第5章 阻抗测量

1、第第5 5章章 阻抗测量阻抗测量 25.1 5.1 引言引言 5.2 5.2 阻抗标准阻抗标准 5.3 5.3 阻抗的模拟测量法阻抗的模拟测量法5.1 5.1 概述概述一、集总参数元件特性表征一、集总参数元件特性表征 1. 1. 阻抗定义及表示方法阻抗定义及表示方法 阻抗：对流经器件或电路电流的总抵抗能力。阻抗：对流经器件或电路电流的总抵抗能力。 IUZ阻抗定义图阻抗定义图IUZ实际上，阻抗元件不会实际上，阻抗元件不会是纯电阻、纯电容或纯是纯电阻、纯电容或纯电感。电感。测量条件对阻抗特性测量条件对阻抗特性的影响较大。的影响较大。如：电流大小、工作如：电流大小、工作频率、温度、湿度等。频率、温度

2、、湿度等。sinZXcosZRRXarctgXRZ22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：DUTDUTZ,RZ实轴+j-j电阻电感电容虚轴阻抗矢量包括实部（电阻）和虚部（电抗）直角坐标下：ZRjX极坐标下：(cos( )sin( )jZZ eZjRX22221|jRXYjZRXRXGjBY e导纳导纳电导电导电纳电纳导纳幅度导纳幅度导纳角导纳角2. 2. 阻抗器件的电路模型阻抗器件的电路模型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和分布电容考虑引线电感和分布电容RRL0RC0L0理想电容理想电容考虑泄漏、引线电阻和电感考虑泄漏、引线电阻和电感考虑泄漏、介质损

3、耗等考虑泄漏、介质损耗等CCR0CR0L0R,0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和分布电容考虑导线损耗和分布电容LR0LC0LR0（1）几个概念区分 真值：排除了寄生参数缺陷的电器元件量值。只有学术意义，无法得到。 有效值：考虑了元件寄生参数的影响。需要得到的值，和频率有关。 指示值：测量得到的值。存在误差，受多种因素影响。（2 2）影响元件阻抗值测量结果的因素）影响元件阻抗值测量结果的因素 频率频率电阻器的频率响应电阻器的频率响应寄生电容C0R低阻值电阻理想RR|z|高阻值电阻理想RR|z|引线电感 RL001/ /RjC0RjL电感器的频率响应电感器的频率响应C0 LR

4、0LC0R0C0的影响|z|理想 LR0理想 LC0的影响|z|R0L0的影响|z|R0理想 CR0CL0电容器的频率响应电容器的频率响应测试信号（测试信号（ACAC）电平对电容器和铁芯电感器的影响）电平对电容器和铁芯电感器的影响与与ACAC电平有关的磁芯电感器电平有关的磁芯电感器与与ACAC电压有关的陶瓷电容器电压有关的陶瓷电容器(a) 测试电压(AC)测试信号电平：测试信号电平： 高K值中K值低K值CoV(b) 测试电流(AC)LoIK K：陶瓷电容材：陶瓷电容材料的介电常数料的介电常数与直流偏置电压有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

5、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CoV0直流偏置电流oLI0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oCCo1 10 102 103 10 425二、元件参数测量的基本技术二、元件参数测量的基本技术电桥法电桥法321ZZZZxxZ2Z3Z1Z D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

6、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 谐振法谐振法 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EVRXRXQEVRIVXXCXLXCRXLXEZEI CVOSCV谐振法的优缺点和谐振法的优缺点和频率范围频率范围 可测很高的可测很高的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 70MHz 电压电流法电压电流法 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

7、流经的RS上的电压计算上的电压计算sxRVVIVZ211V2RSZXIOSCV1电压电流法的优缺点和电压电流法的优缺点和频率范围频率范围可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工作频率范围受使用探头的变压器的限制头的变压器的限制 频率范围频率范围 ：10KHz10KHz 100 100 MHzMHz RF电压电流法电压电流法 (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 122212121121VV

8、RRVRVVIIVIVZxRV1VV2RI1ZXIOSCRI2R(b)(b)高阻抗类型高阻抗类型 RVV2V1ZXIOSCRR2122/21221VVRRVVVIVZx射频电压电流法的优缺射频电压电流法的优缺点和频率范围点和频率范围高精度（高精度（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工作频率范围受使用探头的变压器的限制头的变压器的限制 频率范围频率范围 ：1MHz 3GHz 自动平衡电桥法自动平衡电桥法 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） -+DUTDUTHLR

9、虚地V1II2V2I= I2V2= I2RZ =V1I=V1RV2V1I2= 自动平衡电桥法的优缺点自动平衡电桥法的优缺点和频率范围和频率范围高精度（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 网络分析法网络分析法 通过测量输入信号与反射信号之比得到反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 DUTVINCVR输

10、入信号反射信号定向偶合器或电桥OSCZXV1V2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 网络分析法300KHz1101001K10K100K1M10M100M 1G10G10KHz70MHz10KHz110MHz1 MHz3GHzRF电压电流法电压-电流法谐振法0HZ300MHz电桥法20HZ110MHz自动平衡电桥法频率和测量方法选择频率和测

11、量方法选择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 模拟阻抗测量的仪器模拟阻抗测量的仪器 采用电桥法的：万用电桥；惠斯登电桥等各种电桥仪器采用电桥法的：万用电桥；惠斯登电桥等各种电桥仪器采用谐振

12、法的：采用谐振法的：Q Q表表 采用电压采用电压- -电流法的：多用表；可变电阻器；参数测量仪电流法的：多用表；可变电阻器；参数测量仪 数字式阻抗测量仪器数字式阻抗测量仪器采用采用RFRF电压电流法的：射频阻抗分析仪电压电流法的：射频阻抗分析仪采用自动平衡电桥法的：采用自动平衡电桥法的：LFLF阻抗测量仪阻抗测量仪采用网络分析法的：网络分析仪采用网络分析法的：网络分析仪 3. 3. 测试连接头测试连接头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

13、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 阻抗的连接图、示意图和测量范围阻抗的连接图、示意图和测量范围两端连接头两端连接头HpLCDUTLPHCHC 为为电流高端电流高端Hp 为为电位高端电位高端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(b)(b)示意图示意图R0L0DUTVAR0L0C01m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M1m 10m 100m

14、 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M2T2T)(c)(c)阻抗测量范围阻抗测量范围适用于Q表等低准确度谐振式阻抗仪器。易引入不确定的附加阻抗影响。三端连接头三端连接头HpLCDUTLPHC(a)(a)连接图连接图(b)(b)示意图示意图R0L0DUTVAR0L0C01m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M3T3T)(c)(c)阻抗测量范围阻抗测量范围(d)(d)具有屏蔽的两端连接头具有屏蔽的两端连接头DUTVA四端连接头四端连接头HpLCDUTLPHCDUTVA(a)(a)连接图连接图(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 100M4T4T)(c)(c)阻抗测量范围阻抗测量范围可减小引线阻抗的影响。当被测件阻抗较低时（C1, C2Cs。21UQU测电感时，调测电