第7章 电路参数测量仪器设计

L
信 号 源
Lx
Cs
V
1 1 4 2 f 2Cs 2 Lx L
1 Lx 4 2 f 2 (Cs 2 Cs1 )
37
并联替代法测量电感的原理图
②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。
1 L 4 2 f 2Cs1
Lx
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
21

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 VINC
DUT
定向偶合 器或电桥 V1 V2 反射信号
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
28
7.3.1 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： .
Zx U I
.
R jX
被测器件的导纳为：
1 Y G jB Y e j Zx
电路参数测量仪器 设计
电阻器
理想电阻 考虑引线电感
R
R
L0
考虑引线电感 和分布电容
R
C0
L0
2
电容器
C
理想电容
考虑泄漏、介 质损耗等
C
R0
C
考虑泄漏、引 线电阻和电感
R0
,
L0
R0
3
电感器
L
理想电感
考虑导线损耗
R0
L
R0
L C0
考虑导线损耗 和分布电容
4
C0
R
寄生电容
R
L0
引线电感
L
Cs
V
1 Lx L 4 2 f 2Cs 2
串联替代法测电感
Cs1 Cs 2 Lx 4 2 f 2Cs1Cs 2
38
7.4 阻抗的数字测量法
3.4.1 矢量电流-电压法
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
3.4.2 自动平衡电桥
16

RF电压电流法
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 (a)低阻抗类型
ZX
R V1
OSC
R V I I1 R I2 V2
V 2V1 Zx I I 2 I1 2V1 2R V2 V1 V2 1 R R V1
17
R
(b)高阻抗类型
谐振法测量原理图
34
（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 .
35
（2）替代法：直接测电容
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较小时，并 M 联接入
滤 波 器
比 较 器
显 示 器
自由轴发生器
功能选择
42
I
(b) 测试电流(AC)
与AC电压有关的陶瓷电容器
与AC有关的铁芯电感器
* 测试信号（AC）电平对电容器和铁芯电感器的影 响。
8
③直流偏置
o
ΔC o 低K 值 高K 值
直流偏置电压
ΔL
V0
I0
直流偏置电流
与直流偏置电压有 关的陶瓷电容器
与直流偏置电流有 关的铁芯电容器
* 陶瓷电容器与铁芯电容器的直流偏置影响
E DUT
LX RX
OSC
E I Z
C
Q V
V RX V XC I E XL XC V Q RX RX E
被测元件
Q值：电容上的电压与外加信号电压U之比。
13
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
14
ZX
V1=Vx+V2
Vx V1 V2 Zx R I V2 / 2 R V1 1 2 V2
A
Vx V1 R
OSC
I
R —
2
V2
R
B
18
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
29
7.3.2 电桥法
1) 电桥的平衡条件
z x z 4 z 2 z3
用指数形式表示
zx e j x z4 e j4 z2 e j2 z3 e j3
Zx
D
Z2
Z3
Z4
上式必须同时满足
z x z 4 z 2 z3 x 4 2 3
交流电桥 D为检流计。

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
V2 RS
OSC
V1
I
ZX
V1 V2 Zx I V1 V2 Rs V2
15
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
24
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
25
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
39
7.4.1 矢量电流-电压法
1.矢量电流-电压法的原理
Z U I
. .
Us Ux Ux 接入标准 I , Zx Rs R jX 阻抗RS Rs I Us
Zx
U

Ux
.
U
Zx
Rs
Ux
Rs
Us
.
Us
40
阻抗的数字测量法原理图
Zx
S1
RAM 缓 冲 放 大 器 相敏检波 器
A/D 转
9
④温度
中K值
ΔC o
o ΔC
高K值
25 1 10 102 103 10 4
时间
温度
陶瓷电容器的温度相关性
陶瓷电容器的老化相关性
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。
10
7.1.2 元件参数测量的基本技术
1. 测量方法概述
|z|
R
|z|
理想R
R
理想R
高阻值电阻源自文库
ƒ
ƒ
低阻值电阻
电阻器的频率响应
5
L L
R0 C0
C0 R0
|z|
|z|
R0 理想 L
C0的影响
R0
C0的影响 理想 L
ƒ
ƒ
电感器的频率响应
6
C
L0
R0
|z|
L0的影响
R0
理想 C
ƒ
电容器的频率响应
7
②测试信号电平：
ΔC
高K值 中K值 低K值
ΔL
o
o
V
(a) 测试电压(AC)
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自动平衡电桥法
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使R上的电流与DUT上的电 流保持平衡
虚地
H V1
DUT
I
L
R
I= I2
V 2 = I2 R V1 V1 V1R Z = ─ = ─= ─ I I2 V 2
I2
+ V2
20
自动平衡电桥法的优缺点和频率范围
换器
CPU
数字显 示器
Zs
S2
相位参考基准
ROM
41
2 智能化LCR测量仪的基本组成
V/I转换器
RS
A1
信号调理
双斜积分
选 择 开 关 2 积 分 A D 单 片 微 机 系 统
+
-A
+
测 试 信 号 源
R0 Z X
US
-A 2 +
3
UX
选 择 开 关 1
相 敏 检 波 器
可 变 衰 减 器
放 大 器
①标准元件值的误差 ②电桥指示器的误差 ③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。
33
7.3.3 谐振法测量元件参数
测量高频电路参数的重要方法。
当回路达到谐振时:
0
1 LC
M
1 0 L 0 0 C 1 L 2 0 C C 1
L
A
C
V
02 L
OSC
VR
输入信号
ZX
22
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
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频率和测量方法的对应：
300KHz 网络分析法
1 MHzRF电压电流法 3GHz 自动平电桥法 20HZ 10KHz 10KHz 电桥法 0HZ 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 300MHz 100M 1G 10G 110MHz 谐振法 70MHz 电压-电流法法 110MHz
电桥法
Z1
D
Zx
电桥平衡电流流过 检测器D为零时：
Z1 Z x Z3 Z2
Z2
Z3
11
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
单台仪器的频率覆盖范围较窄
频率范围 ：DC ~ 300MHz
12

谐振法
改变电容C直到电路谐振 谐振时XL=XC 仅有RX存在
振 荡 器
f0
L
Cx
Cs
D
Cx Cs1 Cs 2
当CX较大时CX应和 CS串联接入
Cx Cs1Cs 2 Cs 2 Cs1
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谐振法直接测电容
（2）替代法： ①并联替代法:测量较大的电感
步骤：1）小电容Cs1谐振；2）接入Lx, 调Cs2再次谐振； 3）求解Lx。
1 4 2 f 2C s1 L
30
2)交流四臂电桥
平衡调节机构
测量信号源
测量桥路
显示电路
电源
平衡指示电路
精密万用电桥方框图
31
3） 变压器耦合臂电桥
两电桥的平衡条件都为： Zx
W1 W2
w1 Zs w2
I1 I2
.
.
D
Zx
ZS
Zx
ZS
W1 W2
D
电压比例臂构成的桥路
电流比例臂构成的桥路
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4）电桥法测量集总参数元件的误差来源
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
26
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 27 End
7.3 阻抗的模拟测量法