第六章阻抗测量.doc

第6章 阻抗测量本章介绍：阻抗测量一般是指电阻、电容、电感及相关的Q值、损耗角、电导等参数的测量。其中，电阻表示电路中能量的损耗，电容和电感则分别表示电场能量和磁场能量的存储和寄生参数对阻抗测试的影响。由于电阻器、电感器和电容器受到所加的电压、电流、频率、温度及其它物理和电气环境的影响而改变阻抗值，因此在不同的条件下其电路模型不同。本章主要介绍阻抗的测量方法即阻抗模拟测量法和数字测量法等阻抗测量的基本技术。集总参数元件的测量主要采用电压-电流法、电桥法和谐振法。依据电桥法制成的测量仪总称为电桥，电桥主要用来测量低频元件。表是依据谐振法制成的测量仪器，表主要用来测量高频元件。阻抗的数字测量法有自动平衡电桥法；射频电压电流法；网络分析法等。现代的阻抗测量仪器一般都使用自动平衡电桥法。内含微处理器的各种智能化测量仪已成为阻抗测量仪器的发展主流。阻抗测量有多种方法，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，因此在选择测量方法时需折衷考虑。应在测试频率范围内根据它们各自的优缺点选择正确的测试方法。6.1 引言6.1.1集总参数元件特性表征1 阻抗定义及表示方法R|z|ZR,+- 图6-1阻抗定义示意图及阻抗参数关系图 （6.1）一般情况下阻抗为复数,它可用直角坐标和极坐标表示，即（6.2）两种坐标形式的转换关系为（6.3） （6.4）导纳Y是阻抗Z的倒数，即（6.5）其中G和B分别为导纳Y的电导分量和电纳分量。导纳的极坐标形式为 （6-6）和分别是导纳幅度和导纳角。2.电阻器、电容器、电感器的电路模型元件类型：电阻器、电容器、电感器。一个实际的元件，如电阻器、电容器和电感器都不可能是理想的，存在着寄生电容、寄生电感和损耗。实际中只有在某些特定条件下，电阻器、电容器和电感器才能看成理想元件。（1） 真值，有效值和指示值理解元件的真值，有效值和指示值对于元件测量是很重要的。（2） 元件的影响因素测量器件的寄生参数影响1） 频率：由于存在寄生参数，频率对所有实际元件都有影响。2） 测试信号电平：对于某些元件，施加的测试信号（AC）可能会影响测试结果。3） 直流偏置：对高K值型介电陶瓷电容器的电容有很显著的影响。4） 温度：大多数元件都存在温度影响因素。对于电阻器、电容器和电感器，温度系数是一项重要的技术指标。5） 其它影响因素：其它物理和电气环境，如湿度、磁场、光、大气条件、振动和时间都会改变阻抗值。例如，高K值型介电陶瓷电容器的电容会随着老化而降低。6.1.2元件参数测量的基本技术1. 测量方法概述电桥法优点：精度高（0.1%典型值），使用不同电桥可得到宽频率范围，价格低。缺点：需要手动平衡，单台仪器的频率覆盖范围较窄。频率范围：DC至300MHz。谐振法优点：可测很高的Q值。缺点：需要调谐到谐振，阻抗测量精度低。频率范围：10KHz至70MHz。电压电流法优点：可测量接地器件，适合于探头类测试需要。缺点：工作频率范围受使用探头的变压器的限制。频率范围：10KHz至100MHz。RF电压电流法优点：高频范围内具有高的精度（0.1%典型值）和宽阻抗范围。缺点：工作频率范围受限于探头使用的变压器。频率范围：1MHz至3GHz。图6-2电桥法D图6-4电压电流法 图6-3谐振法图6-5（b）高阻抗类型图6-5（a）低阻抗类型自动平衡电桥法优点：从低频至高频的宽频率范围，且宽的阻抗测量范围内具有高精度。缺点：不能适应更高的频率范围。频率范围：20Hz至110MHz。网络分析法优点：高频率范围，当被测阻抗接近特征阻抗时得到高精度。缺点：改变测量频率需要重新校准，阻抗测量范围窄。频率范围： 300KHz至3GHz或更高。DUT图6-6自动平衡电桥法输入信号反射信号定向偶合器或电桥图6-7网络分析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，然后选择最适合的方法，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。2.仪器分类 阻抗测量仪器分为两种：模拟阻抗测量仪器; 数字式阻抗测量仪器。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）有极性的同轴的连接头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。四端对连接头适用于宽量程范围的阻抗测量，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。在使用4端或5端连接头时，必须提供足够的测试信号电流。此外，为进行精确的测量，应正确实施开路/短路补偿。特别是对于施加直流偏置电压的电解电容器，应在直流偏置设置为On(0V)时进行开路/短路补偿。HCLPDUTHPLC本节思考题与习题1.阻抗元件的一般影响因素主要有哪些?2.选择阻抗测量的方法时,需要考虑哪些因素?3.判断右图连接头的接法正确与否？并说明理由。4.有时使用不同仪器会得到不同的电感测量结果，这是什么原因造成的？5.测量电阻、电容、电感的主要方法有哪些？它们各有什么特点？对应于每一种方法举出一种测量仪器。6.2 阻抗标准6.2.1电阻标准1.标准概况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。2. 标准电阻器用作标准电阻器的电阻材料必须具备以下条件： 电阻值稳定； 电阻的温度系数小（不大于/）； 对铜的热电动势小（不大于2V）。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。2. 标准电容器标准电容器的电介质必须满足以下条件：频率和温度的变化不引起电容量变化；介电损耗小；绝缘良好，耐反压高。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%。1H-1H的标准电感量具在1000Hz下定级；大于1H的，在100Hz下定级。在非定级频率下使用标准电感量具时，必须用它的实际电感值。2. 标准电感器对于标准电感器，要求作为单位量的电感值不随电流和频率的大小而改变。标准电感器适用大理石或木质框架把铜线绕成线圈状。实际标准电感器中，除电感L以外还存在线圈电阻和杂散电容。本节思考题与习题1. 用作标准电阻器的电阻材料必须具备哪些条件?2.对于标准电感器，要求作为单位量的电感值不随哪些因素的大小而改变?6.3阻抗的模拟测量法6.3.1电压-电流法电压-电流法又叫伏安法，根据欧姆定律，可测量未知阻抗上的交流电压值和流过它的电流值计算出被测阻抗值： （6.8） （6.9）6.3.2电桥法电桥法又叫指零法，以电桥平衡原理为基础。1. 电桥的平衡条件 （6-10）交流电桥D （6-11) （6-12） （6-13）2. 交流四臂电桥由测量信号源、测量桥路、平衡指示电路、平衡调节机构、显示电路和电源等组成。平衡调节机构平衡指示电路电源显示电路测量信号源测量桥路图6-11 精密万用电桥方框图3. 变压器耦合臂电桥它们分别为电压比例臂构成的桥路和电流比例臂构成的桥路。电压比例臂是使各绕组的端电压严格与匝数成正比，而电流比例臂是使各绕组中流过的电流严格与匝数成反比。两电桥的平衡条件都为（6-14） 电流比例臂构成的桥路电压比例臂构成的桥路DD 4. 电桥法测量集总参数元件的误差（1） 标准元件值的误差：当标准元件值不准确时会直接影响测量误差，误差的大小决定于电路的形式和元件的准确度。（2） 电桥指示器的误差：当指示器灵敏度较低时，难于判断最小值的准确位置，因而产生指示误差。特别是当信号源中含有较高次谐波电压时。（3）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。6.3.3谐振法测量元件参数谐振法是利用调谐回路的谐振特性而建立的阻抗测量方法。测量线路简单方便，在技术上的困难要比高频电桥小。 (6.15) 图6-12 谐振法测量原理8理理图 (6.16) (6.17)1. 谐振法测电容、电感（1）直接测量 根据(6.15)、(6.16)、(6.17)由已知的标准电容值（PF），可求得电感或由已知的标准电感值（H），可求得电容（2）替代法1) 替代法测电容选择适当电感(不必为标准电感)，接入标准可变电容（如虚线所示），调回路至谐振，然后接入被测电容。图6-13 谐振法直接测电容振荡器当较小时 （6-18）当较大时，应和串联接入，同样方法， 为 （6-19）2） 替代法测电感 并联替代法：用于测量较大的电感，如图6-14所示。 (6-20)图6-14并联替代法测量电感的原理图信号源 (6-21) (6-22) 串联替代法：用于测量较小的电感。如图6-15所示图6-15 串联替代法测电感 （6-23） （6-24） (6-25) (6-26)6.3.4值测量1表组成原理及测量原理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。高频振荡器常采用多频段式，其频率范围视表的工作频率范围而定。和组成分压电路，上的电压作为表谐振回路的信号电压，、且和损耗小到可以忽略不计的程度。高频振荡器图6-16表的基本组成框图 当测量电感时，被测电感接于端子1和2之间，保持高频振荡器输出和频率为某一值；调整标准电容使回路串联谐振，即的指示值为最大值，此最大值等于的倍，即 (6.27) 这样的指示可以直接用来刻度，形成直读式仪表。由于谐振时和都是已知的，因此被测量电感可由下式求得： （6.28）如果的单位为MHz, 的单位为pF,则得单位为H。2 表测量中产生测量误差的因素以下因素会引起表产生测量误差：耦合元件的损耗电阻引起测量误差。调谐用标准电容自身值不高引起测量误差。表残余参量的影响，如与被测元件相连接的引线存在残量电感，会使被测电感值偏大。值电压表指示误差。本节思考题与习题1.交流电桥平衡必须同时满足哪两个平衡条件？2.引起电桥法测量集总参数元件的误差的因素主要有哪几个？3. 判断下图中的交流电桥哪些接法是正确的？哪些错误的？并说明理由。D（a） （b） （c） （d）DDD4.某直流电桥测量电阻Rx,当电桥平衡时，三个桥臂电阻分别为R1=100，R2=50，R3=25。求电阻Rx等于多少？5.某交流电桥平衡时有下列参数： Z1为R1=2000与C1=0.5F相并联，Z2为R2=1000与C2=1F相串联，Z4为电容C4=0.5F，信号源角频率=102 rad/s，求阻抗Z3的元件值。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-电压的原理矢量电流-电压法是最经典的方法，它直接来自于阻抗的定义。 （6.32） （6.33）图6-17引入标准阻抗测试图（a）（b）采用微处理器的矢量自动测量原理方框图缓冲放大器数字显示器相敏检波器转换器CPURAMROM正交的相位参考基准（00或900）图6-18阻抗的数字测量法原理图在式（6.33）中、皆为复数，显然，若被测阻抗为纯阻，则、同相；若被测元件为复数阻抗，则、间具有一定的相位差。相位差不同，表明阻抗的有功分量和无功分量的差异，测出比值/的实数部分和虚数部分，就可以根据式（6.32）求得被测阻抗的有功分量和无功分量。利用同步检波器或模拟乘法器构成的相位检波器，可方便地进行虚实部分离。已知的标准阻抗的参数预先存储在中，两次测出的和可以存储在中，由微处理器最后完成计算处理。 固定轴法双斜积分转换器具有电压量除法运算功能，但它只能实现简单的标量除法，对矢量除法无能为力，为此，必须将式（6-33）的矢量除法转换成标量除法。如果我们把复数阻抗的直角坐标轴方向选取在分母位置的矢量上，就会使分母矢量只具有实部分量如图6-19所示。这时 因在轴上只有实部即 （6.33） （6.34）图6-19固定轴法矢量关系图 这种方法要使两矢量相位严格保持一致，给实现上带来困难，两者之间不同相而产生的误差，即同相误差。为确保精确的相位关系，硬件电路复杂，调试也困难。 自由轴法是采用自由坐标轴。即坐标轴可以是任意选择。参考相位信号可以不与任何一个被测电压的方向相同，在整个测量过程应中保持不变，即与被测电压之一保持固定的相位关系，如相差，在图6-20中。 （6.35） （6.36）图6-20自由轴法矢量关系图 （6.37） 只要知道每个矢量在直角坐标轴上的两个投影值经过运算可求出结果。在自由轴法测量中相敏检波器的相位参考基准是受微处理器控制的自由轴发生器提供的，它是任意方向的精确的正交基准信号。相敏检波器通过开关选择和，便可得到它们的投影分量，然后由转换器变成数字量经接口电路送到微处理器系统中存储；对其进行计算得到待测数。自由轴法虽然采用矢量电流-电压法的基本原理，但由于其精确的正交坐标系主要靠软件来产生和保证，硬件电路大大简化，还消除了固定轴法难与克服的误差相同，提高了精度。同时被测参数是通过计算获得的除可以得到常用的、外，还可方便地计算出多种阻抗参量，如、等。2智能化测量仪的基本组成选择开关1测试信号源可变衰减器相敏检波器放大器滤波器选择开关2积分器比较器单片微机系统显示器功能选择自由轴发生器 V / I转换器双斜积分信号调理-+A1A2A3+-+-图6-21智能化LCR测量仪的基本原理图能化测量仪的基本组成框图图6-21是智能化测量仪的基本组成框图。测试信号经限流电阻加到被测阻抗上，矢量电压和经开关1选择送到相敏检波器，它的参考信号来自自由轴坐标发生器，后者在微处理器控制下产生任意方向的、精确正交的直角坐标系。开关先后接通和，得到它们在坐标轴上的四个投影值，再由双斜积分转换器变成相应的数字量，送到中暂存。最后微处理器根据键盘输入的信息，选择适当的公式进行计算，得到被测量并由显示器显示来。6.4.2 自动平衡电桥现代的阻抗测量仪器一般都使用自动平衡电桥法。如图6-22所示，该测量电路从功能上分为三个部分：信号源部分：信号源产生频率为40Hz到110MHz,分辨率为1mHz；信号电平有效值为5mV到1V的应用于被测件的测试信号。自动平衡电桥部分：将量程电阻器电流与DUT电流平衡以保持低端的零电位。当电桥处于“不平衡”状态时，零值指示器测到一个误差电流，下一级的相位检波器把它分成00和900矢量成分。相位检波器的输出信号馈入环路滤波器（积分器）并加到调制器上，以分别驱动00和900调制分量信号。两个调制的合成信号放大并通过量程电阻反馈以抵消通过DUT的电流。在40Hz到110MHz自动执行这一平衡操作。因而没有误差电流流入零值指示器。矢量比检波器部分：是测量DUT（UX）和量程电阻器（Us）串联电路上的两个电压，如图6-22所示。量程电阻的阻值为已知，由公式（UX/Us）因此通过测量这两个电压，得到DUT的阻抗矢量ZX。开关选择UX或Us信号，使信号交替流过同一通道，以消除这两个信号间的通道误差。输入信号经混频后，输出到放大器的信号频率降低了。ATT