第七章電路元件參數(shù)及阻抗測量

第七章電路元件參數(shù)及阻抗測量第一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四阻抗測量一般是指電阻、電容、電感及相關(guān)的Q值、損耗角、電導(dǎo)等參數(shù)的測量。其中，電阻表示電路中能量的損耗，電容和電感則分別表示電場能量和磁場能量的存儲和寄生參數(shù)對阻抗測試的影響。由于電阻器、電感器和電容器受到所加的電壓、電流、頻率、溫度及其它物理和電氣環(huán)境的影響而改變阻抗值，因此在不同的條件下其電路模型不同。本章主要介紹阻抗的測量方法即阻抗模擬測量法和數(shù)字測量法等阻抗測量的基本技術(shù)。集總參數(shù)元件的測量主要采用電壓-電流法、電橋法和諧振法。依據(jù)電橋法制成的測量儀總稱為電橋，電橋主要用來測量低頻元件。Q表是依據(jù)諧振法制成的測量儀器，Q表主要用來測量高頻元件。第二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四阻抗的數(shù)字測量法有自動平衡電橋法；射頻電壓電流法；網(wǎng)絡(luò)分析法等?，F(xiàn)代的LF阻抗測量儀器一般都使用自動平衡電橋法。內(nèi)含微處理器的各種智能化LCR測量儀已成為阻抗測量儀器的發(fā)展主流。阻抗測量有多種方法，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，因此在選擇測量方法時需折衷考慮。應(yīng)在測試頻率范圍內(nèi)根據(jù)它們各自的優(yōu)缺點選擇正確的測試方法。第三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四

7.1概述7.1.1阻抗的定義與表達(dá)式:阻抗是表片一個元器件或電路中電壓、電流關(guān)系的復(fù)數(shù)特征量，可表示為：式中，為復(fù)數(shù)阻抗；為復(fù)數(shù)電壓；為復(fù)數(shù)電流;R為復(fù)數(shù)阻抗的實部;X為復(fù)數(shù)阻抗的虛部；為復(fù)數(shù)阻抗的絕對值（或模值）,；為復(fù)數(shù)阻抗的相角即電壓與電流之間的相位差，導(dǎo)納Y是阻抗的倒數(shù)，即：式中，G和B分別為導(dǎo)納的電導(dǎo)分量和電納分量。導(dǎo)納的極坐標(biāo)形式為式中，和為導(dǎo)納的幅度和導(dǎo)納角。第四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四7.1.2阻抗元件R、L、C的基本特性只討論頻率數(shù)百兆以下的集總參數(shù)電路元件一般都隨所加的電流、電壓、頻率及環(huán)境溫度、機(jī)械沖擊等而變化。特別當(dāng)頻率較高時，其分布參數(shù)的影響將變得十分嚴(yán)重。這些，電容器可能呈現(xiàn)感抗，電感線圈可能呈現(xiàn)容抗。1）電感線圈電感線圈的主要特性為電感L，但不可避免地還包含有損耗電阻和分布電容。在一般情況下，和的影響較小。將電感線圈接于直流電源并達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，則可視為電阻。接于頻率不高的交流電源時，可視為理想電感L和損耗電阻的串聯(lián)；當(dāng)頻率繼續(xù)增高時，仍可視為L和的串聯(lián)，但因的作用，等效的和L將隨頻率而變。經(jīng)推導(dǎo)可知，有時電感覺線圈呈現(xiàn)感性，有時電感線圈呈現(xiàn)容性，有時電感線圈又呈現(xiàn)純電阻性。（推導(dǎo)見286頁）第五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四2）電容器電容器的等效電路，除理想電容C外，同樣還包含有介質(zhì)損耗電阻R以及由于磁通引起的電感L，隨頻率的不同等效電路呈現(xiàn)的特征也不同，等效電路有時呈容性，有時呈純阻性，有時呈感性。3）電阻器電阻器的等效電路，同樣除理想電阻R外，還有串聯(lián)剩余電感L及并聯(lián)分布電容C，隨頻率的不同等效電路呈現(xiàn)的特征也不同，等效電路有時呈容性，有時呈感性，有時呈純阻性。4）Q值通常用品質(zhì)因數(shù)Q衡量電感、電容及諧振電路的質(zhì)量。對于電感：對于電容器：第六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四5）電阻器、電容器、電感器、晶體二極管、晶體三極管等是最基本的電路元件。電路元件按其在電路中的作用和使用條件不同，應(yīng)采用不同的測量方法和測量儀器。測量時所加電壓、電流、頻率及環(huán)境條件等必須符合測量要求，否則測量結(jié)果不能代表實際的參數(shù)。阻抗的測量方法很多，但常用的基本方法有四種，即伏安法、電橋法、諧振法和現(xiàn)代數(shù)字化儀器法。在實際測量中，究竟使用哪種方法，應(yīng)根據(jù)具體情況而定，一般而言，在直流或低頻時，用伏安法最簡單，但準(zhǔn)確度稍差；在音頻范圍內(nèi)時，選用電橋法準(zhǔn)確度較高；在高頻范圍由通常利用諧振法，這種方法準(zhǔn)確度不高，但比較接近元件的實際使用條件。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化、智能化的RLC測試儀不斷推出，給阻抗測量帶來了快捷和方便。第七頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四7.2電阻的測量電阻的參數(shù)包括標(biāo)稱阻值、額定功率、精度、最高工作溫度、最高工作電壓、噪聲系數(shù)及高頻特性等，主要參數(shù)為標(biāo)稱阻值和額定功率，一般在電阻上標(biāo)注。電阻規(guī)格的標(biāo)識法：對于電阻，一般有三種標(biāo)注方法，一是直接標(biāo)示電阻值，二是色環(huán)法，三是標(biāo)示電阻的功率。第八頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四電阻規(guī)格標(biāo)注方法RT10kΩ1%電阻碳膜(a)直標(biāo)電阻阻值法允許偏差倍乘第一位數(shù)第二位數(shù)(b)色環(huán)法標(biāo)電阻阻值法(c)直標(biāo)電阻功率

一般表示0.25W0.5W1W第九頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四電阻測量方法電阻的頻率特性電阻工作于低頻時，電阻分量起主要作用，只需測出R值就可以了。工作頻率升高時，電抗分量不能忽略。１、伏安法測量原理：伏安法的理論根據(jù)是歐姆定律，即：Ｒ＝Ｕ／Ｉ，具體方法是直接測量被測電阻上的端電壓和流過的電流，再計算出電阻值。通常在直流狀態(tài)下用伏安法測量電阻，它與低頻（如５０－１００ＨＺ）狀態(tài)下的測量結(jié)果相差很小，因此不必選用交流儀器。

第十頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四伏安法測量電阻（２８８頁圖７．６）（1）電流表內(nèi)接（2）電流表外接一般的，中值電阻的測量，可采用電流表內(nèi)接電路；低值電阻的測量，可采用電流表外接電路；若被測電阻介于兩者之間，可根據(jù)誤差項的大小，選用誤差小的電路第十一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四

2．三用表中的電阻檔測量電阻①模擬式指針三用表中的歐姆檔測量電阻采用模擬萬用表測量時，應(yīng)先選擇萬用表電阻檔的倍率或量程范圍，然后將兩輸入端短路調(diào)零，最后將萬用表并接在被測電阻的兩端，直接測量電阻值。歐姆表經(jīng)常用來測量電阻、二極管、三極管，使用中的注意事項：１）調(diào)零：即將兩表筆短路調(diào)整電表內(nèi)阻，使電流達(dá)最大值，則對準(zhǔn)零。２）極性：當(dāng)用來測量二極管、三極管時，要注意紅表筆對應(yīng)的是電池的負(fù)極。３）量程：不同量程中值電阻不同，相應(yīng)的測量電流大小不同。第十二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四②數(shù)字多用表中的電阻檔數(shù)字多用表中，利用運(yùn)放組成一個多值恒流源，實現(xiàn)多量程電阻測量，恒流Ｉ通過被測電阻，由數(shù)字電壓（ＤＶＭ）表測量出其端電壓，則。上述測電阻方法是大部分便攜式數(shù)字多用表中的測量方法，但由于不含微處理器，故要配置好各量程的電壓值直接對應(yīng)被測電阻的歐姆值。故測量精度不高，對微小電阻及特大電阻要采用其它方法。１）微小電阻值的測量：一是兩線（端）法。二是四線（端）法。（測量接線圖如２９１頁圖）２）高值電阻的測量：測量高值電阻一般采用電壓源分壓的方法。第十三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四3.電橋法測量電阻電橋法又稱零示法，它利用指零電路作為測量的指示器，工作頻率很寬，能在很大程度上消除或削弱系統(tǒng)誤差的影響，精度很高。測量原理：將被測電阻接入橋臂，調(diào)節(jié)橋臂中的可調(diào)電阻使檢流計指示為零，電橋處于平衡狀態(tài)。交流電橋平衡必須同時滿足：電橋的四個橋臂中的相對臂阻抗的模的乘積相等（模平衡條件），相對臂阻抗相角之和相等（相位平衡條件）當(dāng)被測元件為電阻元件時，代入平衡條件公式，則得出了被測電阻的阻值。在實際應(yīng)用中，測量電阻常采用直流雙臂電橋（也稱凱爾文電橋）。信號源是直流電源，通常采用大容量的電池。這種直流電橋能消除由于接地電阻和接觸電阻造成的測量誤差。第十四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四第十五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四介紹另外一種電橋說明:上面公式中W代表線圈匝數(shù)第十六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四4．非線性電阻的測量非線性電阻如熱敏電阻、二極管的內(nèi)阻等，它們的阻值與工作環(huán)境以及外加電壓和電流的大小有關(guān)?？刹捎梅卜?，即測量一定直流電壓下的直流電流值。逐點改變電壓的大小，然后測量相應(yīng)的電流，最后作出伏安法特性曲線。第十七頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四7.3電容的測量

電容器在電路中用來濾波、隔直、交流耦合、交流旁路及與電感元件構(gòu)成振蕩電路等。電解電容是目前用得較多的電容器，有正、負(fù)極之分，只能工作在直流狀態(tài)下，如果極性用反，將使漏電流劇增，電解電容急劇變熱而損壞，甚至引起爆炸。一般廠家會在電容器的表面上標(biāo)出正極或負(fù)極，新買來的電容器引腳長的一端為正極。第十八頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四7.3.1電容的參數(shù)和標(biāo)注方法1．電容的參數(shù)（1）標(biāo)稱電容量和允許誤差。（2）額定工作電壓（3）漏電電阻和漏電電流（4）損耗因數(shù)第十九頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四2．電容規(guī)格的標(biāo)注方法電容器的標(biāo)注方法同電阻器一樣，有直標(biāo)法和色標(biāo)法。直標(biāo)法將主要參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)直接標(biāo)注在電容器表面上。色標(biāo)法與電阻色標(biāo)法相同。第二十頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四7.3.2電容的測量1、諧振法測量電容1）直接法測電容（297頁）把被測電容接好，調(diào)節(jié)振蕩源頻率使電壓表指示最大，則被測電容為：其測量誤差包含有：分布電容（線圈和接線分布電容）誤差；高頻時引線電感引起的誤差；當(dāng)回路Q值較低時，諧振曲線很平坦，不易找到諧振點產(chǎn)生的誤差。2）替代法測電容（有串聯(lián)法和并聯(lián)法）①并聯(lián)替代法：用替代法測電容可以消除由于分布電容引起的測量誤差，就是在不接被測電容的情況下，調(diào)節(jié)可變電容器C使其容量較大位置，設(shè)其容量為，再調(diào)節(jié)信號源頻率，使回路諧振。然后接入被測電容，信號源頻率不變，此時回路失諧，重新調(diào)節(jié)可變電容C使回路再次諧振，這時其容量為則被測電容：此方法稱為并聯(lián)替代法。適合測量小電容。第二十一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四電路如下圖第二十二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四②串聯(lián)替代法（２９７頁圖７．２１）當(dāng)被測電容大于標(biāo)準(zhǔn)電容器的最大容量時，必須用串聯(lián)接法，先將插電容的孔短路，調(diào)到容量較小位置，調(diào)節(jié)信號源頻率使回路諧振，這時電容量為，然后拆除短路線，將接入電路，保持信號源頻率不變，調(diào)節(jié)Ｃ使回路再次諧振，此時可變電容值為，顯然等于與的串聯(lián)值，即：。由此得：當(dāng)被測電容比可變標(biāo)準(zhǔn)電容大很多的情況下，和的值非常接近，測量誤差增大，因此，這種測量方法也有一定范圍。第二十三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四２、電橋法測電容１）電橋法組成原理（２９３）：采用電橋法的阻抗測量儀都是多功能儀器，交流電橋可測量電阻、電感和電容、線圈的Ｑ值以及電容器的損耗等。一般由橋體、信號源、和晶體管指零儀組成。橋體是電橋的核心部分。由標(biāo)準(zhǔn)電阻、標(biāo)準(zhǔn)電容及轉(zhuǎn)換開關(guān)組成。通過轉(zhuǎn)換開關(guān)可以組成不同的電橋電路。在電阻測量中已講述過，為了實現(xiàn)電橋兩個平衡條件，必須按照一定的方式配置橋臂的阻抗，如果將兩鄰臂接入純電阻，另兩鄰臂必須接入同性阻抗（同為電感或同為電容）；如果將相對臂接入純電阻，則另外一對臂必須為異性阻抗。這是初步判斷電橋接法是否正確的依據(jù)。２）測量方法：按照配置橋臂阻抗的要求將被測電容串聯(lián)到一個橋臂中，調(diào)節(jié)橋臂中可調(diào)電阻使電橋平衡，根據(jù)電橋平衡條件方程（是個復(fù)數(shù)），可由實部相等求出被測電容等效電阻，虛部相等可求出等效電容。第二十四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四７．４電感的測量典型的諧振法測量儀器是Ｑ表，所以諧振法又稱Ｑ表法，它是利用調(diào)諧回路的諧振特性而建立的測量方法。測量精度不如電橋法高但線路簡單方便。特別在測量高頻電路參數(shù)時諧振法是一種重要的手段。當(dāng)回路達(dá)到諧振時，有：且回路總阻抗為零，即：將回路調(diào)至諧振狀態(tài)，根據(jù)已知的回路關(guān)系式和已知元件的數(shù)值，求出未知元件的參量。１、諧振法測電感（電路圖如２９６頁）①串聯(lián)替代法：首先在未接入情況下，先調(diào)節(jié)Ｃ到較大容量位置，再調(diào)節(jié)信號頻率使回路諧振，此時有個Ｌ值，然后將接入回路，保持信號頻率不變，調(diào)節(jié)Ｃ至，回路再次諧振，此時：將上兩式相減并整理得第二十五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四串聯(lián)替代法測電感電路如下圖：第二十六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四②并聯(lián)替代法：測量較大的電感常采用并聯(lián)諧振法，電路如２９７頁圖，先不接，可變電容Ｃ調(diào)到小容量位置，這時Ｃ為，調(diào)節(jié)信號源頻率使回路諧振，此時有：然后接入，保持信號源頻率固定不變，調(diào)節(jié)Ｃ使回路再次諧振，記下可變電容器Ｃ的容量，此時有：將上兩式相減并取倒數(shù)，可得：第二十七頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四并聯(lián)替代法測電感電路如下圖：第二十八頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四２、Q值測量:第二十九頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四第三十頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四第三十一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四７．５阻抗測量的數(shù)字化方法（了解）第三十二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四（２）自由軸法第三十三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四第三十四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四第三十五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四第三十六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四７．６半導(dǎo)體二極管參數(shù)的測量二極管是整流、檢波、限幅、鉗位等電路中的主要器件。二極管的主要特性二極管最主要的特性是單向?qū)щ娞匦?，即二極管正向偏置導(dǎo)通；反向偏置時截止。第三十七頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四二極管的主要參數(shù)（1）最大整流電流（2）反向電流（3）反向最大工作電壓（4）直流電阻（5）交流電阻（6）二極管的極間電容第三十八頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四半導(dǎo)體二極管的測量PN結(jié)的單向?qū)щ娦允沁M(jìn)行二極管測量的根本依據(jù)。1．用模擬式萬用表測量二極管2．用數(shù)字式萬用表測量二極管3．用晶體管圖示儀測量二極管4．發(fā)光二極管的測量第三十九頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四７．７半導(dǎo)體三極管參數(shù)的測量三極管的主要參數(shù)1．直流電流放大系數(shù)2．交流電流放大系數(shù)3．穿透電流4．反向擊穿電壓5．集電極最大允許電流6．集電極最大允許