电子测量第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6.1引言6.1.1集中参数元件特性表征1.阻抗定义及表示方法IUZIUZZ},R{Z实轴+j-j电阻电感电容虚轴)sin(cosjZeZjXRIUZj电阻电抗2.电阻器、电容器、电感器的电路模型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(1)真值、有效值和指示值(2)元件的影响因素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普通电感磁心损耗高的电感电容器的频率响应L0的影响|z|R0理想CƒR0CL0测试信号电平（AC）的影响(AC)电平对铁心电感器的影响(AC)电平对陶瓷电容器的影响测试电压(AC)高K值中K值低K值ΔCoV测试电流(AC)ΔLoI直流偏置电压对陶瓷电容器的影响直流偏置电压直流偏置电流对铁心电感器的影响直流偏置影响高K值低K值ΔCoV0直流偏置电流oΔLI0温度中K值高K值温度对陶瓷电容的影响oΔC25温度的影响时间老化对陶瓷电容的影响ΔCo110102103104其他因素的影响6.1.2元件参数测量的基本技术(1)电桥法321ZZZZxxZ2Z3Z1ZD1.测量方法概述图6-2电桥法谐振法QRXDUTLXECOSC图6-3诣振法(3)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V1V2RSZXI图6-4电压电流法(4)RF电压电流法(a)低阻抗类型122212121121VVRRVRVVIIVIVZxRV1UV2RI1ZXIOSCRI2R(b)高阻抗类型RUV2V1ZXIOSCR—122/21221VVRRVVVIVZxR2(5)自动平衡电桥法-+DUTHLR虚地V1II2I=I2V2=I2RZ=V1I=V1RV2V1I2=V2───图6-6自动平衡电桥法(6)网络分析法输入信号反射信号定向耦合器或电桥OSCZXV1V2图6-7网络分析法网络分析法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2.仪器分类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采用谐振法的：Q表采用电压-电流法的：多用表、可变电阻器、参数测量仪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3.测量连接头常用的连接方法有：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为电流低端连接图R0L0DUTVAR0L0C0示意图三端连接头HpLCDUTLPHC连接图示意图R0L0DUTVAR0L0C0具有屏蔽的两端连接头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DUTVA(c)具有屏蔽的四端连接头四端对连接头HpLCDUTLPHC(a)连接图(b)示意图DUTVA1m10m100m1101001K10K100K1M10M100M4TP)((c)阻抗测量范围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)构造图6-9无损耗空气电容器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)等效电路图图6-10标准电感器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(6-8)(6-9)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(6-10)(6-11)(6-12)(6-13)2)交流四臂电桥图6-11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测量电阻惠斯登电桥测量电容电容比较电桥测量电感麦克斯韦-韦恩电桥海氏电桥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电桥法测量集中参数元件的误差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6.3.3谐振法测量元件参数图6-12谐振法测量原理图CMVALLCCLCLXLC202000011011当回路达到谐振时:1）替代法测电容图6-13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）替代法测电感①并联替代法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12241sCfL22241sxCfLL2122214ssssxCCfCCL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。图6-16Q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,图6-17引入标准阻抗测试缓冲放大器数字显示器相敏检波器A/D转换器CPURAMROM相位参考基准xZsZ1S2S图6-18阻抗的数字测量法原理图（1）固定轴法yxosy.U图6-19固定轴法矢量关系图xxUxU.sUjXRIUZ..ssxxssRUUZRUI,sssUjUU0.sxysxxssxsxUUjUURUURZ.（2）自由轴法图6-20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+-+-图6-21智能化LCR测量仪的基本原理图6.4.2自动平衡电桥矢量比检波器部分信号源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自动衰减器量程电阻DUT功率放大器积分器90000-900sxrxUURZxZrR小结①阻抗测量有多种方法②电桥主要用来测量低频元件③Q表主要用来测量高频元件④阻抗的数字测量法