第6章電子元器件測量與儀器

集中參數元件的測量:電阻、電感、電容、阻抗品質因數Q及損耗因數D的測量。集中參數元件的測量方法：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集中參數元件的等效26.2伏安法及數字化測量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）、當測量直流電阻時，電源為直流電源2）、當測量電容、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，即阻抗的模值為Z,在忽略損耗電阻影響的情況下，存在以上關系。

XL=ωL46.2.2阻抗的數字化測量---->電壓的數字化測量來實現1)正弦信號在被測阻抗兩端產生交流電壓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，并提供基準電壓。U1、U2、Ur都要送到電壓表雙積分式A/D變換器。5經過分析得到：（6-2）（6-3）

分析式（6-2）、（6-3）可見，因為Ur、R1均為常數，只要利用雙積分式數字多用表測出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—電壓變換器的結構相似。利用上述方法，可得：U2=－R1UrωCx由此可見，也可以利用數字多用表來實現Cx、Rx及Dx的測量。圖6.6電容-電壓變換器

－∞+

+AurR1RxCxUo73.LCR參數測試儀

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

+－+－Rs圖6.7LCR參數測試儀原理圖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，最后以數字形式顯示出被測元件R，L，C，D，Q等參數。測量線圈或電容時，可以選擇它們的串聯等效電路或并聯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等效電路進行測量。9

6.3電橋法測量集中參數元件-->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IP=0時，電橋處于平衡狀態，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。當相鄰兩橋臂為純電阻時，另外兩個橋臂應呈現同性電抗；當某一對角橋臂為純電阻時，另外一對角橋臂應呈現異性電抗；當兩個橋臂由純電阻構成時，呈現電抗特性的橋臂必須由標準可調電阻和電抗件構成，該電抗件一般選用標準可調電容。當Z1、Z2為純電阻R1、R2時，滿足關系：（6-6）

11當Z1、Z2為純電阻R1、R2時，滿足關系：（6-6）當Z1、Z3為純電阻R1、R3時，滿足關系：（6-7）由式（6-6）和式（6-7）得，當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：

經推導，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：經推導，得：Rx=R1R2/RSLx=R1R2CS

14

[例6-3]

右圖為測量低損耗電容的串聯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：經推導，得：

Dx=ωCxRx=ωRsCs

15[例6-4]右圖為測量高損耗電容的并聯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：

經推導，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。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，通過變換開關進行切換，以實現不同參數或量程的測量。（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、串聯等效電阻阻值，R2由標準粗調、細調電阻器組成。調節橋體中可調電阻器使電橋平衡，根據電橋平衡條件，可導出：由此可知，在量程確定的情況下，只要C2保持不變，可以通過調節R3使電橋平衡。其中，Cx、Rx、Dx可由有關度盤讀出數值。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、串聯等效損耗電阻。當電橋平衡時有：Lx=R1R2C3Qx=ωC3R3（4）使用方法圖6.14為QS18A型萬用電橋面板結構圖。面板上各開關旋鈕的作用如下：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1kHz選擇開關，用于選擇電橋工作電源。④量程開關，確定測量范圍，各示值是指電橋讀數在滿刻度時的最大值。④⑤②①uA讀數內1kHz外③⑥⑦⑧⑨圖6.14QS18A型萬用電橋面板結構圖12111020⑤損耗微調旋鈕，用于細調平衡時的損耗，一般情況下置于“0”位置。⑥損耗倍率選擇開關，分為三擋：Q×1，D×0.1，D×1。根據不同情況，按照表6-1選擇合適擋位。測量電阻時，該開關不起作用。⑦指示電表，用于指示電橋的平衡狀態。當電橋平衡時，電表指示為零。⑧接地。⑨靈敏度調節旋鈕，用于控制電橋放大器的放大倍數。表6-1倍率開關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，應降低靈敏度，隨后再逐漸增大。 ⑩讀數調節旋鈕（讀數盤）用于調節電橋的平衡狀態，由粗調和細調組成。 損耗平衡調節旋鈕用于指示被測元件（電容或電感）的損耗因數或品質因數。 測量選擇開關用于確定電橋的測量內容。測量完畢，此開關應置于“關”位置，以降低機內干電池的損耗。 使用方法如下： ①將被測元件接到“被測元件接線柱”，撥動電源選擇開關至“內1kHz”位置，如果用外部電源，則將外部電源接到“外接”插孔上，撥動電源選擇開關至“外”的位置。 ②根據被測量，將測量選擇開關旋至“C”、“L”、“R≤10”121122或“R＞10”處。 ③估計被測量的大小，選擇量程開關的位置。 ④根據被測元件的情況，按照表6-1選擇合適的損耗倍率開關擋位。 ⑤根據電橋平衡情況，調整靈敏度調節旋鈕使指示電表讀數由小逐步增大。 ⑥反復調節電橋的讀數盤和損耗平衡旋鈕，并在調整過程中逐步提高指示電表的靈敏度直至電橋平衡。此時存在如下關系：Lx（或Cx）=量程開關指示值×電橋讀數盤示值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，當電橋平衡時，左邊讀數盤（粗調）示值為0.6，右邊讀數盤（細調）示值為0.028，量程開關在100mH擋上，損耗倍率開關在Q×1擋上，損耗平衡盤讀數為3.5，求被測電感Lx和品質因數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下流經指示器的電流或兩端電壓大小來測量集中參數元件的，它的操作簡便、測量時間短、易實現數