電路元件參數(shù)及阻抗測量

1、第第 七七 章章電路元件參數(shù)及阻抗的測量電路元件參數(shù)及阻抗的測量明確阻抗的定義、阻抗的表示式和阻抗明確阻抗的定義、阻抗的表示式和阻抗的基本特性，掌握電阻、電容、電感的測量方法。的基本特性，掌握電阻、電容、電感的測量方法。 阻抗測量一般是指電阻、電容、電感及相關(guān)的Q值、損耗角、電導(dǎo)等參數(shù)的測量。其中，電阻表示電路中能量的損耗，電容和電感則分別表示電場能量和磁場能量的存儲和寄生參數(shù)對阻抗測試的影響。由于電阻器、電感器和電容器受到所加的電壓、電流、頻率、溫度及其它物理和電氣環(huán)境的影響而改變阻抗值，因此在不同的條件下其電路模型不同。 本章主要介紹阻抗的測量方法即阻抗模擬測量法和數(shù)字測量法等阻抗測量的基

2、本技術(shù)。集總參數(shù)元件的測量主要采用電壓-電流法、電橋法和諧振法。依據(jù)電橋法制成的測量儀總稱為電橋，電橋主要用來測量低頻元件。Q表是依據(jù)諧振法制成的測量儀器，Q表主要用來測量高頻元件。 阻抗的數(shù)字測量法有自動平衡電橋法；射頻電壓電流法；網(wǎng)絡(luò)分析法等?，F(xiàn)代的LF阻抗測量儀器一般都使用自動平衡電橋法。內(nèi)含微處理器的各種智能化LCR測量儀已成為阻抗測量儀器的發(fā)展主流。 阻抗測量有多種方法，必須首先考慮測量的要求和條件，然后選擇最合適的方法，需要考慮的因素包括頻率覆蓋范圍、測量量程、測量精度和操作的方便性。沒有一種方法能包括所有的測量能力，因此在選擇測量方法時需折衷考慮。應(yīng)在測試頻率范圍內(nèi)根據(jù)它們各自的

3、優(yōu)缺點選擇正確的測試方法。 7.1 概 述 7.1.1阻抗的定義與表達(dá)式: 阻抗是表片一個元器件或電路中電壓、電流關(guān)系的復(fù)數(shù)特征量，可表示為： 式中， 為復(fù)數(shù)阻抗； 為復(fù)數(shù)電壓； 為復(fù)數(shù)電流;R 為復(fù)數(shù)阻抗的實部;X為復(fù)數(shù)阻抗的虛部； 為復(fù)數(shù)阻抗的絕對值（或模值）, ； 為復(fù)數(shù)阻抗的相角即電壓與電流之間的相位差， 導(dǎo)納Y是阻抗的倒數(shù)，即： 式中，G和B分別為導(dǎo)納的電導(dǎo)分量和電納分量。導(dǎo)納的極坐標(biāo)形式為 式中， 和 為導(dǎo)納的幅度和導(dǎo)納角。)sin(cosjzZjXRIUZejZUIZXRZ22RXarctanjBGjXRUIZY11ejYjBGYY 7.1.2阻抗元件R、L、C的基本特 性 只討

4、論頻率數(shù)百兆以下的集總參數(shù)電 路元件一般都隨所加的電流、電壓、頻率及環(huán)境溫度、機(jī)械沖擊等而變化。特別當(dāng)頻率較高時，其分布參數(shù)的影響將變得十分嚴(yán)重。這些，電容器可能呈現(xiàn)感抗，電感線圈可能呈現(xiàn)容抗。 1）電感線圈 電感線圈的主要特性為電感L，但不可避免地還包含有損耗電阻 和分布電容 。在一般情況下， 和 的影響較小。將電感線圈接于直流電源并達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，則可視為電阻。接于頻率不高的交流電源時，可視為理想電感L和損耗電阻 的串聯(lián)；當(dāng)頻率繼續(xù)增高時，仍可視為L和 的串聯(lián)，但因 的作用，等效的 和L將隨頻率而變。經(jīng)推導(dǎo)可知，有時電感覺線圈呈現(xiàn)感性，有時電感線圈呈現(xiàn)容性，有時電感線圈又呈現(xiàn)純電阻性。（推導(dǎo)見

5、286頁）rlcfrlcfrlcfrlrlcf 2）電容器 電容器的等效電路，除理想電容C外，同樣還包含有介質(zhì)損耗電阻R以及由于磁通引起的電感L，隨頻率的不同等效電路呈現(xiàn)的特征也不同，等效電路有時呈容性，有時呈純阻性，有時呈感性。 3）電阻器 電阻器的等效電路，同樣除理想電阻R外，還有串聯(lián)剩余電感L及并聯(lián)分布電容C，隨頻率的不同等效電路呈現(xiàn)的特征也不同，等效電路有時呈容性，有時呈感性，有時呈純阻性。 4）Q值 通常用品質(zhì)因數(shù)Q衡量電感、電容及諧振電路的質(zhì)量。 對于電感： 對于電容器：rrQllLLfl2CRQC1 5）電阻器、電容器、電感器、晶體二極管、晶體三極管等是最基本的電路元件。電路元件

6、按其在電路中的作用和使用條件不同，應(yīng)采用不同的測量方法和測量儀器。測量時所加電壓、電流、頻率及環(huán)境條件等必須符合測量要求，否則測量結(jié)果不能代表實際的參數(shù)。 阻抗的測量方法很多，但常用的基本方法有四種，即伏安法、電橋法、諧振法和現(xiàn)代數(shù)字化儀器法。 在實際測量中，究竟使用哪種方法，應(yīng)根據(jù)具體情況而定，一般而言，在直流或低頻時，用伏安法最簡單，但準(zhǔn)確度稍差；在音頻范圍內(nèi)時，選用電橋法準(zhǔn)確度較高；在高頻范圍由通常利用諧振法，這種方法準(zhǔn)確度不高，但比較接近元件的實際使用條件。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化、智能化的RLC測試儀不斷推出，給阻抗測量帶來了快捷和方便。7.2 電阻的測量 電阻的參數(shù)包括標(biāo)稱阻值、

7、額定功率、精度、最高工作溫度、最高工作電壓、噪聲系數(shù)及高頻特性等，主要參數(shù)為標(biāo)稱阻值和額定功率，一般在電阻上標(biāo)注。 電阻規(guī)格的標(biāo)識法：對于電阻，一般有三種標(biāo)注方法，一是直接標(biāo)示電阻值，二是色環(huán)法，三是標(biāo)示電阻的功率。電阻規(guī)格標(biāo)注方法RT10 k 1%電阻碳膜(a) 直標(biāo)電阻阻值法允許偏差倍乘第一位數(shù)第二位數(shù)(b) 色環(huán)法標(biāo)電阻阻值法(c) 直標(biāo)電阻功率 一般表示0.25W0.5W1W電阻測量方法 電阻的頻率特性 電阻工作于低頻時，電阻分量起主要作用，只需測出R值就可以了。 工作頻率升高時，電抗分量不能忽略。 、伏安法 測量原理：伏安法的理論根據(jù)是歐姆定律，即： ，具體方法是直接測量被測電阻上的

8、端電壓和流過的電流，再計算出電阻值。 通常在直流狀態(tài)下用伏安法測量電阻，它與低頻（如）狀態(tài)下的測量結(jié)果相差很小，因此不必選用交流儀器。 伏安法測量電阻（頁圖） （1）電流表內(nèi)接（2）電流表外接 一般的，中值電阻的測量，可采用電流表內(nèi)接電路；低值電阻的測量，可采用電流表外接電路；若被測電阻介于兩者之間，可根據(jù)誤差項的大小，選用誤差小的電路 2三用表中的電阻檔測量電阻 模擬式指針三用表中的歐姆檔測量電阻 采用模擬萬用表測量時，應(yīng)先選擇萬用表電阻檔的倍率或量程范圍，然后將兩輸入端短路調(diào)零，最后將萬用表并接在被測電阻的兩端，直接測量電阻值。 歐姆表經(jīng)常用來測量電阻、二極管、三極管，使用中的注意事項：

9、）調(diào)零：即將兩表筆短路調(diào)整電表內(nèi)阻，使電流達(dá)最大值，則對準(zhǔn)零。 ）極性：當(dāng)用來測量二極管、三極管時，要注意紅表筆對應(yīng)的是電池的負(fù)極。 ）量程：不同量程中值電阻不同，相應(yīng)的測量電流大小不同。 數(shù)字多用表中的電阻檔 數(shù)字多用表中，利用運放組成一個多值恒流源，實現(xiàn)多量程電阻測量，恒流通過被測電阻，由數(shù)字電壓（）表測量出其端電壓，則。 上述測電阻方法是大部分便攜式數(shù)字多用表中的測量方法，但由于不含微處理器，故要配置好各量程的電壓值直接對應(yīng)被測電阻的歐姆值。故測量精度不高，對微小電阻及特大電阻要采用其它方法。 ）微小電阻值的測量： 一是兩線（端）法。二是四線（端）法。（測量接線圖如頁圖） ）高值電阻的測

10、量： 測量高值電阻一般采用電壓源分壓的方法。RxIURxx/Ux 3.電橋法測量電阻 電橋法又稱零示法，它利用指零電路作為測量的指示器，工作頻率很寬，能在很大程度上消除或削弱系統(tǒng)誤差的影響，精度很高。 測量原理：將被測電阻接入橋臂，調(diào)節(jié)橋臂中的可調(diào)電阻使檢流計指示為零，電橋處于平衡狀態(tài)。交流電橋平衡必須同時滿足：電橋的四個橋臂中的相對臂阻抗的模的乘積相等（模平衡條件），相對臂阻抗相角之和相等（相位平衡條件）當(dāng)被測元件為電阻元件時，代入平衡條件公式，則得出了被測電阻的阻值。 在實際應(yīng)用中，測量電阻常采用直流雙臂電橋（也稱凱爾文電橋）。信號源是直流電源，通常采用大容量的電池。這種直流電橋能消除由于

11、接地電阻和接觸電阻造成的測量誤差。 介紹另外一種電橋 說明:上面公式中W代表線圈匝數(shù)4非線性電阻的測量 非線性電阻如熱敏電阻、二極管的內(nèi)阻等，它們的阻值與工作環(huán)境以及外加電壓和電流的大小有關(guān)?？刹捎梅卜?，即測量一定直流電壓下的直流電流值。逐點改變電壓的大小，然后測量相應(yīng)的電流，最后作出伏安法特性曲線。7.3 電容的測量 電容器在電路中用來濾波、隔直、交流耦合、交流旁路及與電感元件構(gòu)成振蕩電路等。 電解電容是目前用得較多的電容器，有正、負(fù)極之分，只能工作在直流狀態(tài)下，如果極性用反，將使漏電流劇增，電解電容急劇變熱而損壞，甚至引起爆炸。一般廠家會在電容器的表面上標(biāo)出正極或負(fù)極，新買來的電容器引腳

12、長的一端為正極。7.3.1 電容的參數(shù)和標(biāo)注方法 1電容的參數(shù) （1）標(biāo)稱電容量和允許誤差。 （2）額定工作電壓 （3）漏電電阻和漏電電流 （4）損耗因數(shù)2電容規(guī)格的標(biāo)注方法 電容器的標(biāo)注方法同電阻器一樣，有直標(biāo)法和色標(biāo)法。 直標(biāo)法將主要參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)直接標(biāo)注在電容器表面上。 色標(biāo)法與電阻色標(biāo)法相同。7.3.2 電容的測量 1、諧振法測量電容 1）直接法測電容（297頁） 把被測電容 接好，調(diào)節(jié)振蕩源頻率 使電壓表指示最大，則被測電容為： 其測量誤差包含有：分布電容（線圈和接線分布電容）誤差；高頻時引線電感引起的誤差；當(dāng)回路Q值較低時，諧振曲線很平坦，不易找到諧振點產(chǎn)生的誤差。 2）替代法測電

13、容（有串聯(lián)法和并聯(lián)法） 并聯(lián)替代法：用替代法測電容可以消除由于分布電容引起的測量誤差，就是在不接被測電容的情況下，調(diào)節(jié)可變電容器C使其容量較大位置，設(shè)其容量為 ，再調(diào)節(jié)信號源頻率，使回路諧振。然后接入被測電容 ，信號源頻率不變，此時回路失諧，重新調(diào)節(jié)可變電容C使回路再次諧振，這時其容量為 則被測電容： 此方法稱為并聯(lián)替代法。適合測量小電容。CxfLfCx)2(21C1CxC2CCCx21 電路如下圖 串聯(lián)替代法（頁圖） 當(dāng)被測電容大于標(biāo)準(zhǔn)電容器的最大容量時，必須用串聯(lián)接法，先將插電容的孔短路，調(diào)到容量較小位置，調(diào)節(jié)信號源頻率使回路諧振，這時電容量為，然后拆除短路線，將接入電路，保持信號源頻率不

14、變，調(diào)節(jié)使回路再次諧振，此時可變電容值為，顯然等于與的串聯(lián)值， 即：。由此得： 當(dāng)被測電容比可變標(biāo)準(zhǔn)電容大很多的情況下，和的值非常接近，測量誤差增大，因此，這種測量方法也有一定范圍。C1CxC2C1C2CxCCCCCxx221CCCCCx1212C1C2 、電橋法測電容 ）電橋法組成原理（）：采用電橋法的阻抗測量儀都是多功能儀器，交流電橋可測量電阻、電感和電容、線圈的值以及電容器的損耗等。一般由橋體、信號源、和晶體管指零儀組成。橋體是電橋的核心部分。由標(biāo)準(zhǔn)電阻、標(biāo)準(zhǔn)電容及轉(zhuǎn)換開關(guān)組成。通過轉(zhuǎn)換開關(guān)可以組成不同的電橋電路。在電阻測量中已講述過，為了實現(xiàn)電橋兩個平衡條件，必須按照一定的方式配置橋臂

15、的阻抗，如果將兩鄰臂接入純電阻，另兩鄰臂必須接入同性阻抗（同為電感或同為電容）；如果將相對臂接入純電阻，則另外一對臂必須為異性阻抗。這是初步判斷電橋接法是否正確的依據(jù)。 ）測量方法：按照配置橋臂阻抗的要求將被測電容串聯(lián)到一個橋臂中，調(diào)節(jié)橋臂中可調(diào)電阻使電橋平衡，根據(jù)電橋平衡條件方程（是個復(fù)數(shù)），可由實部相等求出被測電容等效電阻，虛部相等可求出等效電容。 電感的測量 典型的諧振法測量儀器是表，所以諧振法又稱表法，它是利用調(diào)諧回路的諧振特性而建立的測量方法。測量精度不如電橋法高但線路簡單方便。特別在測量高頻電路參數(shù)時諧振法是一種重要的手段。當(dāng)回路達(dá)到諧振時， 有：且回路總阻抗為零， 即： 將回路調(diào)

16、至諧振狀態(tài)，根據(jù)已知的回路關(guān)系式和已知元件的數(shù)值，求出未知元件的參量。 、諧振法測電感（電路圖如頁） 串聯(lián)替代法：首先在未接入情況下，先調(diào)節(jié)到較大容量位置，再調(diào)節(jié)信號頻率使回路諧振，此時有個值，然后將接入回路，保持信號頻率不變，調(diào)節(jié)至，回路再次諧振，此時： 將上兩式相減并整理得LC/100/100CLXCL20/1LC20/1LxLxC1CfL1224/1C2CfLLx2224/1CCfCCLx2122214串聯(lián)替代法測電感電路如下圖： 并聯(lián)替代法： 測量較大的電感常采用并聯(lián)諧振法，電路如頁圖，先不接，可變電容調(diào)到小容量位置，這時為，調(diào)節(jié)信號源頻率使回路諧振，此時有： 然后接入，保持信號源頻率

17、固定不變，調(diào)節(jié)使回路再次諧振，記下可變電容器的容量，此時有： 將上兩式相減并取倒數(shù)，可得：LxC1CfL12241LxC2CfLxL222411)(411222CCfLx 并聯(lián)替代法測電感電路如下圖：、Q值測量:UUQ12/阻抗測量的數(shù)字化方法（了解） （）自由軸法半導(dǎo)體二極管參數(shù)的測量 二極管是整流、檢波、限幅、鉗位等電路中的主要器件。 二極管的主要特性 二極管最主要的特性是單向?qū)щ娞匦裕炊O管正向偏置導(dǎo)通；反向偏置時截止。二極管的主要參數(shù) （1）最大整流電流 （2）反向電流 （3）反向最大工作電壓 （4）直流電阻 （5）交流電阻 （6）二極管的極間電容半導(dǎo)體二極管的測量 PN結(jié)的單向?qū)щ?/p>

18、性是進(jìn)行二極管測量的根本依據(jù)。 1用模擬式萬用表測量二極管 2用數(shù)字式萬用表測量二極管 3用晶體管圖示儀測量二極管 4發(fā)光二極管的測量半導(dǎo)體三極管參數(shù)的測量 三極管的主要參數(shù) 1直流電流放大系數(shù) 2交流電流放大系數(shù) 3穿透電流 4反向擊穿電壓 5集電極最大允許電流 6集電極最大允許功耗三極管的測量 1用模擬萬用表判別管腳 2用晶體管特性圖示儀測量三極管 用萬用表只能估測三極管的好壞，而用晶體管特性圖示儀可以測得三極管的多種特性曲線和相應(yīng)的參數(shù)，所以在實際中廣泛使用圖示儀，以直觀地判斷三極管的性能。 本章總結(jié)本章總結(jié) 1由于電阻器、電感器和電容器受到所加的電壓、電流、頻率、溫度及其它物理和電氣環(huán)境的影響而改變阻抗值，因此在不同的條件下其電路模型不同。阻抗測量有多種方法，必須首先考慮測量的要求和條件，然后選擇最合適的方法，需要考慮的因素包括頻率覆蓋范圍、測量量程、測量精度和操作的方便性。沒有一