自动阻抗测量仪工作原理及阻抗测量方法
收稿日期:2002-03-20
自动阻抗测量仪工作原理及阻抗测量方法
Operation Principle of Automatic Impedance Analyzer and its Measurement Method
董艳阳
Do ng Y anyang
(西安导航技术研究所 西安 710068)
(Xi ′an Na vigat i o n T echnolo gy Reseach Institute , Xi ′an , 710068, China )
摘 要 介绍了一种由微处理器控制的多频自动阻抗测量仪, 其能快速、便捷、准确地测量元件的各项参数。主要叙述了该测量仪的内部结构、工作原理, 以及阻抗参数的测量方法和实际工作应用。
关键词 自动阻抗仪 阻抗参数 测量方法
1 引 言
在现代工程测量中阻抗的测量有着重要的作用, 而高性能的阻抗测量仪将有助于测量工作。早期使用的电桥基本工作原理是四臂电桥线路, 电路原理图如图1
所示。
仪器的测试频率为100Hz ～10M Hz, 频率范围宽且可任意设置信号电平及直流偏置电压。内装多用途的测量显示器可显示测试频率设定值及测试信号电压或
电流, 用以监控施加于被测件的测试信号。该仪器测量参量范围广泛, 能够测试的参量有:电容(C ) 、电感(L ) 、电阻(R ) 、电导(G ) 、电纳(B ) 、电抗(X ) 、损耗因数(D ) 、品质因数(Q ) , 并且还可测量矢量阻抗的模值及相角( ) 。基本测量精度0. 1%。电缆长度的时适转换可使被测参量在夹具零米距离及壹米距离时得到不同的测试数据。元件阻抗是一个复杂的量值, 其数值明显地随着工作频率及信号电平而产生变化, 自动阻抗测量仪可以准确有效地测量复阻抗(实部与虚部) 。
图1 四臂电桥电路原理
2. 2 基本工作原理
大多数的阻抗仪器采用电桥电路或矢量电压电流的方法测量交流阻抗。矢量电压电流的方法将测试信号电压加到被测件, 测量信号电流流过被测件, 然后由电压和电流之比计算测试端阻抗。这种方法可用于多端测量结构, 在电路中消除残余阻抗的影响。同时测量电路比较简单、量程宽。电桥电路不需要使用通常的平衡控制, 所以便于高速测量且操作容易。自动阻抗测量仪主要由4部分组成:信号源、自动电桥(电桥电路) 、矢量电压比检测器(VRD ) 、数字控制部分。其工作原理框图如图2所示(HP 4275A 型)
。
图中Z 1, Z 2, Z 3, Z 4为电桥的四臂的阻抗, E 为电桥的信号源, G 为电桥的平衡指示器。当电桥桥路平衡时, U ab =0, 桥路平衡指示器上无电流流过, 根据克希荷夫定律:
I 1=I 2, I 3=I 4, U ca =U cb , U ad =U bd 故:I 1Z 1=I 3Z 3, I 2Z 2=I 4Z 4以上两式相比得:Z 1/Z 2=Z 3/Z 4
这就是四臂电桥平衡的条件, 当桥路中有3个桥臂为已知时, 则未知量才可求得。这种测量方法操作繁琐、费时, 且测量范围受限, 给测量带来极大不便, 所以高性能的阻抗测量仪是测量阻抗所必不可少的。2 自动阻抗测量仪
2. 1 概述
自动阻抗测量仪(型号如HP 4274A /4275A ) 是一种高性能、宽量程且高精度的全自动阻抗测量仪器。该图2 自动阻抗测量仪的组成
(1) 信号源
信号源部分由晶体振荡器、可编程分频器、功率
《现代电子技术》2002年第5期总第136期放大器等组成。
(2) 自动电桥(电桥电路)
该部分主要由量程电阻、零检测器、调制器等组成。在高频时阻抗测量仪具有自动平衡电桥的优点, 扩大了矢量电压电流的测量能力。其工作过程如下:如果适当调整量程电阻的数值, 电桥电路在零检测器和调制器控制下自动平衡。当电桥平衡时, 在L pot 端是0V, 流过DUT 的电流等于流过量程电阻的电流。DUT 电流与量程电阻电压的关系由下式得到:I =V dut /Z x =V r r /R r 测试端阻抗Z x 能从V dut 和V r r 计算得出:Z x =R r (V dut /V r r ) 。阻抗测量仪采用自动平衡电桥, 由调制器控制V r r 信号的幅度和相位, 确定流过量程电阻的电流, 从而使流过DUT 被测件的电流和流过量程电阻的电流相等。调制器简化方块图如图3所示。
仿真与测试
数字控制部分由微处理单元、存储器、V RD 控制器、显示和键盘等部分组成, 控制整个HP -IB 接口、仪器的工作。微处理器(M 6800) 通过3种数据总线与其他器件接口, 管理全部数字数据处理及模拟测量电路时序控制。存储器包括18kB 的程序控制ROM , 存储有模拟部分控制程序以及数字数据处理程序(数据的计数、计算、传送、存储) , 还有1. 5kB 的RAM 。3 阻抗测量方法3. 1 阻抗的定义
根据欧姆定理某元件在正弦稳态时电压矢量与电流矢量之比定义为该元件的阻抗。用字母Z 表示, 单位为欧姆( ) 。公式如下:Z =U /I , 用复数的形式表示:Z ∠ =R +j X
阻抗的倒数定义为导纳, 通常用于描述并联元件,
用字母Y 表示, 单位为西门子S 。公式如下:Y =I /U , 用复数的形式表示:Y ∠ =G +j B 3. 2 阻抗的测量方法
近年来, 随着电子技术的发展, 出现了数字化、自动化、智能化且带微处理控制技术的多种新型阻抗测量仪器。由于高频测
图3 调制器的简化原理
量的需要, 原先应用在直流或低频的阻抗测量方法已有改进, 新的测量方法已广泛地使用在工作
中, 例如高频矢量阻抗测量法, 介绍如下:
根据阻抗的有源定义, 它是复数电压与复数电流之比, 即Z =U /I 。故凡是测量复数电压与复数电流之比而给出阻抗的测量方法统称为复数伏安比阻抗测量方法或矢量阻抗测量方法。当今为了提高测量仪器的数字化、智能化、程控化水平, 将被测阻抗参量转换成电压量已有多种形式, 网络分析技术也越来越多地应用到阻抗参数测量当中。矢量阻抗测量法的仪器可分为3类:高频/低频矢量阻抗表、自动阻抗电桥(LCR 测试仪) 、高频阻抗分析仪。其大致特点是:测量速度快、准确度高、操作便捷、测量范围宽、有自校准功能可进行误差修正、带计算机接口等。4 阻抗测量的实际工作应用
在实际的测量工作中阻抗仪几乎可以测量所有的分立电路元件, 包括电感线圈、电容器、电阻器, 还
(3) 矢量电压比检测器(VRD)
矢量电压比检测器主要由带通放大器、相位检波器、A-D 变换器组成。带通放大器按照一定时序逐次放大并馈送V dut 或V r r 信号到相位检波器。图4是V du t 和V r r 信号矢量的关系图, V d u t 和V rr 可以分别分成相互垂直的相量成分, 即可分为实部和虚部两部分。从4个分量V a . V b . V c . V d 可以计算被测件DUT 的阻抗和导纳。
V r r =V a +j V b V dut =V c +j V d
图4 被测体信号矢量关系图
(4) 数字控制部分
能测量可变参量、半导体器件等。但是元件阻抗是一个复杂易变的量值, 其数值会明显地受到因测试频率、
自动阻抗测量仪工作原理及阻抗测量方法
信号电平的变化及测试夹具、引线等带来的各种残量干扰, 从而使被测件的测量结果出现极大差异, 难以获得准确可靠的数据。在此加以讨论:
用不同的测试电平和频率测试一个被测件时, 被测件值会出现异常的偏差。在测量具有铁芯的电感元件过程中, 常常会观测到这种被测值的异常偏差。其主要原因是具有一个铁磁感应铁芯的电感线圈, 它的固有值受到其铁芯材料的影响, 铁芯的磁感应强度(磁通密度) 随着磁感应特性曲线变化, 以影响流过电感线圈的交变电流, 电感线圈铁芯的磁感应曲线如图5
所示。
铁芯损耗(包括磁滞及涡流损耗) 在大于某一特定频率的高频区域内增加, 并由电感线圈的铁芯材料和结构所决定。所以电感线圈的测量值会随着测试电平和频率的改变而出现极大差别。上述讨论对元件测量是极为有意义的。一个元件由于其工作条件不同而具有不同的有效参数值, 通过测量可知其全部特性, 所以在正常工作条件测量时就能够获得实际应用极为准确的被测值。5 结 语
自动阻抗测量仪是一种高性能、宽量程且高精度的全自动测量仪器, 是工程测试人员在阻抗测量方面的最佳伙伴。其快速、准确、便捷的工作特性可以为工程人员解决许多阻抗测量的问题。自动阻抗测量仪无论用于元器件计量测试、性能分析、电路评价还是判别产品是否符合M IL 和IEC 标准的检验都是无比优越的。它既可以实现商业标准又能够满足军用标准。
图5 铁芯的磁感应曲线
自动阻抗测量仪不但为我们的工作带来了更多的帮助从而提高了元器件计量检测的自动化水平。现代科学技术不断发展已经进入了信息化、数字化时代, 对电子产品的各种要求也越来越高。准确可靠的元器件测试数据是各类军用及民用电子产品至关重要的基础, 也为其提供了有力的可靠性保障。对电子工程技术人员及科研工作者在研制、开发电子新产品、新项目以及实验、调试工作、整机装配和系统正常运行等方面都有着重要的作用。元器件计量测试与电子工程、科研项目工作相互依赖、密不可分; 同时也具有不可忽视的工作价值。
参 考 文 献
图5中虚线曲线是具有象铁芯那样高滞后系数的磁性材料曲线。当把一个静态磁场施加到铁芯材料上时, 因施加磁场(电感线圈电流) 的增加而引起磁感应的增加, 它符合图6所示特性曲线。
图6 铁芯的磁感应特性曲线
1 陈润泰. 检测技术与智能仪表. 长沙:中南工业大学出版社, 1998
2 张关汉. 高频集总参数阻抗的计量测试. 电子元
件阻抗参量. 北京:计量出版社, 1987
3 安捷伦测试与测量Ag ilent Technolo gies 公司.
1999-2001
在靠近坐标轴原点的初始导磁率区(导磁率是磁通密与磁场强度之比) 磁感应缓慢地增加, 从而在这个导磁率区域内运行的电感线圈具有一个低电感值, 这个电感值随着电感线圈电流的增加而增加, 并在电感线圈的铁芯磁感应超过磁饱和点时减小; 另一方面,
Abstract D escr ibed M ul-fr equency automat ic impedance analy zer, contr oled by micr o pr ocessor. T his dev ices could measur e var io us element paramet er fastly , conveniently and pr ecisely. P rimar ily r elated it s int er nal str ucture, o peration principle including measurement metho d and actual applicat ion o f the impedance paramet er .
Keywords auto matic impedance analy zer , impedance par ameter , measurement m othod
作者简介 董艳阳 女, 1996年毕业于西安电子科技大学计算机及应用专业, 大学本科。
自动阻抗测量仪工作原理及阻抗测量方法
收稿日期:2002-03-20
自动阻抗测量仪工作原理及阻抗测量方法
Operation Principle of Automatic Impedance Analyzer and its Measurement Method
董艳阳
Do ng Y anyang
(西安导航技术研究所 西安 710068)
(Xi ′an Na vigat i o n T echnolo gy Reseach Institute , Xi ′an , 710068, China )
摘 要 介绍了一种由微处理器控制的多频自动阻抗测量仪, 其能快速、便捷、准确地测量元件的各项参数。主要叙述了该测量仪的内部结构、工作原理, 以及阻抗参数的测量方法和实际工作应用。
关键词 自动阻抗仪 阻抗参数 测量方法
1 引 言
在现代工程测量中阻抗的测量有着重要的作用, 而高性能的阻抗测量仪将有助于测量工作。早期使用的电桥基本工作原理是四臂电桥线路, 电路原理图如图1
所示。
仪器的测试频率为100Hz ～10M Hz, 频率范围宽且可任意设置信号电平及直流偏置电压。内装多用途的测量显示器可显示测试频率设定值及测试信号电压或
电流, 用以监控施加于被测件的测试信号。该仪器测量参量范围广泛, 能够测试的参量有:电容(C ) 、电感(L ) 、电阻(R ) 、电导(G ) 、电纳(B ) 、电抗(X ) 、损耗因数(D ) 、品质因数(Q ) , 并且还可测量矢量阻抗的模值及相角( ) 。基本测量精度0. 1%。电缆长度的时适转换可使被测参量在夹具零米距离及壹米距离时得到不同的测试数据。元件阻抗是一个复杂的量值, 其数值明显地随着工作频率及信号电平而产生变化, 自动阻抗测量仪可以准确有效地测量复阻抗(实部与虚部) 。
图1 四臂电桥电路原理
2. 2 基本工作原理
大多数的阻抗仪器采用电桥电路或矢量电压电流的方法测量交流阻抗。矢量电压电流的方法将测试信号电压加到被测件, 测量信号电流流过被测件, 然后由电压和电流之比计算测试端阻抗。这种方法可用于多端测量结构, 在电路中消除残余阻抗的影响。同时测量电路比较简单、量程宽。电桥电路不需要使用通常的平衡控制, 所以便于高速测量且操作容易。自动阻抗测量仪主要由4部分组成:信号源、自动电桥(电桥电路) 、矢量电压比检测器(VRD ) 、数字控制部分。其工作原理框图如图2所示(HP 4275A 型)
。
图中Z 1, Z 2, Z 3, Z 4为电桥的四臂的阻抗, E 为电桥的信号源, G 为电桥的平衡指示器。当电桥桥路平衡时, U ab =0, 桥路平衡指示器上无电流流过, 根据克希荷夫定律:
I 1=I 2, I 3=I 4, U ca =U cb , U ad =U bd 故:I 1Z 1=I 3Z 3, I 2Z 2=I 4Z 4以上两式相比得:Z 1/Z 2=Z 3/Z 4
这就是四臂电桥平衡的条件, 当桥路中有3个桥臂为已知时, 则未知量才可求得。这种测量方法操作繁琐、费时, 且测量范围受限, 给测量带来极大不便, 所以高性能的阻抗测量仪是测量阻抗所必不可少的。2 自动阻抗测量仪
2. 1 概述
自动阻抗测量仪(型号如HP 4274A /4275A ) 是一种高性能、宽量程且高精度的全自动阻抗测量仪器。该图2 自动阻抗测量仪的组成
(1) 信号源
信号源部分由晶体振荡器、可编程分频器、功率
《现代电子技术》2002年第5期总第136期放大器等组成。
(2) 自动电桥(电桥电路)
该部分主要由量程电阻、零检测器、调制器等组成。在高频时阻抗测量仪具有自动平衡电桥的优点, 扩大了矢量电压电流的测量能力。其工作过程如下:如果适当调整量程电阻的数值, 电桥电路在零检测器和调制器控制下自动平衡。当电桥平衡时, 在L pot 端是0V, 流过DUT 的电流等于流过量程电阻的电流。DUT 电流与量程电阻电压的关系由下式得到:I =V dut /Z x =V r r /R r 测试端阻抗Z x 能从V dut 和V r r 计算得出:Z x =R r (V dut /V r r ) 。阻抗测量仪采用自动平衡电桥, 由调制器控制V r r 信号的幅度和相位, 确定流过量程电阻的电流, 从而使流过DUT 被测件的电流和流过量程电阻的电流相等。调制器简化方块图如图3所示。
仿真与测试
数字控制部分由微处理单元、存储器、V RD 控制器、显示和键盘等部分组成, 控制整个HP -IB 接口、仪器的工作。微处理器(M 6800) 通过3种数据总线与其他器件接口, 管理全部数字数据处理及模拟测量电路时序控制。存储器包括18kB 的程序控制ROM , 存储有模拟部分控制程序以及数字数据处理程序(数据的计数、计算、传送、存储) , 还有1. 5kB 的RAM 。3 阻抗测量方法3. 1 阻抗的定义
根据欧姆定理某元件在正弦稳态时电压矢量与电流矢量之比定义为该元件的阻抗。用字母Z 表示, 单位为欧姆( ) 。公式如下:Z =U /I , 用复数的形式表示:Z ∠ =R +j X
阻抗的倒数定义为导纳, 通常用于描述并联元件,
用字母Y 表示, 单位为西门子S 。公式如下:Y =I /U , 用复数的形式表示:Y ∠ =G +j B 3. 2 阻抗的测量方法
近年来, 随着电子技术的发展, 出现了数字化、自动化、智能化且带微处理控制技术的多种新型阻抗测量仪器。由于高频测
图3 调制器的简化原理
量的需要, 原先应用在直流或低频的阻抗测量方法已有改进, 新的测量方法已广泛地使用在工作
中, 例如高频矢量阻抗测量法, 介绍如下:
根据阻抗的有源定义, 它是复数电压与复数电流之比, 即Z =U /I 。故凡是测量复数电压与复数电流之比而给出阻抗的测量方法统称为复数伏安比阻抗测量方法或矢量阻抗测量方法。当今为了提高测量仪器的数字化、智能化、程控化水平, 将被测阻抗参量转换成电压量已有多种形式, 网络分析技术也越来越多地应用到阻抗参数测量当中。矢量阻抗测量法的仪器可分为3类:高频/低频矢量阻抗表、自动阻抗电桥(LCR 测试仪) 、高频阻抗分析仪。其大致特点是:测量速度快、准确度高、操作便捷、测量范围宽、有自校准功能可进行误差修正、带计算机接口等。4 阻抗测量的实际工作应用
在实际的测量工作中阻抗仪几乎可以测量所有的分立电路元件, 包括电感线圈、电容器、电阻器, 还
(3) 矢量电压比检测器(VRD)
矢量电压比检测器主要由带通放大器、相位检波器、A-D 变换器组成。带通放大器按照一定时序逐次放大并馈送V dut 或V r r 信号到相位检波器。图4是V du t 和V r r 信号矢量的关系图, V d u t 和V rr 可以分别分成相互垂直的相量成分, 即可分为实部和虚部两部分。从4个分量V a . V b . V c . V d 可以计算被测件DUT 的阻抗和导纳。
V r r =V a +j V b V dut =V c +j V d
图4 被测体信号矢量关系图
(4) 数字控制部分
能测量可变参量、半导体器件等。但是元件阻抗是一个复杂易变的量值, 其数值会明显地受到因测试频率、
自动阻抗测量仪工作原理及阻抗测量方法
信号电平的变化及测试夹具、引线等带来的各种残量干扰, 从而使被测件的测量结果出现极大差异, 难以获得准确可靠的数据。在此加以讨论:
用不同的测试电平和频率测试一个被测件时, 被测件值会出现异常的偏差。在测量具有铁芯的电感元件过程中, 常常会观测到这种被测值的异常偏差。其主要原因是具有一个铁磁感应铁芯的电感线圈, 它的固有值受到其铁芯材料的影响, 铁芯的磁感应强度(磁通密度) 随着磁感应特性曲线变化, 以影响流过电感线圈的交变电流, 电感线圈铁芯的磁感应曲线如图5
所示。
铁芯损耗(包括磁滞及涡流损耗) 在大于某一特定频率的高频区域内增加, 并由电感线圈的铁芯材料和结构所决定。所以电感线圈的测量值会随着测试电平和频率的改变而出现极大差别。上述讨论对元件测量是极为有意义的。一个元件由于其工作条件不同而具有不同的有效参数值, 通过测量可知其全部特性, 所以在正常工作条件测量时就能够获得实际应用极为准确的被测值。5 结 语
自动阻抗测量仪是一种高性能、宽量程且高精度的全自动测量仪器, 是工程测试人员在阻抗测量方面的最佳伙伴。其快速、准确、便捷的工作特性可以为工程人员解决许多阻抗测量的问题。自动阻抗测量仪无论用于元器件计量测试、性能分析、电路评价还是判别产品是否符合M IL 和IEC 标准的检验都是无比优越的。它既可以实现商业标准又能够满足军用标准。
图5 铁芯的磁感应曲线
自动阻抗测量仪不但为我们的工作带来了更多的帮助从而提高了元器件计量检测的自动化水平。现代科学技术不断发展已经进入了信息化、数字化时代, 对电子产品的各种要求也越来越高。准确可靠的元器件测试数据是各类军用及民用电子产品至关重要的基础, 也为其提供了有力的可靠性保障。对电子工程技术人员及科研工作者在研制、开发电子新产品、新项目以及实验、调试工作、整机装配和系统正常运行等方面都有着重要的作用。元器件计量测试与电子工程、科研项目工作相互依赖、密不可分; 同时也具有不可忽视的工作价值。
参 考 文 献
图5中虚线曲线是具有象铁芯那样高滞后系数的磁性材料曲线。当把一个静态磁场施加到铁芯材料上时, 因施加磁场(电感线圈电流) 的增加而引起磁感应的增加, 它符合图6所示特性曲线。
图6 铁芯的磁感应特性曲线
1 陈润泰. 检测技术与智能仪表. 长沙:中南工业大学出版社, 1998
2 张关汉. 高频集总参数阻抗的计量测试. 电子元
件阻抗参量. 北京:计量出版社, 1987
3 安捷伦测试与测量Ag ilent Technolo gies 公司.
1999-2001
在靠近坐标轴原点的初始导磁率区(导磁率是磁通密与磁场强度之比) 磁感应缓慢地增加, 从而在这个导磁率区域内运行的电感线圈具有一个低电感值, 这个电感值随着电感线圈电流的增加而增加, 并在电感线圈的铁芯磁感应超过磁饱和点时减小; 另一方面,
Abstract D escr ibed M ul-fr equency automat ic impedance analy zer, contr oled by micr o pr ocessor. T his dev ices could measur e var io us element paramet er fastly , conveniently and pr ecisely. P rimar ily r elated it s int er nal str ucture, o peration principle including measurement metho d and actual applicat ion o f the impedance paramet er .
Keywords auto matic impedance analy zer , impedance par ameter , measurement m othod
作者简介 董艳阳 女, 1996年毕业于西安电子科技大学计算机及应用专业, 大学本科。