阻抗测量

电阻
实轴
Z R X X arctg R R Z cos X Z sin
2
2
-j
2. 电阻器、电容器、电感器的电路模型
(1)真值，有效值和指示值 (2)元件的影响因素
测试信号频率
测试信号电频
直流偏置 电压和电流
温度
其它影响因素 （环境，湿度，老化等）
电阻器
-3 -2 -1
电阻工作计量器具有13个标称值,从10 Ω到 8 10 Ω.每个Biblioteka Baidu称值又有0.00005级到0.2级不等的7 到9个准确度等级。
-4
2）标准电阻器
插入温度表
电流端子 电压端子 电流端子 电压端子 电流端子
水 银 罩 (a)构造
无感线圈的 锰铜电阻线 (b) 外观
图6-8 标准电阻器
1 Lx 4 2 f 2 (Cs 2 Cs1 )
并联替代法测量电感的原理图
②串联替代法（测小电感）
1 L 4 2 f 2Cs1
Lx
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
6.3.4 Q 值测量
阻抗测量范围窄
频率范围 ：300KHz ~ 3GHz
Q : 165
Z Analyzer Q : 165
?
Q = 120
LCR meter Q : 120
?
uH
LCR meter 5.231uH
L : 5.310
uH
L : 5.231
uH
LCR meter 5.310uH
-
频率和测量方法
网络分析法
交流电桥
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
3） 变压器耦合臂电桥
两电桥的平衡条件都为
w1 Zx Zs w2
Zx
ZS
.
W1
W2
Zx
I1
W1
W2
D
ZS
D
I2
.
电压比例臂构成的桥路
电流比例臂构成的桥路
4）电桥法测量集总参数元件的误差
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
(c)阻抗测量范围 ()
V A
DUT
(d)具有屏蔽的四端连接头
四端对连接头
HC Hp
DUT
LP LC
(a)连接图
(b)示意图
V
DUT
A
(c)阻抗测量范围 ()
4TP
1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M
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DUT的正确连接。 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DUT的 阻抗和要求的测量精度，选择最适合的连接方 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
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 Ω，10 Ω，10 Ω， 2 3 4 5 1Ω，10Ω，10 Ω，10 Ω，10 Ω，10 Ω9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106Ω和107Ω 及其相应装置。
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
2.仪器分类
阻抗测量仪器分为两种
3. 测试连接头
所有阻抗测试都涉及连接头的问题.常用的连接 方法有： 两端接线柱式（或香蕉插头）适用于Q表等低 准确度谐振式阻抗仪器 有极性的同轴的连接头 中性精密同轴连接头
当CX较小时
振 荡 器
f0
M L
Cx
Cs
Cx Cs1 Cs 2
D
当CX较大时CX应和CS串 联接入
Cx
谐振法直接测电容
Cs1Cs 2 Cs 2 Cs1
（2）替代法：
①并联替代法（测大电感）
1 4 2 f 2C s1 L
V
信 号 源
L
Cs
Lx
1 1 4 2 f 2Cs 2 Lx L
2)标准电感器
大理石 R 1 L C
线圈
1
1.5
(a)构造面（剖面图 ）
(b)等效电路图
6.3阻抗的模拟测量法
6.3.1
6.3.2
6.3.3
电压电流法
电桥法
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：
(b) 测试电流(AC)
与AC电压有关的陶瓷电容器
与AC有关的磁芯电感器
测试信号（AC）电频 对电容器和铁芯电感器的影响
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 关的电容器
与直流偏置电流有 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
④温度
DUT
(a)连接图
4T
(b)示意图
1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M
(c)阻抗测量范围 ()
五端连接头
HC Hp
DUT
LP LC
V A
DUT
(a)连接图
(b)示意图
5T
1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M
Zx
U I
.
.
R jX
被测器件的导纳为：
1 j Y G jB Y Z
6.3.2
1)
电桥法
z x z 4 z 2 z3
Zx
D
电桥的平衡条件
Z2
用指数形式表示
z x z4 上式必须同时满足
jx
j4
z2
j2
z3
j3
Z3
Z4
z x z 4 z 2 z3 x 4 2 3
端子1
接地端
端子2
(b)外观
6.2.3电感标准
1）标准概况
采用标称值为1μH-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 、 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δ和年稳定度γ为a%。
理想R
R
理想R
高阻值电阻
ƒ
ƒ
低阻值电阻
电阻器的频率响应
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
C
L0
R0
|z|
L0的影响
R0
理想 C
ƒ
电容器的频率响应
②测试信号电频：
ΔC
高K值 中K值 低K值
ΔL
o
o
V
(a) 测试电压(AC)
I
R
理想电阻
考虑引线电感
R
L0
考虑引线电感 和分布电容
R
C0
L0
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
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
测量器件的寄生参数影响
DUT
C0
R
寄生电容
R
L0
引线电感
|z|
R
|z|
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）
虚地
H V1
DUT I
L
R I2
I= I2 V 2 = I2 R V 1 V 1 V1 R Z = ─ = ─= ─ I I2 V 2
+
V2
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
三端连接头
HC Hp LP LC
R0
L0
DUT
V A R0
C0
DUT
L0
(a)连接图
(b)示意图
3T
1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M
(c)阻抗测量范围 ()
V A
DUT
(d)具有屏蔽的两端连接头
四端连接头
HC
Hp
DUT
LP LC
V A
OSC
I
— 2 —
R
V2
R
V V1 V2 Zx I V /R 2 2 R V1 1 2 V2
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
自动平衡电桥法
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
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
OSC
VR
输入信号
ZX
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
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
当回路达到谐振时:
1 0 LC 1 X 0 L 0 0C L C 1 2 0 C 1
2 0 L
M
L
A
C
V
谐振法测量原理图
（1）直接测量 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
频率范围 ：DC ~ 300MHz
谐振法
改变电容C直到电路谐振 谐振时XL=XC 仅有RX存在
E DUT
LX RX
OSC
E I Z
C
V V
V RX V I E XL XC V Q RX RX E XC
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
ΔC o 中K值
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
6.1.2元件参数测量的基本技术
1. 测量方法概述
电桥法
Z1
D
Zx
Z2
Z3
Z1 Z x Z3 Z2
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
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。
2．Q 表测量中产生测量误差的因素
C1
高 频 振 荡 器
1
Lx
2
3
Cx
Cs
U2
.
PV 1
C2
U1
.
4
PV2
Q 表的基本组成框图
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 I2 V2
V 2V1 Zx I I 2 I1 2V1 2R V2 V1 V2 1 R R V1
R
(b)高阻抗类型
ZX
V V1 R

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 Zx I V1 Rs V2
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
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。
2）标准电容器
蔽罩
端子1 极板 水晶 接地端 (a)构造 端子2
第6章 阻抗测量
第6章 阻抗测量
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
2
元件的工业趋势
6.1 概述
6.1.1集总参数元件特性表征
1. 阻抗定义及表示方法
I
U


Z
Z
U I


阻抗定义图
阻抗两种坐标形式的转换关系为：
+j
电 感
Z{R, }
DUT
Z

虚 轴 电 容
300KHz RF电压电流法 1 MHz 3GHz 自动平电桥法 20HZ 10KHz 电压-电流法法 10KHz 电桥法 0HZ
1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M
110MHz 谐振法
70MHz 110MHz 300MHz
100M 1G 10G
选择正确的测量方法
每种方法都有其各自的优缺点
三端连接头、四端连接头、五端连接头
四端对接头
阻抗的连接图、示意图和测量范围
两端连接头
HC Hp
HC 为电流高端
DUT
LP LC
Hp 为电位高端 LP 为电位低端 LC 为电流低端
(a)连接图
(b)示意图
R0
L0
V
C0 A R0
L0
DUT
(c)阻抗测量范围 ()
2T
1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M