第二章 电路基本元器件参数的测量

1、第二章 电路基本元器件参数的测量第一节 电阻的测量电阻的主要物理特性是对电流呈现阻力，消耗电能，但由于构造上有线绕或刻槽而使得电阻存在有引线电感和分布电容，等效电路如图2-1所示。当电阻工作于低频时其电阻分量起主要作用，电抗部分可以忽略不计，即忽略LO和O的影响，此时只需测出值就可以了，但当工作频率升高时，电抗分量就不能忽略不计了。此外，工作于交流电路的电阻的阻值，由于集肤效应、涡流损耗、绝缘损耗等原因，其等效电阻随频率的不同而不同，实验证明，当频率在1KHZ以下时，电阻的交流阻值与直流阻值相差不超过1×10-4，随着频率的升高，其间的差值随之增大。 图2-1 电阻的等效电路 图2-

2、2 电桥法测量电阻一、 固定电阻的测量1、 万用表测量电阻模拟式和数字式万用表都有电阻测量档，都可以用来测量电阻，测量时先选择好万用表电阻挡的倍率或量程范围，再将两个输入端（称表笔）短路调零，再将万用表并接在被测电阻的两端，读出电阻值即可。在用万用表测量电阻时应注意以下几个问题： 要防止把双手和电阻的两个端子及万用表的两个表笔并联捏在一起，因为这样测得的阻值为人体电阻与被测电阻并联后的等效电阻的阻值，而不是被测电阻的阻值，在测几千欧以上的电阻时，尤其要注意这一点，否则会得到误差超出容许值的测量结果。 当电阻连接在电路中时，首先应将电路的电源断开，决不允许带电测量电阻值。若电路中有电容器时，应先

3、将电容器放电后再进行测量。若电阻两端与其它元件相连，则应断开一端后再测量，否则电阻两端连接的其它电路会造成测量结果错误。 由于用万用表测量电阻时，万用表内部电路通过被测电阻构成回路，也就是说测量时，被测电阻中有直流电流流过，并在被测电阻两端产生一定的电压降，因此在用万用表测量电阻时应注意被测电阻所能承受的电压和电流值，以免损坏被测电阻。例如，不能用万用表直接测量微安表的表头内阻，因为这样做可能使流过表头的电流超过其承受力（微安级）而烧坏表头。 万用表测量电阻时不同倍率档的零点不同，每换一档时都应重新进行一次调零，当某一档调节调零电位器不能使指针回到0欧姆处时，表明表内电池电压不足了，需要更换新

4、电池。 由于模拟式万用表电阻档刻度的非线性，使得刻度误差较大，测量误差也较大，因而模拟式万用表只能作一般性的粗略检查测量。数字式万用表测量电阻的误差比模拟万用表的误差小，但当它用以测量阻值较小的电阻时，相对误差仍然是比较大的。2、 电桥法测量电阻当对电阻值的测量精度要求很高时，可用电桥法进行测量。如图2-2所示R1、R2是固定电阻，称为比率臂，比例系数K=R1/R2可通过量程开关进行调节，Rn为标准电阻称为标准臂，Rx为被测电阻，G为检流计。测量时接上被测电阻，接通电源，通过调节K和Rn，使电桥平衡即检流计指示为零，读出K和Rn的值，即可求得Rx：3、 伏安法测量电阻伏安法是一种间接测量法，理

5、论依据是欧姆定律R=V/I，给被测电阻施加一定的电压，所加电压应不超出被测电阻的承受能力，然后用电压表和电流表分别测出被测电阻两端的电压和流过它的电流，即可算出被测电阻的阻值。伏安法有如图2-3（a）、(b)所示两种测量电路： （a） （b） 图2-3 伏安法测量电阻 图2-4 用示波器测量电位器的噪声如图2-3（a）所示电路称为电压表前接法，由图可见，电压表测得的电压为被测电阻Rx两端的电压与电流表内阻RA压降之和，因此，根据欧姆定律求得的测量值R测=V/Ix=（VA+Vx）/Ix=Rx+RA>Rx.如图2-3（b）所示电路称为电压表后接法，由图可见，电流表测得的电流为流过被测电阻Rx

6、的电流与流过电压表内阻RV的电流之和，因此，根据欧姆定律求得的测量值R测=V/Ix=Vx/（IV+Ix）=RxRV<Rx.在使用伏安法时，应根据被测电阻的大小，选择合适的测量电路，如果预先无法估计被测电阻的大小，可以用两个电路都试一下，看两种电路电压表和电流表的读数的差别情况，若两种电路电压表的读数差别比电流表的读数差别小，则可选择电压表前接法，即如图2-3（a）所示电路，反之，则可选择电压表后接法，即如图2-3（b）所示电路。二、 电位器的测量1、 用万用表测量电位器用万用表测量电位器的方法与测量固定电阻的方法相同。先测量电位器两固定端之间的总体固定电阻，然后测量滑动端对任意一端之间的

7、电阻值，并不断改变滑动端的位置，观察电阻值的变化情况，直到滑动端调到另一端为止。在缓慢调节滑动端时，应滑动灵活，松紧适度，听不到咝咝的噪声，阻值指示平稳变化，没有跳变现象，否则说明滑动端接触不良，或滑动端的引出机构内部存在故障。2、 用示波器测量电位器的噪声 如图2-4所示，给电位器；两端加一适当的直流电源E，E的大小应不致造成电位器超功耗，最好用电池，因为电池没有纹波电压和噪声，让一恒定电流流过电位器，缓慢调节电位器的滑动端，在示波器的荧光屏上显示出一条光滑的水平亮线，随着电位器滑动端的调节，水平亮线在垂直方向移动，若水平亮线上有不规则的毛刺出现，则表示有滑动噪声或静态噪声存在。三、 非线性

8、电阻的测量非线性电阻如热敏电阻、二极管的内阻等，它们的阻值与工作环境以及外加电压和电流的大小有关，一般采用专用设备测量其特性，当无专用设备时，可采用前面介绍的伏安法，测量一定直流电压下的直流电流值，然后改变电压的大小，逐点测量相应的电流，最后作出伏安特性曲线，所得电阻值只表示一定电压或电流下的直流电阻值。如果电阻值与环境温度有关时还应制造一定的外界环境。第二节 电容的测量电容的主要作用是贮存电能。它由两片金属中间夹绝缘介质构成，由于绝缘电阻（绝缘介质的损耗）和引线电感的存在，其实际等效电路如图2-5(a)所示。在工作频率较低时，可以忽略LO的影响，等效电路可简化为如图2-5(b)所示。因此，电

9、容的测量主要包括电容量值与电容器损耗（通常用损耗因数D表示）这两部分内容，有时需要测量电容器的分布电感。图2-5 电容的等效电路一、 谐振法测量电容量将交流信号源、交流电压表、标准电感L和被测电容Cx连成如图2-6所示的并联电路，其中CO为标准电感的分布电容。测量时，调节信号源的频率，使并联电路谐振，即交流电压表读数达到最大值，反复调节几次，确定电压表读数最大时所对应的信号源的频率f，则被测电容值Cx为 图2-6 并联谐振法测量电容量二、 交流电桥法测量电容量和损耗因数交流电桥有如图2-7(a)和(b)所示的串联和并联两种电桥 图2-7 测量电容的交流电桥对于如图2-7(a)所示的串联电桥，C

10、x为被测电容，Rx为其等效串联损耗电阻，由电桥的平衡条件可得：测量时，先根据被测电容的范围，通过改变R3来选取一定的量程，然后反复调节R4和Rn使电桥平衡，即检流计读数最小，从R4、Rl刻度读Cx和Dx的值。这种电桥适用于测量损耗小的电容器。对于如图2-7(b)所示的并联电桥，Cx为被测电容，Rx为其等效并联损耗电阻，测量时，Rn和n使电桥平衡，此时：这种电桥适用于测量损耗较大的电容。三、用万用表估测电容用模拟式万用表的电阻档测量电容器，不能测出其容量和漏电阻的确切数值，更不能知道电容器所能承受的耐压，但对电容器的好坏程度能粗略判别，在实际工作中经常使用。 估测电容量将万用表设置在电阻档，表笔

11、并接在被测电容的两端，在器件与表笔相接的瞬间，表针摆动幅度越大，表示电容量越大，这种方法一般用来估测0.01uF以上的电容器。 电容器漏电阻的估测除铝电解电容外，普通电容的绝缘电阻应大于10M，用万用表测量电容器漏电阻时，万用表置×1或×10倍率档，当表笔与被测电容并接的瞬间，表针会偏转很大的角度，然后逐渐回转，经过一定时间，表针退回到处，说明被测电容的漏电阻极大，若表针回不到处，则示值即为被测电容的漏电阻值。铝电解电容的漏电阻应超过200才能使用。若表针偏转一定角度后，无逐渐回转现象，说明被测电容已被击穿，不能使用了。四、电容的数字化测量方法一般采用电容电压转换器实现电容

12、的数字化测量，该转换器如图2-8所示。被测电容等效为x与x的并联形式，为已知标准电阻，利用虚部实部分离电路，将输出Uo分离出实部r，虚部x，则 图2-8电容电压转换器由r、Ux的值和上述公式可求出x、x和Dx值，再由显示电路将测量结果用数字显示出来。这是常见的LCR测试仪测量电容的基本原理。也可以采用电容周期和电容频率转换器测量电容，电容周期转换器的测量原理是把被测电容转换成与电容量成正比的脉冲宽度值，以该信号为门控信号，在开门时间内，对已知时标的周期信号记数，记数值的大小即代表所测的电容值。第三节 电感的测量电感的主要特性是贮存磁场能。但由于它一般是用金属导线绕制而成的，所以有绕线电阻（对于

13、磁芯电感还应包括磁性材料插入的损耗电阻）和线圈匝与匝之间的分布电容，故其等效电路如图2-9（a）所示。采用一些特殊的制作工艺，可减小分布电容o，当o较小，工作频率也较低时，分布电容可忽略不计，等效电路可简化为如图2-10（b）所示，因此，电感的测量主要包括电感量和损耗（通常用品质因数表示）两部分内容。图2-9电感的等效电路一、 谐振法测量电感如图2-10所示为并联谐振法测电感的电路，其中为标准电感，为被测电感，o为被测电感的分布电容。测量时，调节信号源频率，使电路谐振，即电压表指示最大，记下此时的信号源频率f，则图2-10 谐振法测量电感由此可见，还需要测出分布电容o，测量电路如图2-10所示

14、，只是不接标准电容，调节信号源的频率，使电路自然谐振，设此频率为f1，则由上述两式可得将o代入L的表达式，即可得到被测电感的感量。二、交流电桥法测量电感图2-11交流电桥法测量电感测量电感的交流电桥有如图2-11（a）和（b）所示的马氏电桥和海氏电桥两种电桥，分别适用于测量品质因数不同的电感。如图2-11（a）所示的马氏电桥适用于测量<10的电感，图中x为被测电感，x为被测电感的损耗电阻，由电桥平衡条件可得：一般马氏电桥中，用开关换接作为量程选择，和为可调元件，由的刻度可直读x，由n的刻度可直读值。如图2-11（b）所示的海氏电桥适用于测量>10的电感，图中x为被测电感，x为被测电

15、感的损耗电阻，由电桥平衡条件可得：海氏电桥与马氏电桥一样，由选择量程，从的刻度可直读x，由n的刻度直读值。用电桥测量电感时，首先应估计被测电感的值以确定电桥的类型，再根据被测电感量的范围选择量程（），然后反复调节2和n， 使检流计的读数最小，这时即可从R和n的刻度读出被测电感的Lx和Qx值。,电桥法测量电感一般适用于低频运用的电感，尤其适用于有铁芯的大电感。三、 通用仪器测量电感通用仪器测量电感的理论依据是复数欧姆定律Xl=2fL=U/I，电路原理如图2-12所示，图中Us为交流信号源为限流电阻，一般取几百欧，为电流取样电阻，一般小于10欧，并且一定要接在信号源的接地端，用交流电压表分别测出电

16、感两端的电压U1和电阻R2两端的电压U2，即可求出电感量：图2-12 复数欧姆定律测量电感四、 电感的数字化测量方法电感的数字化测量通常是通过电感电压转换器实现的。如图2-13所示为电感电压转换的一种方案，图中将被测电感等效为串联电路，R为标准电阻，利用虚部实部分离电路，将输出Uo分离出实部r，虚部x，则由r、Ux的值和上述公式可求出x、x和值，再通过显示电路直接将测量结果用数字显示出来。这是常见的LCR测试仪测量电感的基本原理。此外，也可以采用电感周期转换器和电感频率转换器测量电感。图2-13 电感电压转换器第四节 半导体二极管的测量普通二极管的品种很多，但都由一个PN结构成，PN结的单向导

17、电性是判别二极管好坏的基本依据。一、 用万用表测量二极管1、用模拟式万用表测量二极管用模拟式万用表欧姆档测量二极管时，万用表的等效电路如图2-14所示，万用表面板上标有“”号的端子接红表笔，对应于万用表内部电池的负极，而面板上标有“”号的端子接黑表笔，对应于万用表内部电池的正极。这一点在用万用表判断二极管的极性时一定要记住。图2-14中的o是万用表欧姆档的等效内阻，大小与量程倍率有关，实际o值为表盘中心标度值乘以所选欧姆档的倍率，不同倍率档o不同，所以，用不同倍率档测量同一个二极管的正向电阻值是不同的。图2-14模拟万用表欧姆档等效电路图2-15数字式万用表测量二极管的等效电路测量小功率二极管

18、时，万用表置×100档或×1K档，以防万用表的×1档输出电流过大，或×10K档输出电压过大而损坏被测二极管，对于面接触型大电流整流二极管可用×1或×10K挡进行测量。测量时，如图2-14所示，将二极管分别以两个方向与万用表的表笔相接，两种接法万用表指示的电阻必然是不相等的，其中万用表指示的较小的电阻值为二极管的正向电阻，一般为几百欧到几千鸥左右，此时，黑表笔所接端为二极管的正极，红表笔所接端为二极管的负极。万用表指示的较大的电阻值为二极管的反向电阻，对于锗管，反向电阻应在100K以上，硅管的反向电阻很大，几乎看不出表针的偏转。用这种方

19、法可以判断二极管的好坏和极性。2、用数字式万用表测量二极管一般数字式万用表上都有二极管测试档，例如，DT9909C型数字万用表，其测试原理与模拟式万用表测量电阻完全不一同，它测量二极管的等效电路如图2-15所示，实际上测量的是二极管的直流电压降。当二极管的正负极分别与数字万用表的红黑表笔相接时，二极管正向导通，万用表上显示出二极管的正向导通电压D。若二极管的正负极分别与数字万用表的黑红表笔相接时，二极管反向偏置，表上显示一固定电压，约为2.8V。二、 用晶体管图示仪测量二极管用型晶体管图示仪可以显示二极管的伏安特性曲线，例如，测量二极管的正向伏安特性曲线，首先将图示仪荧光屏上的光点置于坐标左下

20、角，峰值电压范围置020V，集电极扫描电压极性置于“+”，功耗电阻置1K，X轴集电极电压置0.1V/度，Y轴集电极电流置5mA/度，Y轴倍率置×1，将二极管的正负极分别接在面板上的C和E接线柱上，缓慢调节峰值电压旋扭，即可得到如图2-16所示的二极管正向伏安特性曲线，从图中可以看出二极管的导通电压在0.7V左右。图2-16 图示仪测量二极管的伏安特性曲线 2-17 发光二极管工作电流的测量电路三、 发光二极管的测量发光二极管一般由磷砷化镓、磷化镓等材料制成，它的内部存在一个PN结，具有单向导电性，当它正向导通时就能发光。 用模拟式万用表判别发光二极管模拟式万用表判断发光二极管的极性的

21、方法与判断普通二极管的方法是一样的，只不过一般发光二极管的正向导通电压可超过1V，实际使用电流可达100mA以上，测量时可用量程较大的×1K和×10K档测其正向和反向电阻。一般正向电阻小于50K，反向电阻大于200K为正常。 发光二极管工作电流的测量发光二极管的工作电流是一个很重要的参数，工作时电流太小，发光二极管不亮，太大则易使管子的使用寿命缩短，甚至烧毁。可以用如图2-17所示的电路来测量发光二极管的工作电流。图中R=100为保护限流电阻，以防测量开始时，电位器Rw调在小阻值上引起电流过大而损坏发光二极管。测量时，慢慢调节电位器Rw，使发光管工作正常，即发光既不太亮也不

22、太暗，此时毫安表指示的数值即为发光二极管的工作电流值。若在此时用一直流电压表并接在发光二极管两端即可测得此发光二极管的正向压降VF的值。第五节 半导体三极管的测量半导体三极管的种类和型号较多，从制造材料可分为锗管和硅管，从导电类型可分为NPN管和PNP管，从功率大小可分为小功率、中功率和大功率管，表征晶体管性能的电参数也有几十个至多，但是在实际应用时，无须将全部参数测出，只需根据应用需要作一些基本的必要测量即可。一、 用模拟万用表判别管脚无论是NPN型还是PNP型三极管，其内部都存在两个PN结，即发射结（BE）和集电结（CE），基极处于公共位置，利用PN结的单向导电性，用前面介绍的判别二极管的

23、极性的方法，可以很容易地用模拟万用表找出三极管的基极并判断其导电类型是NPN型还是PNP型。1、基极的判定以NPN型三极管为例说明测试方法。用模拟式万用表的欧姆档，选择×1K或×100档，将红表笔插入万用表的“+”端，黑表笔插入“”端，首先选定被测三极管的一个引脚，假定它为基极，将万用表的黑表笔固定接在其上，红表笔分别接另两个引脚，得到的两个电阻值都较小，然后再将红表笔与该假设基极相接，用黑表笔分别接另两个引脚，得到的两个电阻值都较大，则假设正确，假设的基极确为基极，否则假设错误，重新另选一脚假设为基极后重复上述步骤，直到出现上述情况。当基极判断出来后，由测试得到的电阻值的

24、大小还可知道，该三极管的导电类型。当黑表笔接基极时测得的两个电阻值较小，红表笔接基极时测得的两个电阻值较大，则此三极管只能是NPN型三极管。反之则为PNP型三极管。对于一些大功率三极管，其允许的工作电流很大，可达安培数量级，发射结面积大，杂质浓度较高，造成基极发射极的反向电阻不很大，但还是能与正向电阻区分开来。可选用万用表的×1或×10档进行测试。2、发射极和集电极的判别判别发射极和集电极的依据是发射区的杂质浓度比集电区的杂质浓度高，因而三极管正常运用时的b值比倒置运用时要大得多。仍以NPN管为例说明测试方法。用模拟式万用表，将黑表笔接假设的集电极，红表笔接假设的发射极，在

25、集电极（黑表笔）与基极之间接一个100K左右的电阻，看万用表指示的电阻值，如图2-18（a）所示，然后将红黑表笔对调，仍在黑表笔与基极之间接一个100K左右的电阻观察万用表指示的电阻值，如图2-18（b）所示，其中万用表指示电阻值小表示流过三极管的电流大，即三极管处于正常运用的放大状态，则此时黑表笔所接为集电极，红表笔所接为发射极。图2-18 用万用表判断三极管的发射极和集电极一般数字式万用表都有测量三极管的电路（例如DT9909C型数字万用表），在已知NPN和PNP型后，依据三极管正常运用处于放大状态时b值较大，可以判别发射极和集电极。二、 用晶体管特性图示仪测量三极管用万用表只能估测三极管

26、的好坏，而用晶体管特性图示仪可以测得三极管的多种特性曲线和相应的参数，所以在实际中广泛使用图示仪，以直观地判断三极管的性能。关于晶体管图示仪的原理及使用方法将在本书的第二部分介绍。三、 三极管频率参数fT的测试电子电路中的三极管有时需要工作在几百KHZ以上，甚至几百MHZ，三极管在高频使用时，必须知道其频率参数是否能适应电路的要求，三极管的频率参数有fT、f、f等，其中以 三极管特征频率fT为重要指标。三极管特征频率fT的定义：在共射极电路中，输入开路，输出短路时，三极管小信号正向电流放大系数随频率升高而下降为1时的频率值，称为fT。如图2-19所示。三极管参数随频率变化的规律可用下式表示：

27、图2-19 晶体管值随频率的变化规律式中O为三极管零频时的值，f为-3dB截止频率，即=0.707O时的频率。当f>> f时上式可简化为当f= fT时，|=1，则可见在测试频率f远高于f(f>>f)时，三极管的值与测试频率的乘积等于特征频率fT。利用这一原理，可以在高于f若干倍的情况下测量，通过上式计算获得fT，而不必在=1的频率下直接测量fT，以避免造价高的高频振荡器和减小工作频率过高所造成的测量误差。国产QG-16型高频小功晶体管fT测试仪的构成框图如图2-20所示。图中振荡器分别产生10MHZ、30MHZ、100MHZ的三种频率的信号供测量时选用，可变衰减器可使送

28、到测试回路的测试信号为全输入的或衰减1/10的。被测三极管的偏压、偏流由专用偏置电源供给。测试回路输出的信号经宽带放大器放大和检波后输出，由微安表头直接读取被测三极管的fT值。 图2-20QG-16型高频小功晶体管fT测试仪的构成框图图2-20中测试回路的原理如图2-21所示，它是用来测量给定测试频率（10MHZ、30MHZ或100MHZ）情况下的三极管值。根据fT的定义，要求在三极管输入端提供一个恒定测试电流，输出短路，小信号情况下测量。在测试回路中，被测三极管输入端（基极），串联两个电感量不同的电感L1和L2，保证对三个测试频率都能做到等效信号源内阻远大于晶体管输入阻抗，以模拟输入恒流源。

29、三极管输出端（集电极）经R2=10和C2接地，R2、C2串联的阻抗远小于晶体管的输出阻抗以模拟输出短路。图中R1=10K的电阻用以提供恒流源小信号。在满足定义要求的条件下，测被测三极管的值。微安表M的指示值是IC流过电阻R2产生的电压（在测试频率1/wCR2，正比于被测三极管的集电极电流IC，由于=IC/IB，若IB固定，则微安表M的指示就与被测三极管的值成正比。为保证IB为固定值，在被测三极管插入管座前，先将测试仪置于校准状态，并将管脚C和B短路，调节可变衰减器，使微安表指针满偏。测时，即以此满偏值为IB值，测量过程中不能再调节可变衰减器，在fT的表达式中的f为测量时所选用振荡器的振荡频率，

30、因此，微安表M虽然指示的是值的大小，但表头按f乘积分三档（10MHZ、30MHZ或100MHZ）刻度，即微安表表盘是直接按fT刻度的，测量时，只要根据所选用的测试频率读取对应档的示数即可直接得到被测三极管的fT值。图2-21 fT测试仪测试回路的原理框图第六节 集成运算放大器的测量集成运算放大器的参数很多，在使用中仅着重测量几项主要参数，其它参数作为抽测或参考。集成运算放大器参数的测试方法有逐项测试法，辅助放大器法和图示法等（参见参考文献3、4）。在此介绍国际上通用的辅助放大器法，这种方法利用直流信号进行测试，直流状态能自动稳定，且易于建立条件，环路有较高的增益，有利于微小量的精确测量，可在闭环条件下实现开环测试，尤其是它具有测多种参数的电路大致相近的明显优点，因而在实现自动化测试方面具有独特的优越性。辅助放大器法测量运算放大器参数的电路如图2-22所示，图中AX为被测放大器，A为辅助放大器，对辅助放大器的要求是闭环增益大于40dB，有一定的输出幅度，一般运放均可使用。由图可见，总电路具有很强的负反馈作用，被测放大器的输出能自动调零。下面介绍测试方法。一、 开环电压增益AU的测试测量AU时，K+、K闭合，根据规定接入适当的RL，若测试条件规定负载为10K时，RL可不接，负载即为RL=10K，负载确定后即可进行测试。首先将K2置“1”，即接地，由于电路有深负反馈，两个运放的输