电子测量 教学课件 ppt 作者 杜志勇　王鲜芳 第3章

第3章 电 路 基 本 元 器 件 参数的测量,3.1 电阻的测量 3.2 电容的测量 3.3 电感的测量 3.4 半导体二极管的测量 3.5 半导体三极管的测量 3.6 晶体管特性图示仪 3.7 集成运乍放大器的量,3.1 电阻的测量,电阻的主要物理特性是对电流呈现阻力，但由于构造上有线绕或刻槽而使得电阻存在有引线电感和分布电容，其等效电路如图3.1所示。,当电阻工作于低频时，电阻分量起主要作用，电抗部分可以忽略不计，即忽略LO和O的影响，此时只需测出值就可以了。,但当工作频率升高时，电抗分量就不能再忽略不计。,此外，工作于交流电路的电阻的阻值，由于集肤效应、涡流损耗、绝缘损耗等原因，其等效电阻随频率的不同而不同。,实验证明，当频率在1KHZ以下时，电阻的交流阻值与直流阻值相差不超过1×10-4，随着频率的升高，其间的差值随之增大。,图3.1 电阻的等效电路,3.1.1 固定电阻的测量,1. 万用表测量电阻 模拟式和数字式万用表都有电阻测量挡，都可以用来测量电阻，测量时先选择好万用表电阻挡的倍率或量程范围。,然后将两个输入端（称表笔）短路调零，最后将万用表并接在被测电阻的两端，读出电阻值即可。,在用万用表测量电阻时应注意以下几个问题： （1）要防止把双手和电阻的两个端子及万用表的两个表笔并联捏在一起。,（2）当电阻连接在电路中时，首先应将电路的电源断开，决不允许带电测量电阻值。,若电路中有电容器时，应先将电容器放电后再进行测量。,若电阻两端与其它元件相连，则应断开一端后再测量，否则电阻两端连接的其它电路会造成测量结果错误。,（3）用万用表测量电阻时，万用表内部电路通过被测电阻构成回路，也就是说测量时，被测电阻中有直流电流流过，并在被测电阻两端产生一定的电压降。,因此在用万用表测量电阻时应注意被测电阻所能承受的电压和电流值，以免损坏被测电阻。,（4）万用表测量电阻时，不同倍率挡的零点不同，每换一挡都应重新调零，当某一挡调节调零电位器不能使指针回到0欧姆处时，表明表内电池电压不足了，需要更换新电池。,（5）由于模拟式万用表电阻挡刻度的非线性，使得刻度误差较大，测量误差也较大，因而模拟式万用表只能作一般性的粗略检查测量。,数字式万用表测量电阻的误差比模拟万用表的误差小，但当它用以测量阻值较小的电阻时，相对误差仍然是比较大的。,2. 电桥法测量电阻 电桥法是利用示零电路作测量指示器，根据电桥电路平衡条件来确定阻抗值的测量方法。,工作频率较宽，测量精度较高，可达104，比较适合低频阻抗元件的测量。,利用该原理做成的测量仪器，称为电桥。,按照所用电源的不同，可分为直流电桥和交流电桥两大类。,图3.2 电桥法测量电阻,直流电桥又称为惠斯登电桥，主要用来测量直流电阻。,其原理构成如图3.2所示，R1、R2是固定电阻，称为比率臂，比例系数K=R1/R2可通过量程开关进行调节，R n为标准电阻称为标准臂，R x为被测电阻，G为检流计。,测量时接上被测电阻，然后接通直流电源，调节K和R n，使电桥平衡，即检流计指示为零，读出K和R n的值，即可求得R x 。,（3.1）,3. 伏安法测量电阻 伏安法是一种间接测量法，理论依据是欧姆定律R=U/I，给被测电阻施加一定的电压，所加电压应不超出被测电阻的承受能力。,然后用电压表和电流表分别测出被测电阻两端的电压和流过它的电流，即可算出被测电阻的阻值。,伏安法测量电阻的原理简单，测量方便，尤其是用于测量非线性电阻的伏安特性。,伏安法有电压表前接和电压表后接两种测量电路，其原理图如图3.3所示。,如图3.3（a）所示电路称为电压表前接法，由图可见，电压表测得的电压为被测电阻Rx两端的电压与电流表内阻RA压降的和。,因此，根据欧姆定律求得的测量值为。,（3.2）,如图3.3（b）所示电路为电压表后接法。,由图可见，电流表测得的电流为流过被测电阻Rx的电流与流过电压表内阻RV的电流之和。,因此，根据欧姆定律求得的测量值为：,（3.3）,图3.3 伏安法测量电阻,在使用伏安法时，应根据被测电阻的大小，选择合适的测量电路，如果预先无法估计被测电阻的大小，可以用两个电路都试一下。,看两种电路电压表和电流表的读数的差别情况，若两种电路电压表的读数差别比电流表的读数差别小，则可选择电压表前接法。,即如图3.3（a）所示电路；反之，则可选择电压表后接法，即如图3.3（b）所示电路。,3.1.2 电位器的测量,1. 用万用表测量电位器 用万用表测量电位器的方法与测量固定电阻的方法相同。,2. 用示波器测量电位器的噪声,图3.4 用示波器测量电位器的噪声,如图3.4所示，给电位器两端外接适当的直流电源E，E的大小应不致造成电位器超功耗，最好用电池。,3.1.3 非线性电阻的测量,非线性电阻如热敏电阻、二极管的内阻等，它们的阻值与工作环境以及外加电压和电流的大小有关，一般采用专用设备测量其特性。,3.2 电容的测量,电容器是电路中的最常见的基本元件之一，它主要起贮存电能的作用，在电路中多用来滤波、隔直、交流耦合、交流旁路以及和电感元件构成振荡电路。,电容器由两金属片和中间的绝缘介质构成，由于绝缘电阻（绝缘介质的损耗）和引线电感的存在，其实际等效电路如图3.5(a)所示。,在工作频率较低时，可以忽略LO的影响，等效电路可简化为如图3.5(b)所示。,因此，电容的测量主要包括电容量值与电容器损耗（通常用损耗因数D表示）这两部分内容，有时需要测量电容器的分布电感。,图3.5 电容的等效电路,3.2.1 谐振法测量电容量,谐振法又称Q表法，它是以LC谐振回路的谐振特性为基础进行测量的方法。,谐振法测量原理如图3.6所示，它由交流信号源、交流电压表、标准电感L和被测电容Cx连成的并联电路，其中CO为标准电感的分布电容。,图3.6 并联谐振法测量电容量,测量时，调节信号源的频率，使并联电路谐振，即交流电压表读数达到最大值，反复调节几次，确定电压表读数最大时所对应的信号源的频率f，则被测电容值Cx为：,（3.4）,3.2.2 交流电桥法测量电容量和损耗因数,交流电桥的工作原理与直流电桥基本相同，所不同的是电桥采用交流电源供电，平衡检流计为交流电表，桥臂由电阻和电抗元件组成。,交流电桥可以测量电阻、电容、电感元件的参数。,交流电桥有串联和并联两种电桥接法，如图3.7(a)和(b)所示。,图3.7 测量电容的交流电桥,对于如图3.7(a)所示的串联电桥，Cx为被测电容，Rx为其等效串联损耗电阻，由电桥的平衡条件可得：,式中，Dx为损耗因数，为电容的损耗角。,对于如图3.7(b)所示的并联电桥，Cx为被测电容，Rx为其等效并联损耗电阻，测量时，Rn和n使电桥平衡，此时：,这种电桥适用于测量损耗较大的电容。,3.2.3 用万用表估测电容,用模拟式万用表的电阻挡测量电容器，不能测出其容量和漏电阻的确切数值，更不能知道电容器所能承受的耐压，但对电容器的好坏程度能粗略判别，在实际工作中经常使用。,1. 估测电容量 将万用表设置在电阻挡，表笔并接在被测电容的两端，在器件与表笔相接的瞬间，表针摆动幅度越大，表示电容量越大，这种方法一般用来估测0.01uF以上的电容器。,2. 电容器漏电阻的估测 除铝电解电容外，普通电容的绝缘电阻应大于10M。,用万用表测量电容器漏电阻时，万用表置×1或×10K倍率挡。,当表笔与被测电容并接的瞬间，表针会偏转很大的角度，然后逐渐回转。,经过一定时间，表针退回到处，说明被测电容的漏电阻极大。,若表针回不到处，则示值即为被测电容的漏电阻值。,铝电解电容的漏电阻应超过200才能使用。,若表针偏转一定角度后，无逐渐回转现象，说明被测电容已被击穿，不能使用了。,3.2.4 电容的数字化测量方法,一般采用电容电压转换器实现电容的数字化测量，该转换器如图3.8所示。,被测电容等效为x与x的并联形式，R1为已知标准电阻，利用虚部实部分离电路，从输出Uo分离出实部Ur和虚部Ux，则：,图3.8 电容电压转换器,由r、Ux的值和上述公式可求出Cx、Rx和D x值，再由显示电路将测量结果用数字显示出来。,这是常见的LCR测试仪测量电容的基本原理。,3.3 电感的测量,电感的主要特性是贮存磁场能。,但由于它一般是用金属导线绕制而成的，所以有绕线电阻（对于磁芯电感还应包括磁性材料插入的损耗电阻）和线圈匝与匝之间的分布电容，故其等效电路如图3.9（a）所示。,采用一些特殊的制作工艺，可减小分布电容o，当o较小，工作频率也较低时，分布电容可忽略不计，等效电路可简化为如图3.9(b)所示。,因此，电感的测量主要包括电感量和损耗（通常用品质因数表示）两部分内容。,图3.9 电感的等效电路,3.3.1 谐振法测量电感,图3.10 谐振法测量电感,如图3.10所示为并联谐振法测电感的电路，其中为标准电感，为被测电感，o为被测电感的分布电容。,测量时，调节信号源频率，使电路谐振，即电压表指示最大，记下此时的信号源频率f，则：,（3.7）,由上式可知，要计算被测电感值，还需要测得分布电容o的数值，分布电容o的测量电路与测量电感的原理图相似。,只是不接标准电容，调节信号源的频率，使电路自然谐振，设此频率为f1，则由上述两式可得：,（3.8）,将o代入L的表达式，即可得到被测电感的电感量。,（3.9）,3.3.2 交流电桥法测量电感,测量电感的交流电桥有马氏电桥和海氏电桥两种，分别适用于测量品质因数（即Q值）不同的电感。,图3.11（a）所示的马氏电桥适用于测量Q10的电感，图中x为被测电感，Rx为被测电感的损耗电阻。,一般马氏电桥中，R2用开关换接作为量程选择，R2和Rn为可调元件，由R2的刻度可直读Lx，由n的刻度可直读Q值。,如图3.11（b）所示的海氏电桥适用于测量Q10的电感，图中Lx为被测电感，Rx为被测电感的损耗电阻。,海氏电桥与马氏电桥一样，由3选择量程，从R2的刻度直读x，由Rn的刻度直读Q值。,用电桥测量电感时，首先应估计被测电感的值以确定电桥的类型，再根据被测电感量的范围选择量程(R3)。,然后反复调节R2和Rn，使检流计G的读数最小，这时即可从R2和Rn的刻度读出被测电感的Lx和Qx值。,（a）马氏电桥,（b）海氏电桥,图3.11 交流电桥法测量电感,由交流电桥平衡条件可得到被测电感的电感值、损耗电阻Rx和Q x 。,（3.10）,当Q值较大时，上式近似计算式为：,（3.11）,电桥法测量电感一般适用于频率比较低的电感，尤其适用于有铁芯的大电感。,3.3.3 通用仪器测量电感,图3.12 复数欧姆定律测量电感,通用仪器测量电感的理论依据是复数欧姆定律Xl=2fL=U/I，电路原理如图3.12所示。,图中Us为交流信号源，1为限流电阻，一般取几百欧，2为电流取样电阻，一般小于10欧。,并且一定要接在信号源的接地端，用交流电压表分别测出电感两端的电压U1和电阻R2两端的电压U2，即可求出电感量：,（3.12）,3.3.4 电感的数字化测量方法,图3.13 电感-电压转换器,电感的数字化测量通常是通过电感电压转换器实现的。,图3.13所示为电感 电压转换的一种方案，,图中将被测电感等效为串联电路，R为标准电阻，利用虚部实部分离电路，将输出Uo分离出实部r，虚部x，则：,（3.12）,3.4 半导体二极管的测量,3.4.1 用万用表测量二极管,1. 用模拟式万用表测量二极管 用模拟式万用表欧姆挡测量二极管时，万用表的等效电路如图3.14所示。,万用表面板上标有“”号的端子接红表笔，对应于万用表内部电池的负极，而面板上标有“”号的端