电子元器件测量与仪器

第6章电子元器件测量与仪器1第6章电子元器件测量与仪器6.1概述6.2伏安法及数字化测量6.3电桥法测量集中参数元件6.4谐振法测量集中参数元件6.5晶体管特性图示仪及应用本章小结第6章电子元器件测量与仪器2第6章电子元器件测量与仪器学习参考：本章主要介绍电阻、电感、电容、晶体管等电子元器件的测量及测试仪器的组成原理，要求通过学习理解电子元器件的测试方法及原理，了解测量仪器的组成及使用方法。本章要点：集中参数元件的等效，集中参数元件的测量方法、工作原理及电桥、Q表、晶体管特性图示仪的组成及使用。第6章电子元器件测量与仪器36.1概述在电子技术中，电子元器件的测量主要包括集中参数元件的测量和晶体管、场效应管等器件的测量。集中参数元件测量是指对电阻、电容、电感、阻抗品质因数Q及损耗因数D的测量。虽然理想元件中只包含大小恒定不变的纯电阻或纯电抗，但实际的集中参数元件并非如此，因此，集中参数元件的测量还包括Q、D的测量。如图6.1所示，实际电阻器可以等效为纯电阻R与寄生电感LR的串联。寄生电感是由于绕制电阻的金属丝或碳膜电阻制造过程中的刻槽等原因而产生的。在低频状态下，ωLR很小，故可以忽略绕制电阻而产生的寄生电感LR的影响，但在高频状态下，应考虑LR的影响。第6章电子元器件测量与仪器4如图6.2(a)、图6.2(b)所示，实际电容器可以等效为串联损耗电阻RCS与纯电容C的串联或并联损耗电阻RCP与纯电容C的并联。损耗电阻包括电容漏电阻和介质损耗电阻。事实上实际电容器还存在引线电感，因为低频状态下引线电感的感抗很小，可以忽略。通常用损耗因数Dx（或损耗角正切tanδ）来表示电容器的损耗大小。图6.2(a)、图6.2(b)分别具有如下关系：RLR图6.1实际电阻器的等效电路(a)(b)RCSCCRCP图6.2实际电容器的等效电路第6章电子元器件测量与仪器5Dx=tanδ=RCS/XC=ωCRCSDx=tanδ=XC/RCP=1/ωCRCP式中，XC为电容器的容抗；δ为电容器的损耗角。如图6.3(a)、图6.3(b)所示，实际电感器可以等效为串联损耗电阻RLS与纯电感L的串联或并联损耗电阻RLP与纯电感L的并联。事实上实际电感器还包含分布电容，但在频率不高的情况下，由于分布电容的影响较小，故可以忽略。通常用品质因数Q来表示电容器的损耗大小。图6.3(a)、图6.3(b)分别具有如下关系：Q=XL/RLS=ωL/RLSQ=RLP/XL=RLP/ωL第6章电子元器件测量与仪器6集中参数元件的测量包括伏安法、电桥法和谐振法三种。6.2伏安法及数字化测量6.2.1伏安法伏安法，即电压表-电流表法，是根据欧姆定律来测量集中元件参数的。该方法使用方便，但测量精确度较差，仅适用于低频测量，比较适合直流电阻的测量。图6.4(a)、图6.4(b)分别为电流表外接、内接的伏安法测量集中参数元件原理图。在忽略电压表、电流表内阻影响的情况下，根据欧姆定律有：Z=U/I第6章电子元器件测量与仪器7当测量直流电阻时，电源为直流电源，则R=Z=U/I当测量电容或电感时，角频率为ω的交流电压作为电源，由电容、电感等效电路的分析可知，二者都可以等效为电阻与电抗的串联，即阻抗的模值Z为在忽略损耗电阻影响的情况下，存在关系：图6.4伏安法测量原理图A电源Z(a)V(b)A电源ZV22XRZ第6章电子元器件测量与仪器8XL=ωL(6-1)上述分析中，均忽略了电压表、电流表内阻的影响，实际测量的准确度较低。当被测元件阻抗远大于或者可以与电压表输入阻抗相比拟时，比较适合采用电流表内接的方法；反之，比较适合采用电流表外接的方法。由式（6-1）可知，如果测量时保持两个参数不变，而只改变一个参数，就可以用一个测量仪表进行测量。例如，测量电容时，保持频率和电压不变，则流过电容器的电流I与电容C之间存在单值对应的关系，电流表即可以刻度成电容的单XXRZIU22CX1CIULUIC第6章电子元器件测量与仪器9位，该仪表称为法拉计。伏安法可以测量1Ω到数百兆欧范围内的电阻以及1pF到数百微法的电容。6.2.2阻抗的数字化测量阻抗的测量包括电感、电容、电阻等元器件的测量。阻抗的数字化测量是利用正弦信号在被测阻抗两端产生交流电压，然后对电压实部和虚部进行分离，最后利用电压的数字化测量来实现阻抗的测量。1.电感元件的测量图6.5为电感-电压（L-V）变换器原理图。图中左半部分为阻抗-电压变换部分；同步检波器实现实部、虚部分离；峰值检波器完成交-直流电压变换，并提供基准电压。U1、U2、第6章电子元器件测量与仪器10Ur都要送到电压表双积分式A/D变换器。经过分析得到：（6-2）（6-3）分析式（6-2）、（6-3）可见，因为Ur、R1均为常数，只要利用双积分式数字多用表测出U1、U2来，即可换算出Rx、Lx及Qx的大小来。x1r1RRUUx1r2LRUUur－∞++运放同步检波器ur峰值检波器R1RxLxUoU1U2Ur图6.5电感—电压变换器同步检波器jurUrcosωt第6章电子元器件测量与仪器112.电容元件的测量图6.6为电容-电压变换器的阻抗—交流变换部分，其他部分与电感—电压变换器的结构相似。利用上述方法，可得：U2=－R1UrωCx由此可见，也可以利用数字多用表来实现Cx、Rx及Dx的测量。图6.6电容-电压变换器－∞++AurR1RxCxUorX11URRU第6章电子元器件测量与仪器123.LCR参数测试仪图6.7为LCR参数测试仪原理图。经分析得知：（Ω）（S）式中，R为等效串联电阻；X为等效串联电抗；G为等效并联电导；B为等效并联电纳。－∞++运放f正弦交流+－+－Rs图6.7LCR参数测试仪原理图iUYZ或oUssioRYZRUU)(soijXGRUUjXRIUZjBGUIY第6章电子元器件测量与仪器13由上述分析可见，只要先测出和，再把和同步整流并分解出实部和虚部，进而计算出上式中R，X，G，B，最后以数字形式显示出被测元件R，L，C，D，Q等参数。测量线圈或电容时，可以选择它们的串联等效电路或并联等效电路来进行测量。一般来说，对小容量电容和高阻抗线圈，采用并联等效电路测量，而对电解电容等大容量电容或小阻抗线圈采用串联等效电路进行测量。6.3电桥法测量集中参数元件电桥法又称为指零法，是利用零指示器作为电桥平衡指示器，根据电桥平衡时，各桥臂之间的关系来确定被测量。该方法的工作频率较宽，测量精度较高，可达10-4，比较适合低频阻抗元件的测量。该方法构成的测量仪器称为平衡电桥或电iUoUiUoU第6章电子元器件测量与仪器14桥。电桥分为直流电桥和交流电桥两大类，前者用于测量直流电组，后者用于测量电容、电感等参数，在此主要讨论交流电桥。6.3.1交流电桥1.工作原理图6.8为交流电桥原理图，主要由桥体、电源G及平衡指示器P等组成。桥体由Z1、Z2、Z3、Zx四个桥臂组成，桥臂由电阻和电抗元件组成。电源为纯正弦交流电源。当IP=0时，电桥处于平衡状态，电桥平衡条件如下：或312xZZZZ)(31)(2x312xjjeZZeZZ第6章电子元器件测量与仪器15即(6-4)φx+φ2=φ1+φ3(6-5)由此可见，要使交流电桥完全平衡，必须同时满足式（6-4）和式（6-5），即振幅平衡条件和相位平衡条件。所以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。于是，当Z1、Z2为纯电阻R1、R2时，满足关系：（6-6）312xZZZZ图6.8交流电桥PZ1Z2Z3ZxIPG321xZRRZ第6章电子元器件测量与仪器16当Z1、Z3为纯电阻R1、R3时，满足关系：（6-7）由式（6-6）和式（6-7）得，当两个邻臂为纯电阻时的电桥称为臂比电桥，它比较适于测量电容；当两个相对桥臂为纯电阻时的电桥称为臂乘电桥，它比较适于测量电感。交流电桥的电源必须为纯正弦波交流电源，否则，由于电源中频率成分的复杂，会使电桥产生假平衡，从而产生很大的误差。为了提高测量精确度，IP要经过选频放大器放大、检波器检波后送入检流计。为了减小杂散耦合的影响，电桥各部分之间要良好屏蔽，但即使如此，交流电桥也只适合在音频或低射频段使用，高频段的测量适合选用谐振法。[例6-1]图6.9(a)为测量低Q电感的麦克斯韦电桥桥体，试231xZRRZ第6章电子元器件测量与仪器17求Rx、Lx、Qx各是多少？解：该交流电桥平衡条件为：经推导，得：Rx=R1R2/RsLx=R1R2CsQx=ωLx/Rx=ωRsCs[例6-2]图6.9(b)为测量高Q电感的海氏电桥桥体，试求Rx、Lx、Qx各是多少？解：该交流电桥平衡条件为：SSxx2111)(CjRLjRRR图6.9例6-1、例6-2图RxLxR1R2RS(a)CSCSR1RxLxRSR2(b)第6章电子元器件测量与仪器18经推导，得：Rx=R1R2/RSLx=R1R2CS[例6-3]图6.10(a)为测量低损耗电容的串联电阻式比较电桥桥体，试求Rx、Cx、Dx各是多少？解：该交流电桥平衡条件为：xxxxSS21)1(LjRRLjCjRRRSSx1CRQ2xxS1)1()1(RCjRCjRRS第6章电子元器件测量与仪器19经推导，得：Dx=ωCxRx=ωRsCs[例6-4]图6.10(b)所示为测量高损耗电容的并联电阻式比较电桥桥体，试求Rx、Cx、Dx各是多少？解：该交流电桥平衡条件为：经推导，得：RxCxRSCSR1R2(a)RxCxRSCSR1R2(b)图6.10例6-3、例6-4图S21xRRRRS12xCRRCxx2SS111CjRRCjRRS21xRRRR第6章电子元器件测量与仪器202.QS18A型万用电桥（1）组成QS18A型万用电桥是一种便携式交流电桥，主要用于测量电阻、电感、电容等参数。其组成如图6.11所示，主要由桥体、信号源（1kHz）和晶体管检流计三部分组成。桥体是电桥的核心部分，实际上是由直流电桥、交流电容电桥及电感电桥组合而成。使用时，通过变换开关进行切换，以实现不同参数或量程的测量。（2）测量电容S12xCRRCSSx1CRD选频放大与整流1kHz振荡器或9V直流电源桥体P图6.11QS18A型万用电桥组成框图第6章电子元器件测量与仪器21测量电容时，桥体连接成如图6.12所示的形式。Cx、Rx分别为被测电容的容量、串联等效电阻阻值，R2由标准粗调、细调电阻器组成。调节桥体中可调电阻器使电桥平衡，根据电桥平衡条件，可导出：由此可知，在量程确定的情况下，只要C2保持不变，可以通过调节R3使电桥平衡。其中，Cx、Rx、Dx可由有关度盘读出数值。231xRRRR213xCRRC22xCRDRxCxR1R3R2C2图6.12测量电容原理图第6章电子元器件测量与仪器22（3）测量电感测量电感时，桥体连接如图6.13所示。Lx、Rx分别是被测电感的电感量、串联等效损耗电阻。当电桥平衡时有：Lx=R1R2C3Qx=ωC3R3（4）使用方法图6.14为QS18A型万用电桥面板结构图。面板上各开关旋钮的作用如下：①被测元件接线柱用于连接被测元件。②外接插孔用于外接音频电源。231xRRRRRxLxR1R3R2C3图6.13测量电感原理图第6章电子元器件测量与仪器23③外-内1kHz选择开关，用于选择电桥工作电源。④量程开关，确定测量范围，各示值是指电桥读数在满刻度时的最大值。④⑤②①uA读数内1kHz外③⑥⑦⑧⑨图6.14QS18A型万用电桥面板结构图121110第6章电子元器件测量与仪器24⑤损耗微调旋钮，用于细调平衡时的损耗，一般情况下置于“0”位置。⑥损耗倍率选择开关，分为三挡：Q×1，D×0