第5章电子元件参数的测量技术

第5章5.1电子元件参数测量的基本要求和方法5.2使用万用电桥测量电阻、电容和电感的操作方法5.3使用Q表测量电容和电感的操作方法5.4使用数字万用表测量电容和二极管的操作方法5.5使用晶体管特性图示仪测量二极管和三极管的操作方法在电子技术中，电子元器件的测量主要包括集中参数元件的测量和晶体管、场效应管等器件的测量。集中参数元件测量是指对电阻、电容、电感、阻抗品质因数Q及损耗因数D的测量。本章重点介绍常见的电子元件在不同工作频率时的测量原理和方法。测试仪器主要有电桥和Q表等仪器。一般对低频元件用电桥法测量，高频元件用谐振法测量。引言5.1电子元件参数测量的基本要求和方法5.1.1电阻器的测量方法和要求1.电阻器的等效电路RL0C0实际电阻器可以等效为纯电阻R与引线电感L0的串联，再与分布电容C0的并联。引线电感是由于绕制电阻的金属丝或碳膜电阻制造过程中的刻槽等原因而产生的。低频状态下，感抗很小，容抗很大，故可将电容看成开路，电感看成短路，但在高频状态下，由于感抗很大，容抗很小，就必须考虑电感和电容的因素。2.测量方法根据阻值的大小分为三类：电阻小电阻（1Ω以下），测量使用专用的仪器，如直流双臂电桥中值电阻（1Ω~0.1MΩ），万用表法，伏安法，直流单臂电桥大电阻（0.1MΩ），兆欧表法万用表测电阻注意：1.待测电阻需在不带电情况下测量；2.万用表选择开关置于任一欧姆档时，应先进行调零；3.为测量准确，应选择合适的量程，使指针在标尺中心附近。AVR（a）前接法AVR（b）后接法伏安法测电阻伏安法，即电压表-电流表法，是根据欧姆定律来测量集中元件参数的。该方法使用方便，但测量精确度较差，仅适用于低频测量，比较适合直流电阻的测量。注意：电压表前接法，又称电流表内接法和伏安法，此时测量值包含被测电阻和电流表内阻，因此适合测量阻值较大的电阻。电压表后接法，又称电流表外接法和安伏法，此时测量值包含被测电阻和电压表内阻并联，因此适合测量阻值较小的电阻。电桥法测电阻当工作频率较宽，测量精度较高，低频阻抗的测量可用直流电桥进行。电桥法又称为指零法，是利用示零电路作为指示器，根据电桥平衡时，各桥臂之间的关系来确定被测量。按电桥中使用电源的不同可分为直流电桥和交流电桥。测量电阻主要用直流电桥，通常又分为直流单臂电桥和直流双臂电桥。直流单臂电桥又叫惠斯登电桥，适用于中值电阻的测量。直流双臂电桥用于测量小电阻，大电阻可用超高阻电桥。原理如下图所示,图中R1、R2是固定电阻，构成比率臂，比例系数R1/R2=K，RN为标准电阻，Rx为被测电阻，G为检流计。RNR1RxR2G电桥平衡的条件：R2RN=R1Rx所以有NNxKRRRRR121.电感的种类与参数理想电感器是储能元件，存储的磁场能量为E=LI2/2。它是用长导线绕制而成。电感的主要参数有三个，即电感量、品质因数和分布电容(1)电感量。(2)品质因数。电感损耗电阻为R，在一定频率的交流电压下工作时，电感所呈现的感抗与损耗电阻R之比，称为电感的品质因数，即(3)分布电容。当工作频率较低时，分布电容作用可忽略。RfLRLQ25.1.2电感器的测量方法和要求2.电感器的等效电路实际电感器在运用中除考虑电感量参数外，由于线圈的因素也要考虑损耗电阻，它的等效电路为损耗电阻RLS与纯电感串联或者并联损耗电阻RLP与纯电感并联，如下图所示。（a）（b）实际电感器还存在分布电容C，在频率不太高的情况下，分布电容的影响由于容抗很大可忽略不计。高频时则必须考虑，高频时电感的等效电路如下图所示。RLCRLC测量电感主要是测量电感值和品质因数。品质因数是存储的功率与损耗功率之比。Q值越大损耗越小，电感的品质越好。串联等效电路：Q=XL/RLS=ωL/RLS并联等效电路：Q=RLP/XL=RLP/ωL（1）谐振法测电感信号源C～RC0LxV测量时，首先调节信号源的频率，使电压表的读数为最大值，记下此时频率为f1，这时有由于式中C0还未可知，需进行第二次测量，此时不接入电容C，对应的谐振频率为f2，因此有)()2(1021CCfLx021)2(1CfLx3.测量方法所以有022122210)2(1CfLLCfffCx（2）1.工作原理交流电桥原理图如下，主要由桥体、电源G及平衡指示器P等组成。桥体由Z1、Z2、Z3、Zx四个桥臂组成，桥臂由电阻和电抗元件组成。电源为纯正弦交流电源。当IP=0时，电桥处于平衡状态，电桥平衡条件如下：或即：φx+φ2=φ1+φ3由此可见，要使交流电桥完全平衡，必须同时满足后两个等式，即振幅平衡条件和相位平衡条件。振幅平衡条件相位平衡条件当相邻两桥臂为纯电阻时，另外两个桥臂应呈现同性电抗；当某一对角桥臂为纯电阻时，另外一对角桥臂应呈现异性电抗；当两个桥臂由纯电阻构成时，呈现电抗特性的桥臂必须由标准可调电阻和电抗件构成，该电抗件一般选用标准可调电容。于是，当Z1、Z2为纯电阻R1、R2时，满足关系：321ZRRZx当Z1、Z3为纯电阻R1、R3时，满足关系：231ZRRZx由上式得，当两个邻臂为纯电阻时的电桥称为臂比电桥，它比较适于测量电容；当两个相对桥臂为纯电阻时的电桥称为臂乘电桥，它比较适于测量电感。321ZRRZx231ZRRZx交流电桥的电源必须为纯正弦波交流电源，否则，由于电源中频率成分复杂，会使电桥产生假平衡，从而产生很大的误差。为了提高测量精确度，IP要经过选频放大器放大、检波器检波后送入检流计。为了减小杂散耦合的影响，电桥各部分之间要良好屏蔽，但即使如此，交流电桥也只适合在音频或低射频段使用，高频段的测量适合选用谐振法。R2RxRnGR1Lx～u(t)Cn式中ZL=Rx+jωLx进一步推算可得CnLZRRZ2nnCCRjRCjRZ1111/11122RRRRCRRLnxnnx2.麦克斯韦电桥（测量低Q电感）Q=ωRnCn3.海氏电桥（测量高Q电感）该交流电桥平衡条件为：经推导，得：Rx=R1R2/RSLx=R1R2CSQx=1/ωRsCs（3）其方法是在交流电压工作条件下，利用电压表和电流表测出加于电感两端的电压U和流过电感的电流I，则有ωL=U/I，如下图所示。～RUsLxrV2V1由复数的欧姆定律可知所以122/LLxUUXfLIUr212UUfrLx（4）常用的LCR测试仪器测量电感采用了电感—电压转换法。阻抗的数字化测量是利用正弦信号在被测阻抗两端产生交流电压，然后对电压实部和虚部进行分离，最后利用电压的数字化测量来实现阻抗的测量。虚部实部分离电路＋－RxLxUoUrUx～R1R2Us图中Us、R1为固定量，运算放大器输出为Uo，在复数领域后续虚部、实部分离电路可以从Uo中分离出实部Ur和虚部Ux，则)(11110ssxSxxSLURLjURRURLjRURZUrxxxxSxxSrUURLQURLUURRU1125.1.31.电容的参数、种类与标识方法1）电容的参数电容是由两片金属相对，中间夹着介质构成的，是储能元件，存储的电场能量为E=CU2/2。实际电容器则存在损耗电阻和引线电感。由于电容器损耗电阻的存在，会使电容器在使用过程中消耗一定的能量，这种能量损耗称为电容器的介质损耗，用Rcs或Rcp来表示。在应用形式上可等效为串联损耗电阻Rcs与纯电容串联或者并联损耗电阻Rcp与纯电容并联的电路，如下图所示。在频率不太高的情况下，引线电感的影响由于其感抗很小可忽略不计。在高频电路中就必须考虑其影响，高频时的电容等效电路如下图所示。综上所述，任何情况下，在实际运用中对电容器元件需要测量两个参数，即电容量和损耗大小，电容器的损耗大小通常用损耗因数D来表示，D值越小损耗越小。通常用损耗因数D来表示电容器的损耗大小，具体表达式为：D=RCS/XC=ωCRCSD=XC/RCP=1/(ωCRCP)串联等效电路：并联等效电路：式中，XC为电容器的容抗。2.测量方法1)测量电路如下图所示，图中Us为激励信号源，L为标准电感，Cs为标准电感分布电容，R为信号源内阻，Cx为被测电容。LVCxCsR～Us测量时可反复调节信号源频率，使电压表读数最大，这时信号源的频率为f0，由电路谐振条件可知即所以LC120LC201201(2)xssCCCCfL2)交流电桥法测量电容测量低损耗因数D电容的串联电阻式维恩电桥。该交流电桥平衡条件为：经推导，得：Rx=R1RS/R2Cx=R2CS/R1Dx=ωRxCx=ωRsCs测量高损耗因数D电容的并联电阻式电桥。该交流电桥平衡条件为：经推导，得：Rx=R1RS/R2Cx=R2CS/R1Dx=1/ωRsCs4）电容的数字化测量方法下图为电容-电压变换器的阻抗—交流变换部分，其他部分与电感—电压变换器的结构相似。利用上述方法，可得：rxURRU11xrCURU12由此可见，也可以利用数字多用表来实现Cx、Rx及D的测量。5.1.1万用电桥的电路结构万用电桥包含三个部分：测量桥体、1KHz交流电源和配有晶体管放大器的磁电系指零仪。测量桥体由测量电阻用的惠斯登电桥、测量电容用的维恩电桥和测量电感的麦克斯维电桥。（a）测量电阻的电路（b）测量电感的电路（c）测量电容的电路5.2使用万用电桥测量电阻、电容和电感的操作方法（1）测量电阻的电路测量电阻时，电桥接成惠斯登电桥。当电桥平衡时（2）测量电感的电路测量电感时，电桥接成麦克斯威电桥。当电桥平衡时（3）测量电容的电路测量电容时，电桥接成维恩电桥电桥。当电桥平衡时ABSxRRRR=ABxsRRRR=xABsLRRC=/AxBsRRRR=xssQCRw=/xBsACRCR=/AxsBRRRR=xssDCRw=5.1.2QS18A型万用电桥的操作方法1．QS18A型万用电桥主要性能指标当仪器工作在+10℃～+30℃，相对湿度在30～80%情况下时，测量结果应不超过下表中所示的规定。被测量测量范围基本误差（按量程最大值计算）损耗范围使用电源电阻10mΩ～1.1Ω1Ω～1.1MΩ1MΩ～11MΩ±(5%±5mΩ)±(1%±Δ)±(5%±Δ)10mΩ～10Ω用内部1KHz电源大于10Ω用内部9V电源电容1.0pF～110pF100pF～110µF100µF～1100µF±(2%±0.5pF)±(2%±Δ)D值0～0.010～10内部1KHz电源电感1.0µH～11µH10µH～110µH100µH～1.1H1H～11H10H～110H±(2%±0.5µH)±(2%±Δ)±(2%±Δ)±(2%±Δ)Q值0～10内部1KHz电源2.QS18A型万用电桥的面板面板上各开关旋钮的作用如下：1.被测元件接线柱—用于连接被测元件。2.外接插孔—用于外接音频电源。3.外-内1kHz选择开关—用于选择电桥工作电源。凡使用机内1kHz振荡器时，应把此开关拨向“内1kHz”位置。4.量程开关—确定测量范围，各示值是指电桥读数在满刻度时的最大值。5.损耗倍率选择开关—分为三挡：Q×1，D×0.01，D×1。根据不同情况，按照下表选择合适挡位。测量电阻时，该开关不起作用。表倍率开关位置6.指示电表，用于指示电桥的平衡状态。当电桥平衡时，电表指示为零。7.接地端，与机壳相连，接地。8.灵敏度调节旋钮，用于控制电桥放大器的放大倍数。开始测量时，应降低灵敏度，使电表指示小于满刻度，在使用时应逐步增大灵敏度，进行电桥平衡调节。9.读数调节旋钮（读数盘），用于调节电桥的平衡状态，由粗调和细调组成。调节此二只读数盘使电桥平衡时，第一位读数盘的步级是0.1，也就是量程旋钮指示值的1/10，第二第三位读数是由连续可变电位器指示。11.损耗平衡调节旋钮—用于指示被测元件（电容或电感）的损耗因数或品质因数。被测元件的损耗读数（指电容、电感）由此旋钮指示，此读数盘上的指示值乘以倍率形状指示值，即为正确的损耗示值。12.测量选择开关—用于确定电桥的测量内容。用来转换电桥线路，测电容放在“C”处，测电