电子测量与仪器课件第六章元器件测量与仪器.ppt

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1、1,Dx=tan=RCS/XC=CRCS Dx=tan=XC/RCP=1/CRCP,Q=XL/RLS=L/RLSQ=RLP/XL=RLP/L,集中参数元件的等效,2,6.4 谐振法测量集中参数元件 谐振法又称Q表法，是以LC谐振回路谐振特性为基础而进行测量的方法。在高频段，谐振法受杂散耦合等的影响较小，且比较符合电感、电容的实际工作情况，因此，谐振法高频段测量结果比较可靠，是测量高频元件的常用方法。6.4.1 Q表的组成及工作原理 谐振法构成的测量仪器称为Q表，适合在高频状态下测量电容量、电感量、电容损耗因数、谐振回路或电感品质的因数。它由测量回路、信号源、耦合回路及Q值电压表等部分组成，图6

2、.16为Q表工作原理图，设测量回路电流有效值、总电感、总电容为I、L、C。,3,4,测量回路，即LC谐振回路，它由电感、电容及回路等效损耗电阻R组成。Q表就是根据该回路的谐振特性来测量的。如果测量回路处于谐振状态，则存在如下关系：（6-9）I=Us/R=UL/XL=UC/XC Q=XL/R=XC/R Q=UC/Us=UL/Us,5,6.4.2 测量电感谐振法测量电感，除了依据式（6-9）直接测量（直接法）外，还包括串联替代法和并联替代法。1.串联替代法(适合测量小电感)如图6.17所示，图中信号源与测量回路之间采用的互感耦合方式为松耦合，否则，信号源内阻将严重影响测量回路的谐振特性而产生谐振点

3、误判。其测量步骤如下：将1、2端短接，调节Cs到较大电容C1位置，调节信号,6,源频率，使回路谐振，设谐振频率为f0，此时满足：（6-10）去掉1、2之间的短路线，将Lx接入回路，保持信号源频率f0不变，调节Cs至C2使回路重新谐振，此时满足：（6-11）求解式（6-10）和式（6-11）组成的方程组，得：2.并联替代法 并联替代法适合测量大电感，始终将图6.17中1、2两端,7,短接。其测量步骤如下：不接入Lx，调小可变电容Cs为C1，调节信号源频率使回路谐振，设谐振频率为f0，此时满足：（6-12）将Lx接至3、4端，保持信号源频率f0不变，调节Cs至C2使回路重新谐振，此时满足：（6-1

4、3）求解式（6-12）和式（6-13）组成的方程组，得：6.4.3 测量电容 谐振法测量电容，一般采用串联替代法和并联替代法。,8,替代法可以有效地消除分布电容或引线电感所造成的影响。1.串联替代法 串联替代法适合测量大电容，如图6.17所示。其测量步骤如下：将1、2端短接，调小可变电容Cs为C1，调节信号源频率使测量回路谐振，设谐振频率为f0。去掉短路线，将被测电容Cx接至1、2端，保持信号源频率f0不变，调节Cs至C2使测量回路重新谐振。上述两步，测量回路中的电感以及前后两次的谐振频率未变，因此，前后两次测量回路的等效电容值是相等的，即,9,2.并联替代法并联替代法适合测量小电容，如图6.

5、17所示，图中1、2端始终短接或接入一标准电感，其测量步骤如下：1）不接入被测电容Cx，调大可变电容Cs为C1，调节信号源频率使测量回路谐振，设谐振频率为f0。2）将被测电容接至3、4端，保持信号源频率f0不变，调节Cs至C2使测量回路重新谐振。3）上述两步，测量回路中的电感以及前后两次的谐振频率未变，因此，前后两次测量回路的等效电容值是相等的，即 C1=C2+Cx Cx=C1C2,10,6.4.4 Q表实例及使用方法图6.18为QBG-3型Q表面板结构图，它的使用方法如下：,11,1.测量准备2.电感线圈Q值的测量将被测线圈接到Lx接线柱上；1)调节频率旋钮及波段开关至测量所需的频率点；选择

6、合适的Q值挡级；调节“定位零位校直”旋钮使定位表指示为零，调节定位粗调及定位细调旋钮使定位表指针指到“Q1”处；2)调整主调电容度盘远离谐振点，再调节“Q值零位校直”使Q值表指针指在零点上，最后调解主调电容度盘和微调旋钮使回路谐振（Q值表指示最大），则Q值表的示值即为被测线圈的Q值。,12,3.电感量的测量首先估计一下被测线圈的电感量，按照表6-2选出对应频率，再调节波段开关及频率旋钮使信号源频率达到所需频率值；将“微调”置于零点，调节主调电容度盘使Q值表指示最大。此时，被测线圈的电感量等于主调电容度盘上读出的电感值乘以L、f、倍率对照表中的倍率。,13,4.线圈分布电容的测量1)将主调电容度

7、盘调至某一适当电容值上（一般为200pF），记为C1；2)再调节波段开关及频率旋钮使Q值表指示最大，即找到谐振点f1；3)重新调节波段开关、频率旋钮使信号源频率为f1的两倍，4)然后调节主调电容度盘使Q值表指示最大，记为C2。则分布电容量C0可由下式计算：C0=(C14C2)/3,14,5.电容量的测量被测电容量大小不同，其测量方法也不同。有两种情况：（1）小于460pF电容的测量可以采用并联替代法来测量。从Q表附件中选取一只电感量大于1mH的标准电感接至 Lx接线柱，将“微调”调到零，主调电容度盘调至最大（500pF），记为C1；然后调节“定为零位校直”和“Q值零位校直”旋钮使定位表及Q值表

8、指示为零，再调节定位粗调及定位细调旋钮使定位表指针指在“Q1”处；最后调节频率旋钮及波段开关，使Q值表指示最大。将被测电容接至Cx接线柱，重调主调电容度盘使Q值表指示最大，此时度盘读数为C2，则被测电容Cx等于：Cx=C1-C2,15,6.电容损耗因数的测量 首先将主调电容度盘调至500pF，记为C1，将大于1mH的标准电感接至Lx接线柱，调节波段开关及频率旋钮使Q值表指示最大，设它的读数为Q1；然后将被测电容并接于Cx接线柱上，调小主调电容度盘至某值，设为C2，重调信号源频率使Q值表再次指示最大，设读数为Q2，则损耗因数Dx为：7.注意事项使用Q表测量过程中应注意，被测元件不能直接放在仪器顶

9、板上，要加一块高频损耗小的如聚乙烯之类的衬垫板；被测元件接线要短且接触良好；被测元件的屏蔽罩要接到低电位接线柱上。,16,6.5 晶体管特性图示仪及应用-元器件测试1、采用图示法在荧光屏上直接显示各种晶体管、场效应管等的特性曲线，2、并据此测算出元器件各项参数的仪器，例如测量PNP和NPN型三极管的输入特性、输出特性、电流放大特性；各种反向饱和电流、击穿电压，各类晶体二极管的正反向特性等 晶体管特性图示仪特点：1、具有用途广泛、直接显示、使用方便、操作简单等优点。2、尤其在晶体管各种极限参数和击穿特性的观测时，采用瞬时电压和瞬时电流能使被测晶体管只承受瞬时过载而不会造成损坏。3、不能用于测量晶

10、体管的高频参数。,17,6.5.1 晶体管特性图示仪的组成 图6.19是共发射极NPN型三极管输出特性曲线及其逐点测量法示意图。晶体管特性仪的测量为动态测量法，逐点测量法是晶体管特性图示仪的测量原理基础。,18,晶体管特性图示仪应具备以下功能：能够提供测试过程所需的各种基极电流IB。每一个固定IB期间，集电极电压EC应作相应改变。能够及时取出各组uCE及iC值送显示电路。晶体管特性图示仪主要由阶梯波发生器、集电极扫描信号源、测试变换电路、控制电路、X-Y方式示波器等部分组成，如图6.20所示。,19,20,6.5.2 阶梯波信号源,21,6.5.3 晶体管特性图示仪的使用 1.XJ4810型晶

11、体管特性图示仪的面板结构,22,23,（1）电源及示波管控制部分电源及示波管控制部分开关旋钮包括：聚焦、辅助聚焦、辉度及电源开关，各自的使用方法与示波器相似。（2）集电极电源1）“峰值电压范围”选择开关“峰值电压范围”选择开关用于选择集电极电源最大值。其中AC挡能使集电极电源变为双向扫描，使屏幕同时显示出被测二极管的正、反方向特性曲线。当电压由低挡换向高挡时，应先将“峰值电压%”旋钮旋至0。2）“峰值电压%”旋钮调节“峰值电压%”旋钮使集电极电源在确定的峰值电压范围内连续变化。,24,3）“+、”极性按键开关按下“+、”极性按键开关时集电极电源极性为负，弹起时为正。4）“电容平衡”、“辅助电容

12、平衡”旋钮当Y轴为较高电流灵敏度时，调节“电容平衡”、“辅助电容平衡”旋钮两旋钮使仪器内部容性电流最小，使荧光屏上的水平线基本重叠为一条。一般情况下无需调节。5）“功耗限制电阻”旋钮“功耗限制电阻”旋钮用于改变集电极回路电阻的大小。测量被测管的正向特性时应置于低电阻挡，测量反向特性时应置于高阻挡。（3）Y轴部分,25,1）“电流/度”旋钮“电流/度”旋钮是测量二极管反向漏电流IR及三极管集电极电流IC的量程开关。当开关置于“”（该挡称为基极电流或基极源电压）位置时，可使屏幕Y轴代表基极电流或电压；当开关置于“外接”时，Y轴系统处于外接收状态，外输入端位于仪器左侧面。2）“移位”旋钮“移位”旋钮

13、可进行垂直移位外，还兼作倍率开关，当旋钮拉出时，指示灯亮，Y轴偏转因数缩小为原来的1/10。3）“增益”电位器“增益”电位器用于调整Y轴放大器的总增益，即Y轴偏转因数。一般情况下无需经常调整。,26,（4）X轴部分1）“电压/度”旋钮“电压/度”旋钮是集电极电压UCE及基极电压UBE的量程开关。当开关置于“”位置时，可使屏幕X轴代表基极电流或电压；当开关置于“外接”时，X轴系统处于外接收状态，外输入端位于仪器左侧面。2）“增益”电位器“增益”电位器用于调整X轴放大器的总增益，即X轴偏转因数。一般情况下无需经常调整。（5）显示部分1）“变换”选择开关,27,“变换”选择开关用于同时变换集电极电源

14、及阶梯信号的极性，以简化NPN型管与PNP管转测时的操作。2）“”按键开关“”按键开关按下时，可使X、Y放大器的输入端同时接地，以确定零基准点。3）“校准”按键开关“校准”按键开关用于校准X轴及Y轴放大器增益。开关按下时，在荧光屏有刻度的范围内，亮点应自左下角准确地跳至右上角，否则应调节X轴或Y轴的增益电位器来校准。（6）阶梯信号1）“电压电流/级”旋钮“电压电流/级”旋钮用于确定每级阶梯的电压值或电流,28,值。2）“串联电阻”开关“串联电阻”开关用于改变阶梯信号与被测管输入端之间所串接的电阻大小，但只有当电压电流/级开关置于电压挡时，本开关才起作用。3）“级/簇”旋钮“级/簇”旋钮用于调节

15、阶梯信号一个周期的级数，可在110级之间连续调节。4）“调零”旋钮“调零”旋钮用于调节阶梯信号起始级电平，正常时该级为零电平。,29,5）“+、”极性按键开关“+、”极性按键开关用于确定阶梯信号的极性。6）“重复关”按键开关“重复关”按键开关弹起时，阶梯信号重复出现，用作正常测试；当开关按下时，阶梯信号处于待触发状态。7）“单簇按”开关“单簇按”开关与“重复关”按键开关配合使用。当阶梯信号处于调节好的待触发状态时，按下该按钮，指示灯亮，阶梯信号出现一次，然后又回至待触发状态。（7）测试台部分图6.27为XJ4810型晶体管特性图示仪测试台面板图，各,30,开关旋钮的作用如下：1）“左”、“右”

16、按键开关 开关按下时，分别接通左、右边的被测管。2）“二簇”按键开关“二簇”按键开关按下时，图示仪自动交替接通左、右两只被测管，此时可同时观测到两管的特性曲线，以便对它们进行比较。3）“零电压”、“零电流”按钮“零电压”、“零电流”按钮按下时，分别将被测管的基极接地、基极开路，后者用于测量ICEO、BUCEO等参量。,31,2.XJ4810型晶体管特性图示仪的使用方法与注意事项（1）使用方法开启电源，指示灯亮，预热15min后使用。调节辉度、聚焦、辅助聚焦等旋钮，使屏幕上的亮点或线条清晰。X、Y灵敏度校准。将峰值电压%旋钮选为0，屏幕上的亮点移至左下角，按下显示部分中的校准按键开关，此时亮点应

17、准确地跳至右上角。否则，应调节X轴或Y轴的增益电位器来校准。阶梯调零。当测试中要用到阶梯信号时，必须先进行阶梯调零，其过程如下：将阶梯信号及集电极电源均置于“+”极性，“电压/度”置于“1V/度”，“电流/度”置于“”，“电压电,32,流/级”置于“0.05V/级”，“重复开关”置于重复，“级/簇”置于适中位置，“峰值电压范围”置于10V挡，调节“峰值电压%”旋钮使屏幕上的扫描线满度，然后按下“”按键，观察此时亮点在屏幕上的位置，再将按键复位，调节调零旋钮使阶梯波起始级处于亮点位置，这样，阶梯信号的零电平即被校准。（2）注意事项 应特别注意阶梯信号选择、功耗限制电阻、峰值电阻范围旋钮的使用，如

18、果使用不当会损坏被测晶体管。测试大功率晶体管和极限参数、过载参数时，应采用单簇阶梯信号，以防过载损坏被测器件。测试MOS型场效应管时，应特别注意不要使栅极悬空，以免感应电压过高击穿被测管。,33,测试完毕后，使仪器复位，以防下次使用时因疏忽而损坏被测器件。此时应将“峰值电压范围”置于（010V）挡，“峰值电压调节”旋到零位，阶梯信号选择开关置于关挡，“功耗限制电阻”置于10k以上位置。6.5.4 晶体管特性图示仪特性曲线测试举例晶体管特性图示仪可直接测试晶体管各种组态的输出、输入特性以及各种参数的测量。这里仅介绍部分特性曲线的测试方法。1.二极管特性曲线的测试二极管特性曲线的测试原理如图6.2

19、8所示。测试二极管时只需观察流过二极管的电流与二极管两端电压之间的关系，不必使用阶梯信号源。将二极管的正极和,34,负极分别插入C、E两个接线端即可。测正向特性时加正极性扫描电压，测反向特性时加负极性扫描电压。集电极扫描电压接至X轴，RF上的取样电压接至Y轴，则可显示出相应的特性。为了能显示出二极管的正反向特性，把未扫描时的亮点调至显示屏的中心位置，扳动扫描电压极性开关则可分别显示出正反向特性曲线。新型的晶体管图示仪，集电极扫描电压有双向扫描功能，可使正反向特性曲线同时显示在荧光屏上。根据显示出,35,的特性曲线，依据定义可测量出二极管的各种参数，如整流二极管的正向压降、反向电流，稳压管的稳定

20、电压、动态电阻等。2.三极管特性曲线的测试（1）三极管输出特性曲线测试 NPN型三极管输出特性曲线测试原理如图6.20所示。选择集电极扫描电压、基极阶梯信号的极性及扫描电压的峰值电压范围，Y轴作用开关置于“集电极电流”某合适挡位，X轴作用开关置于“集电极电压”某合适挡位；基极接入阶梯信号（连续或脉冲），“阶梯选择”置于阶梯电流某合适位置，“功耗限制电阻”选取合适数值，插入被测三极管，加大集电极扫描电压，即可显示出三极管共射输出特性曲线。,36,（2）三极管输入特性曲线的测试三极管输入特性曲线的测试原理如图6.29所示。此时被测管的集电极仍接全波整流扫描电压，基极接入连续阶梯（或脉冲阶梯）信号，

21、二者极性由被测管管型确定，Y轴作用开关置于“基极电流或基极源电压”，“X轴作用”置于“基极电压”某合适挡位，阶梯电流iB及扫描电压uCE的调节方法同上。,37,PNP型三极管特性曲线测试时，集电极电源极性、阶梯极性为负极性，与测试NPN型三极管时的极性相反。3.场效应管特性曲线的测试（1）漏极特性曲线的测试测试时，将场效应管的漏极、栅极和源极分别插入C、B、E接线端。场效应管iD和uDS的选择与一般晶体管的iC、uCE相似，如图6.30所示。2.场效应管转移特性曲线测试用转移特性曲线测量场效应管的夹断电压UP、饱和漏极电流IDSS与跨导gm比较直观。将X放大器接到栅极（即面板上“基极电压”位置

22、），如图6.31所示。由于阶梯电压加在X轴方向，在屏幕上形成许多上端有亮点的竖线，如图6.32所示。由,38,亮点连接起来的曲线即为转移特性曲线。该曲线与X轴的交点所对应的UGS为夹断电压UP，曲线的斜率为跨导gm，曲线与Y轴交点所对应的iD为漏极饱和电流IDSS。,39,本章小结 本章主要介绍了伏安法、电桥法、谐振法等集中参数元件的测量与仪器，以及晶体管特性曲线的测量方法与仪器，是电子元器件测量的基础知识。（1）电子元器件测量主要包括电阻、电容、电感、损耗因数、品质因数等集中参数的测量及晶体管特性参数的测量。低频状态下的电阻、电容、电感属于集中参数元件。（2）伏安法是根据欧姆定律来测量集中元

23、件参数的。测量精确度较,40,差，仅适用于低频测量，一般用来测量直流电阻。（3）集中参数元件阻抗的数字化测量实质上属于阻抗-电压变换法测量。它利用正弦信号在被测阻抗两端产生交流电压，并对实部和虚部进行分离，最后利用电压的数字化测量来实现阻抗的测量。（4）电桥法是根据电桥平衡条件来测量的。所用仪器称为平衡电桥或电桥。电桥法比较适合低频阻抗元件的测量，电桥由桥体、零指示器、电源等部分组成。（5）电桥分为直流电桥和交流电桥，交流电桥又有臂比、臂乘电桥之分。臂比电桥比较适于测量电容；臂乘电桥比较适于测量电感。（6）不平衡电桥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进行测量。它也可以用来测量集中参数元件。不平衡电桥易实现集中参数元件的快速数字化测量。（7）谐振法又称Q表法，是依据LC谐振回路谐振特性而进行测量的方法。谐振法比较适合高频元件的测量。谐振法测量仪器称为Q表，Q表由测量回路、信号源、耦合回路及Q值电压表等部分组成。,41,（8）Q表法测量电感、电容时一般采用替代法，要正确使用Q表。（9）晶体管特性图示仪是一种元器件测量仪器，用来显示元器件的特性曲线、测量、值等参数，主要由阶梯波发生器、集电极扫描电路、测试变换电路和示波器等组成。,