电子测量技术第6章阻抗测量

第1页第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阻抗的数字测量法第2页6.1引言一般指电阻、电容、电感及相关的Q值、损耗角、电导等参数的测量。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第3页sinZXcosZRRXarctgXRZ22阻抗元件不会以纯电阻,纯电容或纯电感特性出现,而是这些阻抗成分的组合。测量的具体条件改变可能会引起被测阻抗特性的改变。阻抗两种坐标形式的转换关系为：DUTZ},R{Z实轴+j-j电阻电感电容虚轴第4页2.电阻器、电容器、电感器的电路模型存在寄生电容、寄生电感和损耗。测量条件应尽可能与实际工作条件接近，否则误差较大。(1)真值，有效值和指示值真值：是排除了寄生参数缺陷的电器元件量值。有效值：考虑了元件寄生参数的影响，它是实验者需要知道的量值。与频率相关。指示值：测量仪器获取和显示的量值，反映出仪器的固有损耗和不精确性。第5页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第6页理想电容考虑泄漏、引线电阻和电感考虑泄漏、介质损耗等电容器CCCR0R0L0R,0第7页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第8页(2)元件的影响因素频率：寄生参数的存在使频率对所有元件都有影响。电平：施加的测量信号会影响测试结果。直流偏置(电压和电流)：一些无源元件也寻在直流偏置影响。(例如，陶瓷电容等)温度：大多数元件都存在温度影响因素。其它影响因素(环境，湿度，老化等).第9页测量器件的寄生参数影响DUT第10页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第11页电感器的频率响应C0LR0LC0R0C0的影响|z|理想LƒR0理想LC0的影响|z|ƒR0普通电感磁芯损耗高的电感第12页电容器的频率响应L0的影响|z|R0理想CƒR0CL0第13页测试信号（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测试信号电平：(K为介电常数)高K值中K值低K值ΔCoV(b)测试电流(AC)ΔLoI第14页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oΔLI0第15页④温度时间(h)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第16页6.1.2元件参数测量的基本技术电桥法：当电桥平衡电流流过检流计(D)为零时，被测阻抗Zx值可以从与其他元件的关系获得。321ZZZZxxZ2Z3Z1ZD1.测量方法概述第17页电桥法的优缺点: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第18页谐振法调节电容C使电路谐振，就能根据测量频率、C值和Q值得到阻抗Lx和Rx的值。谐振时XL=XC仅有RX存在。VRXDUTLXEZEICVEVRXRXQEVRIVXXCXLXCOSCQ值用跨接在可调电容器上的电压表直接测量。第19页谐振法的优缺点：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第20页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低阻值标准电阻RS上的电压计算sxRVVIVZ211V1V2RSZXIOSC第21页电压电流法的优缺点：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第22页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第23页(b)高阻抗类型RVV2V1ZXIOSCRR——2122/21221VVRRVVVIVZx第24页射频电压电流法的优缺点：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第25页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）电流/电压放大器使R上电流与DUT上电流保持平衡───第26页自动平衡电桥法的优缺点：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第27页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第28页网络分析法的优缺点：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第29页-哪个值正确?ZAnalyzerQ:165Q:120LCRmeterQ:165Q=120?L:5.231uH?L:5.310uHLCRmeter5.310uHLCRmeter5.231uHuH第30页网络分析法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第31页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第32页2.仪器分类阻抗测量仪器分为两种一种是利用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；参数测测仪第33页另一种是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：网络分析仪第34页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，N型、BNC型等；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。第35页阻抗的连接图、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)连接图第36页R0L0DUTVAR0L0(b)示意图1m10m100m1101001K10K100K1M10M100M2T)((c)阻抗测量范围C0第37页三端连接头HpLCDUTLPHC(a)连接图(b)示意图R0L0DUTVAR0L0C0第38页(d)具有屏蔽的两端连接头1m10m100m1101001K10K100K1M10M100M3T)((c)阻抗测量范围DUTVA第39页四端连接头HpLCDUTLPHCDUTVA1m10m100m1101001K10K100K1M10M100M4T(a)连接图(b)示意图)((c)阻抗测量范围第40页五端连接头HpLCDUTLPHCDUTVA(a)连接图(b)示意图第41页1m10m100m1101001K10K100K1M10M100M5TDUTVA(d)具有屏蔽的四端连接头)((c)阻抗测量范围第42页四端对连接头HpLCDUTLPHC(a)连接图第43页(b)示意图DUTVA1m10m100m1101001K10K100K1M10M100M4TP)((c)阻抗测量范围第44页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。使用不同的仪器会得到不同的电感测量结果：(1)测量信号电流：即使输出同样的电压，由于源阻抗不同，其输出电流也将不同；(2)测量夹具：大小和形状不同，产生的涡流大小也不同。电感器旁的金属物体的影响。第45页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)标准电感器第46页6.2.1电阻标准1）标准概况1990.1.1起使用量子化霍尔电阻标准。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。第47页电压端子2）标准电阻器电阻值稳定；温度系数小；对铜的热电势小。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标准电阻器标准电阻值较低时，由于存在与引接线的接触电阻问题，因此把电压端子和电流端子独立设置。第48页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。分成0.01级、0.02级、0.05级、0.1级、0.2级、0.5级和1.0级。第49页2）标准电容器频率和温度变化不引起电容量变化；介电损耗小；绝缘良好，耐反压高。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)构造图无损耗型空气电容器第50页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%。第51页2)标准电感器要求作为单位量的电感值不随电流和频率的大小而改变。1.511线圈大理石(a)构造面（剖面图）RLC(b)等效电路图第52页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值测量第53页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第54页6.3.2电桥法以电桥平衡原理为基础。优点：精度高，能在很大程度上消除或削弱系统误差的影响。缺点：交流电桥对幅值与相位两个参量进行反复平衡调节，调节步骤繁琐，桥路中还采用一些昂贵的精密元件，制作困难等。第55页1.电桥的平衡条件一对相对桥臂阻抗的乘积必须等于另一对相对桥臂阻抗的乘积。用指数形式表示上式必须同时满足324xzzzz324xj3j2j4jxzzzz324x324xzzzzxZ2Z3Z4ZD交流电桥第56页电桥四个臂的元件性质要适当选择：(1)若相邻两臂(如Zx和Z3)为纯电阻，则另外两臂的阻抗性质必须相同；(2)若相对两臂(如Zx和Z4)采用纯电阻，则另外两臂必须一个是电感性阻抗，另一个是电容性阻抗。(3)若是直流电桥，各臂均由纯电阻构成，不需考虑相位问题。第57页2.交流四臂电桥精密万用