电子测量技术第6章阻抗测量

第6章阻抗丈量26.1引言6.2阻抗规范6.3阻抗的模拟丈量法6.4阻抗的数字丈量法6.1引言

普通指电阻、电容、电感及相关的Q值、损耗角、电导等参数的丈量。6.1.1集总参数元件特性表征1.阻抗定义及表示方法阻抗定义图阻抗元件不会以纯电阻,纯电容或纯电感特性出现,而是这些阻抗成分的组合。丈量的详细条件改动能够会引起被测阻抗特性的改动。阻抗两种坐标方式的转换关系为：DUT实轴+j-j电阻电感电容虚轴2.电阻器、电容器、电感器的电路模型存在寄生电容、寄生电感和损耗。丈量条件应尽能够与实践任务条件接近，否那么误差较大。(1)真值，有效值和指示值真值：是排除了寄生参数缺陷的电器元件量值。有效值：思索了元件寄生参数的影响，它是实验者需求知道的量值。与频率相关。指示值：丈量仪器获取和显示的量值，反映出仪器的固有损耗和不准确性。理想电阻思索引线电感思索引线电感和分布电容电阻器RRRC0L0L0理想电容思索走漏、引线电阻和电感思索走漏、介质损耗等电容器CCCR0R0L0R,0电感器理想电感思索导线损耗思索导线损耗和分布电容LR0LC0LR0(2)元件的影响要素频率：寄生参数的存在使频率对一切元件都有影响。电平：施加的丈量信号会影响测试结果。直流偏置(电压和电流)：一些无源元件也寻在直流偏置影响。(例如，陶瓷电容等)温度：大多数元件都存在温度影响要素。其它影响要素(环境，湿度，老化等).丈量器件的寄生参数影响DUT电阻器的频率呼应寄生电容C0R低阻值电阻理想RƒR|z|高阻值电阻理想RƒR|z|引线电感RL0电感器的频率呼应C0LR0LC0R0C0的影响|z|理想LƒR0理想LC0的影响|z|ƒR0普通电感磁芯损耗高的电感电容器的频率呼应L0的影响|z|R0理想CƒR0CL0测试信号〔AC〕电频对电容器和铁芯电感器的影响与AC有关的磁芯电感器与AC电压有关的陶瓷电容器(a)测试电压(AC)②测试信号电平：(K为介电常数)高K值中K值低K值ΔCoV(b)测试电流(AC)ΔLoI与直流偏置电压有关的电容器直流偏置电压与直流偏置电流有关的磁芯电感器陶瓷电容器与铁芯电感器的直流偏置影响③直流偏置高K值低K值ΔCoV0直流偏置电流oΔLI0④温度时间(h)温度中K值高K值陶瓷电容器的温度相关性陶瓷电容器的老化相关性oΔCΔCo110102103104256.1.2元件参数丈量的根本技术电桥法：当电桥平衡电流流过检流计(D)为零时，被测阻抗Zx值可以从与其他元件的关系获得。D1.丈量方法概述电桥法的优缺陷:高精度〔0.1%典型值〕运用不同电桥可得到宽频率范围价钱低需求手动平衡单台仪器的频率覆盖范围较窄频率范围：DC~300MHz谐振法调理电容C使电路谐振，就能根据丈量频率、C值和Q值得到阻抗Lx和Rx的值。谐振时XL=XC仅有RX存在。VRXDUTLXECVOSCQ值用跨接在可调电容器上的电压表直接丈量。谐振法的优缺陷：可测很高的Q值需求调谐到谐振阻抗丈量精度低频率范围：10kHz~70MHz电压电流法由丈量的电压值和电流值计算被测阻抗ZX电流经过它所流经的低阻值规范电阻RS上的电压计算V1V2RSZXIOSC电压电流法的优缺陷：可丈量接地器件适宜于探头类测试需求运用简单任务频率范围受运用探头的变压器的限制频率范围：10KHz~100MHzRF电压电流法(a)低阻抗类型射频电压电流法与低频电压电流法的原理一样有两种衔接电压表和电流表的方法RV1VV2RI1ZXIOSCRI2(b)高阻抗类型RVV2V1ZXIOSCRR——2射频电压电流法的优缺陷：高精度〔0.1%典型值〕高频下的宽阻抗范围任务频率范围受运用探头的变压器的限制频率范围：1MHz~3GHz自动平衡电桥法-+DUTHLR虚地V1II2I=I2V2=I2RZ=V1I=V1RV2V1I2=V2经过DUT的电流也经过电阻R“L〞点的电位坚持为0V〔称为虚地〕电流/电压放大器使R上电流与DUT上电流坚持平衡───自动平衡电桥法的优缺陷：高精度〔0.05%典型值〕很宽的丈量范围运用简单不能顺应更高的频率范围频率范围：20Hz~110MHz网络分析法经过丈量输入信号与反射信号之比得到反射系数用定向耦合器或电桥检测反射信号用网络分析仪提供鼓励并丈量呼应DUTVINCVR输入信号反射信号定向巧合器或电桥OSCZXV1V2网络分析法的优缺陷：高频率范围当被测阻抗接近特征阻抗时得到高精度改动丈量频率需求重新校准阻抗丈量范围窄频率范围：300KHz~3GHz-哪个值正确?ZAnalyzerQ:165Q:120LCRmeterQ:165Q=120?DUTL:5.231uH?DUTL:5.310uHLCRmeter5.310uHLCRmeter5.231uHuH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自动平电桥法频率和丈量方法选择正确的丈量方法每种方法都有其各自的优缺陷必需首先思索丈量的要求和条件，然后选择最适宜的方法需求思索的要素包括频率覆盖范围、丈量量程、丈量精度和操作的方便性没有一种方法能包括一切的丈量才干，因此在选择丈量方法时需折衷思索2.仪器分类阻抗丈量仪器分为两种一种是利用模拟阻抗丈量的仪器采用电桥法的：万用电桥；惠斯登电桥等各种电桥仪器采用谐振法的：Q表采用电压-电流法的：多用表；可变电阻器；参数测测仪另一种是数字式阻抗丈量仪器采用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阻抗丈量仪采用网络分析法的：网络分析仪3.测试衔接头一切阻抗测试都涉及衔接头的问题.常用的衔接方法有：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；有极性的同轴的衔接头，N型、BNC型等；中性精细同轴衔接头；三端衔接头、四端衔接头、五端衔接头；四端对接头。阻抗的衔接图、表示图和丈量范围两端衔接头HpLCDUTLPHCHC为电流高端Hp为电位高端LP为电位低端LC为电流低端(a)衔接图R0L0DUTVAR0L0(b)表示图1m10m100m1101001K10K100K1M10M100M2T(c)阻抗丈量范围C0三端衔接头HpLCDUTLPHC(a)衔接图(b)表示图R0L0DUTVAR0L0C0(d)具有屏蔽的两端衔接头1m10m100m1101001K10K100K1M10M100M3T(c)阻抗丈量范围DUTVA四端衔接头HpLCDUTLPHCDUTVA1m10m100m1101001K10K100K1M10M100M4T(a)衔接图(b)表示图(c)阻抗丈量范围五端衔接头HpLCDUTLPHCDUTVA(a)衔接图(b)表示图1m10m100m1101001K10K100K1M10M100M5TDUTVA(d)具有屏蔽的四端衔接头(c)阻抗丈量范围四端对衔接头HpLCDUTLPHC(a)衔接图(b)表示图DUTVA1m10m100m1101001K10K100K1M10M100M4TP(c)阻抗丈量范围实践的阻抗丈量范围不仅取决于丈量仪器，而且也取决于四端对衔接头与DUT的正确衔接。否那么也会限制丈量范围。每种衔接方法各有优缺陷，必需根据DUT的阻抗和要求的丈量精度，选择最适宜的衔接方法。运用不同的仪器会得到不同的电感丈量结果：(1)丈量信号电流：即使输出同样的电压，由于源阻抗不同，其输出电流也将不同；(2)丈量夹具：大小和外形不同，产生的涡流大小也不同。电感器旁的金属物体的影响。6.2阻抗规范6.2.1电阻规范1〕规范概略2〕规范电阻器6.2.2电容规范1〕规范概略2〕规范电容器6.2.3电感规范1〕规范概略2)规范电感器

6.2.1电阻规范1〕规范概略1990.1.1起运用量子化霍尔电阻规范。电阻计量规范器具分为一等和二等两个等级一等电阻规范包括10-3Ω，10-2Ω，10-1Ω，1Ω，10Ω，102Ω，103Ω，104Ω，105Ω9个标称值及一等电阻规范安装。二等电阻规范除上述9个标称值及电阻规范安装外，还有106Ω和107Ω及其相应安装。电阻任务计量器具有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〕规范电阻器电阻值稳定；温度系数小；对铜的热电势小。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规范电阻器规范电阻值较低时，由于存在与引接线的接触电阻问题，因此把电压端子和电流端子独立设置。6.2.2电容规范1〕规范概略规范电容器分为三等。一等和二等规范电容量具采用标称值分别为1pF，10pF，100pF和1000pF的规范电容器。它们的差别在不确定度和年稳定度。三等规范电容量具采用标称值为10-4pF-1F的规范电容器。分成0.01级、0.02级、0.05级、0.1级、0.2级、0.5级和1.0级。2〕规范电容器频率和温度变化不引起电容量变化；介电损耗小；绝缘良好，耐反压高。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)构造图无损耗型空气电容器6.2.3电感规范1〕规范概略采用标称值为1μH-10000H的规范电感器作为规范电感量具。规范电感量具分成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)规范电感器要求作为单位量的电感值不随电流和频率的大小而改动。1.511线圈大理石(a)构造面〔剖面图〕RLC(b)等效电路图6.3阻抗的模拟丈量法6.3.1电压电流法6.3.2电桥法6.3.3谐振法丈量元件参数6.3.4Q值丈量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，用丈量的电压值和电流值计算被测阻抗值：

被测器件的导纳为：

6.3.2电桥法以电桥平衡原理为根底。优点：精度高，能在很大程度上消除或减弱系统误差的影响。缺陷：交流电桥对幅值与相位两个参量进展反复平衡调理，调理步骤繁琐，桥路中还采用一些昂贵的精细元件，制造困难等。1.电桥的平衡条件

一对相对桥臂阻抗的乘积必需等于另一对相对桥臂阻抗的乘积。用指数方式表示

上式必需同时满足

D交流电桥电桥四个臂的元件性质要适中选择：(1)假设相邻两臂(如Zx和Z3)为纯电阻，那么另外两臂的阻抗性质必需一样；(2)假设相对两臂(如Zx和Z4)采用纯电阻，那么另外两臂必需一个是电感性阻抗，另一个是电容性阻抗。(3)假设是直流电桥，各臂均由纯电阻构成，不需思索相位问题。2.交流四臂电桥精细万用电桥方框图平衡调理机构丈量桥路平衡指示电路显示电路电源丈量信号源D交流电桥惠斯登电桥(直流电桥)

(1)丈量电阻

D交流电桥串联电容比较电桥

(2)丈量电容

D交流电桥并联电容比较电桥

(2)丈量电容

D交流电桥海式电桥

(3)丈量电感

D交流电桥麦克斯韦-韦恩电桥

(3)丈量电感

D交流电桥欧文电桥

(3)丈量电感

3.变压器耦合臂电桥两电桥的平衡条件都为

电压比例臂构成的桥路电流比例臂构成的桥路DD特点：具有高准确度、高稳定性、高抗干扰才干。规范臂参数必需与被测参数性质一样。

4.电桥法丈量集总参数元件的误差①规范元件值的误差：误差大小与电路方式和元件的准确度有关。②电桥指示器的误差：指示器灵敏度较低时，难以判别最小值位置；当信号源中含有高次谐波时，电桥只能对基波平衡，对谐波并不平衡。会影响对平衡位置的判别。③屏蔽不良引起误差：寄生耦合和外界电磁场的干扰也会引起误差。6.3.3谐振法丈量元件参数谐振法丈量原理图当回路到达谐振时:(1)直接丈量知谐振频率和规范电感，可求电容；同理，知谐振频率和规范电容，可求电感。此法求得的L未思索引线电感及回路电容的寄生电感的影响，普通需加以修正。〔2〕替代法替代法测电容：选择适当电感L(不用为规范电感),接入规范可变电容CS(如虚线所示),调回路至谐振,然后接入被测电容CX，再使回路谐振。设两次谐振时Cs的读数分别是Cs1和Cs2。当CX较小时，并联接入当CX较大时CX应和CS串联接入替代法测电容振荡器〔2〕替代法测电感①并联替代法：用于丈量较大的电感先不接Lx，把Cs调至较小容量Cs1，使回路谐振；然后接入Lx坚持信号频率不变。调Cs至Cs2使回路再次谐振。并联替代法丈量电感的原理图信号源串联替代法测电感②串联替代法：用于丈量较小电感先将电感短路，把Cs调至较大位置Cs1，调频率使其谐振；然后去掉短道路，接入Lx，坚持频率不变，再调Cs至较小位置Cs2使回路重新谐振。1.Q表组成原理及丈量原理Q表是根据谐振原理制成的，又称为质量要素丈量仪。它由高频振荡器、丈量电路和输入、输出指示器等组成。

Q表的根本组成框图高频振荡器6.3.4Q值丈量当丈量电感时，Lx接于端子1,2之间，坚持振荡器输出和频率为某一固定值，调整规范电容Cs使回路谐振，即PV2指示值最大，此最大值U2等于U1的Q倍。当丈量电容时，先将辅助电感接于端子1,2之间，在频率为某一值时，调整规范电容Cs使回路谐振，记为Cs1，Q值为Q1；然后将被测电容Cx接于端子3,4之间，此时回路由于Cx接入而失谐，减小规范电容Cs至Cs2，使回路重新谐振，并记下此时Q值为Q2，于是经推算和Cx并联的损耗电阻Rp为被测电容器的损耗正切值为2．Q表丈量中产生丈量误差的要素耦合元件的损耗电阻；调谐用规范电容本身Q值不高；Q表剩余参量；Q值电压表指示误差。6.4阻抗的数字丈量法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〕自在轴法2.智能化LCR丈量仪的根本组成

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