第七章电子元器件测量仪器(2)

第7章电子元器件测量仪器7.1概述7.2集总参数元件特性7.3万用电桥原理及使用7.4高频Q表原理及使用7.5晶体管特性图示仪本章小结7.1概述电子元器件中，电阻器、电容器和电感器为基本电路元件；晶体二极管、三极管、场效应管、单结管、晶闸管等为半导体器件；运算放大器、数字逻辑电路、半导体存储器、微处理器等为集成电路器件。不同类型的电子元器件，需要使用不同的仪器进行测量。基本电路元件按其在电路中的工作频率不同，采用不同的测量方法和仪器。工作在低频电路中的元件，常采用电桥法测量，通常使用直流电桥、交流电桥和万用电桥；工作在高频电路中的元件，常采用谐振法测量，通常使用Q表、高频电感电容测量仪。因为半导体器件需要测量的参数很多，有直流参数、低频参数和高频参数，应根据需要测量参数的不同选择不同的测试仪进行测量。常用的仪器有晶体管特性图示仪、晶体管直流参数测试仪、h参数测试仪、Y参数测试仪和场效应管测试仪等。7.2集总参数元件特性电阻器、电容器、电感器这些基本电子元件，由于它们的特性可由两端的电压和电流之间的关系来确切表达，这种关系可用参数来描述，因此又称集总参数元件。1.电阻器具有电阻性质的元件称为电阻器，简称电阻，用R表示。电阻在电路中是耗能元件，电阻值的单位是欧姆(Ω),常用单位还有千欧(KΩ)和兆欧(MΩ)。电阻器的主要参数有电阻值及其误差，额定功率，温度系数等。实际应用中，需要测量的主要参数是电阻值。实际电阻器并不是纯电阻，存在引线电感和分布电容，当电阻器工作在低频时，主要为电阻性质，电抗性质可忽略。但工作在高频时就必须考虑其影响，高频时电阻器的等效电路如图所示。RLC2.电容器具有电容性质的元件称为电容器，简称电容，用C表示。电容在电路中是一个储能元件，电容量的单位法拉(F),常用单位有微法(μF)和皮法(pF)。实际电容器由于极间的电介质存在漏电阻（RCP），会使电容器消耗一定的能量，这种能量损耗称为电容器的介质损耗，此时电容器的等效电路如图所示。电容器的主要参数有电容量及其误差、额定电压（击穿电压）、温度系数、损耗因数等，实际应用中需要测量的是电容量和损耗因数。RcpC(a)RcpC(b)3.电感器具有电感性质的元件称为电感器，简称电感，用L表示。电感在电路中也是一个储能元件，电感量的单位是享利(H)。常用单位有毫享(mH)和微享(μH)。实际电感器由于线圈存在直流电阻，使电感器消耗一定的能量，这种能量损耗称为电感器的电阻损耗，此时电感器的等效电路如下图所示。其中R的下标P表示并联；S表示串联；L表示电感的等效电阻。RlsL(a)RlpL(b)实际电感器还存在分布电容，当电感器工作在低频时，分布电容可忽略。但工作在高频时就必须考虑其影响，高频时电感器的等效电路如下图所示。RCL(a)RCL(b)7.3万用电桥原理及使用工作在低频电路中的元件参数通常采用电桥法进行测量，电桥法实际上是一种比较测量法，它是把被测量与同类性质的标准量进行比较，从而确定被测量大小的方法。万用电桥就是一种在低频条件下测量电阻、电容和电感参数的交流阻抗电桥。1.电桥的分类及平衡条件直流电桥平衡条件RxR3R4R2XMM1324RRRRx交流电桥其工作原理与直流电桥基本相同，所不同的是桥臂由电阻和电抗元件组成，采用交流电源供电，平衡指示表为交流电表，桥臂由电阻和电抗元件组成，因此它可以用来测量交流电阻、电容和电感元件的参数。交流电桥的平衡条件有两个：一个是幅度平衡条件，一个是相位平衡条件。为此，交流电桥至少应有两个可调节的标准元件。为了使调节方便，交流电桥有两种基本形式：电阻比率电桥和电阻乘积电桥。ZxZ3Z4Z2XMM1电桥法的优缺点和频率范围高精度（0.1%典型值）使用不同电桥可得到宽频率范围价格低需要手动平衡单台仪器的频率覆盖范围较窄频率范围：DC~300MHz谐振法改变电容C直到电路谐振谐振时XL=XC仅有RX存在VRXDUTLXEZEICVEVRXRXQEVRIVXXCXLXCOSC谐振法的优缺点和频率范围可测很高的Q值需要调谐到谐振阻抗测量精度低频率范围：10KHz~70MHz电压电流法由测量的电压值和电流值计算被测阻抗ZX电流通过它所流经的RS上的电压计算sxRVVIVZ211V1V2RSZXIOSC电压电流法的优缺点和频率范围可测量接地器件适合于探头类测试需要使用简单工作频率范围受使用探头的变压器的限制频率范围：10KHz~100MHz仪器分类阻抗测量仪器分为两种一种是利用模拟阻抗测量的仪器采用电桥法的：万用电桥；惠斯登电桥等各种电桥仪器采用谐振法的：Q表采用电压-电流法的：多用表；可变电阻器；参数测测仪另一种是数字式阻抗测量仪器采用RF电压电流法的：射频阻抗分析仪采用自动平衡电桥法的：LF阻抗测量仪采用网络分析法的：网络分析仪7.4高频Q表原理及使用7.4.1高频Q表的组成和工作原理1.高频Q表的组成高频Q表一般由高频振荡电路、频率指示器、测量回路、Q值指示电路和电源电路几部分组成，基本组成框图如图所示。2.高频Q表的工作原理高频Q表是利用谐振原理来进行各种测量。用高频Q表测量电感和电容时，通常采用替代法，其中又分为并联替代法和串联替代法，适于不同情况下使用。频率指示高频振荡电路测量回路Q值指示电路7.4.2高频Q表的使用QBG-3B型高频Q表采用了晶体管和集成电路器件，振荡频率指示采用数字式频率计，除具有一般Q表的测量功能外，还具有ΔQ测量和Q值设定功能，便于批量元件的测量。1.主要技术指标Q值测量范围：10～1000分4档30；100；300；1000，准确度±10%。电感量测量范围：0.1μH～100mH分6档。(0.1～1μH；1～10μH；10～100μH；0.1～1mH；1～10mH；10～100mH，准确度±5%)电容量测量范围：(1～460)pF。主调电容(40～500)pF；微调电容±3pF；准确度150pF以上为±1%；150pF以下为±1.5pF。振荡频率范围:50KHz～50MHz分6档。(50～150)KHz；(150～500)KHz；(0.5～1.5)MHz；(1.5～5)MHz；(5～16)MHz；(16～50)MHz）。2.面板布置3.使用方法（1）测试前准备仪器水平放置：先校准Q值指示表的机械零点，并将读数微调度盘调到零。接通电源：预热30min以上，待仪器稳定后再进行测量。每次测试前：应先短接接线柱两端，进行零点校准。（2）高频线圈Q值的测量将被测线圈接在接线柱上：选择测量频段，并调节振荡频率到所需频率值上。估计被测线圈的Q值：将Q值范围开关放在适当的位置上。调主调电容器远离谐振点位置：使Q值指示表指示最小，再调Q值零位校准旋钮，使Q值指示为零。调主调电容器到谐振：再调微调电容器到精确谐振点，即Q值指示表指在最大值，此时读数即为被测线圈的有效Q值Qe。（3）高频线圈电感量的测量将被测线圈接在Lx接线柱上；估计被测线圈的电感量,在面板对照表上选择一个标准频率，将振荡频率调到这一标准频率。估计线圈的Q值：将Q值范围放在适当的位置上。调主调电容器到谐振：这时读数盘上指示的读数再乘以对照表上所指的倍数，即为线圈的有效电感量。(4)、电容器容量的测量A、在测量范围内的小于主调电容量的电容器的测量a.选一个适当的谐振电感接到“Lx”的两端：b.将微调电容调至零，主调电容器调到最大值附近，令这个电容是C1，如未知电容是小数值的．Cl应调到较小电容值附近，以便达到尽可能高的分辨率：c.调讯号源的频率，使测试回路谐振．令谐振器Q的读数为Q1；d.将被测电容接在“Cx”两端，调主调电容器，使测试电路再谐振·令新的调谐电容值为C2和指示Q值为Q2。被测电容的有效电容为Cx=C1一C2电容器损耗角正切tgδ可求B、大于主调电容量的电容器用可替代法测量a.取一只适当容量的标准电容量，其容量为C3．将它接在“Cx”接线柱上。b.按5A／a-c各测试步骤．c.取下标准电容器．将被测电容接到”Cx”接线柱,调节主调电容器到谐振．此时主调电容量读数为C2．则Cx可由下式得到：Cx＝C3+C1－C2(5)、谐振点自动搜索功能的使用如果你对电感元件无法确定它的数值时，你就可用该功能来帮你寻找出它的谐振频率点。步骤如下：a.把元件接以接线柱上：b.主调电容调到中间位上(大概)：c.按一下搜索按键．右上角指示灯亮时，仪器就进人搜索状态。仪器从最低工作频率一直搜索到最高工作颧率．如果你的元件谐振点在频率覆盖区间内，搜索结束后，将会自动停在元件的谐振频率点附近。如果临时要退出搜索状态，可再按一次搜索键，仪器会退出搜索操作。4.测量注意事项（1）被测元件与仪器测量接线柱间的接线应尽量短，足够粗，接触良好，以减小测量误差。（2）被测元件不要直接放在仪器顶部，必要时用低耗绝缘材料作衬垫物隔开。（3）不要将手靠近被测件，以免人体感应造成测量误差。（4）有屏蔽罩的被测元件，屏蔽应接在低电位的接线柱上。7.5晶体管特性图示仪晶体管特性图示仪是一种采用图示法直接在示波管上显示各种晶体管特性曲线的多用途测试仪器，通过仪器的标尺刻度可直接读出晶体管的各项参数。如测量PNP和NPN三极管的输入特性、输出特性、电流放大特性；各种反向饱和电流、各种击穿电压、各类晶体二极管的正反向特性；场效应管的漏极特性、转移特性、夹断电压和跨导等参数，此外还可测量单结晶体管和晶闸管的特性参数。与其他晶体管测试仪相比，晶体管特性图示仪具有用途广泛，直接显示和读数简便等优点，尤其是在晶体管的各种极限参数和击穿特性的观测上，由于测试时采用瞬时电压和瞬时电流，能使被测晶体管只承受瞬时过载而不致造成损坏，因此对晶体管的测试和晶体管的合理应用都带来极大的方便，但图示仪不能用于测量晶体管的高频参数。7.5.1晶体管特性图示仪的组成和工作原理1.图示仪的组成晶体管特性图示仪是由集电极扫描电压发生器、基极阶梯信号发生器、同步脉冲发生器、X放大器和Y放大器、示波管及控制电路、电源电路几部分组成，基本组成原理框图如图所示。集电极扫描电压发生器。可产生如图7-23所示的集电极扫描电压，它是正弦半波，幅值可以调节，用于形成水平扫描线。基极阶梯信号发生器。可产生基极阶梯电流信号，阶梯高度可以调节，用于形成多条曲线簇。同步脉冲发生器。用于产生同步脉冲，使上述两信号达到同步。X放大器和Y放大器。用于把从被测器件上取出的电压信号进行放大，然后送至示波管的相应偏转板上，以形成扫描曲线。示波管及控制电路。它与通用示波器的电路基本相同。电源电路。为仪器提供各种工作电源，包括低压电源和示波管所需的高频高压电源。2.图示仪的测量原理（1）二极管正、反向特性曲线的测试原理框图（2）三极管的输入、输出特性曲线测试原理框图（3）场效应管的漏极和转移特性曲线测试原理框图7.5.2晶体管特性图示仪的使用方法晶体管特性图示仪的型号很多，但使用方法基本相同。下面以HZ4832型晶体管特性图示仪为例，说明图示仪的主要技术参数和使用方法。HZ4832型晶体管特性图示仪是一种用示波管显示半导体器件的各种特性曲线，并可测量其表态参数的测试仪器。1.主要技术指标集成极电流范围（Ic）0.5μA/div～1A/div分20档误差不超过±3％（IR）50nA/div～1μA/div分5档误差不超过±15％基极电流或基极源电压0.01V/div误差不超过±３％外接输入0.01V/div误差不超过±３％X轴偏转因数（VC）10mV/div～50V/div分12档误差不超过3％（VD）300V/div误差不超过10％基极电流或基极源电压0.01V/div误差不超过３％外接输入0.01V/div误差不超过３％阶梯信号阶梯电流范围：0.5μA级～100mA级分17档误差不超过5％阶梯电压范围：0.05V/极～1V／极分5档误差不超过5％串联电阻：0、10KΩ、1MΩ分3档误差不超过±10％每簇级数：1～10