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1、第1页第第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第2页阻抗定义及表示方法阻抗定义及表示方法 IUZ阻抗定义图阻抗定义图IUZ第3页sinZXcosZRRXarctgXRZ22阻抗元件不会以纯电阻阻抗元件不会以纯电阻,纯电容或纯电感特性出现纯电容或纯电感特性出现,而是这些而是这些阻抗成分的组合。测量的具体条件改变可能会引起被测阻抗阻抗成分的组合。测量的具体条件改变可能会引起被测阻抗特性的改变。阻抗两种坐标形式的转换关系为：特性的改变。阻抗两种坐标形
2、式的转换关系为：DUTDUTZ,RZ实轴+j-j电阻电感电容虚轴第4页 存在寄生电容、寄生电感和损耗。测量条件应存在寄生电容、寄生电感和损耗。测量条件应尽可能与实际工作条件接近，否则误差较大。尽可能与实际工作条件接近，否则误差较大。(1)真值，有效值和指示值真值，有效值和指示值 真值：是排除了寄生参数缺陷的电器元件量值。真值：是排除了寄生参数缺陷的电器元件量值。有效值：考虑了元件寄生参数的影响，它是实验者有效值：考虑了元件寄生参数的影响，它是实验者需要知道的量值。与频率相关。需要知道的量值。与频率相关。指示值：测量仪器获取和显示的量值，反映出仪器指示值：测量仪器获取和显示的量值，反映出仪器的固
3、有损耗和不精确性。的固有损耗和不精确性。第5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考虑引线电感和分布电容和分布电容RRRC0L0L0第6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、介考虑泄漏、介质损耗等质损耗等CCCR0R0L0R,0第7页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第8页(2)元件的影响因素元件的影响因素 频率：寄生参数的存在使频率对所有元件都有频率：寄生参数的存在使频率对所有元件都有影响。影响。电平：施加的测量信号会影响测试结果。电平：施加的测量信号会影响测试结果。直流
4、偏置直流偏置( (电压和电流电压和电流)：一些无源元件也寻在：一些无源元件也寻在直流偏置影响。直流偏置影响。(例如，陶瓷电容等例如，陶瓷电容等)温度：大多数元件都存在温度影响因素。温度：大多数元件都存在温度影响因素。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).第9页测量器件的寄生参数影响测量器件的寄生参数影响第10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第11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普通电感普通电感磁芯损耗高的电
5、感磁芯损耗高的电感第12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第13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)测试信号电平测试信号电平： (K(K为介电常数为介电常数) ) 高K值中K值低K值CoV(b) 测试电流(AC)LoI第14页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感器陶瓷电容器与铁芯电感器的直流偏置影
6、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第15页温度温度时间(h)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第16页电桥法：当电桥平衡电流流过检流计电桥法：当电桥平衡电流流过检流计(D)(D)为零时，为零时，被测阻抗被测阻抗ZxZx值可以从与其他元件的关系获得。值可以从与其他元件的关系获得。321ZZZZxxZ2Z3Z1ZD第17页电桥法的优缺点电桥法的优缺点: :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
7、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器的频率覆盖范围较窄 频率范围频率范围 ：DCDC 300MHz300MHz 第18页 调节电容调节电容C C使电路谐振，就能根据测量频率、使电路谐振，就能根据测量频率、C C值值和和Q Q值得到阻抗值得到阻抗LxLx和和RxRx的值。的值。 谐振时谐振时XL= =XC 仅有仅有RX存在。存在。VRXLXEZEI CVEVRXRXQEVRIVXXCXLXCOSCQ Q值用跨接在可调电容器上的电压表直接测量。值用跨接在可调电容器上的电压表直接测量。第19页谐振法的优缺点：谐振法的优缺点
8、：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 第20页 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低阻值标准电阻电流通过它所流经的低阻值标准电阻RS上的电压计上的电压计算算sxRVVIVZ211V1V2RSZXIOSC第21页电压电流法的优缺点：电压电流法的优缺点：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
9、压器的限制 频率范围频率范围 ：10KHz10KHz 100 MHz100 MHz 第22页 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 122212121121VVRRVRVVIIVIVZxRV1VV2RI1ZXIOSCRI2第23页(b)(b)高阻抗类型高阻抗类型 RVV2V1ZXIOSCRR2122/21221VVRRVVVIVZx第24页射频电压电流法的优缺点：射频电压电流法的优缺点：高精度（高精度（0.1%0.1%典型值）典型值
10、） 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 第25页 自动平衡电桥法自动平衡电桥法 -+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（称为虚地）（称为虚地）电流电流/ /电压放大器使电压放大器使R R上电流与上电流与DUTDUT上电流保持平衡上电流保持平衡 第26页自动平衡电桥法的优缺点：自动平衡电桥法的优缺点：高精度（高精
11、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 第27页 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输入信号反射信号定向偶合器或电桥OSCZXV1V2第28页网络分析法的优缺点：网络分析法的优缺点：高频率范围高频率范围 当被测阻抗接近特征阻抗时得
12、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 第29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 meter5.310uHLCR meter5.231uHuH第30页网络分析法300KHz1101001K10K100K1M10M100M 1G10G10KHz70MHz10KHz110MHz1 MHz3GH
13、zRF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第31页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 第32页第33页另另第3
14、4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，N N型、型、BNCBNC型等；型等；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。 第35页阻抗的连接图、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HpLCDUTLPHC
15、HC 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)连接图连接图第36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第37页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第38页(d)(d)具有屏蔽的两端连接头具有屏蔽的两端连接头
16、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第39页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第40页五端连接头五端连接头HpLCD
17、UTLPHCDUTVA(a)(a)连接图连接图(b)(b)示意图示意图第41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第42页四端对连接头四端对连接头HpLCDUTLPHC(a)(a)连接图连接图第43页(b)(b)示意图示意图DUTVA1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M1m 10m 100m 1 1
18、0 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M4TP4TP)(c)(c)阻抗测量范围阻抗测量范围第44页 实际的阻抗测量范围不仅取决于测量仪器，而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且也取决于四端对连接头与DUTDUT的正确连接。否则的正确连接。否则也会限制测量范围。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的阻抗的阻抗和要求的测量精度，选择最适合的连接方法。和要求的测量精度，选择最适合的连接方法。使用不同的仪器会得到不同的使用不同的仪器会得到不同的电感电感测量结果：测量结果：(1)(1)测量信号电流
19、：即使输出同样的电压，由于源测量信号电流：即使输出同样的电压，由于源阻抗不同，其输出电流也将不同；阻抗不同，其输出电流也将不同；(2)(2)测量夹具：大小和形状不同，产生的涡流大小测量夹具：大小和形状不同，产生的涡流大小也不同。电感器旁的金属物体的影响。也不同。电感器旁的金属物体的影响。 第45页第46页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个标称值及一个标称值及一等电阻标准装置。二等电阻
20、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10106 6和和10107 7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。 第47页电压端子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 标准电阻器第48页标准电容器分为三等。一等和二等标准电容量具采标准电
21、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。分成。分成0.010.01级、级、0.020.02级、级、0.050.05级、级、0.10.1级、级、0.20.2级、级、0.50.5级和级和1.01.0级。级。第49页端子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)构造第50
22、页第51页1.51.51 11 1线圈大理石(a)构造面（剖面图 ）RLC(b)等效电路图第52页第53页jXRIUZ.xjYjBGZ1Y第54页以电桥平衡原理为基础。以电桥平衡原理为基础。优点优点：精度高，能在很大程度上消除或削弱系：精度高，能在很大程度上消除或削弱系统误差的影响。统误差的影响。缺点缺点：交流电桥对幅值与相位两个参量进行反：交流电桥对幅值与相位两个参量进行反复平衡调节，调节步骤繁琐，桥路中还采用一复平衡调节，调节步骤繁琐，桥路中还采用一些昂贵的精密元件，制作困难等。些昂贵的精密元件，制作困难等。 第55页324xzzzz324xj3j2j4jxzzzz324x324xzzzz
23、xZ2Z3Z4ZD交流电桥第56页电桥四个臂的元件性质要适当选择：电桥四个臂的元件性质要适当选择：(1) 若相邻两臂若相邻两臂(如如Zx和和Z3)为纯电阻，则另外两臂的为纯电阻，则另外两臂的阻抗性质必须相同；阻抗性质必须相同；(2) 若相对两臂若相对两臂(如如Zx和和Z4)采用纯电阻，则另外两臂采用纯电阻，则另外两臂必须一个是电感性阻抗，另一个是电容性阻抗。必须一个是电感性阻抗，另一个是电容性阻抗。(3) 若是直流电桥，各臂均由纯电阻构成，不需考虑若是直流电桥，各臂均由纯电阻构成，不需考虑相位问题。相位问题。第57页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
24、电路显示电路显示电路电源电源测量信号源测量信号源第58页xZ2Z3Z4ZD交流电桥342RRRRxxxRZ 22RZ 33RZ 44RZ 第59页xZ2Z3Z4ZD交流电桥342RRRRxxxxCjRZ122RZ 3331CjRZ44RZ 324CRRCx第60页xZ2Z3Z4ZD交流电桥342RRRRxxxxCjRZ1/22RZ 3331/CjRZ44RZ 324CRRCx第61页xZ2Z3Z4ZD交流电桥2444321RCCRRRxxxxLjRZ22RZ 4441CjRZ33RZ 244244321RCCRRRLx第62页xZ2Z3Z4ZD交流电桥432RRRRxxxxLjRZ22RZ 4
25、441/CjRZ33RZ 432CRRLx第63页xZ2Z3Z4ZD交流电桥xxxLjRZ22RZ 3331CjRZ432CRRLx234RCCRx441CjZ第64页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 D第65页第66页谐振法测量原理图CMVALLCCLCLXLC202000011011当回路达到谐振时当回路达到谐振时: :第67页 此法求得的此法求得的L L未考虑引线电感及回路电容的寄生电未考虑引线电感及回路电容的寄生电感的影响，一般需加以修正。感的影响，一般需加以修正。第68页（2 2）替代法）替代法替代法测电容：
26、替代法测电容： 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),),接入标准可变电容接入标准可变电容C CS S( (如虚如虚线所示线所示),),调回路至谐振调回路至谐振, ,然后接入被测电容然后接入被测电容C CX X，再使回路谐振。，再使回路谐振。设两次谐振时设两次谐振时C Cs s的读数分别是的读数分别是C Cs1s1和和C Cs2s2。当当C CX X较小时，并联接入较小时，并联接入21ssxCCC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替代法测电容xCsC0f振荡器DML第69页并联替代法测量电感的原理
27、图信信号号源源sCLVxL12241sCfL222411sxCfLL)(411222ssxCCfL第70页sCLVxL 串联替代法测电感 12241sCfL22241sxCfLL2122214ssssxCCfCCL第71页Q 表的基本组成框图 xL高频振荡器sCxC2C1C1PV2PV1.U.2U1234第72页当测量电感时，当测量电感时，Lx接于端子接于端子1,2之间，保持振荡器之间，保持振荡器输出和频率为某一固定值，调整标准电容输出和频率为某一固定值，调整标准电容Cs使回路使回路谐振，即谐振，即PV2指示值最大，此最大值指示值最大，此最大值U2等于等于U1的的Q倍。倍。sxCfL20241
28、当测量电容时，先将辅助电感接于端子当测量电容时，先将辅助电感接于端子1,2之间，在之间，在频率为某一值时，调整标准电容频率为某一值时，调整标准电容Cs使回路谐振，记使回路谐振，记为为Cs1，Q值为值为Q1；然后将被测电容；然后将被测电容Cx接于端子接于端子3,4之间，此时回路由于之间，此时回路由于Cx接入而失谐，减小标准电接入而失谐，减小标准电容容Cs至至Cs2，使回路重新谐振，并记下此时，使回路重新谐振，并记下此时Q值为值为Q2，于是，于是12UUQ 第73页21ssxCCC经推算和经推算和Cx并联的损耗电阻并联的损耗电阻Rp为为被测电容器的损耗正切值为被测电容器的损耗正切值为212111Q
29、QQQCRsp2121211tanQQQQCCCsss第74页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 (1) 耦合元件的损耗电阻；耦合元件的损耗电阻；(2) 调谐用标准电容自身调谐用标准电容自身Q值不高；值不高；(3) Q表残余参量；表残余参量；(4) Q值电压表指示误差。值电压表指示误差。第75页第76页jXRIUZxZsRsUxUUxZsRU.xUsU.接入标准接入标准阻抗阻抗RSssxxxssRUUIUZRUI,Ux与与US有公共接地参考点有公共接地参考点第77页缓冲放大器数 字 显示器相敏检波器A/D转换器CPURAMROM相位参考基准xZsZ1S2S利用同
30、步检波器或模拟乘法器构成的相位检波器，实现虚利用同步检波器或模拟乘法器构成的相位检波器，实现虚实部分离。实部分离。第78页yxosy.U固定轴法矢量关系图xxUxU.sUjXRIUZssxxssRUUZRUI,sssUjUU0sxysxxssxsxUUjUURUURZ要求把参考电压严格固定在要求把参考电压严格固定在UxUx或或UsUs方向上，使矢量除法运方向上，使矢量除法运算简化为标量运算。算简化为标量运算。第79页自由轴法矢量关系图yxosyU.xxU.sxU.sUxyUxU 参考相位信号可以不与任何一参考相位信号可以不与任何一个被测电压的方向相同，在整个测个被测电压的方向相同，在整个测量过
31、程中应保持不变，即与被测电量过程中应保持不变，即与被测电压之一保持固定的相位关系。压之一保持固定的相位关系。 只要知道每个矢量在直角坐标轴只要知道每个矢量在直角坐标轴上的两个投影，经过运算即可求出上的两个投影，经过运算即可求出结果。结果。第80页xyxxxjUUU.sysxsjUUU.2222.sysxsyxxsxxysysxsyxysxxxssysxxyxxssxsxUUUUUUjUUUUUURjUUjUURUURZ 相敏检波器通过开关选择相敏检波器通过开关选择Ux和和Us，便可得到他们的投影，便可得到他们的投影分量。分量。 精确的正交坐标系靠软件来精确的正交坐标系靠软件来产生和保证。产生和保证。第81页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0RXZSRSUXU V/I转换器双斜积分信号调理-+A1A2A3+-+-第82页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第83页第84页
