電子測量技術(shù)阻抗測量

1、第6章 阻抗測量 26.1 引言 6.2 阻抗標(biāo)準(zhǔn) 6.3 阻抗的模擬測量法6.4 阻抗的數(shù)字測量法6.1引言一般指電阻、電容、電感及相關(guān)的Q值、損耗角、電導(dǎo)等參數(shù)的測量。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。測量的具體條件改變可能會引起被測阻抗特性的改變。阻抗兩種坐標(biāo)形式的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：DUT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 存在寄生電容、寄生電感和損耗。測量條件應(yīng)盡可能與實際工作條件接近，否則誤差較大。(1)真值，有效值和指示值 真值：是排除了寄生參數(shù)缺陷的

2、電器元件量值。有效值：考慮了元件寄生參數(shù)的影響，它是實驗者需要知道的量值。與頻率相關(guān)。指示值：測量儀器獲取和顯示的量值，反映出儀器的固有損耗和不精確性。理想電阻考慮引線電感考慮引線電感和分布電容 電阻器RRRC0L0L0理想電容考慮泄漏、引線電阻和電感考慮泄漏、介質(zhì)損耗等 電容器CCCR0R0L0R,0 電感器理想電感考慮導(dǎo)線損耗考慮導(dǎo)線損耗和分布電容LR0LC0LR0(2)元件的影響因素 頻率：寄生參數(shù)的存在使頻率對所有元件都有影響。電平：施加的測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因素。其它影響因素

3、 (環(huán)境，濕度，老化等).測量器件的寄生參數(shù)影響DUT電阻器的頻率響應(yīng)寄生電容C0R低阻值電阻理想RR|z|高阻值電阻理想RR|z|引線電感 RL0電感器的頻率響應(yīng)C0 LR0LC0R0C0的影響|z|理想 LR0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響應(yīng)L0的影響|z|R0理想 CR0CL0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)測試信號電平： (K為介電常數(shù)) 高K值中K值低K值CoV(b) 測試電流(AC)LoI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

4、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CoV0直流偏置電流oLI0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oCCo1 10 102 103 10 4256.1.2 元件參數(shù)測量的基本技術(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. 測量方法概述電橋法的優(yōu)缺點: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 調(diào)節(jié)電容C使電路諧振，就能根據(jù)測量頻率、C值和Q值得到阻抗Lx和Rx的值。 諧振時XL=XC 僅

5、有RX存在。VRXDUTLXECVOSCQ值用跨接在可調(diào)電容器上的電壓表直接測量。諧振法的優(yōu)缺點：可測很高的Q值 需要調(diào)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)的低阻值標(biāo)準(zhǔn)電阻RS上的電壓計算V1V2RSZXIOSC電壓電流法的優(yōu)缺點：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 RV1VV2RI1ZXIOSCRI2(b)高阻

6、抗類型 RVV2V1ZXIOSCRR2射頻電壓電流法的優(yōu)缺點：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 -+DUTHLR虛地V1II2I= I2V2= I2RZ =V1I=V1RV2V1I2=V2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）電流/電壓放大器使R上電流與DUT上電流保持平衡 自動平衡電橋法的優(yōu)缺點：高精度（0.05%典型值） 很寬的測量范圍 使用簡單不能適應(yīng)更高的頻率范圍頻率范圍 ：20Hz 110MHz 網(wǎng)絡(luò)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

7、或電橋檢測反射信號 用網(wǎng)絡(luò)分析儀提供激勵并測量響應(yīng) DUTVINCVR輸入信號反射信號定向偶合器或電橋OSCZXV1V2網(wǎng)絡(luò)分析法的優(yōu)缺點：高頻率范圍 當(dāng)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(zhǔn) 阻抗測量范圍窄 頻率范圍 ：300KHz 3GHz -哪個值正確?Z AnalyzerQ : 165Q : 120LCR meterQ : 165Q = 120?D U TL : 5.231uH?D U TL : 5.310uHLCR meter5.310uHLCR meter5.231uHuH網(wǎng)絡(luò)分析法300KHz1101001K10K100K1M10M100M1G10G10KHz

8、70MHz10KHz110MHz1 MHz3GHzRF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一種是利用模擬阻抗測量的儀器 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)字式阻抗測量儀器采用RF電壓

9、電流法的：射頻阻抗分析儀采用自動平衡電橋法的：LF阻抗測量儀采用網(wǎng)絡(luò)分析法的：網(wǎng)絡(luò)分析儀 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：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；有極性的同軸的連接頭，N型、BNC型等；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 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)連接圖R0L0DUTVAR0L0(b)示意圖1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M2

10、T(c)阻抗測量范圍C0三端連接頭HpLCDUTLPHC(a)連接圖(b)示意圖R0L0DUTVAR0L0C0(d)具有屏蔽的兩端連接頭1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M3T(c)阻抗測量范圍DUTVA四端連接頭HpLCDUTLPHCDUTVA1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M4T(a)連接圖(b)示意圖(c)阻抗測量范圍五端連接頭HpLCDUTLPHCDUTVA(a)連接圖(b)示意圖1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M5TDUTVA

11、(d)具有屏蔽的四端連接頭(c)阻抗測量范圍四端對連接頭HpLCDUTLPHC(a)連接圖(b)示意圖DUTVA1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M4TP(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。使用不同的儀器會得到不同的電感測量結(jié)果：(1)測量信號電流：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)測量夾具：大小和形狀不同，產(chǎn)生的渦流大小也不同。電感器旁的金屬

12、物體的影響。 6.2 阻抗標(biāo)準(zhǔn) 6.2.1 電阻標(biāo)準(zhǔn) 1）標(biāo)準(zhǔn)概況 2）標(biāo)準(zhǔn)電阻器 6.2.2 電容標(biāo)準(zhǔn) 1）標(biāo)準(zhǔn)概況 2）標(biāo)準(zhǔn)電容器 6.2.3 電感標(biāo)準(zhǔn) 1）標(biāo)準(zhǔn)概況 2)標(biāo)準(zhǔn)電感器 6.2.1電阻標(biāo)準(zhǔn)1）標(biāo)準(zhǔn)概況 1990.1.1起使用量子化霍爾電阻標(biāo)準(zhǔn)。電阻計量標(biāo)準(zhǔn)器具分為一等和二等兩個等級 一等電阻標(biāo)準(zhǔn)包括10-3，10-2，10-1，1，10，102，103，104，1059個標(biāo)稱值及一等電阻標(biāo)準(zhǔn)裝置。二等電阻標(biāo)準(zhǔn)除上述9個標(biāo)稱值及電阻標(biāo)準(zhǔn)裝置外，還有106和107及其相應(yīng)裝置。 電阻工作計量器具有13個標(biāo)稱值,從10-4到108.每個標(biāo)稱值又有0.00005級到0.2級不等的7到

13、9個準(zhǔn)確度等級。 電壓端子2）標(biāo)準(zhǔn)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 標(biāo)準(zhǔn)電阻器標(biāo)準(zhǔn)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立設(shè)置。6.2.2 電容標(biāo)準(zhǔn) 1）標(biāo)準(zhǔn)概況標(biāo)準(zhǔn)電容器分為三等。一等和二等標(biāo)準(zhǔn)電容量具采用標(biāo)稱值分別為1pF，10pF，100pF和1000pF的標(biāo)準(zhǔn)電容器。它們的差別在不確定度和年穩(wěn)定度。三等標(biāo)準(zhǔn)電容量具采用標(biāo)稱值為10-4pF-1F的標(biāo)準(zhǔn)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）標(biāo)

14、準(zhǔn)電容器頻率和溫度變化不引起電容量變化；介電損耗?。唤^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 電感標(biāo)準(zhǔn) 1）標(biāo)準(zhǔn)概況 采用標(biāo)稱值為1H -10000H的標(biāo)準(zhǔn)電感器作為標(biāo)準(zhǔn)電感量具。標(biāo)準(zhǔn)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)的最大允許誤差和年穩(wěn)定度為a%。 2)標(biāo)準(zhǔn)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變。1.511線圈大理石(a)構(gòu)造面（剖面圖 ）RLC(b)等效電路圖

15、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(dǎo)納為： 6.3.2 電橋法以電橋平衡原理為基礎(chǔ)。優(yōu)點：精度高，能在很大程度上消除或削弱系統(tǒng)誤差的影響。缺點：交流電橋?qū)Ψ蹬c相位兩個參量進行反復(fù)平衡調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)步驟繁瑣，橋路中還采用一些昂貴的精密元件，制作困難等。 1. 電橋的平衡條件 一對相對橋臂阻抗的乘積必須等于另一對相對橋臂阻抗的乘積。 用指數(shù)形式表示 上式必須同時滿足 D交流電橋電橋四個臂的元件性質(zhì)要

16、適當(dāng)選擇：(1) 若相鄰兩臂(如Zx和Z3)為純電阻，則另外兩臂的阻抗性質(zhì)必須相同；(2) 若相對兩臂(如Zx和Z4)采用純電阻，則另外兩臂必須一個是電感性阻抗，另一個是電容性阻抗。(3) 若是直流電橋，各臂均由純電阻構(gòu)成，不需考慮相位問題。2.交流四臂電橋 精密萬用電橋方框圖平衡調(diào)節(jié)機構(gòu)測量橋路平衡指示電路顯示電路電源測量信號源D交流電橋惠斯登電橋(直流電橋) (1) 測量電阻 D交流電橋串聯(lián)電容比較電橋 (2) 測量電容 D交流電橋并聯(lián)電容比較電橋 (2) 測量電容 D交流電橋海式電橋 (3) 測量電感 D交流電橋麥克斯韋-韋恩電橋 (3) 測量電感 D交流電橋歐文電橋 (3) 測量電感

17、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：具有高準(zhǔn)確度、高穩(wěn)定性、高抗干擾能力。標(biāo)準(zhǔn)臂參數(shù)必須與被測參數(shù)性質(zhì)相同。 4.電橋法測量集總參數(shù)元件的誤差 標(biāo)準(zhǔn)元件值的誤差：誤差大小與電路形式和元件的準(zhǔn)確度有關(guān)。 電橋指示器的誤差：指示器靈敏度較低時，難以判斷最小值位置；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斷。 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(dāng)回路達到諧振時: (1) 直接測量已知諧振頻率和標(biāo)準(zhǔn)電感，可求電容；同理，已知諧振

18、頻率和標(biāo)準(zhǔn)電容，可求電感。 此法求得的L未考慮引線電感及回路電容的寄生電感的影響，一般需加以修正。（2）替代法替代法測電容： 選擇適當(dāng)電感 L(不必為標(biāo)準(zhǔn)電感),接入標(biāo)準(zhǔn)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 并聯(lián)替代法：用于測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保持信號頻率不變。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：用于測量較

19、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；然后去掉短路線，接入Lx，保持頻率不變，再調(diào)Cs至較小位置Cs2使回路重新諧振。 1. Q 表組成原理及測量原理 Q表是根據(jù)諧振原理制成的，又稱為品質(zhì)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。 Q 表的基本組成框圖 高頻振蕩器6.3.4 Q值測量當(dāng)測量電感時，Lx接于端子1,2之間，保持振蕩器輸出和頻率為某一固定值，調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)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)測量電容時，先將輔助電感接于端子1,2之間，在頻率為某一值時，調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)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，減小標(biāo)準(zhǔn)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2Q 表測量中產(chǎn)生測量誤差的因素 耦合元件的損耗電阻；調(diào)諧用標(biāo)準(zhǔn)電容自身Q值不高；Q表殘余參量；Q值電壓表指示誤差。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