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LCR測量儀在阻抗測量中的應(yīng)用
2015-10-15
今天主要給大家介紹LCR測量儀的工作原理及其阻抗測量的特點(diǎn)，分析了信號源輸出阻抗、寄生分布參數(shù)對阻抗測量結(jié)果的影響， 指出電容、電感測量中應(yīng)注意的一些問題。
1 引言
電感、電容和電阻等阻抗元件的測量是電子測量技術(shù)的基礎(chǔ)， 其測量結(jié)果準(zhǔn)確與否將直接影響到整機(jī)的質(zhì)量。通常人們將電感、電容、電阻測量儀稱為LCR 測量儀， 或者也稱之為阻抗分析儀。由于LCR 測量儀使用方便， 因此被人們廣泛采用。
目前LCR 測量儀的發(fā)展速度非?？?， 幾乎取代了所有手動式電子元件測試儀器， 其測量精度不斷提高（高達(dá)±0.02 %）， 頻率范圍不斷拓寬（從20 Hz到數(shù)GHz）； 其測量參數(shù)也越來越多。在電子元件測試領(lǐng)域， LCR 測量起著非常重要的作用， 其測量結(jié)果可靠與否將直接影響電子元件的質(zhì)量乃至電子產(chǎn)品和電氣產(chǎn)品的技術(shù)性能。然而， 由于不少使用者對阻抗測量的特點(diǎn)以及LCR 測量儀的原理不熟悉而導(dǎo)致測量結(jié)果的不一致， 不可靠的情況在實(shí)際工作中經(jīng)常發(fā)生。特別是對高介電系數(shù)陶瓷電容器、帶磁芯的電感器進(jìn)行測量時這種情況尤為突出， 我們在實(shí)際工作中多次遇到元件制造商與元件使用廠商由于測量結(jié)果不一致而導(dǎo)致退貨糾紛的情況。本文通過對LCR 測量儀的原理及阻抗測量的影響因素分析， 提出電感電容測量中應(yīng)采取的正確方法及注意事項(xiàng)。
2 LCR 測量儀的組成分析
LCR 測量儀的組成原理為自動平衡電橋理論，其結(jié)構(gòu)主要由三部分組成， 分別為信號源、自動平衡橋和矢量比檢測器。
信號源部分產(chǎn)生測試信號， 測試信號頻率可從40 Hz 到110 MHz， 輸出信號電平為5 mV 到1 V，由一個微處理器控制頻率合成器來提供高分辨率的測試信號， 信號電平由一個衰減器來進(jìn)行調(diào)整。
自動平衡橋部分根據(jù)通過測試件的電流來調(diào)整通過量程電阻的電流， 使在測試件DUT 的低電壓端維持零電位， 這時叫電橋平衡。當(dāng)電橋不平衡時， 零檢測器就檢測到一個電流， 同時相位檢測器把這信號分成00 和900 分量， 這兩個分量通過環(huán)路濾波器反饋給調(diào)節(jié)器來控制00 和900 的分量信號，結(jié)果信號被放大并反饋給量程電阻來抵消通過零檢測器的電流， 從而達(dá)到電橋平衡。
矢量比檢測器測量加在被測件上的矢量電壓Udut 和量程電阻上的矢量電壓Urr， 由于量程電阻值是已知的， 所以測量這兩個電壓就能得到矢量阻抗Zx =Rr ×（Udut/Urr）。
阻抗是評測電路、元件以及制作元件的材料性能的重要參數(shù)， 阻抗Z 通常定義為給定頻率下對流經(jīng)電路或元件的交流電流的抵抗能力， 它用矢量平面上的復(fù)數(shù)表示， 一個阻抗矢量包括實(shí)部（電阻R） 和虛部（電抗X）。通常可表示為Z=R+jX， 為確定阻抗， 我們至少需要測量兩個值， 因?yàn)樽杩故且粋€復(fù)數(shù)。許多現(xiàn)代的阻抗測量儀測量阻抗的實(shí)部和虛部， 然后將它們轉(zhuǎn)換成所需要的參數(shù)，如Z、C、L、R、G、B 等。
所有的電路元件既不是純粹的電阻性元件， 也不是純粹的電抗性元件， 而是這些阻抗成分的組合。因?yàn)樗姓鎸?shí)世界的器件都存在寄生參數(shù)， 電阻中有不希望的電感， 電容器中有不希望的電阻，以及電感器中有不希望的電容等。當(dāng)然， 不同的材料和制造技術(shù)會造成不同大小的寄生參數(shù)， 以至影響到元件的可使用性， 以及所能確定電阻、電容和電感量值的準(zhǔn)確程度。
一個真實(shí)世界的元件包含許多寄生參數(shù)。作為元件主要參數(shù)和寄生參數(shù)的組合， 一個元件就好比一個復(fù)雜電路。
3 電容器的測量
電容器是電子電路中使用的一種基本元件。電容器的基本結(jié)構(gòu)是在兩個極間夾一層介質(zhì)材料， 各種實(shí)用電容器可按它的介質(zhì)類型分類， 不同類型的電容器有不同的性能特征， 電容量C、損耗因素D 和等效串連電阻（ESR） 是通常需要測量的參數(shù)。
電容器的典型等效電路如圖1 所示， 在該電路中， 電容量C 是電容器的主要成分， Rs 和L 是引線和電極中存在的寄生參數(shù)， Rp 代表兩個電極間的寄生泄漏參數(shù)。
當(dāng)我們進(jìn)行電容器測量時， 必須考慮這些寄生量。阻抗測量儀器使用串聯(lián)模式（Cs-D、Cs-Rs）或并聯(lián)模式（Cp-D、Cp-Rp） 來測量電容。由于寄生參數(shù)的存在， 造成所顯示的電容值并不總是等于實(shí)際電容值C。例如， 當(dāng)使用Cs-Rs 模式測量圖1 所示的電容器電路時， 顯示的電容值用圖2的復(fù)雜公式表示。只有當(dāng)Rp 值足夠高， 并且L 的電抗可以忽略時， Cs 才等于Co。在高頻區(qū)能看到L 的影響， 在這種情況下就不能忽略L。對于高值電容器， 與C 值并聯(lián)的電抗遠(yuǎn)低于Rp。對于低值電容器， Rp 本身就很高， 所以， 大多數(shù)電容可用圖3 表示。
在電容器的測量中， 應(yīng)注意的事項(xiàng)與被測電容量有關(guān)， 高值電容測量屬于低阻抗測量， 因此必須把接觸電極、測試夾具和電纜中的接觸電阻及殘余阻抗減到最低， 應(yīng)使用4 端、5 端或4 端對配置把DUT 接到儀器上。在使用4 端和5 端配置時， 必須確保高測試信號電流流過電纜， 為避免電磁場耦合的影響， 按圖4 所示的方式來連接電纜；此外， 為進(jìn)行精確測量， 應(yīng)正確使用開路、短路補(bǔ)償。特別是對于施加直流偏置電壓的電解電容器，應(yīng)在直流偏置設(shè)置為ON （0 V） 時進(jìn)行開路/短路補(bǔ)償。
低值電容測量屬于高阻抗測量。接觸電極間雜散電容比殘余阻抗有更大的影響， 使用3 端（屏避2T）、5 端（屏避4T） 或4 端對（4TP） 法， 正確的接地技術(shù)和開路/短路補(bǔ)償可以把雜散電容的影響減到最小。
除電容量外， 損耗因素D 和等效串聯(lián)電阻ESR 也是需要測量的重要的電容器參數(shù)， 對低D 值和低ESR 值的測量必須給予特別的注意。即使使用4端配置， 測試夾具和電纜間的接觸電阻和殘余阻抗也會影響測量結(jié)果。
對于高介電系數(shù)材料瓷介電容器的測量， 特別要注意測量條件的完全一致， 才能得到一致的測量結(jié)果。如有一批高介電系數(shù)材料片狀電容器， 規(guī)格為1 μF， 其產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)范規(guī)定測量電容量的技術(shù)條件為頻率1 kHz， 測量電壓為1 V, 生產(chǎn)廠商和使用廠的測量結(jié)果不一致而起糾紛， 他們起初認(rèn)為對方儀器有問題， 后來他們各自拿出儀器近期校準(zhǔn)合格證書來證明自己的儀器是準(zhǔn)確的； 由于儀器是在我中心校準(zhǔn)的， 所以他們找到我們要求給予仲裁。
其實(shí)， 這種情況我們已經(jīng)遇到多次， 是由于大家對儀器的原理和產(chǎn)品的特性了解不深而造成的。
由于不同型號的儀器信號源有不同的輸出阻抗， 典型的輸出阻抗有100 Ω、300 Ω、30 Ω 等， 加上被測件后， 源阻抗和被測件阻抗進(jìn)行分壓， 所以加在被測件上的電壓不是儀器設(shè)定電壓1 V, 而是源阻抗和被測件阻抗進(jìn)行分壓后的電壓值， 由于源阻抗不同， 造成實(shí)際加在被測件的的電壓不同， 而該電容器又對測量電壓很敏感， 故測量結(jié)果有很大的不同。
4 電感器的測量
電感器由纏繞在磁芯上的導(dǎo)線構(gòu)成， 其特性則由所使用的磁芯材料決定。空氣是構(gòu)成電感器最簡單的磁性材料， 但為使電感器具有更高的電感量，經(jīng)常用鐵、鐵氧體等磁性材料做磁芯。電感器的典型等效電路如圖5 （a） 所示， 圖中Rp 代表磁性的鐵耗， Rs 代表導(dǎo)線的銅耗， C 是繞線間的分布電容。對于低值電感應(yīng)使用圖5 （b） 所示的等效電路。由于L 值很小， 繞組間的分布電容就成了主要的影響因素。
有時， 使用不同的儀器會得到不同的電感測量結(jié)果。其原因是：
a） 測試信號電流的影響。
磁性電感器與測試信號電流的關(guān)系如圖6 （a）所示。電感量隨測量電流的大小而不同， 即使將兩臺不同的儀器設(shè)置為同樣的輸出電壓， 如果它們的源阻抗不同， 它們的輸出電流也將不同， 請參考圖6 （b）。有些磁性電感器的電感量與流過電流的關(guān)系很大， 電流的變化可導(dǎo)致電感值成倍地變化。我們多次遇到元件制造廠與元件使用廠家的糾紛就源于此。他們用不同的儀器測量同一產(chǎn)品的結(jié)果有很大的不同， 進(jìn)而懷疑儀器有問題， 但儀器經(jīng)過我們計(jì)量校準(zhǔn)是合格的。其實(shí)就是因?yàn)閮x器的源阻抗不同而導(dǎo)致通過測試件的電流不同， 測量結(jié)果當(dāng)然也就不一致。因此一些高檔的LCR 表有電壓、電流監(jiān)視器功能， 可監(jiān)測實(shí)際加在測試件上的電壓及流過測試件的電流。
b） 使用的測試夾具的影響。
當(dāng)電感器旁邊有金屬物體時， 電感器的泄漏磁通將在金屬中產(chǎn)生渦流。不同的測試夾具由于大小和形狀的不同， 所產(chǎn)生的渦流幅度也不同， 從而造成不同的測量結(jié)果， 這對測量磁通開路的電感器尤為重要。
c） 電感器的影響。
有些儀器使用廠家自己繞制一些電感器作為校準(zhǔn)LCR 表的標(biāo)準(zhǔn)器， 也往往會得出不正確的結(jié)果。
因?yàn)檫@類電感器大多采用直線管形結(jié)構(gòu)， 甚至采用磁性材料作為骨架， 或者直接用電感器產(chǎn)品作為標(biāo)準(zhǔn)器。這種電感器的致命缺點(diǎn)是電感值與測量電流大小有關(guān)， 不能抗電磁干擾， 穩(wěn)定性差， 其電感值受環(huán)境條件的影響極大?，F(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)電感器一般采用環(huán)形電感線圈， 輔之于電磁屏蔽以解決電感器抗電磁干擾， 采用非磁性骨架材料與溫度補(bǔ)償技術(shù)，克服一般電感器的缺點(diǎn)， 可用來校準(zhǔn)LCR 測量儀。
5 結(jié)束語
LCR測量儀作為一種廣泛使用的基礎(chǔ)測量儀器， 只有正確掌握其測量方法及阻抗測量的特點(diǎn)，才能得到可靠、準(zhǔn)確的結(jié)果。
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