电子测量原理
第 1页
第 6章 阻抗测量
2
6.1 引言
6.2 阻抗标准
6.3 阻抗的模拟测量法
6.4 阻抗的数字测量法
电子测量原理
第 2页
-
元件的工业趋势
VHS
* #
电子测量原理
第 3页
6.1慨述
6.1.1集总参数元件特性表征
1,阻抗定义及表示方法
?I
?U Z
阻抗定义图
?
?
?
I
U
Z
电子测量原理
第 4页
??
??
??
??
s inZX
c o sZR
R
X
a r c t g
XRZ
22
阻抗两种坐标形式的转换关系为：
DUT
Z
?
},R{Z ?
实轴
+j
-j
电阻
电
感
电
容
虚
轴
电子测量原理
第 5页
2,电阻器、电容器、电感器的电路模型
(1)真值，有效值和指示值
(2)元件的影响因素
?测试信号频率
?测试信号电频
?直流偏置 电压和电流
?温度
?其它影响因素 （环境，湿度，老化等）
电子测量原理
第 6页
理想电阻
考虑引线电感
考虑引线电感
和分布电容
? 电阻器
R
R
R C
0
L0
L0
电子测量原理
第 7页
理想电容
考虑泄漏、引
线电阻和电感
考虑泄漏、介
质损耗等
? 电容器
C
C
C
R0
R0
L0R,0
电子测量原理
第 8页
? 电感器
理想电感
考虑导线损耗
考虑导线损耗
和分布电容
L
R0 L
C0
LR0
电子测量原理
第 9页
测量器件的寄生参数影响
DUT
电子测量原理
第 10页
电阻器的频率响应
寄生电容C0
R
低阻值电阻
理想 R
?
R
|z|
高阻值电阻
理想 R
?
R
|z|
引线电感R L0
电子测量原理
第 11页
电感器的频率响应
C0
L R0
L
C0
R0
C0的影响
|z|
理想 L
?
R0
理想 L
C0的影响
|z|
?
R0
电子测量原理
第 12页
电容器的频率响应
L0的影响
|z|
R0 理想 C
?
R0C L0
电子测量原理
第 13页
测试信号 （ AC） 电频对电容器和铁芯电感器的影响
与 AC有关的磁芯电感器与 AC电压有关的陶瓷电容器
(a) 测试电压 (AC)
② 测试信号电频：
高 K值
中 K值
低 K值
ΔC
o
V
(b) 测试电流 (AC)
ΔL
o
I
电子测量原理
第 14页
与直流偏置电压有
关的电容器
直流偏置电压
与直流偏置电流有
关的磁芯电感器
陶瓷电容器与铁芯电感器的直流偏置影响
③ 直流偏置
高 K值
低 K值
ΔC
o
V0
直流偏置电流
o
ΔL
I0
电子测量原理
第 15页
④ 温度
时间温度
中 K值
高 K值
陶瓷电容器的温度相关性 陶瓷电容器的老化相关性
o
ΔC
ΔC
o
1 10 102 103 10 425
电子测量原理
第 16页
6.1.2元件参数测量的基本技术
?电桥法
3
2
1 Z
Z
ZZ
x ?
xZ
2Z 3Z
1Z
D
1,测量方法概述
电子测量原理
第 17页
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
电子测量原理
第 18页
? 谐振法
?改变电容 C直到电路谐振
?谐振时 XL=XC 仅有 RX存在
V
RX
DUT
LX
E
Z
EI ?
C V
E
V
R
X
R
X
Q
E
VR
I
V
X
X
C
X
L
X
C
???
??
OSC
电子测量原理
第 19页
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
电子测量原理
第 20页
? 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
s
x
R
V
V
I
V
Z
2
1
1
?
?
V1
V2
RS
ZX
IOSC
电子测量原理
第 21页
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~ 100 MHz
电子测量原理
第 22页
? RF电压电流法
(a)低阻抗类型
?射频电压电流法与低频电压电流法的原 理相同
?有两种连接电压表和电流表的方法
1
22
2
1
212
1
12
1
?
?
?
?
?
??
V
V
R
R
V
R
V
V
II
V
I
V
Z
x
R
V1
V
V2
R
I1
ZX
I
OSC R
I2
电子测量原理
第 23页
(b)高阻抗类型
R
V
V2V1
ZX
I
OSC R
R—
—2
?
?
?
?
?
?
??
?
??
1
2
2
/
2
1
2
21
V
VR
R
V
VV
I
V
Z
x
电子测量原理
第 24页
射频电压电流法的优缺点和频率范围
?高精度（ 0.1%典型值）
?高频下的宽阻抗范围
?工作频率范围受使用探头的变压器的限制
?频率范围, 1MHz~ 3GHz
电子测量原理
第 25页
? 自动平衡电桥法
-
+
DUT
H L R
虚地
V1 I I2
I= I2
V2= I2R
Z= V1I = V1RV
2
V1
I2 =V2
?通过 DUT的电流也通过电阻 R
?“L”点的电位保持为 0V（ 称为虚地 ）
─ ─ ─
电子测量原理
第 26页
自动平衡电桥法的优缺点和频率范围
?高精度（ 0.05%典型值）
?很宽的测量范围
?使用简单
?不能适应更高的频率范围
?频率范围, 20Hz~ 110MHz
电子测量原理
第 27页
? 网络分析法
?通过测量输入信号与反射信号之比得到反射系数
?用定向耦合器或电桥检测反射信号
?用网络分析仪提供激励并测量响应
DUT
VINC
VR
输入信号
反射信号
定向偶合
器或电桥
OSC Z
X
V1 V2
电子测量原理
第 28页
网络分析法的优缺点和频率范围
?高频率范围
?当被测阻抗接近特征阻抗时得到高精度
?改变测量频率需要重新校准
?阻抗测量范围窄
?频率范围, 300KHz ~ 3GHz
电子测量原理
第 29页
-
哪个值正确?
Z Analyzer
Q, 165
Q, 120
LCR meter
Q, 165
Q = 120
L, 5.231 uH
L, 5.310 uH
LCR meter
5.310uH
LCR meter
5.231uH
uH
电子测量原理
第 30页
网络分析法300KHz
1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M 1G 10G
10KHz 70MHz
10KHz 110MHz
1 MHz 3GHzRF电压电流法
电压 -电流法 法
谐振 法
0HZ 300MHz
电桥 法
20HZ 110MHz
自动平电桥 法
频率和测量方法
电子测量原理
第 31页
选择正确的测量方法
?每种方法都有其各自的优缺点
?必须首先考虑测量的要求和条件, 然后选择最合
适的方法
?需要考虑的因素包括频率覆盖范围, 测量量程,
测量精度和操作的方便性
?没有一种方法能包括所有的测量能力, 因而在选
择测量方法时需折衷考虑
电子测量原理
第 32页
2.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
电子测量原理
第 33页
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
电子测量原理
第 34页
3,测试连接头
所有阻抗测试都涉及连接头的问题,常用的连接
方法有：
?两端接线柱式（或香蕉插头）适用于 Q表等低
准确度谐振式阻抗仪器
?有极性的同轴的连接头
?中性精密同轴连接头
?三端连接头、四端连接头, 五端连接头
?四端对接头
电子测量原理
第 35页
阻抗的连接图、示意图和测量范围
?两端连接头
Hp
LC
DUT
LP
HC
HC 为 电流高端
Hp 为 电位高端
LP 为 电位低端
LC 为 电流低端
(a)连接图
电子测量原理
第 36页
R0 L0
DUTV
A
R0 L0
(b)示意图
1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M
2T
)(?(c)阻抗测量范围
C0
电子测量原理
第 37页
?三端连接头
Hp
LC
DUT
LP
HC
(a)连接图 (b)示意图
R0 L0
DUTV
A
R0 L0
C0
电子测量原理
第 38页
(d)具有屏蔽的两端连接头
1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M
3T
)(?(c)阻抗测量范围
DUTV
A
电子测量原理
第 39页
?四端连接头
Hp
LC
DUT
LP
HC
DUTV
A
1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M
4T
(a)连接图 (b)示意图
)(?(c)阻抗测量范围
电子测量原理
第 40页
?五端连接头
Hp
LC
DUT
LP
HC
DUTV
A
(a)连接图 (b)示意图
电子测量原理
第 41页
1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M
5T
DUTV
A
(d)具有屏蔽的四端连接头
)(?(c)阻抗测量范围
电子测量原理
第 42页
?四端对连接头
Hp
LC
DUT
LP
HC
(a)连接图
电子测量原理
第 43页
(b)示意图
DUTV
A
1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M
4TP
)(?(c)阻抗测量范围
电子测量原理
第 44页
实际的阻抗测量范围不仅取决于测量仪
器，而且也取决于四端对连接头与 DUT的正
确连接。否则也会限制测量范围。
每种连接方法各有优缺点，必须根据 DUT
的阻抗和要求的测量精度，选择最适合的
连接方法。
电子测量原理
第 45页
6.2 阻抗标准
6.2.1电阻标准
1）标准概况
2）标准电阻器
6.2.2电容标准
1）标准概况
2）标准电容器
6.2.3电感标准
1）标准概况
2)标准电感器
电子测量原理
第 46页
6.2.1电阻标准
1）标准概况
电阻计量标准器具分为一等和二等两个等级
一等电阻标准包括 10-3Ω, 10-2Ω, 10-1Ω, 1Ω,
10Ω, 102Ω, 103Ω, 104Ω, 105Ω9 个标称值及一
等电阻标准装置。二等电阻标准除上述 9个标称值及
电阻标准装置外，还有 106Ω 和 107Ω 及其相应装置。
电阻工作计量器具有 13个标称值,从 10-4Ω 到 108Ω.
每个标称值又有 0.00005级到 0.2级不等的 7到 9个准
确度等级。
电子测量原理
第 47页
电压端子
2）标准电阻器
水
银
罩
电流端子
插入温度表
无感线圈的
锰铜电阻线
(a)构造
电流端子 电流端子电压端子
(b) 外观
图 6-8 标准电阻器
电子测量原理
第 48页
6.2.2电容标准
1）标准概况
标准电容器分为三等 。 一等和二等标准电容量具采
用标称值分别为 1PF,10PF,100pF和 1000PF的标准
电容器 。 它们的差别在不确定度和年稳定度 。
三等标准电容量具采用标称值为 10-4PF-1F的标准电
容器 。
电子测量原理
第 49页
2）标准电容器
端子 1
端子 2
接地端
(b)外观
水晶
极板
蔽罩
端子 1
端子 2接地端
(a)构造
电子测量原理
第 50页
6.2.3电感标准
1）标准概况
采用标称值为 1μH -10000H的标准电感器作
为标准电感量具。标准电感量具分成 0.01级、
0.02级,0.05级, 0.1级,0.2级,0.5级和
1.0级，对应的级别指数 a为 0.01,0.02,0.05，
0.1,0.2,0.5和 1.0，对应的最大允许误差 δ
和年稳定度 γ 为 a%。
电子测量原理
第 51页
2)标准电感器
1.51
1 线圈
大理石
(a)构造面（剖面图 ）
R L
C
(b)等效电路图
电子测量原理
第 52页
6.3阻抗的模拟测量法
6.3.1 电压电流法
6.3.2 电桥法
6.3.3 谐振法测量元件参数
6.3.4 Q值测量
电子测量原理
第 53页
6.3.1 电压电流法
电压 -电流法又叫伏安法, 即利用欧姆定律, 用
测量的电压值和电流值计算被测阻抗值：
被测器件的导纳为：
jXR
I
U
Z,
.
x ???
????? jYjBG
Z
1Y ?
电子测量原理
第 54页
6.3.2 电桥法
1) 电桥的平衡条件
用指数形式表示
上式必须同时满足
324x zzzz ?
324x j3j2j4jx zzzz ???? ??? ????
324x
324x zzzz
???????
???
xZ 2Z
3Z
4Z
D
交流电桥
电子测量原理
第 55页
2)交流四臂电桥
精密万用电桥方框图
平衡调节机构
测量桥路
平衡指示电路
显示电路
电源
测量信号源
电子测量原理
第 56页
3） 变压器耦合臂电桥
两电桥的平衡条件都为
s
2
1
x Zw
wZ ??
电压比例臂构成的桥路
xZ
SZ
1W
2W
电流比例臂构成的桥路
xZ
SZ
1W
2W
1
.I
2
.I
D D
电子测量原理
第 57页
4）电桥法测量集总参数元件的误差
① 标准元件值的误差
② 电桥指示器的误差
③ 屏蔽不良引起误差
寄生耦合和外界电磁场的干扰也会引起误差。
电子测量原理
第 58页
6.3.3谐振法测量元件参数
谐振法测量原理图
C
M
V
A
L
L
C
C
L
C
LX
LC
2
0
2
0
0
0
0
1
1
0
1
1
?
?
?
?
??
?
?
???
??
当回路达到谐振时,
电子测量原理
第 59页
（ 1）直接测量
谐振法直接测电容
xC sC
0f
振
荡
器
D
M
L
当 CX较小时
选择适当电感 L(不必为标准电感 )，接入标准
可变电容 CS（如虚线所示），调回路至谐振，然
后接入被测电容 CX
21 ssx CCC ??
当 CX较大时 CX应和
CS串联接入
12
21
ss
ss
x CC
CCC
?
?
电子测量原理
第 60页
（ 2）替代法：
①并联替代法
并联替代法测量电感的原理图
信
号
源
sCL
V
xL
1
2241
sCfL ??
2
22411
s
x
Cf
LL
???
)(4
1
12
22
ss
x CCfL ?? ?
电子测量原理
第 61页
sCL
V
xL
串联替代法测电感
② 串联替代法
1
224
1
sCf
L
?
?
2
224
1
s
x CfLL ???
21
22
21
4 ss
ss
x CCf
CCL
?
??
电子测量原理
第 62页
1,Q 表组成原理及测量原理
Q表是根据谐振原理制成的，又称为品质因素测
量仪。它由高频振荡器、测量电路和输入、输出指
示器等组成。
2,Q 表测量中产生测量误差的因素
Q 表的基本组成框图
xL
高
频
振
荡
器
sCxC2C
1C
1PV 2PV
1.U
.
2U
1 2
3
4
6.3.4 Q 值测量
电子测量原理
第 63页
6.4 阻抗的数字测量法
6.4.1 矢量电流 -电压法
1.矢量电流 -电压法的原理
（ 1）固定轴法
（ 2）自由轴法
2.智能化 LCR测量仪的基本组成
6.4.2 自动平衡电桥
电子测量原理
第 64页
6.4,1 矢量电流 -电压法
1.矢量电流 -电压法的原理
jXR
I
U
Z ???,
.
xZ
sR sU
xU
U
xZ
sR
?U
.
xU
sU.
接入标准
阻抗 RS
s
s
xx
x
s
s R
U
U
I
UZ
R
UI ???,
电子测量原理
第 65页
2） 阻抗的数字测量法原理图
缓
冲
放
大
器
数字显
示器相敏检波器 A/D 转换器 CPU
RAM
ROM
相位参考基准
xZ
sZ
1S
2S
电子测量原理
第 66页
（ 1） 固定轴法
y
xo
sy
.U
固定轴法矢量关系图
xxU
?
xU
.
sU
jXR
I
UZ ???
.
.
s
s
x
x
s
s R
U
UZ
R
UI ??,
sss UjUU ??? 0
.
???
?
???
?
???
s
xy
s
xx
s
s
x
sx U
U
j
U
UR
U
URZ
.
电子测量原理
第 67页
（ 2）自由轴法
自由轴法矢量关系图
y
xo
syU
.
xxU.sxU?
.
sU
xyU
? ?xU
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
??
2222
.
.
sysx
syxxsxxy
sysx
syxysxxx
s
sysx
xyxx
s
s
x
sx
UU
UUUU
j
UU
UUUU
R
jUU
jUU
R
U
U
RZ
xyxxx jUUU ??
.
sysxs jUUU ??
.
电子测量原理
第 68页
2 智能化 LCR测量仪的基本组成
选
择
开
关
1
测
试
信
号
源
可
变
衰
减
器
相
敏
检
波
器
放
大
器
滤
波
器
选
择
开
关
2
积
分
器
比
较
器
单
片
微
机
系
统
显
示
器
功能选择
自由轴发生器
0R XZ
SR
SU
XU
V/I转换器 双斜积分信号调理
-
+
A1 A
2
A3
+
-
+
-
电子测量原理
第 69页
6.4.2自动平衡电桥
信号源部分
矢量比检波器部分
自动平衡电桥
调制器
到数字部
分
HC-电流高端 LC-电流低端
Hp-电位高端 LP-电位低端
LC
电流电压
转换器
本
振
HP
HC源电阻 LP振
荡
器
放大器
缓冲器
缓冲器
1S
混频器
放大器
ATT A/D
自动衰减器
量程电阻
DUT
功率放大器
积分器
90000
-900
s
x
rx U
URZ ?
xZ
rR
电子测量原理
第 70页
小 结
① 阻抗测量有多种方法
② 电桥主要用来测量低频元件
③ Q表主要用来测量高频元件
④ 阻抗的数字测量法
电子测量原理
第 71页
第 1页
第 6章 阻抗测量
2
6.1 引言
6.2 阻抗标准
6.3 阻抗的模拟测量法
6.4 阻抗的数字测量法
电子测量原理
第 2页
-
元件的工业趋势
VHS
* #
电子测量原理
第 3页
6.1慨述
6.1.1集总参数元件特性表征
1,阻抗定义及表示方法
?I
?U Z
阻抗定义图
?
?
?
I
U
Z
电子测量原理
第 4页
??
??
??
??
s inZX
c o sZR
R
X
a r c t g
XRZ
22
阻抗两种坐标形式的转换关系为：
DUT
Z
?
},R{Z ?
实轴
+j
-j
电阻
电
感
电
容
虚
轴
电子测量原理
第 5页
2,电阻器、电容器、电感器的电路模型
(1)真值，有效值和指示值
(2)元件的影响因素
?测试信号频率
?测试信号电频
?直流偏置 电压和电流
?温度
?其它影响因素 （环境，湿度，老化等）
电子测量原理
第 6页
理想电阻
考虑引线电感
考虑引线电感
和分布电容
? 电阻器
R
R
R C
0
L0
L0
电子测量原理
第 7页
理想电容
考虑泄漏、引
线电阻和电感
考虑泄漏、介
质损耗等
? 电容器
C
C
C
R0
R0
L0R,0
电子测量原理
第 8页
? 电感器
理想电感
考虑导线损耗
考虑导线损耗
和分布电容
L
R0 L
C0
LR0
电子测量原理
第 9页
测量器件的寄生参数影响
DUT
电子测量原理
第 10页
电阻器的频率响应
寄生电容C0
R
低阻值电阻
理想 R
?
R
|z|
高阻值电阻
理想 R
?
R
|z|
引线电感R L0
电子测量原理
第 11页
电感器的频率响应
C0
L R0
L
C0
R0
C0的影响
|z|
理想 L
?
R0
理想 L
C0的影响
|z|
?
R0
电子测量原理
第 12页
电容器的频率响应
L0的影响
|z|
R0 理想 C
?
R0C L0
电子测量原理
第 13页
测试信号 （ AC） 电频对电容器和铁芯电感器的影响
与 AC有关的磁芯电感器与 AC电压有关的陶瓷电容器
(a) 测试电压 (AC)
② 测试信号电频：
高 K值
中 K值
低 K值
ΔC
o
V
(b) 测试电流 (AC)
ΔL
o
I
电子测量原理
第 14页
与直流偏置电压有
关的电容器
直流偏置电压
与直流偏置电流有
关的磁芯电感器
陶瓷电容器与铁芯电感器的直流偏置影响
③ 直流偏置
高 K值
低 K值
ΔC
o
V0
直流偏置电流
o
ΔL
I0
电子测量原理
第 15页
④ 温度
时间温度
中 K值
高 K值
陶瓷电容器的温度相关性 陶瓷电容器的老化相关性
o
ΔC
ΔC
o
1 10 102 103 10 425
电子测量原理
第 16页
6.1.2元件参数测量的基本技术
?电桥法
3
2
1 Z
Z
ZZ
x ?
xZ
2Z 3Z
1Z
D
1,测量方法概述
电子测量原理
第 17页
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
电子测量原理
第 18页
? 谐振法
?改变电容 C直到电路谐振
?谐振时 XL=XC 仅有 RX存在
V
RX
DUT
LX
E
Z
EI ?
C V
E
V
R
X
R
X
Q
E
VR
I
V
X
X
C
X
L
X
C
???
??
OSC
电子测量原理
第 19页
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
电子测量原理
第 20页
? 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
s
x
R
V
V
I
V
Z
2
1
1
?
?
V1
V2
RS
ZX
IOSC
电子测量原理
第 21页
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~ 100 MHz
电子测量原理
第 22页
? RF电压电流法
(a)低阻抗类型
?射频电压电流法与低频电压电流法的原 理相同
?有两种连接电压表和电流表的方法
1
22
2
1
212
1
12
1
?
?
?
?
?
??
V
V
R
R
V
R
V
V
II
V
I
V
Z
x
R
V1
V
V2
R
I1
ZX
I
OSC R
I2
电子测量原理
第 23页
(b)高阻抗类型
R
V
V2V1
ZX
I
OSC R
R—
—2
?
?
?
?
?
?
??
?
??
1
2
2
/
2
1
2
21
V
VR
R
V
VV
I
V
Z
x
电子测量原理
第 24页
射频电压电流法的优缺点和频率范围
?高精度（ 0.1%典型值）
?高频下的宽阻抗范围
?工作频率范围受使用探头的变压器的限制
?频率范围, 1MHz~ 3GHz
电子测量原理
第 25页
? 自动平衡电桥法
-
+
DUT
H L R
虚地
V1 I I2
I= I2
V2= I2R
Z= V1I = V1RV
2
V1
I2 =V2
?通过 DUT的电流也通过电阻 R
?“L”点的电位保持为 0V（ 称为虚地 ）
─ ─ ─
电子测量原理
第 26页
自动平衡电桥法的优缺点和频率范围
?高精度（ 0.05%典型值）
?很宽的测量范围
?使用简单
?不能适应更高的频率范围
?频率范围, 20Hz~ 110MHz
电子测量原理
第 27页
? 网络分析法
?通过测量输入信号与反射信号之比得到反射系数
?用定向耦合器或电桥检测反射信号
?用网络分析仪提供激励并测量响应
DUT
VINC
VR
输入信号
反射信号
定向偶合
器或电桥
OSC Z
X
V1 V2
电子测量原理
第 28页
网络分析法的优缺点和频率范围
?高频率范围
?当被测阻抗接近特征阻抗时得到高精度
?改变测量频率需要重新校准
?阻抗测量范围窄
?频率范围, 300KHz ~ 3GHz
电子测量原理
第 29页
-
哪个值正确?
Z Analyzer
Q, 165
Q, 120
LCR meter
Q, 165
Q = 120
L, 5.231 uH
L, 5.310 uH
LCR meter
5.310uH
LCR meter
5.231uH
uH
电子测量原理
第 30页
网络分析法300KHz
1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M 1G 10G
10KHz 70MHz
10KHz 110MHz
1 MHz 3GHzRF电压电流法
电压 -电流法 法
谐振 法
0HZ 300MHz
电桥 法
20HZ 110MHz
自动平电桥 法
频率和测量方法
电子测量原理
第 31页
选择正确的测量方法
?每种方法都有其各自的优缺点
?必须首先考虑测量的要求和条件, 然后选择最合
适的方法
?需要考虑的因素包括频率覆盖范围, 测量量程,
测量精度和操作的方便性
?没有一种方法能包括所有的测量能力, 因而在选
择测量方法时需折衷考虑
电子测量原理
第 32页
2.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
电子测量原理
第 33页
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
电子测量原理
第 34页
3,测试连接头
所有阻抗测试都涉及连接头的问题,常用的连接
方法有：
?两端接线柱式（或香蕉插头）适用于 Q表等低
准确度谐振式阻抗仪器
?有极性的同轴的连接头
?中性精密同轴连接头
?三端连接头、四端连接头, 五端连接头
?四端对接头
电子测量原理
第 35页
阻抗的连接图、示意图和测量范围
?两端连接头
Hp
LC
DUT
LP
HC
HC 为 电流高端
Hp 为 电位高端
LP 为 电位低端
LC 为 电流低端
(a)连接图
电子测量原理
第 36页
R0 L0
DUTV
A
R0 L0
(b)示意图
1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M
2T
)(?(c)阻抗测量范围
C0
电子测量原理
第 37页
?三端连接头
Hp
LC
DUT
LP
HC
(a)连接图 (b)示意图
R0 L0
DUTV
A
R0 L0
C0
电子测量原理
第 38页
(d)具有屏蔽的两端连接头
1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M
3T
)(?(c)阻抗测量范围
DUTV
A
电子测量原理
第 39页
?四端连接头
Hp
LC
DUT
LP
HC
DUTV
A
1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M
4T
(a)连接图 (b)示意图
)(?(c)阻抗测量范围
电子测量原理
第 40页
?五端连接头
Hp
LC
DUT
LP
HC
DUTV
A
(a)连接图 (b)示意图
电子测量原理
第 41页
1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M
5T
DUTV
A
(d)具有屏蔽的四端连接头
)(?(c)阻抗测量范围
电子测量原理
第 42页
?四端对连接头
Hp
LC
DUT
LP
HC
(a)连接图
电子测量原理
第 43页
(b)示意图
DUTV
A
1m 10m 100m 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M
4TP
)(?(c)阻抗测量范围
电子测量原理
第 44页
实际的阻抗测量范围不仅取决于测量仪
器，而且也取决于四端对连接头与 DUT的正
确连接。否则也会限制测量范围。
每种连接方法各有优缺点，必须根据 DUT
的阻抗和要求的测量精度，选择最适合的
连接方法。
电子测量原理
第 45页
6.2 阻抗标准
6.2.1电阻标准
1）标准概况
2）标准电阻器
6.2.2电容标准
1）标准概况
2）标准电容器
6.2.3电感标准
1）标准概况
2)标准电感器
电子测量原理
第 46页
6.2.1电阻标准
1）标准概况
电阻计量标准器具分为一等和二等两个等级
一等电阻标准包括 10-3Ω, 10-2Ω, 10-1Ω, 1Ω,
10Ω, 102Ω, 103Ω, 104Ω, 105Ω9 个标称值及一
等电阻标准装置。二等电阻标准除上述 9个标称值及
电阻标准装置外，还有 106Ω 和 107Ω 及其相应装置。
电阻工作计量器具有 13个标称值,从 10-4Ω 到 108Ω.
每个标称值又有 0.00005级到 0.2级不等的 7到 9个准
确度等级。
电子测量原理
第 47页
电压端子
2）标准电阻器
水
银
罩
电流端子
插入温度表
无感线圈的
锰铜电阻线
(a)构造
电流端子 电流端子电压端子
(b) 外观
图 6-8 标准电阻器
电子测量原理
第 48页
6.2.2电容标准
1）标准概况
标准电容器分为三等 。 一等和二等标准电容量具采
用标称值分别为 1PF,10PF,100pF和 1000PF的标准
电容器 。 它们的差别在不确定度和年稳定度 。
三等标准电容量具采用标称值为 10-4PF-1F的标准电
容器 。
电子测量原理
第 49页
2）标准电容器
端子 1
端子 2
接地端
(b)外观
水晶
极板
蔽罩
端子 1
端子 2接地端
(a)构造
电子测量原理
第 50页
6.2.3电感标准
1）标准概况
采用标称值为 1μH -10000H的标准电感器作
为标准电感量具。标准电感量具分成 0.01级、
0.02级,0.05级, 0.1级,0.2级,0.5级和
1.0级，对应的级别指数 a为 0.01,0.02,0.05，
0.1,0.2,0.5和 1.0，对应的最大允许误差 δ
和年稳定度 γ 为 a%。
电子测量原理
第 51页
2)标准电感器
1.51
1 线圈
大理石
(a)构造面（剖面图 ）
R L
C
(b)等效电路图
电子测量原理
第 52页
6.3阻抗的模拟测量法
6.3.1 电压电流法
6.3.2 电桥法
6.3.3 谐振法测量元件参数
6.3.4 Q值测量
电子测量原理
第 53页
6.3.1 电压电流法
电压 -电流法又叫伏安法, 即利用欧姆定律, 用
测量的电压值和电流值计算被测阻抗值：
被测器件的导纳为：
jXR
I
U
Z,
.
x ???
????? jYjBG
Z
1Y ?
电子测量原理
第 54页
6.3.2 电桥法
1) 电桥的平衡条件
用指数形式表示
上式必须同时满足
324x zzzz ?
324x j3j2j4jx zzzz ???? ??? ????
324x
324x zzzz
???????
???
xZ 2Z
3Z
4Z
D
交流电桥
电子测量原理
第 55页
2)交流四臂电桥
精密万用电桥方框图
平衡调节机构
测量桥路
平衡指示电路
显示电路
电源
测量信号源
电子测量原理
第 56页
3） 变压器耦合臂电桥
两电桥的平衡条件都为
s
2
1
x Zw
wZ ??
电压比例臂构成的桥路
xZ
SZ
1W
2W
电流比例臂构成的桥路
xZ
SZ
1W
2W
1
.I
2
.I
D D
电子测量原理
第 57页
4）电桥法测量集总参数元件的误差
① 标准元件值的误差
② 电桥指示器的误差
③ 屏蔽不良引起误差
寄生耦合和外界电磁场的干扰也会引起误差。
电子测量原理
第 58页
6.3.3谐振法测量元件参数
谐振法测量原理图
C
M
V
A
L
L
C
C
L
C
LX
LC
2
0
2
0
0
0
0
1
1
0
1
1
?
?
?
?
??
?
?
???
??
当回路达到谐振时,
电子测量原理
第 59页
（ 1）直接测量
谐振法直接测电容
xC sC
0f
振
荡
器
D
M
L
当 CX较小时
选择适当电感 L(不必为标准电感 )，接入标准
可变电容 CS（如虚线所示），调回路至谐振，然
后接入被测电容 CX
21 ssx CCC ??
当 CX较大时 CX应和
CS串联接入
12
21
ss
ss
x CC
CCC
?
?
电子测量原理
第 60页
（ 2）替代法：
①并联替代法
并联替代法测量电感的原理图
信
号
源
sCL
V
xL
1
2241
sCfL ??
2
22411
s
x
Cf
LL
???
)(4
1
12
22
ss
x CCfL ?? ?
电子测量原理
第 61页
sCL
V
xL
串联替代法测电感
② 串联替代法
1
224
1
sCf
L
?
?
2
224
1
s
x CfLL ???
21
22
21
4 ss
ss
x CCf
CCL
?
??
电子测量原理
第 62页
1,Q 表组成原理及测量原理
Q表是根据谐振原理制成的，又称为品质因素测
量仪。它由高频振荡器、测量电路和输入、输出指
示器等组成。
2,Q 表测量中产生测量误差的因素
Q 表的基本组成框图
xL
高
频
振
荡
器
sCxC2C
1C
1PV 2PV
1.U
.
2U
1 2
3
4
6.3.4 Q 值测量
电子测量原理
第 63页
6.4 阻抗的数字测量法
6.4.1 矢量电流 -电压法
1.矢量电流 -电压法的原理
（ 1）固定轴法
（ 2）自由轴法
2.智能化 LCR测量仪的基本组成
6.4.2 自动平衡电桥
电子测量原理
第 64页
6.4,1 矢量电流 -电压法
1.矢量电流 -电压法的原理
jXR
I
U
Z ???,
.
xZ
sR sU
xU
U
xZ
sR
?U
.
xU
sU.
接入标准
阻抗 RS
s
s
xx
x
s
s R
U
U
I
UZ
R
UI ???,
电子测量原理
第 65页
2） 阻抗的数字测量法原理图
缓
冲
放
大
器
数字显
示器相敏检波器 A/D 转换器 CPU
RAM
ROM
相位参考基准
xZ
sZ
1S
2S
电子测量原理
第 66页
（ 1） 固定轴法
y
xo
sy
.U
固定轴法矢量关系图
xxU
?
xU
.
sU
jXR
I
UZ ???
.
.
s
s
x
x
s
s R
U
UZ
R
UI ??,
sss UjUU ??? 0
.
???
?
???
?
???
s
xy
s
xx
s
s
x
sx U
U
j
U
UR
U
URZ
.
电子测量原理
第 67页
（ 2）自由轴法
自由轴法矢量关系图
y
xo
syU
.
xxU.sxU?
.
sU
xyU
? ?xU
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
??
2222
.
.
sysx
syxxsxxy
sysx
syxysxxx
s
sysx
xyxx
s
s
x
sx
UU
UUUU
j
UU
UUUU
R
jUU
jUU
R
U
U
RZ
xyxxx jUUU ??
.
sysxs jUUU ??
.
电子测量原理
第 68页
2 智能化 LCR测量仪的基本组成
选
择
开
关
1
测
试
信
号
源
可
变
衰
减
器
相
敏
检
波
器
放
大
器
滤
波
器
选
择
开
关
2
积
分
器
比
较
器
单
片
微
机
系
统
显
示
器
功能选择
自由轴发生器
0R XZ
SR
SU
XU
V/I转换器 双斜积分信号调理
-
+
A1 A
2
A3
+
-
+
-
电子测量原理
第 69页
6.4.2自动平衡电桥
信号源部分
矢量比检波器部分
自动平衡电桥
调制器
到数字部
分
HC-电流高端 LC-电流低端
Hp-电位高端 LP-电位低端
LC
电流电压
转换器
本
振
HP
HC源电阻 LP振
荡
器
放大器
缓冲器
缓冲器
1S
混频器
放大器
ATT A/D
自动衰减器
量程电阻
DUT
功率放大器
积分器
90000
-900
s
x
rx U
URZ ?
xZ
rR
电子测量原理
第 70页
小 结
① 阻抗测量有多种方法
② 电桥主要用来测量低频元件
③ Q表主要用来测量高频元件
④ 阻抗的数字测量法
电子测量原理
第 71页
