电子测量与仪器课件第六章元器件测量与仪器1

第6章电子元器件测量与仪器

集中参数元件的测量:电阻、电感、电容、阻抗品质因数Q及损耗因数D的测量。集中参数元件的测量方法：伏安法：欧姆定律电桥法：直流电桥、交流电桥谐振法：Q表晶体管、场效应管等器件的测量：晶体管特性图示仪。1RLR图6.1实际电阻器的等效电路(a)(b)RCSCCRCP图6.2实际电容器的等效电路Dx=tanδ=RCS/XC=ωCRCS

Dx=tanδ=XC/RCP=1/ωCRCPQ=XL/RLS=ωL/RLSQ=RLP/XL=RLP/ωL集中参数元件的等效26.2伏安法及数字化测量6.2.1伏安法仅适用于低频测量，比较适合直流电阻的测量。Z=U/I1）、当测量直流电阻时，电源为直流电源2）、当测量电容、电感时，电源为角频率为ω的交流电源图6.4伏安法测量原理图A电源Z(a)V(b)A电源ZV3由电容、电感等效电路的分析可知，二者都可以等效为电阻与电抗的串联，即阻抗的模值为Z,在忽略损耗电阻影响的情况下，存在以上关系。

XL=ωL46.2.2阻抗的数字化测量---->电压的数字化测量来实现1)正弦信号在被测阻抗两端产生交流电压2)同步滤波器，对电压实部和虚部进行分离3)峰值检波器，交流-->直流1.电感元件的测量图6.5为电感-电压（L-V）变换器原理图。图中左半部分为阻抗-电压变换部分；同步检波器实现实部、虚部分离；峰值检波器完成交-直流电压变换，并提供基准电压。U1、U2、Ur都要送到电压表双积分式A/D变换器。5经过分析得到：（6-2）（6-3）

分析式（6-2）、（6-3）可见，因为Ur、R1均为常数，只要利用双积分式数字多用表测出U1、U2来，即可换算出Rx、Lx及Qx的大小来。ur－∞++运放同步检波器ur峰值检波器R1RxLxUoU1U2Ur图6.5电感—电压变换器同步检波器jurUrcosωt62.电容元件的测量

图6.6为电容-电压变换器的阻抗—交流变换部分，其他部分与电感—电压变换器的结构相似。利用上述方法，可得：U2=－R1UrωCx由此可见，也可以利用数字多用表来实现Cx、Rx及Dx的测量。图6.6电容-电压变换器

－∞+

+AurR1RxCxUo73.LCR参数测试仪

图6.7为LCR参数测试仪原理图。经分析得知：（Ω）（S）式中，R为等效串联电阻；X为等效串联电抗；G为等效并联电导；B为等效并联电纳。－∞++运放f正弦交流

+－+－Rs图6.7LCR参数测试仪原理图8由上述分析可见，只要先测出和，再把和同步整流并分解出实部和虚部，进而计算出上式中R，X，G，B，最后以数字形式显示出被测元件R，L，C，D，Q等参数。测量线圈或电容时，可以选择它们的串联等效电路或并联等效电路来进行测量。一般来说，对小容量电容和高阻抗线圈，采用并联等效电路测量，而对电解电容等大容量电容或小阻抗线圈采用串联等效电路进行测量。9

6.3电桥法测量集中参数元件-->适合低频阻抗元件的测量。利用零指示器作为电桥平衡指示器.电桥平衡时，各桥臂之间的关系确定被测量。该方法的工作频率较宽，测量精度较高，可达10-46.3.1交流电桥1.工作原理

图6.8为交流电桥原理图，主要由桥体、电源G及平衡指示器P等组成。桥体由Z1、Z2、Z3、Zx四个桥臂组成，桥臂由电阻和电抗元件组成。电源为纯正弦交流电源。当IP=0时，电桥处于平衡状态，电桥平衡条件如下：或10

即(6-4)φx+φ2=φ1+φ3(6-5)

要使交流电桥完全平衡，必须同时满足式（6-4）和式（6-5），即振幅平衡条件和相位平衡条件。当相邻两桥臂为纯电阻时，另外两个桥臂应呈现同性电抗；当某一对角桥臂为纯电阻时，另外一对角桥臂应呈现异性电抗；当两个桥臂由纯电阻构成时，呈现电抗特性的桥臂必须由标准可调电阻和电抗件构成，该电抗件一般选用标准可调电容。当Z1、Z2为纯电阻R1、R2时，满足关系：（6-6）

11当Z1、Z2为纯电阻R1、R2时，满足关系：（6-6）当Z1、Z3为纯电阻R1、R3时，满足关系：（6-7）由式（6-6）和式（6-7）得，当两个邻臂为纯电阻时的电桥称为臂比电桥，它比较适于测量电容；当两个相对桥臂为纯电阻时的电桥称为臂乘电桥，它比较适于测量电感。交流电桥的电源必须为纯正弦波交流电源，交流电桥也只适合在音频或低射频段使用，高频段的测量适合选用谐振法。12[例6-1]图6.9(a)为测量低Q电感的麦克斯韦电桥桥体，试求Rx、Lx、Qx各是多少？

解：

该交流电桥平衡条件为：

经推导，得：Rx=R1R2/RsLx=R1R2CsQx=ωLx/Rx=ωRsCs

13

[例6-2]

图6.9(b)为测量高Q电感的海氏电桥桥体，试求Rx、Lx、Qx各是多少？解：该交流电桥平衡条件为：经推导，得：Rx=R1R2/RSLx=R1R2CS

14

[例6-3]

右图为测量低损耗电容的串联电阻式比较电桥桥体，试求Rx、Cx、Dx各是多少？解：该交流电桥平衡条件为：经推导，得：

Dx=ωCxRx=ωRsCs

15[例6-4]右图为测量高损耗电容的并联电阻式比较电桥桥体，试求Rx、Cx、Dx各是多少？解：该交流电桥平衡条件为：

经推导，得：162.QS18A型万用电桥（1）组成QS18A型万用电桥是一种便携式交流电桥，主要用于测量电阻、电感、电容等参数。其组成如图6.11所示，主要由桥体、信号源（1kHz）和晶体管检流计三部分组成。桥体是电桥的核心部分，实际上是由直流电桥、交流电容电桥及电感电桥组合而成。使用时，通过变换开关进行切换，以实现不同参数或量程的测量。（2）测量电容选频放大与整流1kHz振荡器或9V直流电源桥体P图6.11QS18A型万用电桥组成框图17测量电容时，桥体连接成如图6.12所示的形式。Cx、Rx分别为被测电容的容量、串联等效电阻阻值，R2由标准粗调、细调电阻器组成。调节桥体中可调电阻器使电桥平衡，根据电桥平衡条件，可导出：由此可知，在量程确定的情况下，只要C2保持不变，可以通过调节R3使电桥平衡。其中，Cx、Rx、Dx可由有关度盘读出数值。RxCxR1R3R2C2图6.12测量电容原理图18（3）测量电感测量电感时，桥体连接如图6.13所示。Lx、Rx分别是被测电感的电感量、串联等效损耗电阻。当电桥平衡时有：Lx=R1R2C3Qx=ωC3R3（4）使用方法图6.14为QS18A型万用电桥面板结构图。面板上各开关旋钮的作用如下：①被测元件接线柱用于连接被测元件。②外接插孔用于外接音频电源。RxLxR1R3R2C3图6.13测量电感原理图19③外-内1kHz选择开关，用于选择电桥工作电源。④量程开关，确定测量范围，各示值是指电桥读数在满刻度时的最大值。④⑤②①uA读数内1kHz外③⑥⑦⑧⑨图6.14QS18A型万用电桥面板结构图12111020⑤损耗微调旋钮，用于细调平衡时的损耗，一般情况下置于“0”位置。⑥损耗倍率选择开关，分为三挡：Q×1，D×0.1，D×1。根据不同情况，按照表6-1选择合适挡位。测量电阻时，该开关不起作用。⑦指示电表，用于指示电桥的平衡状态。当电桥平衡时，电表指示为零。⑧接地。⑨灵敏度调节旋钮，用于控制电桥放大器的放大倍数。表6-1倍率开关位置测量元件位置空心电感线圈Q×1高Q值线圈和小损耗电容D×0.1（Q=1/D）带铁心线圈和大电解电容D×1（Q=1/D）21开始测量时，应降低灵敏度，随后再逐渐增大。 ⑩读数调节旋钮（读数盘）用于调节电桥的平衡状态，由粗调和细调组成。 损耗平衡调节旋钮用于指示被测元件（电容或电感）的损耗因数或品质因数。 测量选择开关用于确定电桥的测量内容。测量完毕，此开关应置于“关”位置，以降低机内干电池的损耗。 使用方法如下： ①将被测元件接到“被测元件接线柱”，拨动电源选择开关至“内1kHz”位置，如果用外部电源，则将外部电源接到“外接”插孔上，拨动电源选择开关至“外”的位置。 ②根据被测量，将测量选择开关旋至“C”、“L”、“R≤10”121122或“R＞10”处。 ③估计被测量的大小，选择量程开关的位置。 ④根据被测元件的情况，按照表6-1选择合适的损耗倍率开关挡位。 ⑤根据电桥平衡情况，调整灵敏度调节旋钮使指示电表读数由小逐步增大。 ⑥反复调节电桥的读数盘和损耗平衡旋钮，并在调整过程中逐步提高指示电表的灵敏度直至电桥平衡。此时存在如下关系：Lx（或Cx）=量程开关指示值×电桥读数盘示值Qx（或Dx）=损耗倍率指示值×损耗平衡盘指示值23 [例6-5]

用QS18A型万用电桥测量线圈的电感量Lx及Qx值，当电桥平衡时，左边读数盘（粗调）示值为0.6，右边读数盘（细调）示值为0.028，量程开关在100mH挡上，损耗倍率开关在Q×1挡上，损耗平衡盘读数为3.5，求被测电感Lx和品质因数Qx。 解：由QS18A型万用电桥的使用方法介绍，可知：

Lx=(0.6+0.028)×100mH=62.8mH

Qx=1×3.5=3.5答：（略）

246.3.2不平衡电桥

依据电桥平衡条件进行测量的电桥称为平衡电桥，它的操作繁琐、测量时间长，平时所说的电桥通常是指平衡电桥。不平衡电桥是通过直接测量电桥非平衡状态下流经指示器的电流或两端电压大小来测量集中参数元件的，它的操作简便、测量时间短、易实现数