图所示。其中R的下标P表示并联；S表示串联；L表示电感的等效电阻。RlsL(a)RlpL(b)实际电感器还存在分布电容，当电感器工作在低频时，分布电容可忽略。但工作在高频时就必须考虑其影响，高频时电感器的等效电路如下图所示。RCL(a)RCL(b)7.3万用电桥原理及使用工作在低频电路中的元件参数通常采用电桥法进行测量，电桥法实际上是一种比较测量法，它是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、电容和电感参数的交流阻抗电桥。1.电桥的分类及平衡条件直流电桥平衡条件RxR3R4R2XMM1324RRRRx交流电桥其工作原理与直流电桥基本相同，所不同的是桥臂由电阻和电抗元件组成，采用交流电源供电，平衡指示表为交流电表，桥臂由电阻和电抗元件组成，因此它可以用来测量交流电阻、电容和电感元件的参数。交流电桥的平衡条件有两个：一个是幅度平衡条件，一个是相位平衡条件。为此，交流电桥至少应有两个可调节的标准元件。为了使调节方便，交流电桥有两种基本形式：电阻比率电桥和电阻乘积电桥。ZxZ3Z4Z2XMM12.万用电桥的组成和工作原理为了测量使用方便，几种不同类型的电桥组合起来，使之具有测量电阻、电容和电感元件参数的功能，这种电桥称为万用电桥，电桥主要由测量桥体、音频振荡器、交流放大器和平衡指示表(检流计)几部分组成，如图所示。测量桥体由惠斯登电桥、电容串联比较电桥(一种比率电桥)、麦氏-文氏电桥(一种乘积电桥)组合而成，使用时通过转换开关进行切换。音频振荡器测量电桥交流放大器平衡指示器3.万用电桥的使用DF2811A／DF2811B／DF2812／DF2812A型LCR数字电桥是以微处理技术为基础的自动测量电感L、电容量C、阻抗R、品质因素Q、损耗角正切值的智能化参数测量仪器，其0.1％的基本精度和高分辨率的显示对于元件测量的质量和可靠性的提高将有莫大的帮助。本仪器采用了先进的测量原理与五端测量技术，可以长期精确测量而无需专门调校。为保证仪器的精确测量，可通过仪器自校准功能将存在于测试端上的杂散电抗和引线电阻进行清“0”。仪器有通用测量夹具和五端测试电缆各一付供用户选择使用。（1）主要技术指示测量参数：电感量L、电容量C、阻抗R、品质因素Q、损耗角正切值D测量频率：100HZ±0.02％、1KHZ±0.02％、10KHZ±0.02％（DF2811A）100HZ±0.02％、1KHZ±0.02％（DF2812）100HZ±0.02％、120HZ±0.02％、10KHZ±0.02％（DF2812A）测量范围及精度（如表所示）测试信号电平：0.3Vrms±10％（空载）测试速度：2～8次/秒，量程锁定时为8次/秒工作环境温度：0～40℃湿度：不大于90％RH大气压力：86～104Kpa使用电源：220V±10％50HZ±2HZ30VA外形尺寸：350×320×100mm重量：约5kg测量范围及精度L0.1H～9999H±0.1%C0.1pF～19999μF±0.1%R0.0001Ω～99.99MΩ±0.1%Q0.0001～9999±0.15D0.0001～9.999±0.0010DF2811A前面板序号名称说明功能1功能显示三只LED显示指示当前测量主参数2主参数显示五位数字显示显示L、C、R参数值3单位显示三只LED显示指示当前测量主参数单位4副参数显示四位数字显示显示损耗质D或品质因数Q5功能显示两只LED显示指示当前测量副参数6频率键选择加于被测元件上的测试信号的频率7等效键选择串、并联式设定仪器测量等效电路8速度键慢、中、快选择测量速度9锁定键量程锁定批量测试时，提高测量速度10清零键测试端开路和短路清零将引线电阻和测试端杂散电抗测量后，在输出结果中自动清除11参数键主参数选择选择仪器所需参数测量状态12电源开关ON状态时电源接通，OFF状态时电源断开13接地端用于被测元件的屏蔽地14测试端HD、HS、LD、LS测试信号端HD：电源激励高端LD：电源激励低端HS：电压取样高端LS：电压取样低端使用方法①使用前注意事项在对仪器进行操作前，首先应详细阅读仪器说明书，或在对本仪器熟悉的人员指导下进行，以免产生误操作。电源输入相线Ｌ零线Ｎ应与本仪器电源插头上标志的相线，零线相同。将测试所用夹具或测试电缆连接于本仪器前面板标志为HD、HS、LS、LD四个测试端。在使用测试电缆时，应将HD与HS短接，LD与LS短接。对具有屏蔽外壳的被测件，应把屏蔽层与仪器地“┴”相连。仪器应在技术指标规定的环境中工作，仪器特别是连接试件的测试导线应远离强电磁场，以免对测量产生干扰。仪器测试完毕或排除故障需打开仪器时，应电源开关置于OFF位置并拔下电源插头。仪器测试夹具或测试电缆应保持清洁，以保证试件接触良好，夹具簧片调整至适当的松紧程度。带电电容冲击保护本仪器具有专门设计带电电容的抗冲击电路，使由于带电电容对仪器的破坏性大大降低。操作步骤插上电源插头，将面板电源开关按至ON，显示窗口应有不断反滚的数字显示，否则重新启动电源。预热10分钟，待机内达到热平衡后，进行正常测试。根据被测器件，选用合适的测试夹具或电缆，选用测试电缆应保证HD、HS和LD、LS分别在末端短接。被测试件引线应清洁，与测试端保持良好的接触。根据被测件要求选择相应测量条件。根据被测件的测试标准或使用要求按频率键，选择相应的测量频率，例DF2811A可选择100HZ、1KHZ、10KHZ三个频率。仪器以五位数值显示主参数，使用参数键选择L、C、R，单位如下：L：μH、mH、HC：pF、nF、μFR：Ω、KΩ、MΩ本仪器共分五个量程，五个高精密电阻依次应用于各个量程，不同量程决定了不同的测试范围，所有量程构成了仪器完整的测试范围。量程处于自动状态，使用者将试件插入后所获得的测量值并不直接送显示，而是首先判断此测量是否选择了最佳量程，当在最佳量程时才将数据送至显示器显示。在此状态最多可能需三次才能完成一次测量。当量程处于锁定状态时，仪器量程锁定于当前量程，当量程锁定时，仪器测试速度为8次/秒，仪器不进行量程选择，可提高机内继电器使用寿命，降低仪器故障率。使用锁定键应首先将一需要批量测试的元件插入测试夹具，待数据稳定无误后锁定键“锁定”灯亮，设定便完成了。7.4高频Q表原理及使用7.4.1高频Q表的组成和工作原理1.高频Q表的组成高频Q表一般由高频振荡电路、频率指示器、测量回路、Q值指示电路和电源电路几部分组成，基本组成框图如图所示。2.高频Q表的工作原理高频Q表是利用谐振原理来进行各种测量。用高频Q表测量电感和电容时，通常采用替代法，其中又分为并联替代法和串联替代法，适于不同情况下使用。频率指示高频振荡电路测量回路Q值指示电路7.4.2高频Q表的使用QBG-3B型高频Q表采用了晶体管和集成电路器件，振荡频率指示采用数字式频率计，除具有一般Q表的测量功能外，还具有ΔQ测量和Q值设定功能，便于批量元件的测量。1.主要技术指标Q值测量范围：10～1000分4档30；100；300；1000，准确度±10%。电感量测量范围：0.1μH～100mH分6档。(0.1～1μH；1～10μH；10～100μH；0.1～1mH；1～10mH；10～100mH，准确度±5%)电容量测量范围：(1～460)pF。主调电容(40～500)pF；微调电容±3pF；准确度150pF以上为±1%；150pF以下为±1.5pF。振荡频率范围:50KHz～50MHz分6档。(50～150)KHz；(150～500)KHz；(0.5～1.5)MHz；(1.5～5)MHz；(5～16)MHz；(16～50)MHz）。2.面板布置3.使用方法（1）测试前准备仪器水平放置：先校准Q值指示表的机械零点，并将读数微调度盘调到零。接通电源：预热30min以上，待仪器稳定后再进行测量。每次测试前：应先短接接线柱两端，进行零点校准。（2）高频线圈Q值的测量将被测线圈接在接线柱上：选择测量频段，并调节振荡频率到所需频率值上。估计被测线圈的Q值：将Q值范围开关放在适当的位置上。调主调电容器远离谐振点位置：使Q值指示表指示最小，再调Q值零位校准旋钮，使Q值指示为零。调主调电容器到谐振：再调微调电容器到精确谐振点，即Q值指示表指在最大值，此时读数即为被测线圈的有效Q值Qe。（3）高频线圈电感量的测量将被测线圈接在Lx接线柱上；估计被测线圈的电感量,在面板对照表上选择一个标准频率，将振荡频率调到这一标准频率。估计线圈的Q值：将Q值范围放在适当的位置上。调主调电容器到谐振：这时读数盘上指示的读数再乘以对照表上所指的倍数，即为线圈的有效电感量。4.测量注意事项（1）被测元件与仪器测量接线柱间的接线应尽量短，足够粗，接触良好，以减小测量误差。（2）被测元件不要直接放在仪器顶部，必要时用低耗绝缘材料作衬垫物隔开。（3）不要将手靠近被测件，以免人体感应造成测量误差。（4）有屏蔽罩的被测元件，屏蔽应接在低电位的接线柱上。7.5晶体管特性图示仪晶体管特性图示仪是一种采用图示法直接在示波管上显示各种晶体管特性曲线的多用途测试仪器，通过仪器的标尺刻度可直接读出晶体管的各项参数。如测量PNP和NPN三极管的输入特性、输出特性、电流放大特性；各种反向饱和电流、各种击穿电压、各类晶体二极管的正反向特性；场效应管的漏极特性、转移特性、夹断电压和跨导等参数，此外还可测量单结晶体管和晶闸管的特性参数。与其