阻抗測量幻燈片

1、第6章 阻抗測量,第6章 阻抗測量,元件的工業(yè)趨勢,6.1概述,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,阻抗兩種坐標形式的轉換關系為：,實軸,+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 (1)真值，有效值和指示值 (2)元件的影響因素 測試信號頻率 測試信號電頻 直流偏置 電壓和電流 溫度 其它影響因素 （環(huán)境，濕度，老化等）,理想電阻,考慮引線電感,考慮引線電感和分布電容,電阻器,R,R,R,C0,L0,理想電容,考慮泄漏、引線電阻和電感,考慮泄漏、介質損耗等,電容器,C,C,C,R0,R0,L0,R,0,電感器,理想電感,考慮導

2、線損耗,考慮導線損耗和分布電容,L,R0,L,C0,L,R0,測量器件的寄生參數(shù)影響,電阻器的頻率響應,寄生電容,C0,R,低阻值電阻,理想R,R,|z|,高阻值電阻,理想R,R,|z|,引線電感,R,L0,電感器的頻率響應,C0,L,R0,L,C0,R0,C0的影響,|z|,理想 L,R0,理想 L,C0的影響,|z|,R0,電容器的頻率響應,L0的影響,|z|,R0,理想 C,R0,C,L0,測試信號（AC）電頻 對電容器和鐵芯電感器的影響,與AC有關的磁芯電感器,與AC電壓有關的陶瓷電容器,(a) 測試電壓(AC),測試信號電頻：,高K值,中K值,低K值,C,o,V,(b) 測試電流(A

3、C),L,o,I,與直流偏置電壓有關的電容器,直流偏置電壓,與直流偏置電流有關的磁芯電感器,陶瓷電容器與鐵芯電感器的直流偏置影響,直流偏置,高K值,低K值,C,o,V0,直流偏置電流,o,L,I0,溫度,時間,溫度,中K值,高K值,陶瓷電容器的溫度相關性,陶瓷電容器的老化相關性,o,C,C,o,1 10 102 103 10 4,25,6.1.2元件參數(shù)測量的基本技術,電橋法,1. 測量方法概述,電橋法的優(yōu)缺點和頻率范圍 高精度（0.1%典型值） 使用不同電橋可得到寬頻率范圍 價格低 需要手動平衡 單臺儀器的頻率覆蓋范圍較窄 頻率范圍 ：DC 300MHz,諧振法,改變電容C直到電路諧振 諧振

4、時XL=XC 僅有RX存在,V,RX,DUT,LX,E,C,V,OSC,諧振法的優(yōu)缺點和頻率范圍 可測很高的Q值 需要調諧到諧振 阻抗測量精度低 頻率范圍 ：10KHz 70MHz,電壓電流法,由測量的電壓值和電流值計算被測阻抗ZX 電流通過它所流經(jīng)的RS上的電壓計算,RS,ZX,I,OSC,電壓電流法的優(yōu)缺點和頻率范圍 可測量接地器件 適合于探頭類測試需要 使用簡單 工作頻率范圍受使用探頭的變壓器的限制 頻率范圍 ：10KHz 100 MHz,RF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相同 有兩種連接電壓表和電流表的方法,(b)高阻抗類型,射頻電壓電流法的優(yōu)缺點和

5、頻率范圍 高精度（0.1%典型值） 高頻下的寬阻抗范圍 工作頻率范圍受使用探頭的變壓器的限制 頻率范圍 ：1MHz 3GHz,自動平衡電橋法,-,+,DUT,H,L,R,虛地,I,I2,I= I2,V2= I2R,Z =,V1,I,=,V1R,V2,V1,I2,=,通過DUT的電流也通過電阻R “L”點的電位保持為0V（稱為虛地）,自動平衡電橋法的優(yōu)缺點和頻率范圍 高精度（0.05%典型值） 很寬的測量范圍 使用簡單 不能適應更高的頻率范圍 頻率范圍 ：20Hz 110MHz,網(wǎng)絡分析法,通過測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)絡分析儀提供激勵并測量響應

6、,DUT,VINC,VR,輸入信號,反射信號,定向偶合器或電橋,ZX,網(wǎng)絡分析法的優(yōu)缺點和頻率范圍 高頻率范圍 當被測阻抗接近特征阻抗時得到高精度 改變測量頻率需要重新校準 阻抗測量范圍窄 頻率范圍 ：300KHz 3GHz,-,uH,哪個值正確?,頻率和測量方法,選擇正確的測量方法 每種方法都有其各自的優(yōu)缺點 必須首先考慮測量的要求和條件，然后選擇最合適的方法 需要考慮的因素包括頻率覆蓋范圍、測量量程、測量精度和操作的方便性 沒有一種方法能包括所有的測量能力，因而在選擇測量方法時需折衷考慮,2.儀器分類,阻抗測量儀器分為兩種,3. 測試連接頭,所有阻抗測試都涉及連接頭的問題.常用的連接方法有

7、： 兩端接線柱式（或香蕉插頭）適用于Q表等低準確度諧振式阻抗儀器 有極性的同軸的連接頭 中性精密同軸連接頭 三端連接頭、四端連接頭、五端連接頭 四端對接頭,阻抗的連接圖、示意圖和測量范圍,兩端連接頭,Hp,LC,DUT,LP,HC,HC 為電流高端 Hp 為電位高端 LP 為電位低端 LC 為電流低端,(a)連接圖,DUT,V,A,R0,L0,(b)示意圖,C0,三端連接頭,Hp,LC,DUT,LP,HC,(a)連接圖,(d)具有屏蔽的兩端連接頭,(c)阻抗測量范圍,四端連接頭,Hp,LC,DUT,LP,HC,(a)連接圖,(b)示意圖,(c)阻抗測量范圍,五端連接頭,Hp,LC,DUT,LP

8、,HC,DUT,(a)連接圖,(b)示意圖,1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M,5T,DUT,(d)具有屏蔽的四端連接頭,(c)阻抗測量范圍,四端對連接頭,Hp,LC,DUT,LP,HC,(a)連接圖,(b)示意圖,1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M,4TP,(c)阻抗測量范圍,實際的阻抗測量范圍不僅取決于測量儀器，而且也取決于四端對連接頭與DUT的正確連接。否則也會限制測量范圍。 每種連接方法各有優(yōu)缺點，必須根據(jù)DUT的阻抗和要求的測量精度，選擇最適合的連接方法。,6.2 阻抗標準,6

9、.2.1電阻標準 1）標準概況 2）標準電阻器 6.2.2電容標準 1）標準概況 2）標準電容器 6.2.3電感標準 1）標準概況 2)標準電感器,6.2.1電阻標準 1）標準概況 電阻計量標準器具分為一等和二等兩個等級 一等電阻標準包括10-3，10-2，10-1，1，10，102，103，104，1059個標稱值及一等電阻標準裝置。二等電阻標準除上述9個標稱值及電阻標準裝置外，還有106和107及其相應裝置。 電阻工作計量器具有13個標稱值,從10-4到108.每個標稱值又有0.00005級到0.2級不等的7到9個準確度等級。,電壓端子,2）標準電阻器,水銀罩,電流端子,插入溫度表,無感線

10、圈的錳銅電阻線,(a)構造,電流端子,電流端子,電壓端子,(b) 外觀,圖6-8 標準電阻器,6.2.2電容標準 1）標準概況 標準電容器分為三等。 一等和二等標準電容量具采用標稱值分別為1PF，10PF，100pF和1000PF的標準電容器。它們的差別在不確定度和年穩(wěn)定度。 三等標準電容量具采用標稱值為10-4PF-1F的標準電容器。,2）標準電容器,水晶,6.2.3電感標準 1）標準概況 采用標稱值為1H-10000H的標準電感器作為標準電感量具。 標準電感量具分成0.01級、0.02級、0.05級 、0.1級、0.2級、0.5級和1.0級，對應的級別指數(shù)a為0.01，0.02，0.05，

11、0.1，0.2，0.5和1.0，對應的最大允許誤差和年穩(wěn)定度為a%。,2)標準電感器,(a)構造面（剖面圖 ）,(b)等效電路圖,6.3阻抗的模擬測量法,6.3.1 電壓電流法 6.3.2 電橋法 6.3.3 諧振法測量元件參數(shù) 6.3.4 Q值測量,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，用測量的電壓值和電流值計算被測阻抗值： 被測器件的導納為：,6.3.2 電橋法,1) 電橋的平衡條件 用指數(shù)形式表示 上式必須同時滿足,2)交流四臂電橋,精密萬用電橋方框圖,平衡調節(jié)機構,測量橋路,平衡指示電路,顯示電路,電源,測量信號源,3） 變壓器耦合臂電橋,兩電橋的平衡條件都為

12、,電壓比例臂構成的橋路,電流比例臂構成的橋路,D,D,4）電橋法測量集總參數(shù)元件的誤差,標準元件值的誤差 電橋指示器的誤差 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諧振法測量元件參數(shù),諧振法測量原理圖,當回路達到諧振時:,（1）直接測量,當CX較小時,選擇適當電感 L(不必為標準電感)，接入標準可變電容CS（如虛線所示），調回路至諧振，然后接入被測電容CX,當CX較大時CX應和CS串聯(lián)接入,（2）替代法： 并聯(lián)替代法（測大電感）,并聯(lián)替代法測量電感的原理圖,信號源,串聯(lián)替代法測電感,串聯(lián)替代法（測小電感）,1. Q 表組成原理及測量原理 Q表是根據(jù)諧振原理制成的，又稱為品質因素測量儀。 它由高頻振蕩器、測量電路和輸入、輸出指示器等組成。 2Q 表測量中產(chǎn)生測量誤差的因素,Q 表的基本組成框圖,6.3.4 Q 值測量,6.4 阻抗的數(shù)字測量法,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）自由軸法 2.智能化LCR測量儀的基本組成,6.4.2 自動平衡電橋,6.4.1 矢量電流-電壓法,1.矢量電流-電壓法的原理,接入標準阻抗RS,2）阻抗的數(shù)字測量法原理圖,（1） 固定軸法,固定軸法矢量關系圖,（2）自由軸法,自由軸法矢量關系圖,2 智能化LCR測量儀的基本組