第3章电 路 基 本 元 器 件参数的测量

第3章

电路基本元器件

参数的测量

3.1电阻的测量3.2电容的测量3.3电感的测量3.4半导体二极管的测量3.5半导体三极管的测量3.6晶体管特性图示仪3.7集成运乍放大器的量3.1电阻的测量

电阻的主要物理特性是对电流呈现阻力，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，其等效电路如图3.1所示。当电阻工作于低频时，电阻分量起主要作用，电抗部分可以忽略不计，即忽略LO和ＣO的影响，此时只需测出Ｒ值就可以了。但当工作频率升高时，电抗分量就不能再忽略不计。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3.1电阻的等效电路3.1.1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挡，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。然后将两个输入端（称表笔）短路调零，最后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：（1）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。（2）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。（3）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。（4）万用表测量电阻时，不同倍率挡的零点不同，每换一挡都应重新调零，当某一挡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，需要更换新电池。（5）由于模拟式万用表电阻挡刻度的非线性，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.电桥法测量电阻电桥法是利用示零电路作测量指示器，根据电桥电路平衡条件来确定阻抗值的测量方法。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。利用该原理做成的测量仪器，称为电桥。按照所用电源的不同，可分为直流电桥和交流电桥两大类。图3.2电桥法测量电阻直流电桥又称为惠斯登电桥，主要用来测量直流电阻。其原理构成如图3.2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，然后接通直流电源，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。（3.1）3.伏安法测量电阻伏安法是一种间接测量法，理论依据是欧姆定律R=U/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。

伏安法测量电阻的原理简单，测量方便，尤其是用于测量非线性电阻的伏安特性。伏安法有电压表前接和电压表后接两种测量电路，其原理图如图3.3所示。

如图3.3（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压降的和。因此，根据欧姆定律求得的测量值为。（3.2）

如图3.3（b）所示电路为电压表后接法。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为：（3.3）图3.3伏安法测量电阻在使用伏安法时，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3.3（a）所示电路；反之，则可选择电压表后接法，即如图3.3（b）所示电路。3.1.2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。

2.用示波器测量电位器的噪声图3.4用示波器测量电位器的噪声如图3.4所示，给电位器两端外接适当的直流电源E，E的大小应不致造成电位器超功耗，最好用电池。3.1.3非线性电阻的测量

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。3.2电容的测量电容器是电路中的最常见的基本元件之一，它主要起贮存电能的作用，在电路中多用来滤波、隔直、交流耦合、交流旁路以及和电感元件构成振荡电路。电容器由两金属片和中间的绝缘介质构成，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3.5(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3.5(b)所示。因此，电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3.5电容的等效电路3.2.1谐振法测量电容量

谐振法又称Q表法，它是以LC谐振回路的谐振特性为基础进行测量的方法。谐振法测量原理如图3.6所示，它由交流信号源、交流电压表、标准电感L和被测电容Cx连成的并联电路，其中CO为标准电感的分布电容。图3.6并联谐振法测量电容量测量时，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：（3.4）3.2.2交流电桥法测量电容量和损耗因数

交流电桥的工作原理与直流电桥基本相同，所不同的是电桥采用交流电源供电，平衡检流计为交流电表，桥臂由电阻和电抗元件组成。交流电桥可以测量电阻、电容、电感元件的参数。交流电桥有串联和并联两种电桥接法，如图3.7(a)和(b)所示。图3.7测量电容的交流电桥

对于如图3.7(a)所示的串联电桥，Cx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：式中，Dx为损耗因数，δ为电容的损耗角。对于如图3.7(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Ｃn使电桥平衡，此时：这种电桥适用于测量损耗较大的电容。3.2.3用万用表估测电容

用模拟式万用表的电阻挡测量电容器，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。1.估测电容量将万用表设置在电阻挡，表笔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。2.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10MΩ。用万用表测量电容器漏电阻时，万用表置×1Ｋ或×10K倍率挡。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200ＫΩ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。3.2.4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的数字化测量，该转换器如图3.8所示。被测电容等效为Ｒx与Ｃx的并联形式，R1为已知标准电阻，利用虚部实部分离电路，从输出Uo分离出实部Ur和虚部Ux，则：图3.8电容—电压转换器由Ｕr、Ux的值和上述公式可求出Cx、Rx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。3.3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Ｒ（对于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3.9（a）所示。采用一些特殊的制作工艺，可减小分布电容Ｃo，当Ｃo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3.9(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Ｑ表示）两部分内容。图3.9电感的等效电路

3.3.1谐振法测量电感

~VRCCoL图3.10谐振法测量电感如图3.10所示为并联谐振法测电感的电路，其中Ｃ为标准电感，Ｌ为被测电感，Ｃo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：（3.7）由上式可知，要计算被测电感值，还需要测得分布电容Ｃo的数值，分布电容Ｃo的测量电路与测量电感的原理图相似。只是不接标准电容Ｃ，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：（3.8）将Ｃo代入L的表达式，即可得到被测电感的电感量。（3.9）3.3.2交流电桥法测量电感

测量电感的交流电桥有马氏电桥和海氏电桥两种，分别适用于测量品质因数（即Q值）不同的电感。

图3.11（a）所示的马氏电桥适用于测量Q<10的电感，图中Ｌx为被测电感，Rx为被测电感的损耗电阻。一般马氏电桥中，R2用开关换接作为量程选择，R2和Rn为可调元件，由R2的刻度可直读Lx，由Ｒn的刻度可直读Q值。如图3.11（b）所示的海氏电桥适用于测量Q>10的电感，图中Lx为被测电感，Rx为被测电感的损耗电阻。海氏电桥与马氏电桥一样，由Ｒ3选择量程，从R2的刻度直读Ｌx，由Rn的刻度直读Q值。用电桥测量电感时，首先应估计被测电感的Ｑ值以确定电桥的类型，再根据被测电感量的范围选择量程(R3)。然后反复调节R2和Rn，使检流计G的读数最小，这时即可从R2和Rn的刻度读出被测电感的Lx和Qx值。（a）马氏电桥（b）海氏电桥图3.11 交流电桥法测量电感由交流电桥平衡条件可得到被测电感的电感值、损耗电阻Rx和Qx。（3.10）当Q值较大时，上式近似计算式为：（3.11）电桥法测量电感一般适用于频率比较低的电感，尤其适用于有铁芯的大电感。

3.3.3通用仪器测量电感

图3.12复数欧姆定律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=2πfL=U/I，电路原理如图3.12所示。

图中Us为交流信号源，Ｒ1为限流电阻，一般取几百欧，Ｒ2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感两端的电压U1和电阻R2两端的电压U2，即可求出电感量：（3.12）

3.3.4电感的数字化测量方法

图3.13电感--电压转换器电感的数字化测量通常是通过电感—电压转换器实现的。图3.13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Ｕr，虚部Ｕx，则：（3.12）3.4半导体二极管的测量3.4.1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挡测量二极管时，万用表的等效电路如图3.14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。

图3.14中的Ro是万用表欧姆挡的等效内阻，大小与量程倍率有关，实际Ro值为表盘中心标度值乘以所选欧姆挡的倍率，不同倍率挡Ｒo不同。图3.14 模拟万用表欧姆挡等效电路测量时，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100KΩ以上，硅管的反向电阻很大，几乎看不出表针的偏转。用这种方法可以判断二极管的好坏和极性。2.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挡。其测试原理与模拟式万用表测量电阻完全不同。数字式万用表测量二极管的等效电路如图3.15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ＵD。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，表上显示固定电压，约为2.8V。

图3.15 数字式万用表测量二极管的等效电路3.4.2用晶体管图示仪测量二极管

用JT－1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角，峰值电压范围置0~20V。

集电极扫描电压极性置于“+”，功耗电阻置1KΩ，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3.16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3.16图示仪测量二极管的伏安特性曲线3.4.3发光二极管的测量

1.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挡测其正向和反向电阻。一般正向电阻小于50KΩ，反向电阻大于200KΩ为正常。

2.发光二极管工作电流的测量3.17发光二极管工作电流的测量电路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3.17所示的电路来测量发光二极管的工作电流。3.5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。3.5.1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（B－E）和集电结（C－E）。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挡，选择×1K或×100Ω挡，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。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，在集电极（黑表笔）与基极之间接一个100KΩ左右的电阻，看万用表指示的电阻值，如图3.18（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100KΩ左右的电阻观察万用表指示的电阻值，如图3.18（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。则此时黑表笔所接的端子为集电极，红表笔所接的端子为发射极。图3.18用万用表判断三极管的发射极和集电极3.5.2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。3.5.3三极管频率参数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、fα、等，其中三极管特征频率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β随频率升高而下降为1时的频率值，称为fT。如图3.19所示。图3.19晶体管β值随频率的变化规律当f>>时上式可简化为:（3.14）当f=fT时，|β|=1，则:（3.15）可见在测试频率f远高于(f>>)时，三极管的β值与测试频率的乘积等于特征频率fT。利用这一原理，可以在高于若干倍的情况下测量β，通过上式计算获得fT。

图3.20 QG-16型高频小功晶体管fT测试仪的构成框图国产QG-16型高频小功晶体管fT测试仪的构成框图如图3.20所示。图中振荡器分别产生10MHZ、30MHZ、100MHZ三种频率的信号供测量时选用，可变衰减器可使送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，由毫安表头直接读取被测三极管的fT值。图3.21fT测试仪测试回路的原理框图图3.20中测试回路的原理如图3.21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β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，来模拟输入恒流源。三极管输出端（集电极）经R2=10Ω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=10KΩ的电阻用以提供恒流源小信号。在满足定义要求的条件下，则被测三极管的β值。毫安表M的指示值是IC流过电阻R2产生的电压（在测试频率1/C<<R2），正比于被测三极管的集电极电流IC，由于β=IC/IB，若IB固定，则毫安表M的指示就与被测三极管的β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，使毫安表指针满偏。测β时，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。因此，毫安表M虽然指示的是β值的大小，但表头按乘积分三挡（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相应挡的读数即可直接得到被测三极管的fT值。3.6晶体管特性图示仪晶体管特性图示仪（以下简称图示仪）是一种利用电子扫描原理，在示波管的荧光屏上直接显示晶体管的特性曲线的仪器。它可以直接显示共发射极、共基极和共集电极的输入特性、输出特性和正向转移特性等。3.6.1晶体管图示仪的基本组成

图3.22 图示仪的基本组成框图晶体管特性图示仪的基本组成如图3.22所示，它有同步脉冲发生器、基极阶梯波发生器、集电极扫描电压发生器、测试转换开关等四部分组成。

同步脉冲发生器：其作用是产生同步脉冲信号，使基极阶梯波信号和集电极扫描电压保持同步，以显示正确而稳定的特性曲线。基极阶梯波发生器：提供大小呈阶梯变化的基极电流。集电极扫描电压发生器：提供集电极扫描电压。一般直接将50HZ、220V的交流市电经全波整流后得到的半正弦波电压作为被测晶体管的集电极扫描电压。测试转换开关：用以转换测试不同接法和不同类型的晶体管特性曲线参数。垂直放大器、水平放大器和示波管组成示波器，用以显示被测晶体管的特性曲线，其工作原理与普通示波器相同。

3.6.2晶体管特性图示仪的工作原理

图3.23单线图示法的原理如图3.23所示，为图示仪显示一条曲线的基本原理。图中50HZ、220V的交流电压经变压器降压和全波整流后，加到被测三极管的集电极和发射极之间，此电压UCE称为集电极扫描电压。同时将其加到示波器的水平通道上作为水平扫描电压。另外，通过取样电阻Rs把与集电极电流IC成正比的电压Uy=ICRs加到示波器的垂直通道上。在垂直和水平两个电压的作用下，荧光屏上可显示出一条IC=f（UCE）的曲线。如图3.23所示的电路，每改变一次IB，可显示一条曲线。如果想得到一组以IB为参变量的曲线簇，就要求IB是一个周期性变化的信号，且在每个周期中具有多个定值。通常可利用阶梯波发生器产生这样的信号来给被测管提供变化的IB信号，从而得到如图3.25所示的曲线簇。其基本原理如图3.24所示。图3.24 曲线簇图示法的原理

如图3.25（a）、（b）所示，为IB与UCE之间的关系曲线。由图3.25可见，每一个扫描周期TS，荧光屏上的光点从左向右和从右向左移动各一次，描绘出一条曲线。当一个扫描周期结束时，阶梯波上升一级，荧光屏上的光点也相应跳跃一个高度，描绘出第二条曲线。所以，改变阶梯波每个周期的级数，可得到不同的曲线数，荧光屏显示的曲线的数目等于阶梯波电流IB的周期TB与扫描电压UCE的周期TS之比n。图3.25 扫描电压与阶梯波及显示曲线之间的关系3.7集成运算放大器的测量集成运算放大器是高放大倍数、高输入阻抗、低输出阻抗的直接耦合放大器。它的参数很多，在使用中仅着重测量它的几个主要参数，其它参数只作为参考。集成运算放大器常用的参数测试方法有逐项测试法、辅助放大器法和图示法等。

图3.26运算放大器参数测量电路辅助放大器法测量运算放大器参数的电路如图3.26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