阻抗测量课件

1、第七章 阻抗测量 本章要点: 阻抗的定义、表示式和基本特性 电阻的测量 电感、电容的测量实际应用中的电路元件要比理想电阻复杂得多，并且呈现出阻性、容性和感性特性，它们共同决定了阻抗特性。阻抗与电阻的不同主要在于两个方面。 阻抗是一种交流(AC)特性； 通常在某个特定频率下定义阻抗。 7.1概述7.1.1 阻抗的定义与表示式阻抗是表征一个元器件或电路中电压、电流关系的复数特征量，用公式表示为 （7.1） 导纳Y是阻抗Z的倒数，即 （7.2） 图7.1阻抗的矢量图Rjx阻抗定义图阻抗两种坐标形式的转换关系为：DUT实轴+j-j电阻电感电容虚轴阻抗元件的一般影响因素主要有:频率测试信号电平直流偏置温

2、度7.1.2 阻抗元件RLC的基本特性 在电子技术中，随着频率及电路形式的不同，可分为： 集总参数电路：频率在数百兆赫以下的集总参数电路元件(如电感线圈、电容器、电阻器等)。元件尺寸波长 （300MHz, =1m）分布参数电路：频率在数百兆赫以上的微波段，L、C已小到做不出来，只能做成微波器件（如谐振腔、耦合窗、波导、微带线等）元件尺寸波长 本章只讨论集总参数： R、L、C只能近似地看作理想的纯电阻或纯电抗。 任何实际的电路元件不仅是复数阻抗，且其数值一般都随所加的电流、电压、频率及环境温度、机械冲击等而变化。特别是当频率较高时，各种分布参数的影响变得十分严重。这时，电容器可能呈现感抗，而电感

3、线圈也可能呈现容抗。 下面我们来分析电感线圈、电容器和电阻器随频率而变化的情况。 令 为其固有谐振角频率，并设 rL 则上式可简化为 ，（7.4） 当 时，Ldx为正值，这时电感线圈呈感抗； 当 时，Ldx为负值，这时呈容抗；当 (严格地说， )时，Ldx0，这时为一纯电阻 ，由于Cf及rL均很小，故为一高阻。 当 时，由式(7.4)可知，Rdx及Ldx均随频率的增高而增高。2.电容器 电容器的等效电路如图7.3(a)所示，其中，除理想电容C外，还包含有介质损耗电阻Rj，由引线、接头、高频趋肤效应等产生的损耗电阻R，以及在电流作用下因磁通引起的电感L0。 图7.3电容器的等效电路(a) 电容器

4、的等效电路 (b)低频等效电路 (c)高频等效电路3.电阻器 电阻器的等效电路如图7.4所示，其中，除理想电阻R外，还有串联剩余电感LR及并联分布电容Cf。令 为其固有谐振频率，当 时，等效电路呈感性， 电阻与电感皆随频率的升高而增大；当 时，等效电路呈容性。图7.4 电阻器的等效电路RLRCf7.1.3 阻抗的测量特点和方法 通过上面对RLC基本特性的分析，可以明显地看出，电感线圈、电容器、电阻器的实际阻抗随各种因素而变化，在选用和测量RLC时必须注意两点： 1.保证测量条件与工作条件尽量一致 测量时所加的电流、电压、频率、环境条件等必须尽可能接近被测元件的实际工作条件，否则，测量结果很可能

5、无多大价值。 2.了解RLC的自身特性 在选用RLC元件时就要了解各种类型元件的自身特性。例如，线绕电阻只能用于低频状态；电解电容的引线电感较大；铁芯电感要防止大电流引起的饱和。 电解电容引线电感大，高频时显感性，失去滤波作用。但对低频滤波效果好。陶瓷片之类电容，高频特性好，对高频滤波好，但容量小，对低频滤波不行。阻抗的测量方法模拟式*数字式伏安法-电压-电流法电桥法-手动调平衡谐振法-高频（Q表法）自动平衡电桥法矢量电压-电流法网络分析法0.1F100F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.

6、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6.2.3电感标准 1）标准概况 采用标称值为1H-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和

7、年稳定度为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7.2电阻的测量 7.2.1 伏安法 伏安法的理论根据是欧姆定律，即R=U/I。具体方法是直接测量被测电阻上的端电压和流过的电流，再计算出电阻值。 对于下图;通常在直流状态下用伏安法测量电阻，它与低频（如50100Hz）状态下测量结果相差很小，而不必选用交流仪表。 由于伏安法是实现阻抗定义的方法，下面介绍的一些阻抗测量方法，从原理上讲大多都属伏安法。 图7.6伏安法测量直流电阻(a) 第一种方案 (b)第二种方案由（7.2-1）式可以看出，I与RX是种非线性关系，这会导至表盘刻度不均匀。当RX=R

8、T时，这时I=Im/2，指针将处于表盘中央，故将RT称为中值电阻。可以证明这时是测量误差最小的情况（见第2章最佳测量点的选择）。这一特点不同于电流、电压表。 2)欧姆表的量程 由（7.2-1）式可以看出，在欧姆表中更换量程是应更换内阻(即中值电阻)。 表7.1 某欧姆表量程与中值电阻的关系 中值电阻RT101001k10k100k读数倍乘1101001k10k电池电压E1.5V1.5V1.5V1.5V9V3)欧姆表的使用 欧姆表经常用来测量电阻、二极管、三极管等元器件，使用中要注意以下三点： (1)调零：由于三用表中的干电池新旧不同，要保证RX=0时指针能对准0，在测量前要进行调零，即将两表笔

9、短路调整电表内阻，使电流达最大值，则对准0。(2)极性：当用来测量二极管、三极管时，要注意红表笔对应的是电池的负极。 (3)量程：不同量程中值电阻不同，相应的测量电流大小不同。例如，经常用1k档测二、三极管，是由于这时中值电阻为10k，相应的最大电流I=1.5V/10k=150A，不会损坏晶体管。若用1档，这时中值电阻为10，相应电流为I=1.5V/10=150mA，则可能损坏晶体管。 7.2.3 电桥法 电桥平衡条件为 ZXZ4Z2Z3 （7.10） 根据上式，可以计算出被测元件ZX的量值。电桥平衡时有（7.11） （7.12） 当被测元件为电阻元件时，取ZX=RX，Z2=R2，Z3=R3，

10、Z4=R4，则图7.12所示为一个直流电桥，且有 RXR2R3R4 (7.13)测量小电阻的准确度可做到10-5。 图7.12交流电桥原理电路7.3 电感、电容的测量7.3.1 电桥法1. 电桥法测电容 测量电容时，桥体连接成图7.14所示的串联电容电桥(维恩电桥)。根据电桥的平衡条件： ZXZ4Z2Z3 ，可导出 （7.14） 由实部相等可得 由虚部相等可得 （7.16） （7.17） （7.15） 图7.14串联电容电桥43.电桥法测电感 测量电感时，桥体连接成如图7.15所示(麦克斯威电桥)。被测电感接在1、2两端，LX是它的电感量RX是它的等效串联损耗电阻。当电桥平衡时由平衡条件可以导

11、出： 图7.15 麦克斯威电桥LX=R2R3C4 RX=R2R3/R4 Q=C4R4 这里只例举了两种电桥。实际上，不同厂家、不同型号的产品，综合了多种不同特点的电桥以获得更好的性能。表7.3给出了常用的各种电桥的基本线路、特点和平衡条件。 电桥设计要点： 为结构简单，设计两臂为电阻。 相邻两臂为电阻，另两臂则为同性阻抗 相对两臂为电阻，另两臂则为异性阻抗 为易平衡： 多采用标准电容作标准电抗（它比标准电感精度高） 7.3.2 谐振法（Q表） 当回路达到谐振时，有 图7.16谐振法原理图且回路总阻抗为零，即 将回路调至谐振状态，根据已知的回路关系式和已知元件的数值，求出未知元件的参量。1谐振法

12、测电感 图7.17串联替代法测电感图7.18并联替代法测电感不接LX调谐接LX调谐 2.谐振法测量电容 替代法测电容 图7.20并联替代法测小电容在不接CX的情况下，将可变电容C调到某一容量较大的位置，设其容量为C1，调节信号源频率，使回路谐振。然后接入被测电容CX，信号源频率保持不变，此时回路失谐，重新调节C使回路再次谐振，这时C为C2，那么被测电容CX=C1-C2。小 结 阻抗测量有多种方法 电桥主要用来测量低频元件 Q表主要用来测量高频元件 阻抗的数字测量法 测量电阻、电容、电感的主要方法有哪些？ 电桥法优点：精度高（0.1%典型值），使用不同电桥可得到宽频率范围，价格低。缺点：需要手动平衡，单台仪器的频率覆盖范围较窄。谐振法优点：可测很高的Q值。缺点：需要调谐到谐振，阻抗测量精度低。电压电流法优点：可测量接地器件，适合于探头类测试