1、第第6 6章章 阻抗测量阻抗测量 26.1 6.1 引言引言 6.2 6.2 阻抗标准阻抗标准 6.3 6.3 阻抗的模拟测量法阻抗的模拟测量法6.4 6.4 阻抗的数字测量法阻抗的数字测量法-元件的工业趋势VHS3214567890*#6.1慨述6.1.1集总参数元件特性表征 1.阻抗定义及表示方法 IUZ阻抗定义图阻抗定义图IUZsinZXcosZRRXarctgXRZ22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(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
2、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）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RRRC0L0L0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、介考虑泄漏、介质损耗等质损耗等CCCR0R0L0R,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考虑导线损耗和分布电容和分布电容LR0LC0LR0测量器件的寄生参数影响测量器件的寄生参数影响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
3、感 RL0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电感器关的磁芯电
4、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 4256.1.2元件参数测量的基本技术电桥法电桥法321ZZZZxxZ2Z3Z1ZD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
5、器的频率覆盖范围较窄 频率范围频率范围：DCDC 300MHz300MHz 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VRXLXEZEI CVEVRXRXQEVRIVXXCXLXCOSC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sxR
6、VVIVZ211V1V2RSZXIOSC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 RF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 122212121121VVRRVRVVIIVIVZxRV1VV2RI1ZXIOS
7、CRI2(b)(b)高阻抗类型高阻抗类型 RVV2V1ZXIOSCRR2122/21221VVRRVVVIVZx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 自动平衡电桥法-+DUTDUTHLR虚地V1II2I=I2V2=I2RZ=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
8、地）（称为虚地）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 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
9、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-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 meter5.310uHLCR meter5.231uHuH网络分析法300KHz1101001K10K100K1M10M100M 1G10G10KHz70MHz10K
10、Hz110MHz1 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
11、2.仪器分类另另3.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 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
12、流低端(a)(a)连接图连接图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R0L0DUTVAR0L0C0(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
13、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HpLCDUTLPHCDUTVA1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M1m 10m 100m 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 1
14、M 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HpLCDUTLPHC(a)(a)连接图连接图(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 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
15、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。6.2 阻抗标准 6.2.1电阻标准 1）标准概况 2）标准电阻器 6.2.2电容标准 1）标准概况 2）标准电容器 6.2.3电感标准 1）标准概况 2)标准电感器 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
16、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。电压端子水
17、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-1FPF-1F的标准电的标准电容器容器。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1.51.51 11
18、 1线圈大理石(a)构造面（剖面图）RLC(b)等效电路图6.3阻抗的模拟测量法 6.3.1 电压电流法 6.3.2 电桥法 6.3.3 谐振法测量元件参数 6.3.4 Q值测量 6.3.1 电压电流法 电压-电流法又叫伏安法，即利用欧姆定律，用测量的电压值和电流值计算被测阻抗值：被测器件的导纳为：jXRIUZ.xjYjBGZ1Y6.3.2 电桥法1)电桥的平衡条件 用指数形式表示 上式必须同时满足 324xzzzz324xj3j2j4jxzzzz324x324xzzzzxZ2Z3Z4ZD交流电桥2)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
19、路显示电路显示电路电源电源测量信号源测量信号源3）变压器耦合臂电桥 两电桥的平衡条件都为 s21xZwwZ电压比例臂构成的桥路xZSZ1W2W电流比例臂构成的桥路xZSZ1W2W1.I2.ID DD D4）电桥法测量集总参数元件的误差 标准元件值的误差 电桥指示器的误差 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。6.3.3谐振法测量元件参数 谐振法测量原理图CMVALLCCLCLXLC202000011011当回路达到谐振时当回路达到谐振时:（1）直接测量 谐振法直接测电容xCsC0f振荡器DML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
20、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 X21ssxCCC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1221ssssxCCCCC（2）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sCLVxL12241sCfL222411sxCfLL)(411222ssxCCfLsCLVxL 串联替代法测电感 12241sCfL22241sxCfLL2122214ssssxCCfCCL 1.Q 表组成原理及测量原理 Q表是根据谐振原理制成的，又
21、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。2Q 表测量中产生测量误差的因素 Q 表的基本组成框图 xL高频振荡器sCxC2C1C1PV2PV1.U.2U12346.4 阻抗的数字测量法 1.矢量电流-电压法的原理 （1）固定轴法 （2）自由轴法2.智能化LCR测量仪的基本组成 6.4.1 矢量电流-电压法1.矢量电流-电压法的原理 jXRIUZ.xZsRsUxUUxZsRU.xUsU.接入标准接入标准阻抗阻抗RSssxxxssRUUIUZRUI,2）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xZsZ1S2S（
22、1）固定轴法yxosy.U固定轴法矢量关系图xxUxU.sUjXRIUZ.ssxxssRUUZRUI,sssUjUU0.sxysxxssxsxUUjUURUURZ.自由轴法矢量关系图yxosyU.xxU.sxU.sUxyUxU2222.sysxsyxxsxxysysxsyxysxxxssysxxyxxssxsxUUUUUUjUUUUUURjUUjUURUURZxyxxxjUUU.sysxsjUUU.2 智能化LCR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0RXZSRSUXU V/I转换器双斜积分信号调理-+A1A2A3+-+-6.4.2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1S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90000-900sxrxUURZ xZrR小 结 阻抗测量有多种方法 电桥主要用来测量低频元件 Q表主要用来测量高频元件 阻抗的数字测量法
