电子测量技术第6章阻抗测量课件.ppt
2023/3/13,电子测量技术第6章阻抗测量,电子测量技术第6章阻抗测量,电子测量技术第6章阻抗测量,6.1引言一般指电阻、电容、电感及相关的Q值、损耗角、电导等参数的测量。,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,电子测量技术第6章阻抗测量,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。测量的具体条件改变可能会引起被测阻抗特性的改变。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,电子测量技术第6章阻抗测量,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。测量条件应尽可能与实际工作条件接近，否则误差较大。(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：考虑了元件寄生参数的影响，它是实验者需要知道的量值。与频率相关。指示值：测量仪器获取和显示的量值，反映出仪器的固有损耗和不精确性。,电子测量技术第6章阻抗测量,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,电子测量技术第6章阻抗测量,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,电子测量技术第6章阻抗测量,电感器,理想电感,考虑导线损耗,考虑导线损耗和分布电容,L,R0,L,C0,L,R0,电子测量技术第6章阻抗测量,(2)元件的影响因素 频率：寄生参数的存在使频率对所有元件都有影响。电平：施加的测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因素。其它影响因素(环境，湿度，老化等).,电子测量技术第6章阻抗测量,测量器件的寄生参数影响,电子测量技术第6章阻抗测量,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,电子测量技术第6章阻抗测量,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,普通电感,磁芯损耗高的电感,电子测量技术第6章阻抗测量,电容器的频率响应,L0的影响,|z|,R0,理想 C,R0,C,L0,电子测量技术第6章阻抗测量,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),测试信号电平：(K为介电常数),高K值,中K值,低K值,C,o,V,(b)测试电流(AC),L,o,I,电子测量技术第6章阻抗测量,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,直流偏置,高K值,低K值,C,o,V0,直流偏置电流,o,L,I0,电子测量技术第6章阻抗测量,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,o,C,C,o,1 10 102 103 10 4,25,电子测量技术第6章阻抗测量,6.1.2 元件参数测量的基本技术,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。,1.测量方法概述,电子测量技术第6章阻抗测量,电桥法的优缺点: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,电子测量技术第6章阻抗测量,谐振法,调节电容C使电路谐振，就能根据测量频率、C值和Q值得到阻抗Lx和Rx的值。谐振时XL=XC 仅有RX存在。,V,RX,DUT,LX,E,C,V,OSC,Q值用跨接在可调电容器上的电压表直接测量。,电子测量技术第6章阻抗测量,谐振法的优缺点：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,电子测量技术第6章阻抗测量,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低阻值标准电阻RS上的电压计算,RS,ZX,I,OSC,电子测量技术第6章阻抗测量,电压电流法的优缺点：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,电子测量技术第6章阻抗测量,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,电子测量技术第6章阻抗测量,(b)高阻抗类型,电子测量技术第6章阻抗测量,射频电压电流法的优缺点：高精度（0.1%典型值）高频下的宽阻抗范围 工作频率范围受使用探头的变压器的限制 频率范围：1MHz 3GHz,电子测量技术第6章阻抗测量,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）电流/电压放大器使R上电流与DUT上电流保持平衡,电子测量技术第6章阻抗测量,自动平衡电桥法的优缺点：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,电子测量技术第6章阻抗测量,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,电子测量技术第6章阻抗测量,网络分析法的优缺点：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,电子测量技术第6章阻抗测量,-,哪个值正确?,uH,电子测量技术第6章阻抗测量,频率和测量方法,电子测量技术第6章阻抗测量,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,电子测量技术第6章阻抗测量,2.仪器分类,阻抗测量仪器分为两种一种是利用模拟阻抗测量的仪器 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,电子测量技术第6章阻抗测量,另一种是数字式阻抗测量仪器采用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阻抗测量仪采用网络分析法的：网络分析仪,电子测量技术第6章阻抗测量,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，N型、BNC型等；中性精密同轴连接头；三端连接头、四端连接头、五端连接头；四端对接头。,电子测量技术第6章阻抗测量,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,电子测量技术第6章阻抗测量,DUT,V,A,R0,L0,(b)示意图,C0,电子测量技术第6章阻抗测量,三端连接头,Hp,LC,DUT,LP,HC,(a)连接图,电子测量技术第6章阻抗测量,(d)具有屏蔽的两端连接头,(c)阻抗测量范围,电子测量技术第6章阻抗测量,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,电子测量技术第6章阻抗测量,五端连接头,Hp,LC,DUT,LP,HC,DUT,(a)连接图,(b)示意图,电子测量技术第6章阻抗测量,1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M,5T,DUT,(d)具有屏蔽的四端连接头,(c)阻抗测量范围,电子测量技术第6章阻抗测量,四端对连接头,Hp,LC,DUT,LP,HC,(a)连接图,电子测量技术第6章阻抗测量,(b)示意图,1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M,4TP,(c)阻抗测量范围,电子测量技术第6章阻抗测量,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。使用不同的仪器会得到不同的电感测量结果：(1)测量信号电流：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)测量夹具：大小和形状不同，产生的涡流大小也不同。电感器旁的金属物体的影响。,电子测量技术第6章阻抗测量,6.2 阻抗标准,6.2.1 电阻标准 1）标准概况 2）标准电阻器 6.2.2 电容标准 1）标准概况 2）标准电容器 6.2.3 电感标准 1）标准概况 2)标准电感器,电子测量技术第6章阻抗测量,6.2.1电阻标准1）标准概况 1990.1.1起使用量子化霍尔电阻标准。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。,电子测量技术第6章阻抗测量,电压端子,2）标准电阻器电阻值稳定；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 标准电阻器,标准电阻值较低时，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。,电子测量技术第6章阻抗测量,6.2.2 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。分成0.01级、0.02级、0.05级、0.1级、0.2级、0.5级和1.0级。,电子测量技术第6章阻抗测量,2）标准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。,水晶,图 无损耗型空气电容器,电子测量技术第6章阻抗测量,6.2.3 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%。,电子测量技术第6章阻抗测量,2)标准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变。,(a)构造面（剖面图）,(b)等效电路图,电子测量技术第6章阻抗测量,6.3 阻抗的模拟测量法,6.3.1 电压电流法 6.3.2 电桥法 6.3.3 谐振法测量元件参数 6.3.4 Q值测量,电子测量技术第6章阻抗测量,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：,电子测量技术第6章阻抗测量,6.3.2 电桥法,以电桥平衡原理为基础。优点：精度高，能在很大程度上消除或削弱系统误差的影响。缺点：交流电桥对幅值与相位两个参量进行反复平衡调节，调节步骤繁琐，桥路中还采用一些昂贵的精密元件，制作困难等。,电子测量技术第6章阻抗测量,1.电桥的平衡条件 一对相对桥臂阻抗的乘积必须等于另一对相对桥臂阻抗的乘积。用指数形式表示 上式必须同时满足,电子测量技术第6章阻抗测量,电桥四个臂的元件性质要适当选择：(1)若相邻两臂(如Zx和Z3)为纯电阻，则另外两臂的阻抗性质必须相同；(2)若相对两臂(如Zx和Z4)采用纯电阻，则另外两臂必须一个是电感性阻抗，另一个是电容性阻抗。(3)若是直流电桥，各臂均由纯电阻构成，不需考虑相位问题。,电子测量技术第6章阻抗测量,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,电子测量技术第6章阻抗测量,惠斯登电桥(直流电桥),(1)测量电阻,电子测量技术第6章阻抗测量,串联电容比较电桥,(2)测量电容,电子测量技术第6章阻抗测量,并联电容比较电桥,(2)测量电容,电子测量技术第6章阻抗测量,海式电桥,(3)测量电感,电子测量技术第6章阻抗测量,麦克斯韦-韦恩电桥,(3)测量电感,电子测量技术第6章阻抗测量,欧文电桥,(3)测量电感,电子测量技术第6章阻抗测量,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,特点：具有高准确度、高稳定性、高抗干扰能力。标准臂参数必须与被测参数性质相同。,电子测量技术第6章阻抗测量,4.电桥法测量集总参数元件的误差,标准元件值的误差：误差大小与电路形式和元件的准确度有关。电桥指示器的误差：指示器灵敏度较低时，难以判断最小值位置；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断。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。,电子测量技术第6章阻抗测量,6.3.3 谐振法测量元件参数,谐振法测量原理图,当回路达到谐振时:,电子测量技术第6章阻抗测量,(1)直接测量已知谐振频率和标准电感，可求电容；同理，已知谐振频率和标准电容，可求电感。,此法求得的L未考虑引线电感及回路电容的寄生电感的影响，一般需加以修正。,电子测量技术第6章阻抗测量,（2）替代法,替代法测电容：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，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,电子测量技术第6章阻抗测量,（2）替代法测电感 并联替代法：用于测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保持信号频率不变。调Cs至Cs2使回路再次谐振。,并联替代法测量电感的原理图,信号源,电子测量技术第6章阻抗测量,串联替代法测电感,串联替代法：用于测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；然后去掉短路线，接入Lx，保持频率不变，再调Cs至较小位置Cs2使回路重新谐振。,电子测量技术第6章阻抗测量,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。,Q 表的基本组成框图,6.3.4 Q值测量,电子测量技术第6章阻抗测量,当测量电感时，Lx接于端子1,2之间，保持振荡器输出和频率为某一固定值，调整标准电容Cs使回路谐振，即PV2指示值最大，此最大值U2等于U1的Q倍。,当测量电容时，先将辅助电感接于端子1,2之间，在频率为某一值时，调整标准电容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，减小标准电容Cs至Cs2，使回路重新谐振，并记下此时Q值为Q2，于是,电子测量技术第6章阻抗测量,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,电子测量技术第6章阻抗测量,2Q 表测量中产生测量误差的因素 耦合元件的损耗电阻；调谐用标准电容自身Q值不高；Q表残余参量；Q值电压表指示误差。,电子测量技术第6章阻抗测量,6.4 阻抗的数字测量法,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,电子测量技术第6章阻抗测量,6.4.1 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,Ux与US有公共接地参考点,电子测量技术第6章阻抗测量,2）阻抗的数字测量法原理图,利用同步检波器或模拟乘法器构成的相位检波器，实现虚实部分离。,电子测量技术第6章阻抗测量,(1)固定轴法 复数阻抗的直角坐标x轴方向固定地选取在分母矢量方向上。,固定轴法矢量关系图,要求把参考电压严格固定在Ux或Us方向上，使矢量除法运算简化为标量运算。,电子测量技术第6章阻抗测量,（2）自由轴法,自由轴法矢量关系图,参考相位信号可以不与任何一个被测电压的方向相同，在整个测量过程中应保持不变，即与被测电压之一保持固定的相位关系。只要知道每个矢量在直角坐标轴上的两个投影，经过运算即可求出结果。,电子测量技术第6章阻抗测量,相敏检波器通过开关选择Ux和Us，便可得到他们的投影分量。精确的正交坐标系靠软件来产生和保证。,电子测量技术第6章阻抗测量,2.智能化LCR测量仪的基本组成,电子测量技术第6章阻抗测量,6.4.2 自动平衡电桥,电子测量技术第6章阻抗测量,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,2023/3/13,电子测量技术第6章阻抗测量,演讲完毕，谢谢听讲!,再见，see you again,3rew,
