電子測量及儀器課件 第六章 元器件測量及儀器1

1、第6章 電子元器件測量與儀器 1第第6章章 電子元器件測量與儀器電子元器件測量與儀器 集中參數(shù)元件的測量集中參數(shù)元件的測量:電阻、電感、電容、電阻、電感、電容、阻抗品質因數(shù)阻抗品質因數(shù)Q Q及損耗因數(shù)及損耗因數(shù)D D 的測量。的測量。集中參數(shù)元件的測量方法：集中參數(shù)元件的測量方法： 伏安法：歐姆定律伏安法：歐姆定律 電橋法：直流電橋、交流電橋電橋法：直流電橋、交流電橋 諧振法：諧振法： Q表表晶體管、場效應管等器件的測量：晶體管特性圖示儀晶體管、場效應管等器件的測量：晶體管特性圖示儀。 第6章 電子元器件測量與儀器 2RLR圖圖6.1 實際電阻器的等效電路實際電阻器的等效電路(a)(b)RCS

2、CCRCP圖圖6.2 實際電容器的等效電路實際電容器的等效電路Dx=tan=RCS/XC=CRCS Dx=tan= XC/RCP =1/CRCPQ=XL/RLS=L/RLSQ=RLP/XL= RLP/L集中參數(shù)元件的等效集中參數(shù)元件的等效第6章 電子元器件測量與儀器 36.2 伏安法及數(shù)字化測量伏安法及數(shù)字化測量6.2.1 伏安法伏安法僅適用于低頻測量，比較適合直流電阻的測量。僅適用于低頻測量，比較適合直流電阻的測量。 Z=U/I1）、當測量直流電阻時，電源為直流電源）、當測量直流電阻時，電源為直流電源2）、當測量電容、電感時，電源為角頻率為）、當測量電容、電感時，電源為角頻率為的交流電源的交

3、流電源圖圖6.4 伏安法測量原理圖伏安法測量原理圖A電源電源Z(a)V(b)A電源電源ZV第6章 電子元器件測量與儀器 4由電容、電感等效電路的分析可知，二者都可以等效為電阻由電容、電感等效電路的分析可知，二者都可以等效為電阻與電抗的串聯(lián)，即阻抗的模值為與電抗的串聯(lián)，即阻抗的模值為Z,在忽略損耗電阻影響的情在忽略損耗電阻影響的情況下，存在以上關系況下，存在以上關系。 XXRZIU22CX1CIULUICXL=L第6章 電子元器件測量與儀器 56.2.2 阻抗的數(shù)字化測量阻抗的數(shù)字化測量 -電壓的數(shù)字化測量來實現(xiàn)電壓的數(shù)字化測量來實現(xiàn) 1)正弦信號在被測阻抗兩端產(chǎn)生交流電壓正弦信號在被測阻抗兩端

4、產(chǎn)生交流電壓 2)同步濾波器，對電壓實部和虛部進行分離同步濾波器，對電壓實部和虛部進行分離 3)峰值檢波器，交流峰值檢波器，交流-直流直流 1. 電感元件的測量電感元件的測量 圖圖6.5為電感為電感-電壓（電壓（L-V）變換器原理圖。圖中左半部分）變換器原理圖。圖中左半部分為阻抗為阻抗-電壓變換部分；同步檢波器實現(xiàn)實部、虛部分離；峰電壓變換部分；同步檢波器實現(xiàn)實部、虛部分離；峰值檢波器完成交值檢波器完成交-直流電壓變換，并提供基準電壓。直流電壓變換，并提供基準電壓。U1、U2、 Ur都要送到電壓表雙積分式都要送到電壓表雙積分式A/D變換器。變換器。第6章 電子元器件測量與儀器 6經(jīng)過分析得到：

5、經(jīng)過分析得到： （6-2） （6-3） 分析式（分析式（6-2）、（）、（6-3）可見，因為）可見，因為Ur、R1均為常數(shù)，只要均為常數(shù)，只要利用雙積分式數(shù)利用雙積分式數(shù)字多用表測出字多用表測出U1、U2來，即可換算出來，即可換算出Rx、Lx及及Qx的大小的大小來。來。 x1r1RRUUx1r2LRUUur + 運放同步檢波器同步檢波器ur峰值檢波器峰值檢波器R1RxLxUoU1U2Ur圖圖6.5 電感電感電壓變換器電壓變換器同步檢波器同步檢波器jur Urcost第6章 電子元器件測量與儀器 7 2. 電容元件的測量電容元件的測量 圖圖6.6為電容為電容-電壓電壓變換器的阻抗變換器的阻抗交流

6、變交流變換部分，其他部分與電換部分，其他部分與電感感電壓變換器的結構電壓變換器的結構相似。利用上述方法，相似。利用上述方法，可得：可得：U2=R1UrCx 由此可見，也可以利用數(shù)字多用表來實現(xiàn)由此可見，也可以利用數(shù)字多用表來實現(xiàn)Cx、Rx及及Dx的的測量測量。 圖圖6.6 電容電容-電壓變換器電壓變換器 + + AurR1RxCxUorX11URRU第6章 電子元器件測量與儀器 8 3. LCR參數(shù)測試儀參數(shù)測試儀 圖圖6.7為為LCR參數(shù)測試儀參數(shù)測試儀原理圖。經(jīng)分析得知：原理圖。經(jīng)分析得知： （） （S） 式中，式中，R為等效串聯(lián)電阻；為等效串聯(lián)電阻；X為等效串聯(lián)電抗；為等效串聯(lián)電抗；G為

7、等效并聯(lián)為等效并聯(lián)電導；電導；B為等效并聯(lián)電納。為等效并聯(lián)電納。 + 運放f正弦交流 +Rs圖圖6.7 LCR參數(shù)測試儀原理圖參數(shù)測試儀原理圖iUYZ 或oUssioRYZRUU)(soijXGRUUjXRIUZjBGUIY第6章 電子元器件測量與儀器 9由上述分析可見，只要先測出由上述分析可見，只要先測出 和和 ，再把，再把 和和 同步同步整流并分解出實部和虛部，進而計算出上式中整流并分解出實部和虛部，進而計算出上式中R，X，G，B，最后以數(shù)字形式顯示出被測元件最后以數(shù)字形式顯示出被測元件R，L L，C C，D，Q等參數(shù)。等參數(shù)。測量線圈或電容時，可以選擇它們的串聯(lián)等效電路或并聯(lián)測量線圈或電

8、容時，可以選擇它們的串聯(lián)等效電路或并聯(lián)等效電路來進行測量。一般來說，對小容量電容和高阻抗線圈，等效電路來進行測量。一般來說，對小容量電容和高阻抗線圈，采用并聯(lián)等效電路測量，而對電解電容等大容量電容或小阻抗采用并聯(lián)等效電路測量，而對電解電容等大容量電容或小阻抗線圈采用串聯(lián)等效電路進行測量。線圈采用串聯(lián)等效電路進行測量。iUoUiUoU第6章 電子元器件測量與儀器 10 6.3 電橋法測量集中參數(shù)元件電橋法測量集中參數(shù)元件-適合低頻阻抗元件的測量。適合低頻阻抗元件的測量。利用零指示器作為電橋平衡指示器利用零指示器作為電橋平衡指示器.電橋平衡時，各橋臂之間的關系確定被測量。電橋平衡時，各橋臂之間的關

9、系確定被測量。該方法的工作頻率較寬，測量精度較高，可達該方法的工作頻率較寬，測量精度較高，可達10-46.3.1 交流電橋交流電橋 1. 工作原理工作原理 圖圖6.8為交流電橋原理圖，主要由橋體、電源為交流電橋原理圖，主要由橋體、電源G及平衡指及平衡指示器示器P等組成。橋體由等組成。橋體由Z1、 Z2、 Z3 、Zx四個橋臂組成，橋臂四個橋臂組成，橋臂由電阻和電抗元件組成。電源為純正弦交流電源。當由電阻和電抗元件組成。電源為純正弦交流電源。當IP=0時，時，電橋處于平衡狀態(tài)，電橋平衡條件如下電橋處于平衡狀態(tài)，電橋平衡條件如下：或312xZZZZ)(31)(2x312xjjeZZeZZ第6章 電

10、子元器件測量與儀器 11 即即(6-4)x+2=1+3 (6-5) 要使交流電橋完全平衡，必須同時滿足式（要使交流電橋完全平衡，必須同時滿足式（6-4）和式（）和式（6-5），），即振幅平衡條件和相位平衡條件。即振幅平衡條件和相位平衡條件。當相鄰兩橋臂為純電阻時，另外兩個橋臂應呈現(xiàn)同性電抗；當某當相鄰兩橋臂為純電阻時，另外兩個橋臂應呈現(xiàn)同性電抗；當某一對角橋臂為純電阻時，另外一對角橋臂一對角橋臂為純電阻時，另外一對角橋臂應呈現(xiàn)異性電抗；當兩個橋臂由純電阻構應呈現(xiàn)異性電抗；當兩個橋臂由純電阻構成時，呈現(xiàn)電抗特性的橋臂必須由標準可成時，呈現(xiàn)電抗特性的橋臂必須由標準可調電阻和電抗件構成，該電抗件一般

11、選用調電阻和電抗件構成，該電抗件一般選用標準可調電容。標準可調電容。當當Z1、Z2為純電阻為純電阻R1、R2時，滿足關系：時，滿足關系： （6-6） 312xZZZZ321xZRRZ第6章 電子元器件測量與儀器 12當當Z1、Z2為純電阻為純電阻R1、R2時，滿足關系：時，滿足關系： （6-6） 當當Z1、Z3為純電阻為純電阻R1、R3時，滿足關系：時，滿足關系：（6-7）由式（由式（6-6）和式（）和式（6-7）得，當兩個鄰臂為純電阻時的電橋）得，當兩個鄰臂為純電阻時的電橋稱為臂比電橋，它比較適于測量電容；當兩個相對橋臂為純電稱為臂比電橋，它比較適于測量電容；當兩個相對橋臂為純電阻時的電橋稱

12、為臂乘電橋，它比較適于測量電感。阻時的電橋稱為臂乘電橋，它比較適于測量電感。交流電橋的電源必須為純正弦波交流電源，交流電橋也只交流電橋的電源必須為純正弦波交流電源，交流電橋也只適合在音頻或低射頻段使用，高頻段的測量適合選用諧振法。適合在音頻或低射頻段使用，高頻段的測量適合選用諧振法。231xZRRZ321xZRRZ第6章 電子元器件測量與儀器 13例例6-1 圖圖6.9(a)為測量低為測量低Q電感的麥克斯韋電橋橋體，試電感的麥克斯韋電橋橋體，試求求Rx、Lx、Qx各是多少各是多少？ 解：解： 該交流電橋平衡條件為：該交流電橋平衡條件為： 經(jīng)推導，得：經(jīng)推導，得：Rx=R1R2/RsLx=R1R

13、2Cs Qx=Lx/Rx=RsCs SSxx2111)(CjRLjRRR第6章 電子元器件測量與儀器 14 例例6-2 圖圖6.9(b)為測量高為測量高Q電感的海氏電橋橋體，試求電感的海氏電橋橋體，試求Rx、Lx、Qx各是多少？各是多少？ 解：解： 該交流電橋平衡條件為：該交流電橋平衡條件為： 經(jīng)推導，得：經(jīng)推導，得：Rx=R1R2/RSLx=R1R2CS xxxxSS21)1(LjRRLjCjRRRSSx1CRQ第6章 電子元器件測量與儀器 15 例例6-3 右圖為測量低損耗電容的串聯(lián)電阻式比較電橋橋右圖為測量低損耗電容的串聯(lián)電阻式比較電橋橋體，試求體，試求Rx、Cx、Dx各是多少？各是多少

14、？ 解：解： 該交流電橋平衡條件為：該交流電橋平衡條件為：經(jīng)推導，得：經(jīng)推導，得： Dx=CxRx=RsCs S21xRRRRS12xCRRCxx2SS111CjRRCjRR第6章 電子元器件測量與儀器 16例例6-4右圖為測量高損耗電容的并聯(lián)右圖為測量高損耗電容的并聯(lián)電阻式比較電橋橋體，試求電阻式比較電橋橋體，試求Rx、Cx、Dx各是多少？各是多少？ 解：解： 該交流電橋平衡條件為：該交流電橋平衡條件為： 經(jīng)推導，得：經(jīng)推導，得：xx2SS111CjRRCjRRS12xCRRC SSx1CRD第6章 電子元器件測量與儀器 172. QS18A型萬用電橋型萬用電橋（1）組成）組成QS18A型萬

15、用電橋是一種便攜型萬用電橋是一種便攜式交流電橋，主要用于測量電式交流電橋，主要用于測量電阻、電感、電容等參數(shù)。其組成阻、電感、電容等參數(shù)。其組成如圖如圖6.11所示，主要由橋體、信所示，主要由橋體、信號源（號源（1kHz）和晶體管檢流計三）和晶體管檢流計三部分組成。橋體是電橋的核心部分，實際上是由直流電部分組成。橋體是電橋的核心部分，實際上是由直流電橋、交流電容電橋及電感電橋組合而成。使用時，通過變換橋、交流電容電橋及電感電橋組合而成。使用時，通過變換開關進行切換，以實現(xiàn)不同參數(shù)或量程的測量。開關進行切換，以實現(xiàn)不同參數(shù)或量程的測量。（2）測量電容）測量電容選頻放大與整流1kHz振蕩器或9V直

16、流電源橋體P圖圖6.11 QS18A型萬用電橋組成框圖型萬用電橋組成框圖第6章 電子元器件測量與儀器 18測量電容時，橋體連接成如圖測量電容時，橋體連接成如圖6.12所示的形式。所示的形式。Cx、Rx分別為被測電容的容量、串聯(lián)等效電阻阻值，分別為被測電容的容量、串聯(lián)等效電阻阻值，R2由標準粗調、由標準粗調、細調電阻器組成。調節(jié)橋體中可調電阻器使電橋平衡，根據(jù)細調電阻器組成。調節(jié)橋體中可調電阻器使電橋平衡，根據(jù)電橋平衡條件，可導出：電橋平衡條件，可導出： 由此可知，在量程確定的情況下，只要由此可知，在量程確定的情況下，只要C2保持不變，可保持不變，可以通過調節(jié)以通過調節(jié)R3使電橋平衡。其中，使電

17、橋平衡。其中，Cx、Rx、Dx可由有關度盤可由有關度盤讀出數(shù)值。讀出數(shù)值。231xRRRR 213xCRRC 22xCRDRxCxR1R3R2C2圖6.12 測量電容原理圖第6章 電子元器件測量與儀器 19（3）測量電感）測量電感測量電感時，橋體連接如圖測量電感時，橋體連接如圖6.13所示。所示。Lx、Rx分別是被測分別是被測電感的電感量、串聯(lián)等效損耗電阻。當電橋平衡時有：電感的電感量、串聯(lián)等效損耗電阻。當電橋平衡時有： Lx=R1R2C3 Qx=C3R3（4）使用方法）使用方法圖圖6.14為為QS18A型萬用電橋面板結構圖。型萬用電橋面板結構圖。面板上各開關旋鈕的作用如下：面板上各開關旋鈕的

18、作用如下：被測元件接線柱被測元件接線柱 用于連接被測元件。用于連接被測元件。外接插孔外接插孔 用于外接音頻電源用于外接音頻電源。231xRRRR RxLxR1R3R2C3圖6.13 測量電感原理圖第6章 電子元器件測量與儀器 20外外-內內1kHz選擇開關，用于選擇電橋工作電源。選擇開關，用于選擇電橋工作電源。量程開關，確定測量范圍，各示值是指電橋讀數(shù)在滿量程開關，確定測量范圍，各示值是指電橋讀數(shù)在滿刻度時的最大值?？潭葧r的最大值。uA讀數(shù)內1kHz外圖圖6.14 QS18A型萬用電橋面板結構圖型萬用電橋面板結構圖121110第6章 電子元器件測量與儀器 21損耗微調旋鈕，用于細調平衡時的損耗

19、，一般情況下?lián)p耗微調旋鈕，用于細調平衡時的損耗，一般情況下置于置于“0”位置。位置。 損耗倍率選擇開關，損耗倍率選擇開關，分為三擋：分為三擋：Q1，D0.1，D1。根據(jù)不同情況，按。根據(jù)不同情況，按照表照表6-1選擇合適擋位。測選擇合適擋位。測量電阻時，該開關不起作用。量電阻時，該開關不起作用。 指示電表，用于指示電橋的平衡狀態(tài)。當電橋平衡時，指示電表，用于指示電橋的平衡狀態(tài)。當電橋平衡時，電表指示為零。電表指示為零。 接地。接地。 靈敏度調節(jié)旋鈕，用于控制電橋放大器的放大倍數(shù)靈敏度調節(jié)旋鈕，用于控制電橋放大器的放大倍數(shù)。表表6-1倍率開關位置倍率開關位置測量元件位置空心電感線圈Q1高Q值線圈

20、和小損耗電容D0.1（Q=1/D）帶鐵心線圈和大電解電容D1（Q=1/D）第6章 電子元器件測量與儀器 22開始測量時，應降低靈敏度，隨后再逐漸增大。開始測量時，應降低靈敏度，隨后再逐漸增大。讀數(shù)調節(jié)旋鈕（讀數(shù)盤）讀數(shù)調節(jié)旋鈕（讀數(shù)盤） 用于調節(jié)電橋的平衡狀態(tài)，用于調節(jié)電橋的平衡狀態(tài)，由粗調和細調組成。由粗調和細調組成。 損耗平衡調節(jié)旋鈕損耗平衡調節(jié)旋鈕 用于指示被測元件（電容或電感）用于指示被測元件（電容或電感）的損耗因數(shù)或品質因數(shù)。的損耗因數(shù)或品質因數(shù)。 測量選擇開關測量選擇開關 用于確定電橋的測量內容。測量完畢，用于確定電橋的測量內容。測量完畢，此開關應置于此開關應置于“關關”位置，以降

21、低機內干電池的損耗。位置，以降低機內干電池的損耗。 使用方法如下：使用方法如下：將被測元件接到將被測元件接到“被測元件接線柱被測元件接線柱”，撥動電源選，撥動電源選擇開關至擇開關至“內內1kHz”位置，如果用外部電源，則將外部電源位置，如果用外部電源，則將外部電源接到接到“外接外接”插孔上，撥動電源選擇開關至插孔上，撥動電源選擇開關至“外外”的位置。的位置。根據(jù)被測量，將測量選擇開關旋至根據(jù)被測量，將測量選擇開關旋至“C”、“L”、“R10”1211第6章 電子元器件測量與儀器 23或或“R10”處。處。估計被測量的大小，選擇量程開關的位置。估計被測量的大小，選擇量程開關的位置。根據(jù)被測元件的

22、情況，按照表根據(jù)被測元件的情況，按照表6-1選擇合適的損耗倍率選擇合適的損耗倍率開關擋位。開關擋位。根據(jù)電橋平衡情況，調整靈敏度調節(jié)旋鈕使指示電表根據(jù)電橋平衡情況，調整靈敏度調節(jié)旋鈕使指示電表讀數(shù)由小逐步增大。讀數(shù)由小逐步增大。反復調節(jié)電橋的讀數(shù)盤和損耗平衡旋鈕，并在調整過反復調節(jié)電橋的讀數(shù)盤和損耗平衡旋鈕，并在調整過程中逐步提高指示電表的靈敏度直至電橋平衡。此時存在如程中逐步提高指示電表的靈敏度直至電橋平衡。此時存在如下關系：下關系：Lx（或（或Cx）=量程開關指示值量程開關指示值電橋讀數(shù)盤示值電橋讀數(shù)盤示值Qx（或（或Dx）=損耗倍率指示值損耗倍率指示值損耗平衡盤指示值損耗平衡盤指示值 第

23、6章 電子元器件測量與儀器 24例例6-5 用用QS18A型萬用電橋測量線圈的電感量型萬用電橋測量線圈的電感量Lx及及Qx值，值，當電橋平衡時，左邊讀數(shù)盤（粗調）示值為當電橋平衡時，左邊讀數(shù)盤（粗調）示值為0.6，右邊讀，右邊讀數(shù)盤（細調）示值為數(shù)盤（細調）示值為0.028，量程開關在，量程開關在100mH擋上，損耗倍擋上，損耗倍率開關在率開關在Q1擋上，損耗平衡盤讀數(shù)為擋上，損耗平衡盤讀數(shù)為3.5，求被測電感，求被測電感Lx和和品質因數(shù)品質因數(shù)Qx。解：解： 由由QS18A型萬用電橋的使用方法介紹，可知：型萬用電橋的使用方法介紹，可知： Lx= (0.6+0.028)100mH=62.8mH

24、 Qx=13.5=3.5 答：（略）答：（略） 第6章 電子元器件測量與儀器 256.3.2 不平衡電橋不平衡電橋 依據(jù)電橋平衡條件進行測量的電橋稱為平衡電橋，它的依據(jù)電橋平衡條件進行測量的電橋稱為平衡電橋，它的操作繁瑣、測量時間長，平時所說的電橋通常是指平衡電橋。操作繁瑣、測量時間長，平時所說的電橋通常是指平衡電橋。不平衡電橋是通過直接測量電橋非平衡狀態(tài)下流經(jīng)指示器的不平衡電橋是通過直接測量電橋非平衡狀態(tài)下流經(jīng)指示器的電流或兩端電壓大小來測量集中參數(shù)元件的，它的操作簡便、電流或兩端電壓大小來測量集中參數(shù)元件的，它的操作簡便、測量時間短、易實現(xiàn)數(shù)字化測量。測量時間短、易實現(xiàn)數(shù)字化測量。 1. 測量電阻測量電阻 圖圖6.15為新型不平衡電橋測量電阻的電路圖，圖中為新型不平衡電橋測量電阻的電路圖，圖中 經(jīng)推導，得知：經(jīng)推導，得知： BDABoUUU第6章 電子元器件測量與儀器 26R2RRRRRXABCDUABUBDR1R1R3R3R2R4R4Uo除除法法電電路路N1N2DVM圖圖6.15 新型不平衡電橋測量