[理学]第6章_阻抗测量

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1、第6章 阻抗测量,2,主要内容,6.1 引言 6.2 阻抗标准 6.3 阻抗的模拟测量法 6.4 阻抗的数字测量法,3,生活实例,老师的指令,学生对指令的执行,留十道题，做八道、九道、十道 数量变化30日留作业，30日、1日、2日、完成 迟延 学生的预习 超前结论抽象：学生对老师的指令信息具有一定的“抵抗”现象，包括量的减少和时间的超前与迟延。,4,6.1 引言,6.1.1集总参数元件特性表征 1. 阻抗定义及表示方法 定义：表示对流经器件或电路电流的总抵抗能力。,阻抗定义图,5,阻抗直角坐标和极坐标之间的转换关系：,实轴,+j,-j,电阻,电感,电容,虚轴,6,2. 电阻器、电容器、电感器的

2、电路模型 (1)真值（排除寄生参数缺陷的电器元件量值），有效值（考虑寄生参数后的量值）和指示值（测量仪器获取或显示的量值） (2)元件的影响因素 测试信号频率 测试信号电平 直流偏置电压和电流 温度 其它影响因素 （环境，湿度，老化等）,7,理想电阻,考虑引线电感,考虑引线电感和分布电容,电阻器,R,R,R,C0,L0,8,理想电容,考虑泄漏、引线电阻和电感,考虑泄漏、介质损耗等,电容器,C,C,C,R0,R0,L0,R,0,9,电感器,理想电感,考虑导线损耗,考虑导线损耗和分布电容,L,R0,L,C0,L,R0,10,测量器件的寄生参数影响,11,电阻器的频率响应,寄生电容,C0,R,低阻值

3、电阻,理想R,R,|z|,高阻值电阻,理想R,R,|z|,引线电感,R,L0,12,电感器的频率响应,C0,L,R0,L,C0,R0,C0的影响,|z|,理想 L,R0,理想 L,C0的影响,|z|,R0,13,电容器的频率响应,L0的影响,|z|,R0,理想 C,R0,C,L0,14,* 测试信号（AC）电平对电容器和铁芯电感器的影响。,与AC有关的磁芯电感器,与AC电压有关的陶瓷电容器,(a) 测试电压(AC),测试信号电平：,高K值,中K值,低K值,C,o,V,(b) 测试电流(AC),L,o,I,15,与直流偏置电压有关的电容器,直流偏置电压,与直流偏置电流有关的磁芯电感器,* 陶瓷电

4、容器与铁芯电感器的直流偏置影响,直流偏置,高K值,低K值,C,o,V0,直流偏置电流,o,L,I0,16,温度,时间,温度,中K值,高K值,陶瓷电容器的温度相关性,陶瓷电容器的老化相关性,o,C,C,o,1 10 102 103 10 4,25,总之，集总参数元件由于受到寄生参数、测试信号电平、直流偏置、温度、以及其它因素的影响，在测量阻抗值时需要综合考虑多种因素。,17,6.1.2 元件参数测量的基本技术,电桥法,1. 测量方法概述,电桥平衡电流流过检测器D为零时：,18,电桥法的优缺点和频率范围 高精度（0.1%典型值） 使用不同电桥可得到宽频率范围 价格低 需要手动平衡 单台仪器的频率覆

5、盖范围较窄 频率范围 ：DC 300MHz,19,谐振法,改变电容C直到电路谐振 谐振时XL=XC 仅有RX存在,V,RX,DUT,LX,E,C,V,OSC,被测元件,20,谐振法的优缺点和频率范围 可测很高的Q值 需要调谐到谐振 阻抗测量精度低 频率范围 ：10KHz 70MHz,21,电压电流法,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RS上的电压计算,RS,ZX,I,OSC,22,电压电流法的优缺点和频率范围 可测量接地器件 适合于探头类测试需要 使用简单 工作频率范围受使用探头的变压器的限制 频率范围 ：10KHz 100 MHz,23,RF电压电流法,(a)低阻抗类

6、型,射频电压电流法与低频电压电流法的原理相同 有两种连接电压表和电流表的方法,R,V,R,I1,ZX,I,OSC,R,I2,24,(b)高阻抗类型,R,V,ZX,I,OSC,R,R,2,V1=Vx+V2,A,B,25,射频电压电流法的优缺点和频率范围 高精度（0.1%典型值） 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 频率范围 ：1MHz 3GHz,26,自动平衡电桥法,-,+,DUT,H,L,R,虚地,I,I2,I= I2,V2= I2R,Z =,V1,I,=,V1R,V2,V1,I2,=,通过DUT的电流也通过电阻R “L”点的电位保持为0V（称为虚地） 电压电流转换放大器

7、使R上的电流与DUT上的电流保持平衡,27,自动平衡电桥法的优缺点和频率范围 高精度（0.05%典型值） 很宽的测量范围 使用简单 不能适应更高的频率范围 频率范围 ：20Hz 110MHz,28,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 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,DUT,VINC,VR,输入信号,反射信号,定向偶合器或电桥,ZX,29,网络分析法的优缺点和频率范围 高频率范围 当被测阻抗接近特征阻抗时得到高精度 改变测量频率需要重新校准 阻抗测量范围窄 频率范围 ：300KHz 3GHz,30,-,哪个值正确?,uH,31,频率和测量方法的

8、对应：,32,选择正确的测量方法 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，然后选择最合适的方法 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 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,33,2.仪器分类,阻抗测量仪器分为两种 一种是利用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 采用谐振法的：Q表 采用电压-电流法的：多用表；可变电阻器；参数测量仪,34,另一种是数字式阻抗测量仪器 采用RF电压电流法的：射频阻抗分析仪 采用自动平衡电桥法的：LF阻抗测量仪 采用网络分析法的：网络分析仪,The End,35

9、,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,36,6.2.1电阻标准1）标准概况 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10-3，10-2，10-1，1，10，102，103，104，1059个标称值及一等电阻标准装置。二等电阻标准除上述9个标称值及电阻标准装置外，还有106和107及其相应装置。电阻工作计量器具有13个标称值,从10-4到108.每个标称值又有0.00005级到0.2级不等的7到9个准确度等级。,37,电压端子,2）标准电阻器,水银罩,电

10、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,38,6.2.2 电容标准 1）标准概况 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1pF，10pF，100pF和1000pF的标准电容器。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10-4pF-1F的标准电容器。,39,2）标准电容器,水晶,极板,蔽罩,端子1,端子2,接地端,(a)构造,40,6.2.3电感标准 1）标准概况采用标称值为1H-10000H的标准电感器作为标准电感量具。标准电感量具分成0.01级、0.02级、0.05级

11、、0.1级、0.2级、0.5级和1.0级，对应的级别指数a为0.01，0.02，0.05，0.1，0.2，0.5和1.0，对应的最大允许误差和年稳定度为a%。,41,2)标准电感器,(a)构造面（剖面图 ）,R,L,C,(b)等效电路图,42,6.3 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,43,6.3.1 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：,44,6.3.2 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,D为检流计。,45,2

12、)交流四臂电桥,精密万用电桥方框图,平衡调节机构,测量桥路,平衡指示电路,显示电路,电源,测量信号源,46,3） 变压器耦合臂电桥,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,D,47,4）电桥法测量集总参数元件的误差来源,标准元件值的误差 电桥指示器的误差 屏蔽不良引起误差 另外，寄生耦合和外界电磁场的干扰也会引起误差。,48,6.3.3 谐振法测量元件参数,谐振法测量原理图,测量高频电路参数的重要方法。 当回路达到谐振时:,49,（1）直接测量,思路一：根据谐振频率和已知标准电感值L求电容C ; 思路二：根据谐振频率和已知标准电容值C求电感L .,50,谐振法直

13、接测电容,振荡器,当CX较小时，并联接入,选择适当电感 L(不必为标准电感)，接入标准可变电容CS（如虚线所示），调回路至谐振;然后接入被测电容CX ，调节可变电容至再次谐振。,当CX较大时CX应和CS串联接入,（2）替代法：直接测电容,51,（2）替代法：并联替代法:测量较大的电感,并联替代法测量电感的原理图,信号源,步骤：1）小电容Cs1谐振；2）接入Lx, 调Cs2再次谐振；3）求解Lx。,52,串联替代法测电感,串联替代法：测量小电感,步骤：1）小电容Cs1谐振；2）接入Lx, 调Cs2再次谐振；3）求解Lx。,53,6.4 阻抗的数字测量法,6.4.1 矢量电流-电压法,1.矢量电流

14、-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,6.4.2 自动平衡电桥,54,6.4.1 矢量电流-电压法,1.矢量电流-电压法的原理,接入标准阻抗RS,55,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,CPU,RAM,ROM,相位参考基准,56,（1）固定轴法：相位参考基准方向为固定,固定轴法矢量关系图,57,（2）自由轴法：相位参考基准方向为任意,自由轴法矢量关系图,58,2 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AD,比较器,单片微机系统,显示器,功能选择,自由轴发生器,