现代电子测量技术_6.ppt

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1、现代电子测量技术赵志斌电力系电信教研室阻抗测量引言n n引言 n n阻抗标准 n n阻抗的模拟测量法 n n阻抗的数字测量法引言-VHS 3 2 1 4 5 6 7 8 9 0*#集总参数元件特性表征n n 阻抗定义及表示方法阻抗定义图阻抗定义图DUTDUT实轴+j-j 电阻电感电容虚轴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：阻抗标准阻抗标准n n电阻标准电阻标准n n标准概况标准概况标准概况标准概况 n n标准电阻器标准电阻器标准电阻器标准电阻器 n n电容标准电容标准 n n标准概况标准概况标准概况标准概况 n n标准电容器标准电容器标准电容器标准电容器 n n电感标准

2、电感标准 n n标准概况标准概况标准概况标准概况 n n标准电感器标准电感器标准电感器标准电感器电阻标准电阻标准n n标准概况标准概况标准概况标准概况 n n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 n n 一等电阻标准包括一等电阻标准包括一等电阻标准包括一等电阻标准包括10-310-3，10-210-2，10-110-1，11，1010，102102，103103，104104，10591059个个个个标称值及一等电阻标准装置。二等电阻标准除上标称值及一等电阻标准装置。二等电阻标准

3、除上标称值及一等电阻标准装置。二等电阻标准除上标称值及一等电阻标准装置。二等电阻标准除上述述述述9 9个标称值及电阻标准装置外，还有个标称值及电阻标准装置外，还有个标称值及电阻标准装置外，还有个标称值及电阻标准装置外，还有106106和和和和107107及其相应装置。及其相应装置。及其相应装置。及其相应装置。n n 电阻工作计量器具有电阻工作计量器具有电阻工作计量器具有电阻工作计量器具有1313个标称值个标称值个标称值个标称值,从从从从10-410-4到到到到108.108.每个标称值又有每个标称值又有每个标称值又有每个标称值又有0.000050.00005级到级到级到级到0.20.2级不等级

4、不等级不等级不等的的的的7 7到到到到9 9个准确度等级。个准确度等级。个准确度等级。个准确度等级。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 电容标准电容标准n n1）标准概况）标准概况 n n标准电容器分为三等。一等和二等标准电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容量具采用标称值分别为1PF，10PF，100pF和和1000PF的标准电容器。它们的差的标准电容器。它们的差别在不确定度和年稳定度。别在不确定度和年稳定度。n n三等标准电容量具采用标称

5、值为三等标准电容量具采用标称值为10-4PF-1F的标准电容器。的标准电容器。2 2 2 2）标准电容器）标准电容器）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)构造电感标准电感标准n n1）标准概况）标准概况 n n 采用标称值为采用标称值为1H-10000H的标准电感的标准电感器作为标准电感量具。标准电感量具分成器作为标准电感量具。标准电感量具分成0.01级、级、0.02级、级、0.05级级、0.1级、级、0.2级、级、0.5级和级和1.0级，对应的级别指数级，对应的级别指数a为为0.01，0.02，0.05，0.1，0.2，0.5和和1.0，对应

6、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为为a%。2)2)2)2)标准电感器标准电感器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)等效电路图测试连接头测试连接头n n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.常用的常用的连接方法有：连接方法有：n n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表等表等低准确度谐振式阻抗仪器低准确度谐振式阻抗仪器 n n有极性的同轴的连接头有极性的同轴的连接头 n n中性精密同轴连接头中性精密同轴连接头 n n三端连接头、四端连接头、五端连接头三端连接头、四端连接

7、头、五端连接头 n n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 HpLC DUTLPHCHC 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R0 L0 DUTVAR0 L0(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

8、测量范围阻抗测量范围C0三端连接头三端连接头 HpLC DUTLPHC(a)(a)连接图连接图(b)(b)示意图示意图R0 L0 DUTVAR0 L0 C0(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四端连接头四端连接头 HpLC DUTLPHCDUTVA1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M1m 10m 10

9、0m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 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五端连接头五端连接头 HpLC DUTLPHCDUTVA(a)(a)连接图连接图(b)(b)示意图示意图第20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四端对连接头四端对连接头 HpLC DUTL

10、PHC(a)(a)连接图连接图DUTVA(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 100M4TP4TP(c)(c)阻抗测量范围阻抗测量范围小结n n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DUT的正确的正确连接。否则也会限制测量范围。连接。否则也会限制测量范围。n n 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DUT的阻抗和要求的测量精度

11、，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n n元件的影响因素元件的影响因素元件的影响因素元件的影响因素 n n测试信号频率测试信号频率测试信号频率测试信号频率n由于存在寄生参数，频率对所有实际元件都有影响 n n测试信号电平测试信号电平测试信号电平测试信号电平n n对于某些元件，施加的测试信号（对于某些元件，施加的测试信号（ACAC）可能会影响测试结果）可能会影响测试结果 n n直流偏置直流偏置直流偏置直流偏置 电压和电流电压和电流电压和电流电压和电流 n n温度温度温度温度 n n大多数元件都存在温

12、度影响因素。对于电阻器、电容器和电感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器，温度系数是一项重要的技术指标 n n其它影响因素其它影响因素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）（环境，湿度，老化等）（环境，湿度，老化等）n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 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 电阻器电阻器电阻器电阻器RRRC0 L0 L0 n n理想电容理想电容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

13、泄漏、介考虑泄漏、介质损耗等质损耗等 电容器电容器电容器电容器CCCR0 R0 L0 R,0 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布电容和分布电容LR0 LC0 LR0 测量器件的寄生参数影响测量器件的寄生参数影响DUTDUT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 电感器的频率响应电感器的频率响应C0 LR0 LC0 R0 C0的影响|z|理想 L R0 理想 LC0的影响|z|R0 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 CL0测

14、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C oV(b)测试电流(AC)LoI 与与直直流流偏偏置置电电压压有有关的电容器关的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Co V0 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

15、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 CCo 1 10 102 103 10 4256.1.26.1.2元件参数元件参数测量的基本技量的基本技术 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电桥法的优缺点和频率范围电桥法的优缺点和频率范围n n高精度（高精度（0.1%典型值）典型值）n n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 n n价格低价格低 n n需要手动平衡需要手动平衡 n n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 n n频率范围频率范围：DC 300MHz 谐振法谐振法谐振法谐振法

16、 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 VRX DUTDUTLXECVOSC谐振法的优缺点和频率范围谐振法的优缺点和频率范围n n可测很高的可测很高的Q值值 n n需要调谐到谐振需要调谐到谐振 n n阻抗测量精度低阻抗测量精度低 n n频率范围频率范围：10KHz 70MHz 电压电流法电压电流法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流经的RS上的电压计算上的电压计算V1 V2 RS ZX IOSC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

17、围n n可测量接地器件可测量接地器件 n n适合于探头类测试需要适合于探头类测试需要 n n使用简单使用简单 n n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 n n频率范围频率范围：10KHz 100 MHzRFRF电压电流法电压电流法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 RV1 VV2 RI1 ZX IOSCRI2(b)(b)高阻抗类型高阻抗类型 RVV2 V1 ZX IOSCRR 2射频电压电流法的

18、优缺点和频率范围射频电压电流法的优缺点和频率范围n n高精度（高精度（0.1%典型值）典型值）n n高频下的宽阻抗范围高频下的宽阻抗范围 n n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 n n频率范围频率范围：1MHz 3GHz 自动平衡电桥法自动平衡电桥法自动平衡电桥法自动平衡电桥法 -+DUTDUT HLR虚地 V1 II2 I=I2V2=I2R Z=V1I=V1RV2V1I2=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）自动平衡电桥法的优缺点和频率范自动平衡电桥法的优缺点和

19、频率范围围n n高精度（高精度（0.05%典型值）典型值）n n很宽的测量范围很宽的测量范围 n n使用简单使用简单 n n不能适应更高的频率范围不能适应更高的频率范围n n频率范围频率范围：20Hz 110MHz网络分析法网络分析法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 DUTVINC VR 输入信号反射信号定向偶合器或电桥OSCZX V1 V2 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

20、n n高频率范围高频率范围 n n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 n n改变测量频率需要重新校准改变测量频率需要重新校准 n n阻抗测量范围窄阻抗测量范围窄 n n频率范围频率范围：300KHz 3GHz-Q:165 Q:120 LCR meter Q:165 Q=120?L:5.231 uH?L:5.310 uH LCR meter 5.310uH LCR meter 哪个值正确哪个值正确?Z Analyzer D U T D U T 5.231uH uH 网络分析法 300KHz 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M 1G

21、10G 10KHz 70MHz 10KHz 110MHz 1 MHz 3GHz RF电压电流法 电压-电流法法谐振法0HZ 300MHz 电桥法20HZ 110MHz 自动平电桥法频率和测量方法频率和测量方法n n选择正确的测量方法选择正确的测量方法 n n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n n必须首先考虑测量的要求和条件，然后选必须首先考虑测量的要求和条件，然后选择最合适的方法择最合适的方法 n n需要考虑的因素包括频率覆盖范围、测量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量程、测量精度和操作的方便性 n n没有一种方法能包括所有的测量能力，因没有

22、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而在选择测量方法时需折衷考虑仪器分类仪器分类n n阻抗测量仪器分为两种阻抗测量仪器分为两种 n n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 n n采用电桥法的：万用电桥；惠斯登电桥等采用电桥法的：万用电桥；惠斯登电桥等各种电桥仪器各种电桥仪器 n n采用谐振法的：采用谐振法的：Q表表 n n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 n n另一种是数字式阻抗测量仪器另一种是数字式阻抗测量仪器 n n采用采用RF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

23、仪 n n采用自动平衡电桥法的：采用自动平衡电桥法的：LF阻抗测量仪阻抗测量仪 n n采用网络分析法的：网络分析仪采用网络分析法的：网络分析仪阻抗的模拟测量法阻抗的模拟测量法n n电压电流法电压电流法n n电桥法电桥法n n谐振法测量元件参数谐振法测量元件参数n nQ值测量值测量 电压电流法流法 电电电电压压压压-电电电电流流流流法法法法又又又又叫叫叫叫伏伏伏伏安安安安法法法法，即即即即利利利利用用用用欧欧欧欧姆姆姆姆定定定定律律律律，用用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：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

24、的导纳为：被测器件的导纳为：被测器件的导纳为：被测器件的导纳为：电桥法法1)1)1)1)电桥电桥的平衡条件的平衡条件的平衡条件的平衡条件 用指数形式表示用指数形式表示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上式必须同时满足上式必须同时满足 D交流电桥2)2)2)2)交流四臂交流四臂交流四臂交流四臂电桥电桥 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构成的桥路D DD D3 3）变

25、压器耦合臂器耦合臂电桥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n n标准元件值的误差标准元件值的误差n n电桥指示器的误差电桥指示器的误差n n屏蔽不良引起误差屏蔽不良引起误差 谐振法振法测量元件参数量元件参数 谐振法测量原理图 当回路达到谐振时当回路达到谐振时: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 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

26、接入D替代法测小电容振荡器MLCxCsf0 （1 1）替代法测电容）替代法测电容 并联替代法并联替代法并联替代法并联替代法 并联替代法测量大电感的原理图信信号号源源LLxCs（2 2）替代法测电感）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 串联替代法测小电感 LLsCsV 1.1.1.1.Q Q Q Q 表表表表组组成原理及成原理及成原理及成原理及测测量原理量原理量原理量原理 Q Q Q Q表是根据表是根据表是根据表是根据谐谐振原理制成的，又称振原理制成的，又称振原理制成的，又称振原理制成的，又称为为品品品品质质因因因因素素素素测量仪。它由高频振荡器、测量电路和输入、输测量仪。它

27、由高频振荡器、测量电路和输入、输测量仪。它由高频振荡器、测量电路和输入、输测量仪。它由高频振荡器、测量电路和输入、输出指示器等组成。出指示器等组成。出指示器等组成。出指示器等组成。2 2 2 2Q Q Q Q 表表表表测测量中量中量中量中产产生生生生测测量量量量误误差的因素差的因素差的因素差的因素 Q Q 值测量值测量Q 表的基本组成框图 高频振荡器C2C1U1LxCxCsU2PV2PV11234阻抗的数字测量法阻抗的数字测量法 n n矢量电流矢量电流-电压法电压法n n矢量电流矢量电流矢量电流矢量电流-电压法的原理电压法的原理电压法的原理电压法的原理n n固定轴法固定轴法固定轴法固定轴法n

28、n自由轴法自由轴法自由轴法自由轴法 n n智能化智能化智能化智能化LCRLCR测量仪的基本组成测量仪的基本组成测量仪的基本组成测量仪的基本组成 n n自动平衡电桥自动平衡电桥1.1.1.1.矢量矢量矢量矢量电电流流流流-电压电压法的原理法的原理法的原理法的原理 接入标准接入标准阻抗阻抗RS 矢量矢量电流流-电压法法UZxRsUxUsUZxRsUxUsI2 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（1 1 1 1）固定轴法固定轴法固定轴法固定轴法 固定轴法矢量关系图（2 2 2 2）自由轴法）自由轴法）自由轴法）自由

29、轴法自由轴法矢量关系图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+-+-R0ZxRsUsUx6.4.26.4.2自自动平衡平衡电桥 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放大器ATTA/D自动衰减器量程电阻DUT功率放大器积分器90000-900ZxRS1小小 结结n n 阻抗测

30、量有多种方法阻抗测量有多种方法 n n电桥主要用来测量低频元件电桥主要用来测量低频元件n n阻抗的数字测量法阻抗的数字测量法思考题n n阻抗元件的一般影响因素主要有哪些?n n选择阻抗测量的方法时,需要考虑哪些因素?思考题n n交流电桥平衡必须同时满足哪两交流电桥平衡必须同时满足哪两个平衡条件？个平衡条件？n n某交流电桥平衡时有下列参数：某交流电桥平衡时有下列参数：Z1Z1为为R1=2000R1=2000与与C1=0.5FC1=0.5F相并相并联，联，Z2Z2为为R2=1000R2=1000与与C2=1FC2=1F相相串联，串联，Z4Z4为电容为电容C4=0.5FC4=0.5F，信号，信号源角频率源角频率=102=102 rad/srad/s，求阻抗，求阻抗Z3Z3的元件值。的元件值。D交流电桥思考题n n判断下图中的交流电桥哪些接法是正确的？哪些错误的判断下图中的交流电桥哪些接法是正确的？哪些错误的？D （a）（b）（c）（d）DDD