第5章 阻抗測(cè)量

1、第第5 5章章 阻抗測(cè)量阻抗測(cè)量 25.1 5.1 引言引言 5.2 5.2 阻抗標(biāo)準(zhǔn)阻抗標(biāo)準(zhǔn) 5.3 5.3 阻抗的模擬測(cè)量法阻抗的模擬測(cè)量法5.1 5.1 概述概述一、集總參數(shù)元件特性表征一、集總參數(shù)元件特性表征 1. 1. 阻抗定義及表示方法阻抗定義及表示方法 阻抗：對(duì)流經(jīng)器件或電路電流的總抵抗能力。阻抗：對(duì)流經(jīng)器件或電路電流的總抵抗能力。 IUZ阻抗定義圖阻抗定義圖IUZ實(shí)際上，阻抗元件不會(huì)實(shí)際上，阻抗元件不會(huì)是純電阻、純電容或純是純電阻、純電容或純電感。電感。測(cè)量條件對(duì)阻抗特性測(cè)量條件對(duì)阻抗特性的影響較大。的影響較大。如：電流大小、工作如：電流大小、工作頻率、溫度、濕度等。頻率、溫度

2、、濕度等。sinZXcosZRRXarctgXRZ22阻抗兩種坐標(biāo)形式的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：阻抗兩種坐標(biāo)形式的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：DUTDUTZ,RZ實(shí)軸+j-j電阻電感電容虛軸阻抗矢量包括實(shí)部（電阻）和虛部（電抗）直角坐標(biāo)下：ZRjX極坐標(biāo)下：(cos( )sin( )jZZ eZjRX22221|jRXYjZRXRXGjBY e導(dǎo)納導(dǎo)納電導(dǎo)電導(dǎo)電納電納導(dǎo)納幅度導(dǎo)納幅度導(dǎo)納角導(dǎo)納角2. 2. 阻抗器件的電路模型阻抗器件的電路模型理想電阻理想電阻考慮引線電感考慮引線電感考慮引線電感和分布電容考慮引線電感和分布電容RRL0RC0L0理想電容理想電容考慮泄漏、引線電阻和電感考慮泄漏、引線電阻和電感考慮泄漏、介質(zhì)損

3、耗等考慮泄漏、介質(zhì)損耗等CCR0CR0L0R,0理想電感理想電感考慮導(dǎo)線損耗考慮導(dǎo)線損耗考慮導(dǎo)線損耗和分布電容考慮導(dǎo)線損耗和分布電容LR0LC0LR0（1）幾個(gè)概念區(qū)分 真值：排除了寄生參數(shù)缺陷的電器元件量值。只有學(xué)術(shù)意義，無法得到。 有效值：考慮了元件寄生參數(shù)的影響。需要得到的值，和頻率有關(guān)。 指示值：測(cè)量得到的值。存在誤差，受多種因素影響。（2 2）影響元件阻抗值測(cè)量結(jié)果的因素）影響元件阻抗值測(cè)量結(jié)果的因素 頻率頻率電阻器的頻率響應(yīng)電阻器的頻率響應(yīng)寄生電容C0R低阻值電阻理想RR|z|高阻值電阻理想RR|z|引線電感 RL001/ /RjC0RjL電感器的頻率響應(yīng)電感器的頻率響應(yīng)C0 LR

4、0LC0R0C0的影響|z|理想 LR0理想 LC0的影響|z|R0L0的影響|z|R0理想 CR0CL0電容器的頻率響應(yīng)電容器的頻率響應(yīng)測(cè)試信號(hào)（測(cè)試信號(hào)（ACAC）電平對(duì)電容器和鐵芯電感器的影響）電平對(duì)電容器和鐵芯電感器的影響與與ACAC電平有關(guān)的磁芯電感器電平有關(guān)的磁芯電感器與與ACAC電壓有關(guān)的陶瓷電容器電壓有關(guān)的陶瓷電容器(a) 測(cè)試電壓(AC)測(cè)試信號(hào)電平：測(cè)試信號(hào)電平： 高K值中K值低K值CoV(b) 測(cè)試電流(AC)LoIK K：陶瓷電容材：陶瓷電容材料的介電常數(shù)料的介電常數(shù)與直流偏置電壓有與直流偏置電壓有關(guān)的電容器關(guān)的電容器直流偏置電壓與直流偏置電流有與直流偏置電流有關(guān)的磁芯

5、電感器關(guān)的磁芯電感器陶瓷電容器與鐵芯電感器的直流偏置影響陶瓷電容器與鐵芯電感器的直流偏置影響直流偏置直流偏置 高K值低K值CoV0直流偏置電流oLI0溫度溫度時(shí)間溫度中K值高K值陶瓷電容器的溫度相關(guān)性陶瓷電容器的溫度相關(guān)性陶瓷電容器的老化相關(guān)性陶瓷電容器的老化相關(guān)性oCCo1 10 102 103 10 425二、元件參數(shù)測(cè)量的基本技術(shù)二、元件參數(shù)測(cè)量的基本技術(shù)電橋法電橋法321ZZZZxxZ2Z3Z1Z D電橋法的優(yōu)缺點(diǎn)和頻率范圍電橋法的優(yōu)缺點(diǎn)和頻率范圍高精度（高精度（0.1%0.1%典型值）典型值） 使用不同電橋可得到寬頻率范圍使用不同電橋可得到寬頻率范圍 價(jià)格低價(jià)格低 需要手動(dòng)平衡需要手

6、動(dòng)平衡 單臺(tái)儀器的頻率覆蓋范圍較窄單臺(tái)儀器的頻率覆蓋范圍較窄 頻率范圍頻率范圍 ：DCDC 300MHz300MHz 諧振法諧振法 改變電容改變電容C C直到電路諧振直到電路諧振諧振時(shí)諧振時(shí)XL= =XC 僅有僅有RX存在存在EVRXRXQEVRIVXXCXLXCRXLXEZEI CVOSCV諧振法的優(yōu)缺點(diǎn)和諧振法的優(yōu)缺點(diǎn)和頻率范圍頻率范圍 可測(cè)很高的可測(cè)很高的Q值值 需要調(diào)諧到諧振需要調(diào)諧到諧振 阻抗測(cè)量精度低阻抗測(cè)量精度低 頻率范圍頻率范圍 ：10KHz 70MHz 電壓電流法電壓電流法 由測(cè)量的電壓值和電流值計(jì)算被測(cè)阻抗由測(cè)量的電壓值和電流值計(jì)算被測(cè)阻抗ZX電流通過它所流經(jīng)的電流通過它所

7、流經(jīng)的RS上的電壓計(jì)算上的電壓計(jì)算sxRVVIVZ211V2RSZXIOSCV1電壓電流法的優(yōu)缺點(diǎn)和電壓電流法的優(yōu)缺點(diǎn)和頻率范圍頻率范圍可測(cè)量接地器件可測(cè)量接地器件 適合于探頭類測(cè)試需要適合于探頭類測(cè)試需要使用簡(jiǎn)單使用簡(jiǎn)單 工作頻率范圍受使用探工作頻率范圍受使用探頭的變壓器的限制頭的變壓器的限制 頻率范圍頻率范圍 ：10KHz10KHz 100 100 MHzMHz RF電壓電流法電壓電流法 (a)(a)低阻抗類型低阻抗類型 射頻電壓電流法與低頻電壓電流法的原射頻電壓電流法與低頻電壓電流法的原理相同理相同有兩種連接電壓表和電流表的方法有兩種連接電壓表和電流表的方法 122212121121VV

8、RRVRVVIIVIVZxRV1VV2RI1ZXIOSCRI2R(b)(b)高阻抗類型高阻抗類型 RVV2V1ZXIOSCRR2122/21221VVRRVVVIVZx射頻電壓電流法的優(yōu)缺射頻電壓電流法的優(yōu)缺點(diǎn)和頻率范圍點(diǎn)和頻率范圍高精度（高精度（0.1%典型值）典型值） 高頻下的寬阻抗范圍高頻下的寬阻抗范圍 工作頻率范圍受使用探工作頻率范圍受使用探頭的變壓器的限制頭的變壓器的限制 頻率范圍頻率范圍 ：1MHz 3GHz 自動(dòng)平衡電橋法自動(dòng)平衡電橋法 通過通過DUTDUT的電流也通過電阻的電流也通過電阻R“L”點(diǎn)的電位保持為點(diǎn)的電位保持為0 0V（稱為虛地）（稱為虛地） -+DUTDUTHLR

9、虛地V1II2V2I= I2V2= I2RZ =V1I=V1RV2V1I2= 自動(dòng)平衡電橋法的優(yōu)缺點(diǎn)自動(dòng)平衡電橋法的優(yōu)缺點(diǎn)和頻率范圍和頻率范圍高精度（高精度（0.05%0.05%典型值）典型值） 很寬的測(cè)量范圍很寬的測(cè)量范圍 使用簡(jiǎn)單使用簡(jiǎn)單不能適應(yīng)更高的頻率范圍不能適應(yīng)更高的頻率范圍頻率范圍頻率范圍 ：20Hz20Hz 110MHz110MHz 網(wǎng)絡(luò)分析法網(wǎng)絡(luò)分析法 通過測(cè)量輸入信號(hào)與反射信號(hào)之比得到反射系數(shù)通過測(cè)量輸入信號(hào)與反射信號(hào)之比得到反射系數(shù)用定向耦合器或電橋檢測(cè)反射信號(hào)用定向耦合器或電橋檢測(cè)反射信號(hào) 用網(wǎng)絡(luò)分析儀提供激勵(lì)并測(cè)量響應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)分析儀提供激勵(lì)并測(cè)量響應(yīng) DUTVINCVR輸

10、入信號(hào)反射信號(hào)定向偶合器或電橋OSCZXV1V2網(wǎng)絡(luò)分析法的優(yōu)缺點(diǎn)和頻率范圍網(wǎng)絡(luò)分析法的優(yōu)缺點(diǎn)和頻率范圍高頻率范圍高頻率范圍 當(dāng)被測(cè)阻抗接近特征阻抗時(shí)得到高精度當(dāng)被測(cè)阻抗接近特征阻抗時(shí)得到高精度 改變測(cè)量頻率需要重新校準(zhǔn)改變測(cè)量頻率需要重新校準(zhǔn) 阻抗測(cè)量范圍窄阻抗測(cè)量范圍窄 頻率范圍頻率范圍 ：300KHz 300KHz 3GHz3GHz 網(wǎng)絡(luò)分析法300KHz1101001K10K100K1M10M100M 1G10G10KHz70MHz10KHz110MHz1 MHz3GHzRF電壓電流法電壓-電流法諧振法0HZ300MHz電橋法20HZ110MHz自動(dòng)平衡電橋法頻率和測(cè)量方法選擇頻率和測(cè)

11、量方法選擇選擇正確的測(cè)量方法選擇正確的測(cè)量方法每種方法都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)每種方法都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)必須首先考慮測(cè)量的要求和條件，然后選擇最合必須首先考慮測(cè)量的要求和條件，然后選擇最合適的方法適的方法需要考慮的因素包括頻率覆蓋范圍、測(cè)量量程、需要考慮的因素包括頻率覆蓋范圍、測(cè)量量程、測(cè)量精度和操作的方便性測(cè)量精度和操作的方便性 沒有一種方法能包括所有的測(cè)量能力，因而在選沒有一種方法能包括所有的測(cè)量能力，因而在選擇測(cè)量方法時(shí)需折衷考慮擇測(cè)量方法時(shí)需折衷考慮 模擬阻抗測(cè)量的儀器模擬阻抗測(cè)量的儀器 采用電橋法的：萬用電橋；惠斯登電橋等各種電橋儀器采用電橋法的：萬用電橋；惠斯登電橋等各種電橋儀器采用諧振

12、法的：采用諧振法的：Q Q表表 采用電壓采用電壓- -電流法的：多用表；可變電阻器；參數(shù)測(cè)量?jī)x電流法的：多用表；可變電阻器；參數(shù)測(cè)量?jī)x 數(shù)字式阻抗測(cè)量?jī)x器數(shù)字式阻抗測(cè)量?jī)x器采用采用RFRF電壓電流法的：射頻阻抗分析儀電壓電流法的：射頻阻抗分析儀采用自動(dòng)平衡電橋法的：采用自動(dòng)平衡電橋法的：LFLF阻抗測(cè)量?jī)x阻抗測(cè)量?jī)x采用網(wǎng)絡(luò)分析法的：網(wǎng)絡(luò)分析儀采用網(wǎng)絡(luò)分析法的：網(wǎng)絡(luò)分析儀 3. 3. 測(cè)試連接頭測(cè)試連接頭所有阻抗測(cè)試都涉及連接頭的問題所有阻抗測(cè)試都涉及連接頭的問題. .常用的連接常用的連接方法有：方法有：u兩端接線柱式（或香蕉插頭）適用于兩端接線柱式（或香蕉插頭）適用于Q Q表等低表等低準(zhǔn)確度諧

13、振式阻抗儀器準(zhǔn)確度諧振式阻抗儀器u有極性的同軸的連接頭有極性的同軸的連接頭u中性精密同軸連接頭中性精密同軸連接頭u三端連接頭、四端連接頭三端連接頭、四端連接頭、五端連接頭五端連接頭 u四端對(duì)接頭四端對(duì)接頭 阻抗的連接圖、示意圖和測(cè)量范圍阻抗的連接圖、示意圖和測(cè)量范圍兩端連接頭兩端連接頭HpLCDUTLPHCHC 為為電流高端電流高端Hp 為為電位高端電位高端LP 為為電位低端電位低端LC 為為電流低端電流低端(a)(a)連接圖連接圖(b)(b)示意圖示意圖R0L0DUTVAR0L0C01m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M1m 10m 100m

14、 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M2T2T)(c)(c)阻抗測(cè)量范圍阻抗測(cè)量范圍適用于Q表等低準(zhǔn)確度諧振式阻抗儀器。易引入不確定的附加阻抗影響。三端連接頭三端連接頭HpLCDUTLPHC(a)(a)連接圖連接圖(b)(b)示意圖示意圖R0L0DUTVAR0L0C01m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M3T3T)(c)(c)阻抗測(cè)量范圍阻抗測(cè)量范圍(d)(d)具有屏蔽的兩端連接頭具有屏蔽的兩端連接頭DUTVA四端連接頭四端連接頭HpLCDUTLPHCDUTVA(a)(a)連接圖連接圖(b)(b)示意圖示意圖1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M4T4T)(c)(c)阻抗測(cè)量范圍阻抗測(cè)量范圍可減小引線阻抗的影響。當(dāng)被測(cè)件阻抗較低時(shí)（C1, C2Cs。21UQU測(cè)電感時(shí)，調(diào)測(cè)電