第6章 阻抗测量

1、电子测量原理电子测量原理 第1页 第第6 6章章 阻抗测量阻抗测量 2 6.1 6.1 引言引言 6.2 6.2 阻抗标准阻抗标准 6.3 6.3 阻抗的模拟测量阻抗的模拟测量法法 6.4 6.4 阻抗的数字测量法阻抗的数字测量法 电子测量原理电子测量原理 第2页 - 元件的工业趋势 VHS 3 2 1 45 6 7 8 9 0 *# 电子测量原理电子测量原理 第3页 I U Z 阻抗定义图阻抗定义图 I U Z 电子测量原理电子测量原理 第4页 sinZX cosZR R X arctg XRZ 22 阻抗两种坐标形式的转换关系为：阻抗两种坐标形式的转换关系为： DUTDUT Z ,RZ 实

2、轴 +j -j 电阻 电 感 电 容 虚 轴 电子测量原理电子测量原理 第5页 (1)真值，有效值和指示值真值，有效值和指示值 (2)元件的影响因素元件的影响因素 测试信号频率测试信号频率 测试信号电频测试信号电频 直流偏置直流偏置 电压和电流电压和电流 温度温度 其它影响因素其它影响因素 （环境，湿度，老化等）（环境，湿度，老化等） 电子测量原理电子测量原理 第6页 理想电阻理想电阻 考虑引线电感考虑引线电感 考虑引线电感考虑引线电感 和分布电容和分布电容 R R R C0 L0 L0 电子测量原理电子测量原理 第7页 考虑泄漏、引考虑泄漏、引 线电阻和电感线电阻和电感 考虑泄漏、介考虑泄漏

3、、介 质损耗等质损耗等 C C C R0 R0 L0 R , 0 电子测量原理电子测量原理 第8页 理想电感理想电感 考虑导线损耗考虑导线损耗 考虑导线损耗考虑导线损耗 和分布电容和分布电容 L R0L C0 L R0 电子测量原理电子测量原理 第9页 测量器件的寄生参数影响测量器件的寄生参数影响 电子测量原理电子测量原理 第10页 电阻器的频率响应电阻器的频率响应 寄生电 容 C0 R 低阻值电阻 理想 R R |z| 高 阻 值 电阻 理 想 R R |z| 引 线 电 感 RL0 电子测量原理电子测量原理 第11页 电感器的频率响应电感器的频率响应 C0 LR0 L C0 R0 C0的影

4、响 |z| 理想 L R0 理想 L C0的影响 |z| R0 电子测量原理电子测量原理 第12页 电容器的频率响应电容器的频率响应 L0的影响 |z| R0理想 C R0 C L0 电子测量原理电子测量原理 第13页 测试信号（测试信号（ACAC）电频对电容器和铁芯电感器的影响）电频对电容器和铁芯电感器的影响 与与ACAC有关的磁芯电有关的磁芯电 感器感器 与与ACAC电压有关的陶瓷电电压有关的陶瓷电 容器容器 (a) 测试电压(AC) 测试信号电频：测试信号电频： 高K值 中K值 低K值 C o V (b) 测试电流(AC) L o I 电子测量原理电子测量原理 第14页 与直流偏置电压有

5、与直流偏置电压有 关的电容器关的电容器 直流偏置电压 与直流偏置电流有与直流偏置电流有 关的磁芯电感器关的磁芯电感器 陶瓷电容器与铁芯电感器的直流偏置影响陶瓷电容器与铁芯电感器的直流偏置影响 直流偏置直流偏置 高K值 低K值 C o V0 直流偏置电流 o L I0 电子测量原理电子测量原理 第15页 温度温度 时间 温度 中K值 高K值 陶瓷电容器的温度相关性陶瓷电容器的温度相关性陶瓷电容器的老化相关性陶瓷电容器的老化相关性 o C C o 1 10 102 103 10 425 电子测量原理电子测量原理 第16页 电桥法电桥法 3 2 1 Z Z Z Zx x Z 2 Z 3 Z 1 Z

6、D 电子测量原理电子测量原理 第17页 电桥法的优缺点和频率范围电桥法的优缺点和频率范围 高精度（高精度（0.1%0.1%典型值）典型值） 使用不同电桥可得到宽频率范围使用不同电桥可得到宽频率范围 价格低价格低 需要手动平衡需要手动平衡 单台仪器的频率覆盖范围较窄单台仪器的频率覆盖范围较窄 频率范围频率范围 ：DCDC 300MHz300MHz 电子测量原理电子测量原理 第18页 改变电容改变电容C C直到电路谐振直到电路谐振 谐振时谐振时XL= =XC 仅有仅有RX存在存在 V RX LX E Z E I C V E V R X R X Q E VR I V X X C X L X C OS

7、C 电子测量原理电子测量原理 第19页 谐振法的优缺点和频率范围谐振法的优缺点和频率范围 可测很高的可测很高的Q Q值值 需要调谐到谐振需要调谐到谐振 阻抗测量精度低阻抗测量精度低 频率范围频率范围 ：10KHz 10KHz 70MHz70MHz 电子测量原理电子测量原理 第20页 由测量的电压值和电流值计算被测阻抗由测量的电压值和电流值计算被测阻抗ZX 电流通过它所流经的电流通过它所流经的RS上的电压计算上的电压计算 s x R V V I V Z 2 1 1 V1 V2 RS ZX I OSC 电子测量原理电子测量原理 第21页 电压电流法的优缺点和频率范围电压电流法的优缺点和频率范围 可

8、测量接地器件可测量接地器件 适合于探头类测试需要适合于探头类测试需要 使用简单使用简单 工作频率范围受使用探头的变压器的限制工作频率范围受使用探头的变压器的限制 频率范围频率范围 ：10KHz10KHz 100 MHz100 MHz 电子测量原理电子测量原理 第22页 (a)(a)低阻抗类型低阻抗类型 射频电压电流法与低频电压电流法的原射频电压电流法与低频电压电流法的原理相同理相同 有两种连接电压表和电流表的方法有两种连接电压表和电流表的方法 1 22 2 1 212 1 12 1 V V R R V R V V II V I V Zx R V1 V V2 R I1 ZX I OSC R I2

9、 电子测量原理电子测量原理 第23页 (b)(b)高阻抗类型高阻抗类型 R V V2 V1 ZX I OSC R R 2 1 2 2 / 2 1 2 21 V VR R V VV I V Z x 电子测量原理电子测量原理 第24页 射频电压电流法的优缺点和频率范围射频电压电流法的优缺点和频率范围 高精度（高精度（0.1%0.1%典型值）典型值） 高频下的宽阻抗范围高频下的宽阻抗范围 工作频率范围受使用探头的变压器的限制工作频率范围受使用探头的变压器的限制 频率范围频率范围 ：1MHz1MHz 3GHz3GHz 电子测量原理电子测量原理 第25页 - + DUTDUT H LR 虚地 V1I I

10、2 I= I2 V2= I2R Z = V1 I = V1R V2 V1 I2 = V2 通过通过DUTDUT的电流也通过电阻的电流也通过电阻R “L”点的电位保持为点的电位保持为0 0V（称为虚地）（称为虚地） 电子测量原理电子测量原理 第26页 自动平衡电桥法的优缺点和频率范围自动平衡电桥法的优缺点和频率范围 高精度（高精度（0.05%0.05%典型值）典型值） 很宽的测量范围很宽的测量范围 使用简单使用简单 不能适应更高的频率范围不能适应更高的频率范围 频率范围频率范围 ：20Hz20Hz 110MHz110MHz 电子测量原理电子测量原理 第27页 通过测量输入信号与反射信号之比得到反

11、射系数通过测量输入信号与反射信号之比得到反射系数 用定向耦合器或电桥检测反射信号用定向耦合器或电桥检测反射信号 用网络分析仪提供激励并测量响应用网络分析仪提供激励并测量响应 DUT VINC VR 输入信号 反射信号 定向偶合 器或电桥 OSC ZX V1 V2 电子测量原理电子测量原理 第28页 网络分析法的优缺点和频率范围网络分析法的优缺点和频率范围 高频率范围高频率范围 当被测阻抗接近特征阻抗时得到高精度当被测阻抗接近特征阻抗时得到高精度 改变测量频率需要重新校准改变测量频率需要重新校准 阻抗测量范围窄阻抗测量范围窄 频率范围频率范围 ：300KHz 300KHz 3GHz3GHz 电子

12、测量原理电子测量原理 第29页 - 哪个值正确哪个值正确? Z Analyzer Q : 165 Q : 120 LCR meter Q : 165 Q = 120 ? D U T L : 5.231uH ? D U T L : 5.310uH LCR meter 5.310uH LCR meter 5.231uH uH 电子测量原理电子测量原理 第30页 网络分析法 300KHz 1101001K10K100K1M10M100M 1G10G 10KHz70MHz 10KHz110MHz 1 MHz3GHz RF电压电流法 电压-电流法法 谐振法 0HZ300MHz 电桥法 20HZ 110M

13、Hz 自动平电桥法 频率和测量方法频率和测量方法 电子测量原理电子测量原理 第31页 选择正确的测量方法选择正确的测量方法 每种方法都有其各自的优缺点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，然后选择最合必须首先考虑测量的要求和条件，然后选择最合 适的方法适的方法 需要考虑的因素包括频率覆盖范围、测量量程、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择测量方法时需折衷考虑 电子测量原理电子测量原理 第32页 电子测量原理电子测

14、量原理 第33页 另另 电子测量原理电子测量原理 第34页 所有阻抗测试都涉及连接头的问题所有阻抗测试都涉及连接头的问题. .常用的连接常用的连接 方法有：方法有： u两端接线柱式（或香蕉插头）适用于两端接线柱式（或香蕉插头）适用于Q Q表等低表等低 准确度谐振式阻抗仪器准确度谐振式阻抗仪器 u有极性的同轴的连接头有极性的同轴的连接头 u中性精密同轴连接头中性精密同轴连接头 u三端连接头、四端连接头三端连接头、四端连接头、五端连接头五端连接头 u四端对接头四端对接头 电子测量原理电子测量原理 第35页 两端连接头两端连接头 Hp LC DUT LP HC HC 为为电流高端电流高端 Hp 为为

15、电位高端电位高端 LP 为为电位低端电位低端 LC 为为电流低端电流低端 (a)(a)连接图连接图 电子测量原理电子测量原理 第36页 R0L0 DUT V A R0L0 (b)(b)示意图示意图 1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M 2T2T )(c)(c)阻抗测量范围阻抗测量范围 C0 电子测量原理电子测量原理 第37页 三端连接头三端连接头 Hp LC DUT LP HC (a)(a)连接图连接图(b)(b)示意图示意图 R0L0 DUT V A R

16、0L0 C0 电子测量原理电子测量原理 第38页 (d)(d)具有屏蔽的两端连接头具有屏蔽的两端连接头 1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M 3T3T )(c)(c)阻抗测量范围阻抗测量范围 DUT V A 电子测量原理电子测量原理 第39页 四端连接头四端连接头 Hp LC DUT LP HC DUT V A 1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 1

17、00K 1M 10M 100M 4T4T (a)(a)连接图连接图(b)(b)示意图示意图 )(c)(c)阻抗测量范围阻抗测量范围 电子测量原理电子测量原理 第40页 五端连接头五端连接头 Hp LC DUT LP HC DUT V A (a)(a)连接图连接图(b)(b)示意图示意图 电子测量原理电子测量原理 第41页 1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M 5T5T DUT V A (d)(d)具有屏蔽的四端连接头具有屏蔽的四端连接头 )(c)(c)阻抗

18、测量范围阻抗测量范围 电子测量原理电子测量原理 第42页 四端对连接头四端对连接头 Hp LC DUT LP HC (a)(a)连接图连接图 电子测量原理电子测量原理 第43页 (b)(b)示意图示意图 DUT V A 1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M 4TP4TP )(c)(c)阻抗测量范围阻抗测量范围 电子测量原理电子测量原理 第44页 实际的阻抗测量范围不仅取决于测量仪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器，而且也取

19、决于四端对连接头与DUTDUT的正的正 确连接。否则也会限制测量范围。确连接。否则也会限制测量范围。 每种连接方法各有优缺点，必须根据每种连接方法各有优缺点，必须根据DUTDUT 的阻抗和要求的测量精度，选择最适合的的阻抗和要求的测量精度，选择最适合的 连接方法。连接方法。 电子测量原理电子测量原理 第45页 电子测量原理电子测量原理 第46页 电阻计量标准器具分为一等和二等两个等级电阻计量标准器具分为一等和二等两个等级 一等电阻标准包括一等电阻标准包括1010-3 -3 ，1010-2 -2 ，1010-1 -1 ，11， 1010，10102 2，10103 3，10104 4，10105

20、 599个标称值及一个标称值及一 等电阻标准装置。二等电阻标准除上述等电阻标准装置。二等电阻标准除上述9 9个标称值及个标称值及 电阻标准装置外，还有电阻标准装置外，还有106106和和107107及其相应装置。及其相应装置。 电阻工作计量器具有电阻工作计量器具有1313个标称值个标称值, ,从从1010-4 -4 到到10108 8. 每个标称值又有每个标称值又有0.000050.00005级到级到0.20.2级不等的级不等的7 7到到9 9个准个准 确度等级。确度等级。 电子测量原理电子测量原理 第47页 电压端子 水 银 罩 电流端子 插入温度表 无感线圈的 锰铜电阻线 (a)构造 电流

21、端子电流端子 电压端子 (b) 外观 图6-8 标准电阻器 电子测量原理电子测量原理 第48页 标准电容器分为三等。一等和二等标准电容量具采标准电容器分为三等。一等和二等标准电容量具采 用标称值分别为用标称值分别为1PF1PF，10PF10PF，100pF100pF和和1000PF1000PF的标准的标准 电容器。它们的差别在不确定度和年稳定度。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三等标准电容量具采用标称值为1010-4 -4PF-1F PF-1F的标准电的标准电 容器容器。 电子测量原理电子测量原理 第49页 端子1 端子2 接地端 (b)外观 水晶 极板

22、蔽罩 端子1 端子2 接地端 (a)构造 电子测量原理电子测量原理 第50页 电子测量原理电子测量原理 第51页 1.51.5 1 1 1 1 线圈 大理石 (a)构造面（剖面图 ） RL C (b)等效电路图 电子测量原理电子测量原理 第52页 电子测量原理电子测量原理 第53页 jXR I U Z . . x j YjBG Z 1 Y 电子测量原理电子测量原理 第54页 324x zzzz 324x j 3 j 2 j 4 j x zzzz 324x 324x zzzz x Z 2 Z 3 Z 4 Z D 交流电桥 电子测量原理电子测量原理 第55页 精密万用电桥方框图 平衡调节机构平衡调

23、节机构 测量桥路测量桥路 平衡指示电路平衡指示电路 显示电路显示电路 电源电源 测量信号源测量信号源 电子测量原理电子测量原理 第56页 s 2 1 x Z w w Z 电压比例臂构成的桥路 x Z S Z 1 W 2 W 电流比例臂构成的桥路 x Z S Z 1 W 2 W 1 . I 2 . I D D D D 电子测量原理电子测量原理 第57页 电子测量原理电子测量原理 第58页 谐振法测量原理图 C M V A L L C C L C LX LC 2 0 2 0 0 0 0 1 1 0 1 1 当回路达到谐振时当回路达到谐振时: : 电子测量原理电子测量原理 第59页 谐振法直接测电容

24、 x C s C 0 f 振 荡 器 D M L 当当C CX X较小时较小时 选择适当电感选择适当电感 L(L(不必为标准电感不必为标准电感) )，接入标准，接入标准 可变电容可变电容C CS S（如虚线所示），调回路至谐振，然（如虚线所示），调回路至谐振，然 后接入被测电容后接入被测电容C CX X 21ssx CCC 当当C CX X较大时较大时C CX X应和应和 C CS S串联接入串联接入 12 21 ss ss x CC CC C 电子测量原理电子测量原理 第60页 并联替代法测量电感的原理图 信信 号号 源源 s C L V x L 1 22 4 1 s Cf L 2 22 4

25、 11 s x Cf LL )(4 1 12 22 ss x CCf L 电子测量原理电子测量原理 第61页 s C L V x L 串联替代法测电感 1 22 4 1 s Cf L 2 22 4 1 s x Cf LL 21 22 21 4 ss ss x CCf CC L 电子测量原理电子测量原理 第62页 Q 表的基本组成框图 x L高 频 振 荡 器 s C x C2 C 1 C 1 PV 2 PV 1 . U . 2 U 1 2 3 4 电子测量原理电子测量原理 第63页 电子测量原理电子测量原理 第64页 jXR I U Z . . x Z s R s U x U U x Z s R U . x U sU . 接入标准接入标准 阻抗阻抗RS s s xx x s s R U U