電子測量與儀器課件第六章元器件測量與儀器1

第6章電子元器件測量與儀器

集中參數(shù)元件的測量:電阻、電感、電容、阻抗品質(zhì)因數(shù)Q及損耗因數(shù)D的測量。集中參數(shù)元件的測量方法：伏安法：歐姆定律電橋法：直流電橋、交流電橋諧振法：Q表晶體管、場效應(yīng)管等器件的測量：晶體管特性圖示儀。1RLR圖6.1實際電阻器的等效電路(a)(b)RCSCCRCP圖6.2實際電容器的等效電路Dx=tanδ=RCS/XC=ωCRCS

Dx=tanδ=XC/RCP=1/ωCRCPQ=XL/RLS=ωL/RLSQ=RLP/XL=RLP/ωL集中參數(shù)元件的等效26.2伏安法及數(shù)字化測量6.2.1伏安法僅適用于低頻測量，比較適合直流電阻的測量。Z=U/I1）、當(dāng)測量直流電阻時，電源為直流電源2）、當(dāng)測量電容、電感時，電源為角頻率為ω的交流電源圖6.4伏安法測量原理圖A電源Z(a)V(b)A電源ZV3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Z,在忽略損耗電阻影響的情況下，存在以上關(guān)系。

XL=ωL46.2.2阻抗的數(shù)字化測量---->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2)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-->直流1.電感元件的測量圖6.5為電感-電壓（L-V）變換器原理圖。圖中左半部分為阻抗-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-直流電壓變換，并提供基準(zhǔn)電壓。U1、U2、Ur都要送到電壓表雙積分式A/D變換器。5經(jīng)過分析得到：（6-2）（6-3）

分析式（6-2）、（6-3）可見，因為Ur、R1均為常數(shù)，只要利用雙積分式數(shù)字多用表測出U1、U2來，即可換算出Rx、Lx及Qx的大小來。ur－∞++運放同步檢波器ur峰值檢波器R1RxLxUoU1U2Ur圖6.5電感—電壓變換器同步檢波器jurUrcosωt62.電容元件的測量

圖6.6為電容-電壓變換器的阻抗—交流變換部分，其他部分與電感—電壓變換器的結(jié)構(gòu)相似。利用上述方法，可得：U2=－R1UrωCx由此可見，也可以利用數(shù)字多用表來實現(xiàn)Cx、Rx及Dx的測量。圖6.6電容-電壓變換器

－∞+

+AurR1RxCxUo73.LCR參數(shù)測試儀

圖6.7為LCR參數(shù)測試儀原理圖。經(jīng)分析得知：（Ω）（S）式中，R為等效串聯(lián)電阻；X為等效串聯(lián)電抗；G為等效并聯(lián)電導(dǎo)；B為等效并聯(lián)電納。－∞++運放f正弦交流

+－+－Rs圖6.7LCR參數(shù)測試儀原理圖8由上述分析可見，只要先測出和，再把和同步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R，L，C，D，Q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)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線圈采用串聯(lián)等效電路進行測量。9

6.3電橋法測量集中參數(shù)元件-->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.電橋平衡時，各橋臂之間的關(guān)系確定被測量。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1.工作原理

圖6.8為交流電橋原理圖，主要由橋體、電源G及平衡指示器P等組成。橋體由Z1、Z2、Z3、Zx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(dāng)IP=0時，電橋處于平衡狀態(tài)，電橋平衡條件如下：或10

即(6-4)φx+φ2=φ1+φ3(6-5)

要使交流電橋完全平衡，必須同時滿足式（6-4）和式（6-5），即振幅平衡條件和相位平衡條件。當(dāng)相鄰兩橋臂為純電阻時，另外兩個橋臂應(yīng)呈現(xiàn)同性電抗；當(dāng)某一對角橋臂為純電阻時，另外一對角橋臂應(yīng)呈現(xiàn)異性電抗；當(dāng)兩個橋臂由純電阻構(gòu)成時，呈現(xiàn)電抗特性的橋臂必須由標(biāo)準(zhǔn)可調(diào)電阻和電抗件構(gòu)成，該電抗件一般選用標(biāo)準(zhǔn)可調(diào)電容。當(dāng)Z1、Z2為純電阻R1、R2時，滿足關(guān)系：（6-6）

11當(dāng)Z1、Z2為純電阻R1、R2時，滿足關(guān)系：（6-6）當(dāng)Z1、Z3為純電阻R1、R3時，滿足關(guān)系：（6-7）由式（6-6）和式（6-7）得，當(dāng)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(dāng)兩個相對橋臂為純電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。12[例6-1]圖6.9(a)為測量低Q電感的麥克斯韋電橋橋體，試求Rx、Lx、Qx各是多少？

解：

該交流電橋平衡條件為：

經(jīng)推導(dǎo)，得：Rx=R1R2/RsLx=R1R2CsQx=ωLx/Rx=ωRsCs

13

[例6-2]

圖6.9(b)為測量高Q電感的海氏電橋橋體，試求Rx、Lx、Qx各是多少？解：該交流電橋平衡條件為：經(jīng)推導(dǎo)，得：Rx=R1R2/RSLx=R1R2CS

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[例6-3]

右圖為測量低損耗電容的串聯(lián)電阻式比較電橋橋體，試求Rx、Cx、Dx各是多少？解：該交流電橋平衡條件為：經(jīng)推導(dǎo)，得：

Dx=ωCxRx=ωRsCs

15[例6-4]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Rx、Cx、Dx各是多少？解：該交流電橋平衡條件為：

經(jīng)推導(dǎo)，得：162.QS18A型萬用電橋（1）組成QS18A型萬用電橋是一種便攜式交流電橋，主要用于測量電阻、電感、電容等參數(shù)。其組成如圖6.11所示，主要由橋體、信號源（1kHz）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(guān)進行切換，以實現(xiàn)不同參數(shù)或量程的測量。（2）測量電容選頻放大與整流1kHz振蕩器或9V直流電源橋體P圖6.11QS18A型萬用電橋組成框圖17測量電容時，橋體連接成如圖6.12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，R2由標(biāo)準(zhǔn)粗調(diào)、細調(diào)電阻器組成。調(diào)節(jié)橋體中可調(diào)電阻器使電橋平衡，根據(jù)電橋平衡條件，可導(dǎo)出：由此可知，在量程確定的情況下，只要C2保持不變，可以通過調(diào)節(jié)R3使電橋平衡。其中，Cx、Rx、Dx可由有關(guān)度盤讀出數(shù)值。RxCxR1R3R2C2圖6.12測量電容原理圖18（3）測量電感測量電感時，橋體連接如圖6.13所示。Lx、Rx分別是被測電感的電感量、串聯(lián)等效損耗電阻。當(dāng)電橋平衡時有：Lx=R1R2C3Qx=ωC3R3（4）使用方法圖6.14為QS18A型萬用電橋面板結(jié)構(gòu)圖。面板上各開關(guān)旋鈕的作用如下：①被測元件接線柱用于連接被測元件。②外接插孔用于外接音頻電源。RxLxR1R3R2C3圖6.13測量電感原理圖19③外-內(nèi)1kHz選擇開關(guān)，用于選擇電橋工作電源。④量程開關(guān)，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。④⑤②①uA讀數(shù)內(nèi)1kHz外③⑥⑦⑧⑨圖6.14QS18A型萬用電橋面板結(jié)構(gòu)圖12111020⑤損耗微調(diào)旋鈕，用于細調(diào)平衡時的損耗，一般情況下置于“0”位置。⑥損耗倍率選擇開關(guān)，分為三擋：Q×1，D×0.1，D×1。根據(jù)不同情況，按照表6-1選擇合適擋位。測量電阻時，該開關(guān)不起作用。⑦指示電表，用于指示電橋的平衡狀態(tài)。當(dāng)電橋平衡時，電表指示為零。⑧接地。⑨靈敏度調(diào)節(jié)旋鈕，用于控制電橋放大器的放大倍數(shù)。表6-1倍率開關(guān)位置測量元件位置空心電感線圈Q×1高Q值線圈和小損耗電容D×0.1（Q=1/D）帶鐵心線圈和大電解電容D×1（Q=1/D）21開始測量時，應(yīng)降低靈敏度，隨后再逐漸增大。 ⑩讀數(shù)調(diào)節(jié)旋鈕（讀數(shù)盤）用于調(diào)節(jié)電橋的平衡狀態(tài)，由粗調(diào)和細調(diào)組成。 損耗平衡調(diào)節(jié)旋鈕用于指示被測元件（電容或電感）的損耗因數(shù)或品質(zhì)因數(shù)。 測量選擇開關(guān)用于確定電橋的測量內(nèi)容。測量完畢，此開關(guān)應(yīng)置于“關(guān)”位置，以降低機內(nèi)干電池的損耗。 使用方法如下： ①將被測元件接到“被測元件接線柱”，撥動電源選擇開關(guān)至“內(nèi)1kHz”位置，如果用外部電源，則將外部電源接到“外接”插孔上，撥動電源選擇開關(guān)至“外”的位置。 ②根據(jù)被測量，將測量選擇開關(guān)旋至“C”、“L”、“R≤10”121122或“R＞10”處。 ③估計被測量的大小，選擇量程開關(guān)的位置。 ④根據(jù)被測元件的情況，按照表6-1選擇合適的損耗倍率開關(guān)擋位。 ⑤根據(jù)電橋平衡情況，調(diào)整靈敏度調(diào)節(jié)旋鈕使指示電表讀數(shù)由小逐步增大。 ⑥反復(fù)調(diào)節(jié)電橋的讀數(shù)盤和損耗平衡旋鈕，并在調(diào)整過程中逐步提高指示電表的靈敏度直至電橋平衡。此時存在如下關(guān)系：Lx（或Cx）=量程開關(guān)指示值×電橋讀數(shù)盤示值Qx（或Dx）=損耗倍率指示值×損耗平衡盤指示值23 [例6-5]

用QS18A型萬用電橋測量線圈的電感量Lx及Qx值，當(dāng)電橋平衡時，左邊讀數(shù)盤（粗調(diào)）示值為0.6，右邊讀數(shù)盤（細調(diào)）示值為0.028，量程開關(guān)在100mH擋上，損耗倍率開關(guān)在Q×1擋上，損耗平衡盤讀數(shù)為3.5，求被測電感Lx和品質(zhì)因數(shù)Qx。 解：由QS18A型萬用電橋的使用方法介紹，可知：

Lx=(0.6+0.028)×100mH=62.8mH

Qx=1×3.5=3.5答：（略）

246.3.2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)