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1、第6章 阻抗测量,第6章 阻抗测量,元件的工业趋势,6.1概述,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,阻抗两种坐标形式的转换关系为：,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(1)真值，有效值和指示值(2)元件的影响因素 测试信号频率测试信号电频直流偏置 电压和电流温度其它影响因素（环境，湿度，老化等）,理想电阻,考虑引线电感,考虑引线电感和分布电容,电阻器,R,R,R,C0,L0,理想电容,考虑泄漏、引线电阻和电感,考虑泄漏、介质损耗等,电容器,C,C,C,R0,R0,L0,R,0,电感器,理想电感,考虑导线损耗,考虑导线损耗和分布电
2、容,L,R0,L,C0,L,R0,测量器件的寄生参数影响,电阻器的频率响应,寄生电容,C0,R,低阻值电阻,理想R,R,|z|,高阻值电阻,理想R,R,|z|,引线电感,R,L0,电感器的频率响应,C0,L,R0,L,C0,R0,C0的影响,|z|,理想 L,R0,理想 L,C0的影响,|z|,R0,电容器的频率响应,L0的影响,|z|,R0,理想 C,R0,C,L0,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),测试信号电频：,高K值,中K值,低K值,C,o,V,(b)测试电流(AC),L,o,I,与直流偏置电压有
3、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,直流偏置,高K值,低K值,C,o,V0,直流偏置电流,o,L,I0,温度,时间,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,o,C,C,o,1 10 102 103 10 4,25,元件参数测量的基本技术,电桥法,1.测量方法概述,电桥法的优缺点和频率范围高精度（0.1%典型值）使用不同电桥可得到宽频率范围 价格低 需要手动平衡 单台仪器的频率覆盖范围较窄 频率范围：DC 300MHz,谐振法,改变电容C直到电路谐振谐振时XL=XC 仅有RX存在,V,RX,DUT,LX,E
4、,C,V,OSC,谐振法的优缺点和频率范围可测很高的Q值 需要调谐到谐振 阻抗测量精度低 频率范围：10KHz 70MHz,电压电流法,由测量的电压值和电流值计算被测阻抗ZX电流通过它所流经的RS上的电压计算,RS,ZX,I,OSC,电压电流法的优缺点和频率范围可测量接地器件 适合于探头类测试需要使用简单 工作频率范围受使用探头的变压器的限制 频率范围：10KHz 100 MHz,RF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相同有两种连接电压表和电流表的方法,(b)高阻抗类型,射频电压电流法的优缺点和频率范围高精度（0.1%典型值）高频下的宽阻抗范围 工作频率范围受使
5、用探头的变压器的限制 频率范围：1MHz 3GHz,自动平衡电桥法,-,+,DUT,H,L,R,虚地,I,I2,I=I2,V2=I2R,Z=,V1,I,=,V1R,V2,V1,I2,=,通过DUT的电流也通过电阻R“L”点的电位保持为0V（称为虚地）,自动平衡电桥法的优缺点和频率范围高精度（0.05%典型值）很宽的测量范围 使用简单不能适应更高的频率范围频率范围：20Hz 110MHz,网络分析法,通过测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 用网络分析仪提供激励并测量响应,DUT,VINC,VR,输入信号,反射信号,定向偶合器或电桥,ZX,网络分析法的优缺点和频率
6、范围高频率范围 当被测阻抗接近特征阻抗时得到高精度 改变测量频率需要重新校准 阻抗测量范围窄 频率范围：300KHz 3GHz,-,uH,哪个值正确?,频率和测量方法,选择正确的测量方法每种方法都有其各自的优缺点必须首先考虑测量的要求和条件，然后选择最合适的方法需要考虑的因素包括频率覆盖范围、测量量程、测量精度和操作的方便性 没有一种方法能包括所有的测量能力，因而在选择测量方法时需折衷考虑,2.仪器分类,阻抗测量仪器分为两种,3.测试连接头,所有阻抗测试都涉及连接头的问题.常用的连接方法有：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连接头中性精密同轴连接头三端连
7、接头、四端连接头、五端连接头 四端对接头,阻抗的连接图、示意图和测量范围,两端连接头,Hp,LC,DUT,LP,HC,HC 为电流高端Hp 为电位高端LP 为电位低端LC 为电流低端,(a)连接图,DUT,V,A,R0,L0,(b)示意图,C0,三端连接头,Hp,LC,DUT,LP,HC,(a)连接图,(d)具有屏蔽的两端连接头,(c)阻抗测量范围,四端连接头,Hp,LC,DUT,LP,HC,(a)连接图,(b)示意图,(c)阻抗测量范围,五端连接头,Hp,LC,DUT,LP,HC,DUT,(a)连接图,(b)示意图,1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10
8、M 100M,5T,DUT,(d)具有屏蔽的四端连接头,(c)阻抗测量范围,四端对连接头,Hp,LC,DUT,LP,HC,(a)连接图,(b)示意图,1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M,4TP,(c)阻抗测量范围,实际的阻抗测量范围不仅取决于测量仪器，而且也取决于四端对连接头与DUT的正确连接。否则也会限制测量范围。每种连接方法各有优缺点，必须根据DUT的阻抗和要求的测量精度，选择最适合的连接方法。,6.2 阻抗标准,电阻标准 1）标准概况 2）标准电阻器 电容标准 1）标准概况 2）标准电容器 电感标准 1）标准概况 2)标准电感器,电阻
9、标准1）标准概况电阻计量标准器具分为一等和二等两个等级 一等电阻标准包括10-3，10-2，10-1，1，10，102，103，104，1059个标称值及一等电阻标准装置。二等电阻标准除上述9个标称值及电阻标准装置外，还有106和107及其相应装置。电阻工作计量器具有13个标称值,从10-4到108.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）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,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
10、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,水晶,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年稳定度为a%。,2)标准电感器,(a)构造面（剖面图）,(b)等效电路图,6.3阻抗的模拟测量法,6.3.1 电压电流法 6.3.2 电桥法 6.
11、3.3 谐振法测量元件参数 6.3.4 Q值测量,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，用测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,1)电桥的平衡条件 用指数形式表示 上式必须同时满足,2)交流四臂电桥,精密万用电桥方框图,平衡调节机构,测量桥路,平衡指示电路,显示电路,电源,测量信号源,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,D,D,4）电桥法测量集总参数元件的误差,标准元件值的误差 电桥指示器的误差 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。,谐振法测量元件参数,谐振
12、法测量原理图,当回路达到谐振时:,（1）直接测量,当CX较小时,选择适当电感 L(不必为标准电感)，接入标准可变电容CS（如虚线所示），调回路至谐振，然后接入被测电容CX,当CX较大时CX应和CS串联接入,（2）替代法：并联替代法（测大电感）,并联替代法测量电感的原理图,信号源,串联替代法测电感,串联替代法（测小电感）,1.Q 表组成原理及测量原理 Q表是根据谐振原理制成的，又称为品质因素测量仪。它由高频振荡器、测量电路和输入、输出指示器等组成。2Q 表测量中产生测量误差的因素,Q 表的基本组成框图,6.3.4 Q 值测量,6.4 阻抗的数字测量法,矢量电流-电压法,1.矢量电流-电压法的原理
13、（1）固定轴法（2）自由轴法2.智能化LCR测量仪的基本组成,6.4.2 自动平衡电桥,矢量电流-电压法,1.矢量电流-电压法的原理,接入标准阻抗RS,2）阻抗的数字测量法原理图,（1）固定轴法,固定轴法矢量关系图,（2）自由轴法,自由轴法矢量关系图,2 智能化LCR测量仪的基本组成,自动平衡电桥,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,接地电阻测试仪 Fluke 1625/1623 GEO 接地电阻测试仪Fluke 1630 接地电阻钳型测试仪Handy Geo 接地测试仪(LEM)绝缘电阻测试仪 Fluke 1520 兆欧表Fluke 1587/1577 绝缘万用表福禄克1508 数字“摇表”,
