第七章 阻抗测量精选PPT.ppt

第七章 阻抗测量第1页，本讲稿共26页7.1概述7.1.1 阻抗的定义与表示式阻抗是表征一个元器件或电路中电压、电流关系的复数特征阻抗是表征一个元器件或电路中电压、电流关系的复数特征量，用公式表示为量，用公式表示为（7.1）导纳导纳Y是阻抗是阻抗Z的倒数，即的倒数，即（7.2）图7.1阻抗的矢量图Rjx第2页，本讲稿共26页基础知识复习基础知识复习1.频率与波长：频率与波长：毫米波毫米波厘米波厘米波分米波分米波米波米波 f f101mm101mm101cm101cm1m10cm1m10cm101m101m c c30300GH30300GHz z330GHz330GHz0.33GHz0.33GHz30300MHz30300MHzf f=2.集总参数和分布参数：集总参数和分布参数：高频（高频（30300MHz）以下波段）以下波段，即波长大于，即波长大于1m的情况的情况 这时元器件为集总参数（元件尺寸这时元器件为集总参数（元件尺寸波长）波长）参数集中在参数集中在R、L、C等元件中，认为与导线无关。等元件中，认为与导线无关。微波（微波（300MHz300GHz），），即波长小于即波长小于1m的情况的情况 这时元器件为分布参数（元件尺寸这时元器件为分布参数（元件尺寸 波长）波长）参数分布在腔体、窗口、微带线等微波器件中，与路径有关。参数分布在腔体、窗口、微带线等微波器件中，与路径有关。第3页，本讲稿共26页7.1.2 阻抗元件RLC的基本特性 在电子技术中，随着频率及电路形式的不同，可分为：在电子技术中，随着频率及电路形式的不同，可分为：集总参数电路集总参数电路：频率：频率在在数百兆赫以下数百兆赫以下的集总参数电路元件的集总参数电路元件(如如电感线圈、电容器、电阻器等电感线圈、电容器、电阻器等)。元件尺寸元件尺寸波长波长（300MHz,=1m）分布参数电路分布参数电路：频率：频率在数百兆赫以上在数百兆赫以上的微波段，的微波段，L、C已小到已小到做不出来，只能做成微波器件（如谐振腔、耦合窗、波导、微做不出来，只能做成微波器件（如谐振腔、耦合窗、波导、微带线等）带线等）元件尺寸元件尺寸波长波长 本章只讨论集总参数：本章只讨论集总参数：R、L、C只能近似地看作理想的纯电阻或纯电抗。只能近似地看作理想的纯电阻或纯电抗。任何实际的电路元件任何实际的电路元件不仅是不仅是复数阻抗复数阻抗，且其数值一般都，且其数值一般都随所加随所加的电流、电压、频率及环境温度、机械冲击等而变化的电流、电压、频率及环境温度、机械冲击等而变化。特别是。特别是当频率较高时，各种分布参数的影响变得十分严重。这时，电当频率较高时，各种分布参数的影响变得十分严重。这时，电容器可能呈现感抗，而电感线圈也可能呈现容抗。容器可能呈现感抗，而电感线圈也可能呈现容抗。下面我们来分析电感线圈、电容器和电阻器随频率而变化的情下面我们来分析电感线圈、电容器和电阻器随频率而变化的情况。况。第4页，本讲稿共26页1.电感线圈电感线圈 电感线圈的主要特性为电感电感线圈的主要特性为电感L，但不可避免地还包含有，但不可避免地还包含有损耗电损耗电阻阻rL和和分布电容分布电容Cf。在一般情况下，。在一般情况下，rL和和Cf的影响较小。由图的影响较小。由图可知电感线圈的等效阻抗为可知电感线圈的等效阻抗为 图7.2 电感线圈的高频等效电路f式中式中 Rdx等效电阻；等效电阻；Ldx等效电感等效电感第5页，本讲稿共26页令令 为其为其固有谐振角频率固有谐振角频率，并设，并设 rL 则上式可简化为则上式可简化为，（7.4）当当 时，时，Ldx为正值，这时电感线圈呈感抗；为正值，这时电感线圈呈感抗；当当 时，时，Ldx为负值，这时呈容抗为负值，这时呈容抗；当；当(严格地说，严格地说，)时，时，Ldx0，这时为一纯电阻，这时为一纯电阻，由于，由于Cf及及rL均均很小，故为一高阻。很小，故为一高阻。当当 时，由式时，由式(7.4)可知，可知，Rdx及及Ldx均随频率的增高而均随频率的增高而增高。增高。第6页，本讲稿共26页2.电容器电容器 电容器的等效电路如图电容器的等效电路如图7.3(a)所示，其中，除理想电容所示，其中，除理想电容C外，外，还包含有还包含有介质损耗电阻介质损耗电阻Rj，由引线、接头、高频趋肤效应等，由引线、接头、高频趋肤效应等产生的产生的损耗电阻损耗电阻R，以及在电流作用下因，以及在电流作用下因磁通引起的电感磁通引起的电感L0。图7.3电容器的等效电路(a)电容器的等效电路 (b)低频等效电路(c)高频等效电路第7页，本讲稿共26页3.电阻器电阻器 电阻器的等效电路如图电阻器的等效电路如图7.4所示，其中，除理想电阻所示，其中，除理想电阻R外，还有外，还有串联剩余电感串联剩余电感LR及及并联分布电容并联分布电容Cf。令令 为其固有为其固有谐振频率，当谐振频率，当 时，等效电路呈感性，时，等效电路呈感性，电阻与电感皆随频率的升高而增大；当电阻与电感皆随频率的升高而增大；当 时，等效电路时，等效电路呈容性。呈容性。图7.4 电阻器的等效电路RLRCf第8页，本讲稿共26页4.Q值值通常用品质因数通常用品质因数Q来衡量电感、电容以及谐振电路的质量，其来衡量电感、电容以及谐振电路的质量，其定义为定义为 Q=2磁能或电能的最大值磁能或电能的最大值/一周期内消耗的能量一周期内消耗的能量 对于电感可以导出对于电感可以导出（7.5）对于电容器，若仅考虑介质损耗及泄漏因数，品质因数为对于电容器，若仅考虑介质损耗及泄漏因数，品质因数为（7.6）在实际应用中，在实际应用中，常用损耗角常用损耗角和损耗因数和损耗因数D来衡量电容器的质量来衡量电容器的质量。损耗因数定义为损耗因数定义为Q的倒数，即的倒数，即 （7.7）教材堪误教材堪误第9页，本讲稿共26页式中，损耗角式中，损耗角的含义如图的含义如图7.5所示。对于无损耗理想电容器，所示。对于无损耗理想电容器，与与 的相位差的相位差=90，而有损耗时则，而有损耗时则90。损耗角。损耗角=90-，电容器的损耗愈大，则，电容器的损耗愈大，则也愈大，其值由介质的特也愈大，其值由介质的特性所决定，性所决定，一般一般1，故，故 图7.5有损耗电容器的等效电路及矢量图(a)并联等效电路 (b)串联等效电路(d)图(b)所示电路 的矢量图(c)图(a)所示电路 的矢量图第10页，本讲稿共26页7.1.3 阻抗的测量特点和方法 通过上面对通过上面对RLC基本特性的分析，可以明显地看出，电感线圈、基本特性的分析，可以明显地看出，电感线圈、电容器、电阻器的实际阻抗随各种因素而变化，在选用和测量电容器、电阻器的实际阻抗随各种因素而变化，在选用和测量RLC时必须注意两点：时必须注意两点：1.保证测量条件与工作条件尽量一致保证测量条件与工作条件尽量一致 测量时所加的电流、电压、频率、环境条件等必须尽可能接近测量时所加的电流、电压、频率、环境条件等必须尽可能接近被测元件的实际工作条件，否则，被测元件的实际工作条件，否则，测量结果很可能无多大价值测量结果很可能无多大价值。2.了解了解RLC的自身特性的自身特性 在选用在选用RLC元件时就要了解各种类型元件的自身特性。例如，元件时就要了解各种类型元件的自身特性。例如，线绕电阻只能用于低频状态线绕电阻只能用于低频状态；电解电容的引线电感较大；铁芯电解电容的引线电感较大；铁芯电感要防止大电流引起的饱和。电感要防止大电流引起的饱和。讨论：讨论：通常电源滤波电路中为何在大电容旁边还并联一个小电通常电源滤波电路中为何在大电容旁边还并联一个小电容？容？第11页，本讲稿共26页电电解解电电容容引引线线电电感感大大，高高频频时时显显感感性性，失失去去滤滤波波作作用用。但但对对低低频频滤滤波波效果好。效果好。陶陶瓷瓷片片之之类类电电容容，高高频频特特性性好好，对对高高频频滤滤波波好好，但但容容量量小小，对对低低频频滤波不行。滤波不行。阻抗的测量方法模拟式数字式伏安法-电压-电流法电桥法-手动调平衡谐振法-高频（Q表法）自动平衡电桥法矢量电压-电流法网络分析法0.1F0.1F100F100F第12页，本讲稿共26页7.2电阻的测量 7.2.1 伏安法 伏安法的理论根据是欧姆定律，即伏安法的理论根据是欧姆定律，即R=U/I。其测量原理如图。其测量原理如图7.6所示。具体方法是直接测量被测电阻上的端电压和流过的电流，所示。具体方法是直接测量被测电阻上的端电压和流过的电流，再计算出电阻值。再计算出电阻值。对于图对于图7.6电路，电路，通常在直流状态下用伏安法测量电阻通常在直流状态下用伏安法测量电阻，它与低，它与低频（如频（如50100Hz）状态下测量结果相差很小，而不必选用交）状态下测量结果相差很小，而不必选用交流仪表。流仪表。由于伏安法是实现阻抗定义的方法，下面介绍的一些阻抗测量由于伏安法是实现阻抗定义的方法，下面介绍的一些阻抗测量方法，从原理上讲大多都属伏安法。方法，从原理上讲大多都属伏安法。图7.6伏安法测量直流电阻(a)第一种方案 (b)第二种方案第13页，本讲稿共26页7.2.2 三用表中的电阻档 1.模拟式指针三用表中的欧姆档模拟式指针三用表中的欧姆档 1)测量原理测量原理 图中电池接法是考虑到三用表中要与电压、电流测量共用表笔，图中电池接法是考虑到三用表中要与电压、电流测量共用表笔，黑表笔为公共端（黑表笔为公共端（COM），），红表笔红表笔为测为测电流、电压的正端电流、电压的正端，故，故电池极性必须按图中的接法，才能保证表针顺时针偏转。电池极性必须按图中的接法，才能保证表针顺时针偏转。当当 RX=0时时，相当于红黑表笔短路，调节内阻，相当于红黑表笔短路，调节内阻RT（包含电表（包含电表内阻内阻rA和可调电阻和可调电阻R）使表头中电流达最大值，表盘上刻度应）使表头中电流达最大值，表盘上刻度应是是0，如图，如图7.7所示。所示。当当 RX=，相当于开路，表头中电流相当于开路，表头中电流为零，表盘上刻度是为零，表盘上刻度是。RTE图7.7 欧姆表原理电路图-COM+U U、I I、RxRrA（7.8）当当 RX=RX 这时电流值应为这时电流值应为 第14页，本讲稿共26页由（由（7.2-1）式可以看出，）式可以看出，I与与RX是种非线性关系，这会导至是种非线性关系，这会导至表盘刻度不均匀。表盘刻度不均匀。当当RX=RT时，这时时，这时I=Im/2，指针将处于表盘中央，故将，指针将处于表盘中央，故将RT称为称为中值电阻中值电阻。可以证明这时是测量误差最小的情况（见第。可以证明这时是测量误差最小的情况（见第2章最章最佳测量点的选择）。这一特点不同于电流、电压表。佳测量点的选择）。这一特点不同于电流、电压表。2)欧姆表的量程欧姆表的量程 由（由（7.2-1）式可以看出，在欧姆表中更换量程是应更换内阻）式可以看出，在欧姆表中更换量程是应更换内阻(即中值电阻即中值电阻)。表表7.1 某欧姆表量程与中值电阻的关系某欧姆表量程与中值电阻的关系 中值电阻RT101001k10k100k读数倍乘1101001k10k电池电压E1.5V1.5V1.5V1.5V9V能从能从0测到测到，似乎不用似乎不用换量程？换量程？不行不行，两头刻度太密，两头刻度太密第15页，本讲稿共26页3)欧姆表的使用欧姆表的使用 欧姆表经常用来测量电阻、二极管、三极管等元器件，使用中欧姆表经常用来测量电阻、二极管、三极管等元器件，使用中要注意以下三点：要注意以下三点：(1)调零调零：由于三用表中的干电池新旧不同，要保证：由于三用表中的干电池新旧不同，要保证RX=0时指时指针能对准针能对准0，在测量前要进行调零，即将两表笔短路调整电，在测量前要进行调零，即将两表笔短路调整电表内阻，使电流达最大值，则对准表内阻，使电流达最大值，则对准0。应当指出，实际调零。应当指出，实际调零电路要比图电路要比图7.7原理电路稍复杂些，能保证在调零过程中保持原理电路稍复杂些，能保证在调零过程中保持中值电阻基本不变。中值电阻基本不变。(2)极性极性：当用来测量二极管、三极管时，要注意红表笔对应：当用来测量二极管、三极管时，要注意红表笔对应的是电池的负极。的是电池的负极。(3)量程量程：不同量程中值电阻不同，相应的测量电流大小不同。：不同量程中值电阻不同，相应的测量电流大小不同。例如，经常例如，经常用用1k档测二、三极管档测二、三极管，是由于这时中值电阻为，是由于这时中值电阻为10k，相应的最大电流，相应的最大电流I=1.5V/10k=150A，不会损坏晶体，不会损坏晶体管。若用管。若用1档，这时中值电阻为档，这时中值电阻为10，相应电流为，相应电流为I=1.5V/10=150mA，则可能损坏晶体管。，则可能损坏晶体管。第16页，本讲稿共26页2.数字多用表中的电阻档数字多用表中的电阻档 图图7.9给出数字多用表中测量电阻的原理电路示例，利用运放给出数字多用表中测量电阻的原理电路示例，利用运放组成一个多值恒流源，实现多量程电阻测量，各量程电流、组成一个多值恒流源，实现多量程电阻测量，各量程电流、电压值如表电压值如表7.2所示。恒流所示。恒流I通过被测电阻通过被测电阻RX，由数字电压，由数字电压（DVM）表测出其端电压）表测出其端电压UX，则，则RX=UX/I。500nAE至DVM图7.9电阻的数字化测量1mA+-RxA表表7.2 7.2 图图7.97.9中各量程电流、电压值中各量程电流、电压值 量程测试电流满度电压2001mA0.2V2K1mA2.0V20K100A2.0V200K10A2.0V2000K5A10.0V20M500nA10.0V第17页，本讲稿共26页7.2.3 电桥法 电桥平衡条件为电桥平衡条件为 ZXZ4Z2Z3 （7.10）根据上式，可以计算出被测元件根据上式，可以计算出被测元件ZX的量值。电桥平衡时有的量值。电桥平衡时有（7.11）（7.12）当被测元件为电阻元件时，取当被测元件为电阻元件时，取ZX=RX，Z2=R2，Z3=R3，Z4=R4，则图则图7.12所示为一个直流电桥，且有所示为一个直流电桥，且有 RXR2R3R4 (7.13)测量小电阻的准确度可做到测量小电阻的准确度可做到10-5。图7.12交流电桥原理电路第18页，本讲稿共26页7.3 电感、电容的测量7.3.1 电桥法1.电桥法测电容电桥法测电容 测量电容时，桥体连接成图测量电容时，桥体连接成图7.147.14所示的串联电容电桥所示的串联电容电桥(维恩维恩电桥电桥)。根据电桥的平衡条件：。根据电桥的平衡条件：Z ZX XZ Z4 4Z Z2 2Z Z3 3 ，可导出，可导出 （7.14）由由实部相等实部相等可得可得 由由虚部相等虚部相等可得可得（7.16）（7.17）（7.15）图7.14串联电容电桥4第19页，本讲稿共26页3.电桥法测电感电桥法测电感 测量电感时，桥体连接成如图测量电感时，桥体连接成如图7.15所示所示(麦克斯威电桥麦克斯威电桥)。被测。被测电感接在电感接在1、2两端，两端，LX是它的电感量是它的电感量RX是它的等效串联损是它的等效串联损耗电阻。当电桥平衡时由平衡条件可以导出：耗电阻。当电桥平衡时由平衡条件可以导出：图7.15 麦克斯威电桥LX=R2R3C4 RX=R2R3/R4 Q=C4R4 这里只例举了两种电桥。实际这里只例举了两种电桥。实际上，不同厂家、不同型号的产品，上，不同厂家、不同型号的产品，综合了多种不同特点的电桥以获综合了多种不同特点的电桥以获得更好的性能。表得更好的性能。表7.3给出了常用给出了常用的各种电桥的基本线路、特点和平衡条件。的各种电桥的基本线路、特点和平衡条件。电桥设计要点：电桥设计要点：为结构简单，设计两臂为电阻。为结构简单，设计两臂为电阻。相相邻邻两臂为电阻，另两臂则为两臂为电阻，另两臂则为同同性阻抗性阻抗 相相对对两臂为电阻，另两臂则为两臂为电阻，另两臂则为异异性阻抗性阻抗 为易平衡：为易平衡：多采用标准电容作标准电抗（它比标准电感精度高）多采用标准电容作标准电抗（它比标准电感精度高）第20页，本讲稿共26页7.3.2 谐振法（Q表）当回路达到谐振时，有当回路达到谐振时，有 图7.16谐振法原理图且回路总阻抗为零，即且回路总阻抗为零，即 将将回回路路调调至至谐谐振振状状态态，根根据据已已知知的的回回路路关关系系式式和和已已知知元元件件的的数数值值，求求出出未未知知元元件件的的参量。参量。第21页，本讲稿共26页1谐振法测电感谐振法测电感 图7.17串联替代法测电感图7.18并联替代法测电感不接LX调谐接LX调谐 第22页，本讲稿共26页2.谐振法测量电容谐振法测量电容 替代法测电容替代法测电容 图7.20并联替代法测小电容在在不不接接C CX X的的情情况况下下，将将可可变变电电容容C C调调到到某某一一容容量量较较大大的的位位置置，设设其其容容量量为为C C1 1，调调节节信信号号源源频频率率，使使回回路路谐谐振振。然然后后接接入入被被测测电电容容C CX X，信信号号源源频频率率保保持持不不变变，此此时时回回路路失失谐谐，重重新新调调节节C C使使回回路路再再次次谐谐振振，这这时时C C为为C C2 2，那么被测电容，那么被测电容C CX X=C C1 1-C C2 2。第23页，本讲稿共26页3.Q表的工作原理表的工作原理 Q表是由一个频率可变的高频振荡器，一只标准的可变电容表是由一个频率可变的高频振荡器，一只标准的可变电容器和一个高阻抗的电子电压表组成。当谐振电路谐振时，电器和一个高阻抗的电子电压表组成。当谐振电路谐振时，电容容(或电感或电感)上的电压：上的电压：Q=XC/R=1/R2f0CQ=us/uc US图7.22Q表工作原理图IUc 除了从电压表读出除了从电压表读出Q值外，还可以由振荡器和电容器的刻度盘值外，还可以由振荡器和电容器的刻度盘上读出上读出f和和Cs的数值，从而根据的数值，从而根据 的关系计算出线圈的电感的关系计算出线圈的电感Lx。为了方便起见，在标准电容器的。为了方便起见，在标准电容器的度盘上加一条电感刻度，那么在测量一些特定频率时，可以不度盘上加一条电感刻度，那么在测量一些特定频率时，可以不经计算而直接由刻度盘上读出经计算而直接由刻度盘上读出Lx值。值。第24页，本讲稿共26页国产国产Q表，如表，如QBG-3型的技术参数为：型的技术参数为：Q=10600，分三档，分三档，准确度准确度15%；L=0.1H100mH，分六档，准确度，分六档，准确度5%；C=1469pF，f0=50kHz50MHz，分七档，有七个特定频，分七档，有七个特定频率点。率点。标准电感作业作业：7.37.47.8第25页，本讲稿共26页 表表7.5 7.5 常用的阻抗测量仪器的分类与方法比较表常用的阻抗测量仪器的分类与方法比较表 类别仪器分类采用方法优 点缺 点频率范围一般应用模拟阻抗测量仪器万用电桥；惠斯电桥等各种电桥仪器电桥法高精度(0.1%典型值)。使用不同电桥可得宽频率范围。价格低。需要手动平衡。单台仪器的频率覆盖范围较窄。DC至300MHz标准实验室多用表；可变电阻器；参数测量仪电压电流法可测量接地器件。适合于探头类测量需要。工作频率范围受使用探头的互感器的限制。10KHz至100MHz接地器件测量Q表谐振法可测很高Q值需要调谐到谐振，阻抗测量精度低。10KHz至70MHz高Q值器件测量数字阻抗测量仪器LF阻抗测量仪自动平衡电桥法从低频至高频的宽频率范围，且宽的阻抗测量范围内具有高精度。不能适应更高的频率范围。20Hz至110MHz通用元件测量射频阻抗分析仪矢量电压电流法高频范围内具有高的精度(0.1%典型值)和宽阻抗范围。工作频率范围受限于探头使用的互感器。1MHz至3GHz射频元件测量网络分析仪网络分析法高频率范围。当被测阻抗接近特征阻抗时得到高精度。可测量接地器件。改变测量频率需要重新校准。阻抗测量范围窄。300KHz或更高射频元件测量第26页，本讲稿共26页