電子測量技術(shù)第6章阻抗測量

第6章阻抗丈量26.1引言6.2阻抗規(guī)范6.3阻抗的模擬丈量法6.4阻抗的數(shù)字丈量法6.1引言

普通指電阻、電容、電感及相關(guān)的Q值、損耗角、電導(dǎo)等參數(shù)的丈量。6.1.1集總參數(shù)元件特性表征1.阻抗定義及表示方法阻抗定義圖阻抗元件不會以純電阻,純電容或純電感特性出現(xiàn),而是這些阻抗成分的組合。丈量的詳細(xì)條件改動能夠會引起被測阻抗特性的改動。阻抗兩種坐標(biāo)方式的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：DUT實(shí)軸+j-j電阻電感電容虛軸2.電阻器、電容器、電感器的電路模型存在寄生電容、寄生電感和損耗。丈量條件應(yīng)盡能夠與實(shí)踐任務(wù)條件接近，否那么誤差較大。(1)真值，有效值和指示值真值：是排除了寄生參數(shù)缺陷的電器元件量值。有效值：思索了元件寄生參數(shù)的影響，它是實(shí)驗(yàn)者需求知道的量值。與頻率相關(guān)。指示值：丈量儀器獲取和顯示的量值，反映出儀器的固有損耗和不準(zhǔn)確性。理想電阻思索引線電感思索引線電感和分布電容電阻器RRRC0L0L0理想電容思索走漏、引線電阻和電感思索走漏、介質(zhì)損耗等電容器CCCR0R0L0R,0電感器理想電感思索導(dǎo)線損耗思索導(dǎo)線損耗和分布電容LR0LC0LR0(2)元件的影響要素頻率：寄生參數(shù)的存在使頻率對一切元件都有影響。電平：施加的丈量信號會影響測試結(jié)果。直流偏置(電壓和電流)：一些無源元件也尋在直流偏置影響。(例如，陶瓷電容等)溫度：大多數(shù)元件都存在溫度影響要素。其它影響要素(環(huán)境，濕度，老化等).丈量器件的寄生參數(shù)影響DUT電阻器的頻率呼應(yīng)寄生電容C0R低阻值電阻理想R?R|z|高阻值電阻理想R?R|z|引線電感RL0電感器的頻率呼應(yīng)C0LR0LC0R0C0的影響|z|理想L?R0理想LC0的影響|z|?R0普通電感磁芯損耗高的電感電容器的頻率呼應(yīng)L0的影響|z|R0理想C?R0CL0測試信號〔AC〕電頻對電容器和鐵芯電感器的影響與AC有關(guān)的磁芯電感器與AC電壓有關(guān)的陶瓷電容器(a)測試電壓(AC)②測試信號電平：(K為介電常數(shù))高K值中K值低K值ΔCoV(b)測試電流(AC)ΔLoI與直流偏置電壓有關(guān)的電容器直流偏置電壓與直流偏置電流有關(guān)的磁芯電感器陶瓷電容器與鐵芯電感器的直流偏置影響③直流偏置高K值低K值ΔCoV0直流偏置電流oΔLI0④溫度時間(h)溫度中K值高K值陶瓷電容器的溫度相關(guān)性陶瓷電容器的老化相關(guān)性oΔCΔCo110102103104256.1.2元件參數(shù)丈量的根本技術(shù)電橋法：當(dāng)電橋平衡電流流過檢流計(D)為零時，被測阻抗Zx值可以從與其他元件的關(guān)系獲得。D1.丈量方法概述電橋法的優(yōu)缺陷:高精度〔0.1%典型值〕運(yùn)用不同電橋可得到寬頻率范圍價錢低需求手動平衡單臺儀器的頻率覆蓋范圍較窄頻率范圍：DC~300MHz諧振法調(diào)理電容C使電路諧振，就能根據(jù)丈量頻率、C值和Q值得到阻抗Lx和Rx的值。諧振時XL=XC僅有RX存在。VRXDUTLXECVOSCQ值用跨接在可調(diào)電容器上的電壓表直接丈量。諧振法的優(yōu)缺陷：可測很高的Q值需求調(diào)諧到諧振阻抗丈量精度低頻率范圍：10kHz~70MHz電壓電流法由丈量的電壓值和電流值計算被測阻抗ZX電流經(jīng)過它所流經(jīng)的低阻值規(guī)范電阻RS上的電壓計算V1V2RSZXIOSC電壓電流法的優(yōu)缺陷：可丈量接地器件適宜于探頭類測試需求運(yùn)用簡單任務(wù)頻率范圍受運(yùn)用探頭的變壓器的限制頻率范圍：10KHz~100MHzRF電壓電流法(a)低阻抗類型射頻電壓電流法與低頻電壓電流法的原理一樣有兩種銜接電壓表和電流表的方法RV1VV2RI1ZXIOSCRI2(b)高阻抗類型RVV2V1ZXIOSCRR——2射頻電壓電流法的優(yōu)缺陷：高精度〔0.1%典型值〕高頻下的寬阻抗范圍任務(wù)頻率范圍受運(yùn)用探頭的變壓器的限制頻率范圍：1MHz~3GHz自動平衡電橋法-+DUTHLR虛地V1II2I=I2V2=I2RZ=V1I=V1RV2V1I2=V2經(jīng)過DUT的電流也經(jīng)過電阻R“L〞點(diǎn)的電位堅持為0V〔稱為虛地〕電流/電壓放大器使R上電流與DUT上電流堅持平衡───自動平衡電橋法的優(yōu)缺陷：高精度〔0.05%典型值〕很寬的丈量范圍運(yùn)用簡單不能順應(yīng)更高的頻率范圍頻率范圍：20Hz~110MHz網(wǎng)絡(luò)分析法經(jīng)過丈量輸入信號與反射信號之比得到反射系數(shù)用定向耦合器或電橋檢測反射信號用網(wǎng)絡(luò)分析儀提供鼓勵并丈量呼應(yīng)DUTVINCVR輸入信號反射信號定向巧合器或電橋OSCZXV1V2網(wǎng)絡(luò)分析法的優(yōu)缺陷：高頻率范圍當(dāng)被測阻抗接近特征阻抗時得到高精度改動丈量頻率需求重新校準(zhǔn)阻抗丈量范圍窄頻率范圍：300KHz~3GHz-哪個值正確?ZAnalyzerQ:165Q:120LCRmeterQ:165Q=120?DUTL:5.231uH?DUTL:5.310uHLCRmeter5.310uHLCRmeter5.231uHuH網(wǎng)絡(luò)分析法300KHz1101001K10K100K1M10M100M1G10G10KHz70MHz10KHz110MHz1MHz3GHzRF電壓電流法電壓-電流法法諧振法0HZ300MHz電橋法20HZ110MHz自動平電橋法頻率和丈量方法選擇正確的丈量方法每種方法都有其各自的優(yōu)缺陷必需首先思索丈量的要求和條件，然后選擇最適宜的方法需求思索的要素包括頻率覆蓋范圍、丈量量程、丈量精度和操作的方便性沒有一種方法能包括一切的丈量才干，因此在選擇丈量方法時需折衷思索2.儀器分類阻抗丈量儀器分為兩種一種是利用模擬阻抗丈量的儀器采用電橋法的：萬用電橋；惠斯登電橋等各種電橋儀器采用諧振法的：Q表采用電壓-電流法的：多用表；可變電阻器；參數(shù)測測儀另一種是數(shù)字式阻抗丈量儀器采用RF電壓電流法的：射頻阻抗分析儀采用自動平衡電橋法的：LF阻抗丈量儀采用網(wǎng)絡(luò)分析法的：網(wǎng)絡(luò)分析儀3.測試銜接頭一切阻抗測試都涉及銜接頭的問題.常用的銜接方法有：兩端接線柱式〔或香蕉插頭〕適用于Q表等低準(zhǔn)確度諧振式阻抗儀器；有極性的同軸的銜接頭，N型、BNC型等；中性精細(xì)同軸銜接頭；三端銜接頭、四端銜接頭、五端銜接頭；四端對接頭。阻抗的銜接圖、表示圖和丈量范圍兩端銜接頭HpLCDUTLPHCHC為電流高端Hp為電位高端LP為電位低端LC為電流低端(a)銜接圖R0L0DUTVAR0L0(b)表示圖1m10m100m1101001K10K100K1M10M100M2T(c)阻抗丈量范圍C0三端銜接頭HpLCDUTLPHC(a)銜接圖(b)表示圖R0L0DUTVAR0L0C0(d)具有屏蔽的兩端銜接頭1m10m100m1101001K10K100K1M10M100M3T(c)阻抗丈量范圍DUTVA四端銜接頭HpLCDUTLPHCDUTVA1m10m100m1101001K10K100K1M10M100M4T(a)銜接圖(b)表示圖(c)阻抗丈量范圍五端銜接頭HpLCDUTLPHCDUTVA(a)銜接圖(b)表示圖1m10m100m1101001K10K100K1M10M100M5TDUTVA(d)具有屏蔽的四端銜接頭(c)阻抗丈量范圍四端對銜接頭HpLCDUTLPHC(a)銜接圖(b)表示圖DUTVA1m10m100m1101001K10K100K1M10M100M4TP(c)阻抗丈量范圍實(shí)踐的阻抗丈量范圍不僅取決于丈量儀器，而且也取決于四端對銜接頭與DUT的正確銜接。否那么也會限制丈量范圍。每種銜接方法各有優(yōu)缺陷，必需根據(jù)DUT的阻抗和要求的丈量精度，選擇最適宜的銜接方法。運(yùn)用不同的儀器會得到不同的電感丈量結(jié)果：(1)丈量信號電流：即使輸出同樣的電壓，由于源阻抗不同，其輸出電流也將不同；(2)丈量夾具：大小和外形不同，產(chǎn)生的渦流大小也不同。電感器旁的金屬物體的影響。6.2阻抗規(guī)范6.2.1電阻規(guī)范1〕規(guī)范概略2〕規(guī)范電阻器6.2.2電容規(guī)范1〕規(guī)范概略2〕規(guī)范電容器6.2.3電感規(guī)范1〕規(guī)范概略2)規(guī)范電感器

6.2.1電阻規(guī)范1〕規(guī)范概略1990.1.1起運(yùn)用量子化霍爾電阻規(guī)范。電阻計量規(guī)范器具分為一等和二等兩個等級一等電阻規(guī)范包括10-3Ω，10-2Ω，10-1Ω，1Ω，10Ω，102Ω，103Ω，104Ω，105Ω9個標(biāo)稱值及一等電阻規(guī)范安裝。二等電阻規(guī)范除上述9個標(biāo)稱值及電阻規(guī)范安裝外，還有106Ω和107Ω及其相應(yīng)安裝。電阻任務(wù)計量器具有13個標(biāo)稱值,從10-4Ω到108Ω.每個標(biāo)稱值又有0.00005級到0.2級不等的7到9個準(zhǔn)確度等級。電壓端子2〕規(guī)范電阻器電阻值穩(wěn)定；溫度系數(shù)??；對銅的熱電勢小。水銀罩電流端子插入溫度表無感線圈的錳銅電阻線(a)構(gòu)造電流端子電流端子電壓端子(b)外觀圖6-8規(guī)范電阻器規(guī)范電阻值較低時，由于存在與引接線的接觸電阻問題，因此把電壓端子和電流端子獨(dú)立設(shè)置。6.2.2電容規(guī)范1〕規(guī)范概略規(guī)范電容器分為三等。一等和二等規(guī)范電容量具采用標(biāo)稱值分別為1pF，10pF，100pF和1000pF的規(guī)范電容器。它們的差別在不確定度和年穩(wěn)定度。三等規(guī)范電容量具采用標(biāo)稱值為10-4pF-1F的規(guī)范電容器。分成0.01級、0.02級、0.05級、0.1級、0.2級、0.5級和1.0級。2〕規(guī)范電容器頻率和溫度變化不引起電容量變化；介電損耗小；絕緣良好，耐反壓高。端子1端子2接地端(b)外觀水晶極板蔽罩端子1端子2接地端(a)構(gòu)造圖無損耗型空氣電容器6.2.3電感規(guī)范1〕規(guī)范概略采用標(biāo)稱值為1μH-10000H的規(guī)范電感器作為規(guī)范電感量具。規(guī)范電感量具分成0.01級、0.02級、0.05級、0.1級、0.2級、0.5級和1.0級，對應(yīng)的級別指數(shù)a為0.01，0.02，0.05，0.1，0.2，0.5和1.0，對應(yīng)的最大允許誤差δ和年穩(wěn)定度γ為a%。2)規(guī)范電感器要求作為單位量的電感值不隨電流和頻率的大小而改動。1.511線圈大理石(a)構(gòu)造面〔剖面圖〕RLC(b)等效電路圖6.3阻抗的模擬丈量法6.3.1電壓電流法6.3.2電橋法6.3.3諧振法丈量元件參數(shù)6.3.4Q值丈量6.3.1電壓電流法電壓-電流法又叫伏安法，即利用歐姆定律，用丈量的電壓值和電流值計算被測阻抗值：

被測器件的導(dǎo)納為：

6.3.2電橋法以電橋平衡原理為根底。優(yōu)點(diǎn)：精度高，能在很大程度上消除或減弱系統(tǒng)誤差的影響。缺陷：交流電橋?qū)Ψ蹬c相位兩個參量進(jìn)展反復(fù)平衡調(diào)理，調(diào)理步驟繁瑣，橋路中還采用一些昂貴的精細(xì)元件，制造困難等。1.電橋的平衡條件

一對相對橋臂阻抗的乘積必需等于另一對相對橋臂阻抗的乘積。用指數(shù)方式表示

上式必需同時滿足

D交流電橋電橋四個臂的元件性質(zhì)要適中選擇：(1)假設(shè)相鄰兩臂(如Zx和Z3)為純電阻，那么另外兩臂的阻抗性質(zhì)必需一樣；(2)假設(shè)相對兩臂(如Zx和Z4)采用純電阻，那么另外兩臂必需一個是電感性阻抗，另一個是電容性阻抗。(3)假設(shè)是直流電橋，各臂均由純電阻構(gòu)成，不需思索相位問題。2.交流四臂電橋精細(xì)萬用電橋方框圖平衡調(diào)理機(jī)構(gòu)丈量橋路平衡指示電路顯示電路電源丈量信號源D交流電橋惠斯登電橋(直流電橋)

(1)丈量電阻

D交流電橋串聯(lián)電容比較電橋

(2)丈量電容

D交流電橋并聯(lián)電容比較電橋

(2)丈量電容

D交流電橋海式電橋

(3)丈量電感

D交流電橋麥克斯韋-韋恩電橋

(3)丈量電感

D交流電橋歐文電橋

(3)丈量電感

3.變壓器耦合臂電橋兩電橋的平衡條件都為

電壓比例臂構(gòu)成的橋路電流比例臂構(gòu)成的橋路DD特點(diǎn)：具有高準(zhǔn)確度、高穩(wěn)定性、高抗干擾才干。規(guī)范臂參數(shù)必需與被測參數(shù)性質(zhì)一樣。

4.電橋法丈量集總參數(shù)元件的誤差①規(guī)范元件值的誤差：誤差大小與電路方式和元件的準(zhǔn)確度有關(guān)。②電橋指示器的誤差：指示器靈敏度較低時，難以判別最小值位置；當(dāng)信號源中含有高次諧波時，電橋只能對基波平衡，對諧波并不平衡。會影響對平衡位置的判別。③屏蔽不良引起誤差：寄生耦合和外界電磁場的干擾也會引起誤差。6.3.3諧振法丈量元件參數(shù)諧振法丈量原理圖當(dāng)回路到達(dá)諧振時:(1)直接丈量知諧振頻率和規(guī)范電感，可求電容；同理，知諧振頻率和規(guī)范電容，可求電感。此法求得的L未思索引線電感及回路電容的寄生電感的影響，普通需加以修正?！?〕替代法替代法測電容：選擇適當(dāng)電感L(不用為規(guī)范電感),接入規(guī)范可變電容CS(如虛線所示),調(diào)回路至諧振,然后接入被測電容CX，再使回路諧振。設(shè)兩次諧振時Cs的讀數(shù)分別是Cs1和Cs2。當(dāng)CX較小時，并聯(lián)接入當(dāng)CX較大時CX應(yīng)和CS串聯(lián)接入替代法測電容振蕩器〔2〕替代法測電感①并聯(lián)替代法：用于丈量較大的電感先不接Lx，把Cs調(diào)至較小容量Cs1，使回路諧振；然后接入Lx堅持信號頻率不變。調(diào)Cs至Cs2使回路再次諧振。并聯(lián)替代法丈量電感的原理圖信號源串聯(lián)替代法測電感②串聯(lián)替代法：用于丈量較小電感先將電感短路，把Cs調(diào)至較大位置Cs1，調(diào)頻率使其諧振；然后去掉短道路，接入Lx，堅持頻率不變，再調(diào)Cs至較小位置Cs2使回路重新諧振。1.Q表組成原理及丈量原理Q表是根據(jù)諧振原理制成的，又稱為質(zhì)量要素丈量儀。它由高頻振蕩器、丈量電路和輸入、輸出指示器等組成。

Q表的根本組成框圖高頻振蕩器6.3.4Q值丈量當(dāng)丈量電感時，Lx接于端子1,2之間，堅持振蕩器輸出和頻率為某一固定值，調(diào)整規(guī)范電容Cs使回路諧振，即PV2指示值最大，此最大值U2等于U1的Q倍。當(dāng)丈量電容時，先將輔助電感接于端子1,2之間，在頻率為某一值時，調(diào)整規(guī)范電容Cs使回路諧振，記為Cs1，Q值為Q1；然后將被測電容Cx接于端子3,4之間，此時回路由于Cx接入而失諧，減小規(guī)范電容Cs至Cs2，使回路重新諧振，并記下此時Q值為Q2，于是經(jīng)推算和Cx并聯(lián)的損耗電阻Rp為被測電容器的損耗正切值為2．Q表丈量中產(chǎn)生丈量誤差的要素耦合元件的損耗電阻；調(diào)諧用規(guī)范電容本身Q值不高；Q表剩余參量；Q值電壓表指示誤差。6.4阻抗的數(shù)字丈量法6.4.1

矢量電流-電壓法

1.矢量電流-電壓法的原理〔1〕固定軸法〔2〕自在軸法2.智能化LCR丈量儀的根本組成

6.4.2

自動平衡電橋

6.4.1

矢量電流-電壓法1.矢量電流-電壓法的原