第六章阻抗测量精选文档.ppt

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1、第六章阻抗测量第六章阻抗测量本讲稿第一页，共七十一页-元件的工业趋势VHS3214567890*#本讲稿第二页，共七十一页6.16.1慨述慨述6.1.16.1.1集总参数元件特性表征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 阻抗定义图阻抗定义图本讲稿第三页，共七十一页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实轴+j-j电阻电感电容虚轴本讲稿第四页，共七十一页2.2.电阻器、电容器、电感器的电路模型电阻器、电容器、电感器的电路模型(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u测试信号频率测试信号频率u测

2、试信号电频测试信号电频u直流偏置直流偏置电压和电流电压和电流u温度温度u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）本讲稿第五页，共七十一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和考虑引线电感和分布电容分布电容uu 电阻器电阻器电阻器电阻器RRRC0L0L0本讲稿第六页，共七十一页理想电容理想电容考虑泄漏、引考虑泄漏、引线电阻和电感线电阻和电感考虑泄漏、介质考虑泄漏、介质损耗等损耗等uu 电容器电容器电容器电容器CCCR0R0L0R,0本讲稿第七页，共七十一页uu 电感器电感器电感器电感器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

3、布电容和分布电容LR0LC0LR0本讲稿第八页，共七十一页测量器件的寄生参数影响测量器件的寄生参数影响DUTDUT本讲稿第九页，共七十一页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 RL0本讲稿第十页，共七十一页电感器的频率响应电感器的频率响应C0 LR0LC0R0C0的影响|z|理想 LR0理想 LC0的影响|z|R0本讲稿第十一页，共七十一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 CR0CL0本讲稿第十二页，共七十一页测试信号（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

4、ACAC有关的磁芯电感器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)测试信号电频：测试信号电频：高K值中K值低K值CoV(b)测试电流(AC)LoI本讲稿第十三页，共七十一页与与直直流流偏偏置置电电压压有有关关的的电容器电容器直流偏置电压与与直直流流偏偏置置电电流流有有关关的磁芯电感器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本讲稿第十四页，共七十一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

5、容器的老化相关性oCCo1 10 102 103 10 425本讲稿第十五页，共七十一页6.1.26.1.2元件参数测量的基本技术元件参数测量的基本技术u电桥法电桥法D1.1.1.1.测量方法概述测量方法概述测量方法概述测量方法概述本讲稿第十六页，共七十一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u高精度（高精度（0.1%0.1%典型值）典型值）u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u价格低价格低u需要手动平衡需要手动平衡u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u频率范围频率范围：DCDC300MHz300MHz本讲稿第十七页，共七十一页谐振法谐振法

6、u改变电容改变电容C C直到电路谐振直到电路谐振u谐振时谐振时XL=XC仅有仅有RX存在存在VRXDUTDUTLXECVOSC本讲稿第十八页，共七十一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u可测很高的可测很高的Q Q值值 u需要调谐到谐振需要调谐到谐振 u阻抗测量精度低阻抗测量精度低 u频率范围频率范围：10KHz 10KHz 70MHz70MHz本讲稿第十九页，共七十一页 电压电流法电压电流法 u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ZXu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V1V2RSZXIOSC本讲稿第二十页，共七十一

7、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u可测量接地器件可测量接地器件 u适合于探头类测试需要适合于探头类测试需要u使用简单使用简单 u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 u频率范围频率范围：10KHz10KHz100 MHz100 MHz本讲稿第二十一页，共七十一页RF电压电流法电压电流法(a)(a)低阻抗类型低阻抗类型 u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u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 RV1VV2RI1ZXIOSCRI2本讲稿第二十二页，共七十一页(b)(

8、b)高阻抗类型高阻抗类型 RVV2V1ZXIOSCRR2本讲稿第二十三页，共七十一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u高精度（高精度（0.1%0.1%典型值）典型值）u高频下的宽阻抗范围高频下的宽阻抗范围 u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 u频率范围频率范围：1MHz1MHz3GHz3GHz本讲稿第二十四页，共七十一页自动平衡电桥法自动平衡电桥法-+DUTDUTHLR虚地V1II2I=I2V2=I2RZ=V1I=V1RV2V1I2=V2u通过通过DUTDUT的电流也通过电阻的电流也通过电阻Ru“L”点的电位保持为点的电位

9、保持为0 0V（称为虚地）（称为虚地）本讲稿第二十五页，共七十一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u高精度（高精度（0.05%0.05%典型值）典型值）u很宽的测量范围很宽的测量范围 u使用简单使用简单u不能适应更高的频率范围不能适应更高的频率范围u频率范围频率范围：20Hz20Hz110MHz110MHz本讲稿第二十六页，共七十一页网络分析法网络分析法 u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u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 u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

10、应 DUTVINCVR输入信号反射信号定向偶合器或电桥OSCZXV1V2本讲稿第二十七页，共七十一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u高频率范围高频率范围 u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 u改变测量频率需要重新校准改变测量频率需要重新校准 u阻抗测量范围窄阻抗测量范围窄 u频率范围频率范围：300KHz 300KHz 3GHz3GHz本讲稿第二十八页，共七十一页-哪个值正确哪个值正确?Z AnalyzerQ:165Q:120LCR meterQ:165Q=120?D U TL:5.231uH?D U TL:5.310uHLCR m

11、eter5.310uHLCR meter5.231uHuH本讲稿第二十九页，共七十一页网络分析法300KHz1101001K10K100K1M10M100M 1G10G10KHz70MHz10KHz110MHz1 MHz3GHzRF电压电流法电压-电流法法谐振法0HZ300MHz电桥法20HZ110MHz自动平电桥法频率和测量方法频率和测量方法本讲稿第三十页，共七十一页选择正确的测量方法选择正确的测量方法u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u必必须须首首先先考考虑虑测测量量的的要要求求和和条条件件，然然后后选选择择最最合合适适的的方法方法u需需要要考考虑虑的的因因素素包包括括

12、频频率率覆覆盖盖范范围围、测测量量量量程程、测测量量精精度和操作的方便性度和操作的方便性 u没没有有一一种种方方法法能能包包括括所所有有的的测测量量能能力力，因因而而在在选选择择测测量量方法时需折衷考虑方法时需折衷考虑 本讲稿第三十一页，共七十一页2.2.2.2.仪器分类仪器分类仪器分类仪器分类阻抗测量仪器分为两种阻抗测量仪器分为两种阻抗测量仪器分为两种阻抗测量仪器分为两种一种是利用模拟阻抗测量的仪器一种是利用模拟阻抗测量的仪器 uu采用电桥法的：万用电桥；惠斯登电桥等各种电采用电桥法的：万用电桥；惠斯登电桥等各种电采用电桥法的：万用电桥；惠斯登电桥等各种电采用电桥法的：万用电桥；惠斯登电桥等

13、各种电桥仪器桥仪器桥仪器桥仪器uu采用谐振法的：采用谐振法的：采用谐振法的：采用谐振法的：Q Q Q Q表表表表 u采用电压采用电压-电流法的：多用表；可变电阻器；电流法的：多用表；可变电阻器；参数测测仪参数测测仪 本讲稿第三十二页，共七十一页另另一种是数字式阻抗测量仪器一种是数字式阻抗测量仪器u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uu采用自动平衡电桥法的：采用自动平衡电桥法的：采用自动平衡电桥法的：采用自动平衡电桥法的：LFLFLFLF阻抗测量仪阻抗测量仪阻抗测量仪阻抗测量仪uu采用网络分析法的：网络

14、分析仪采用网络分析法的：网络分析仪采用网络分析法的：网络分析仪采用网络分析法的：网络分析仪 本讲稿第三十三页，共七十一页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.常用的连接方法常用的连接方法有：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表等低准确度表等低准确度谐振式阻抗仪器谐振式阻抗仪器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 本讲稿第三十四页，共七十一页阻抗的连接图、示意图和测量范

15、围阻抗的连接图、示意图和测量范围 u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)连接图连接图本讲稿第三十五页，共七十一页R0L0DUTVAR0L0(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 100M2T2T(c)(c)阻抗测量范围阻抗测量范围C0本讲稿第三十六页，共七十一页u三端连接头三端连接头HpLCDUTLPHC(a)(a)连接图连接图(

16、b)(b)示意图示意图R0L0DUTVAR0L0C0本讲稿第三十七页，共七十一页(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 100M3T3T(c)(c)阻抗测量范围阻抗测量范围DUTVA本讲稿第三十八页，共七十一页u四端连接头四端连接头HpLCDUTLPHCDUTVA1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1

17、M 10M 100M4T4T(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本讲稿第三十九页，共七十一页u五端连接头五端连接头HpLCDUTLPHCDUTVA(a)(a)连接图连接图(b)(b)示意图示意图本讲稿第四十页，共七十一页1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M5T5TDUTVA(d)(d)具有屏蔽的四端连接头具有屏蔽的四端连接头(c)(c)阻抗测量范围阻抗测量范围本讲稿第四十一页，共七十一页u四端对连接头四端对连

18、接头HpLCDUTLPHC(a)(a)连接图连接图本讲稿第四十二页，共七十一页(b)(b)示意图示意图DUTVA1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M4TP4TP(c)(c)阻抗测量范围阻抗测量范围本讲稿第四十三页，共七十一页 实际的阻抗测量范围不仅取决于测量仪器，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而且也取决于四端对连接头与DUTDUT的正确连接。的正确连接。否则也会限制测量范围。否则也会限制测量范围。每种连接方法各有优缺点，必

19、须根据每种连接方法各有优缺点，必须根据DUTDUT的的阻抗和要求的测量精度，选择最适合的连接方阻抗和要求的测量精度，选择最适合的连接方法。法。本讲稿第四十四页，共七十一页6.2 6.2 阻抗标准阻抗标准 6.2.1 6.2.1 6.2.1 6.2.1电阻标准电阻标准电阻标准电阻标准 1 1 1 1）标准概况）标准概况）标准概况）标准概况 2 2 2 2）标准电阻器）标准电阻器）标准电阻器）标准电阻器 6.2.2 6.2.2 6.2.2 6.2.2电容标准电容标准电容标准电容标准 1 1 1 1）标准概况）标准概况）标准概况）标准概况 2 2 2 2）标准电容器）标准电容器）标准电容器）标准电容

20、器 6.2.36.2.36.2.36.2.3电感标准电感标准电感标准电感标准 1 1 1 1）标准概况）标准概况）标准概况）标准概况 2)2)2)2)标准电感器标准电感器标准电感器标准电感器 本讲稿第四十五页，共七十一页6.2.16.2.1电阻标准电阻标准1 1 1 1）标准概况）标准概况）标准概况）标准概况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 599个标称值及一等电阻标个标称值及一等电阻标准装

21、置。二等电阻标准除上述准装置。二等电阻标准除上述9 9个标称值及电阻标准装个标称值及电阻标准装置外，还有置外，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.每每个标称值又有个标称值又有0.000050.00005级到级到0.20.2级不等的级不等的7 7到到9 9个准确度等个准确度等级。级。本讲稿第四十六页，共七十一页电压端子2 2）标准电阻器）标准电阻器水银罩电流端子插入温度表无感线圈的锰铜电阻线(a)构造电流端子电流端子电压端子(b)外观图6-8 标准电阻器本讲稿第四十七页，

22、共七十一页6.2.26.2.26.2.26.2.2电容标准电容标准电容标准电容标准 1 1）标准概况）标准概况）标准概况）标准概况标标准准电电容容器器分分为为三三等等。一一等等和和二二等等标标准准电电容容量量具具采采用用标标称称值值分分别别为为1PF1PF，10PF10PF，100pF100pF和和1000PF1000PF的的标标准准电电容容器器。它它们们的差别在不确定度和年稳定度。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-1FPF-1F的标准电容器的标准电容器。本讲稿第四十八页，共七十一页2 2 2 2）标准电容器）标准电容器）

23、标准电容器）标准电容器端子1端子2接地端(b)外观水晶极板蔽罩端子1端子2接地端(a)构造本讲稿第四十九页，共七十一页6.2.36.2.3电感标准电感标准 1 1 1 1）标准概况）标准概况）标准概况）标准概况 采用标称值为采用标称值为采用标称值为采用标称值为1H-10000H1H-10000H1H-10000H1H-10000H的标准电感器作为标准的标准电感器作为标准的标准电感器作为标准的标准电感器作为标准电感量具。标准电感量具分成电感量具。标准电感量具分成电感量具。标准电感量具分成电感量具。标准电感量具分成0.010.010.010.01级、级、级、级、0.020.020.020.02级、

24、级、级、级、0.050.05级级级级 、0.10.1级、级、0.20.2级、级、0.50.50.50.5级和级和级和级和1.01.01.01.0级，对应的级，对应的级别指数级别指数a a a a为为0.010.010.010.01，0.020.020.020.02，0.050.050.050.05，0.10.10.10.1，0.20.20.20.2，0.50.50.50.5和和和和1.01.0，对应的最大允许误差，对应的最大允许误差，对应的最大允许误差，对应的最大允许误差和年稳定度和年稳定度和年稳定度和年稳定度为为a%a%a%a%。本讲稿第五十页，共七十一页2)2)2)2)标准电感器标准电感器

25、标准电感器标准电感器1.51.51 11 1线圈大理石(a)构造面（剖面图）RLC(b)等效电路图本讲稿第五十一页，共七十一页6.36.3阻抗的模拟测量法阻抗的模拟测量法 6.3.1 6.3.1 电压电流法电压电流法 6.3.2 6.3.2 电桥法电桥法 6.3.3 6.3.3 谐振法测量元件参数谐振法测量元件参数 6.3.4 Q 6.3.4 Q值测量值测量 本讲稿第五十二页，共七十一页6.3.1 6.3.1 电压电流法电压电流法 电电压压-电电流流法法又又叫叫伏伏安安法法，即即利利用用欧欧姆姆定定律律，用用测量的电压值和电流值计算被测阻抗值：测量的电压值和电流值计算被测阻抗值：被测器件的导纳

26、为：被测器件的导纳为：本讲稿第五十三页，共七十一页6.3.2 6.3.2 电桥法电桥法1)1)电桥的平衡条件电桥的平衡条件 用指数形式表示用指数形式表示 上式必须同时满足上式必须同时满足 D交流电桥本讲稿第五十四页，共七十一页2)2)2)2)交流四臂电桥交流四臂电桥交流四臂电桥交流四臂电桥 精密万用电桥方框图平衡调节机构平衡调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本讲稿第五十五页，共七十一页3 3）变压器耦合臂电桥变压器耦合臂电桥 两电桥的平衡条件都为两电桥的平衡条件都为两电桥的平衡条件都为两电桥的平衡条件都为 电压比例臂构成的桥路电流比例臂

27、构成的桥路D DD D本讲稿第五十六页，共七十一页4 4）电桥法测量集总参数元件的误差）电桥法测量集总参数元件的误差 标准元件值的误差标准元件值的误差 电桥指示器的误差电桥指示器的误差 屏蔽不良引起误差屏蔽不良引起误差 寄生耦合和外界电磁场的干扰也会引起误差。寄生耦合和外界电磁场的干扰也会引起误差。本讲稿第五十七页，共七十一页6.3.36.3.3谐振法测量元件参数谐振法测量元件参数 谐振法测量原理图当回路达到谐振时当回路达到谐振时:本讲稿第五十八页，共七十一页 （1 1）直接测量）直接测量 谐振法直接测电容振荡器当当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

28、为标准电感)，接入标准可变，接入标准可变电容电容C CS S（如虚线所示），调回路至谐振，然后接入被（如虚线所示），调回路至谐振，然后接入被测电容测电容C CX X当当C CX X较大时较大时C CX X应和应和C CS S串联接入串联接入本讲稿第五十九页，共七十一页（2 2）替代法：）替代法：并联替代法并联替代法 并联替代法测量电感的原理图信信号号源源本讲稿第六十页，共七十一页 串联替代法测电感 串联替代法串联替代法串联替代法串联替代法本讲稿第六十一页，共七十一页 1.1.1.1.Q Q 表组成原理及测量原理表组成原理及测量原理 Q Q表是根据谐振原理制成的，又称为品质因素测表是根据谐振原理

29、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、输出指量仪。它由高频振荡器、测量电路和输入、输出指示器等组成。示器等组成。2 2Q Q 表测量中产生测量误差的因素表测量中产生测量误差的因素 Q 表的基本组成框图 高频振荡器6.3.4 Q 6.3.4 Q 值测量值测量本讲稿第六十二页，共七十一页6.4 6.4 阻抗的数字测量法阻抗的数字测量法 6.4.16.4.1 矢量电流矢量电流-电压法电压法电压法电压法1.1.矢量电流矢量电流-电压法的原理电压法的原理 （1 1）固定轴法）固定轴法 （2 2）自由轴法）自由轴法2.2.智能化智能化LCR测量仪的基本组成测量仪的基本组成 6.4.

30、26.4.26.4.26.4.2 自动平衡电桥自动平衡电桥自动平衡电桥自动平衡电桥本讲稿第六十三页，共七十一页6.4.16.4.1 矢量电流矢量电流-电压法电压法1.1.矢量电流矢量电流-电压法的原理电压法的原理 接入标准阻接入标准阻抗抗RS本讲稿第六十四页，共七十一页2 2）阻抗的数字测量法原理图阻抗的数字测量法原理图 缓冲放大器数字显示器相敏检波器A/D转换器CPURAMROM相位参考基准本讲稿第六十五页，共七十一页（1 1）固定轴法固定轴法固定轴法矢量关系图本讲稿第六十六页，共七十一页（2 2 2 2）自由轴法）自由轴法）自由轴法）自由轴法自由轴法矢量关系图本讲稿第六十七页，共七十一页2

31、 2 智能化智能化LCR测量仪的基本组成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+-+-本讲稿第六十八页，共七十一页6.4.26.4.2自动平衡电桥自动平衡电桥信号源部分矢量比检波器部分自动平衡电桥调制器到数字部分HC-电流高端 LC-电流低端Hp-电位高端 LP-电位低端LC电 流 电 压转换器 本振HPHC源电阻LP振荡器放大器缓冲器缓冲器混频器放大器ATTA/D自动衰减器量程电阻DUT功率放大器积分器90000-900本讲稿第六十九页，共七十一页小小 结结 阻抗测量有多种方法阻抗测量有多种方法 电桥主要用来测量低频元件电桥主要用来测量低频元件 Q Q表主要用来测量高频元件表主要用来测量高频元件 阻抗的数字测量法阻抗的数字测量法 本讲稿第七十页，共七十一页本讲稿第七十一页，共七十一页