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  一、簡述

    HP4274A LCR電橋是美國惠普公司的產品。該儀表能快速測量電感L、電容C、電阻R、損耗因素D、品質因素Q、電導G、電納B、電抗X和矢量阻抗|Z|及相位角θ,其頻率范圍從100Hz到100kHz共13個可選頻率測試點。測試電壓范圍為1mV~5Vrms, 適應于電路設計、產品實驗、質量檢查多方面測量要求。這種可變的測試信號為測量非線性阻抗元件,如電感和半導體器件帶來很大方便。

    該儀表測量值用兩部分4½數字單元顯示,并可以把每10次測量值進行平均后以5½數字顯示。另外,它還提供測試元件時的信號電壓和施加電流3位數顯示,以便監視測試時的電壓、電流情況。

該儀表的電容測試范圍為0.01fF~1999.0mF(1毫微微法拉=10-15法法法拉),電感為0.001nH~1999.9H, 電阻和阻抗為0.001mΩ~19.999MΩ。所有測量精度為0.1%~10%, 這主要取決于測試信號的電壓和頻率。測量電路既可以用并聯等效電路形式,也可以是串聯等效電路形式。該儀表自動校準后,能使雜散電容減小到20pF,寄生電感減小到2000nH,電阻減小到0.5Ω,電導減小到5μs。

 

二、選擇測試電路方式

我們知道,阻抗元件能由其電阻性和電抗性以簡單的串聯或并聯等效電路表示。4274A可由“CIRCUIT MODE”控制選擇測量等效電路,也能自動根據測量范圍和功能設置選擇合理的并聯或串聯方式。并聯和串聯方式等效電路元件的測量參數值是彼此不相同的,其差別取決于被采樣測量的損耗因數。如果沒有串聯電阻或并聯電導存在,這兩個等效電路是同等的。并聯測量電路的采樣值可通過公式(考慮損耗因數效果)轉換成串聯電路,見表1。通過推導證明,對于不同的損耗因數(D)值,用串聯方式測出的值與用并聯測得的有差別。但當值小于0.03時,串聯與并聯測得的值相等。  

使用該儀表采樣測量元件值時應注意,測量電路是近似活動的等效電路,因此對于普通元件,選擇適當的方式不是合理的標準判據。一般對測量低阻抗元件值,采用串聯測量電路,而高阻抗值采用并聯測量電路。例如低電容的陶瓷電容器,其并聯電導是主要的損耗;高電容值的電介電容器,等效串聯電阻形成泄漏電阻(電極電阻、 介電損耗等)是元件損耗的主要因素。對中等范圍阻抗,這個因素仍可應用,但效果不明顯。串聯電容的損耗因數隨測試頻率的增高而增大,并聯損耗則呈現相反的趨勢。對于電感器,可由類似的原理推出等效電路。因此可通過比較損耗因數值來確定測量電路方式。

               表1  并聯電路與串聯電路的轉換公式

            注: 當表中等效條件滿足時,并聯和串聯電路有相等的阻抗(特殊的頻率點),

      兩等效電路的損耗因數是相同的。

 

     三、電橋的測量端口

    為了提高測量精度,4274A端口采用四端對結構。這個測試端由四個連接器組成:高電流端(HCUR)、高電位端(HPOT)、低電位端(LPOT)和低電流端(LCUR)。電流端可使測量信號電流通過采樣端;電位端用于檢測流過采樣端的電壓降。高邊預示著以測試信號源內部作為驅動電位。為了在四端結構中形成測量環路,HCUR和HPOT、LCUR和LPOT端必須分別彼此連接。另外,所有連接器的屏蔽必須相互連接,圖1為四端結構測量原理圖。四端方法具有低阻測量、高阻屏蔽的優點,其結構特點是外邊的導體可作為測量信號電流的回路。當同一電流流過中心導體和外屏蔽導體(相對方向)時,在導體周圍沒有外端磁場發生(里邊與外邊的電流磁場完全抵消)。由于測量電流不產生磁場,測試負載就不會因自身或耦合電感而產生附加測量誤差。因此,四端對方法能使寄生電容和殘余電感在測量負載或測試固定器時減少到最小,以保證最好的精度。  

圖1  四端對測量原理    

    四、實際的測量電路

    實際中,連接測試采樣端的測量電路變成了儀表測量采樣的一部分。在被測量器件和測量終端之間的測量電路中存在不同的特性阻抗,這將影響測量結果。這些不希望有的特性阻抗以電阻和電抗因數并聯或串聯在測試元件上,如圖2所示。

 

                             圖2  等效測量電路

 

    當頻率較高時,殘余阻抗、電抗因數對測量有較大的影響。HP4274A使用四端對結構測量,在測量電路中提供了最小的殘余阻抗。在采樣測試固定夾的被測元件時,這個測試電路會出現寄生電容(如圖3所示),即在元件導線周圍存在寄生電容。這些L0和C0是元件在測量中特有的,他們數值的大小取決于采樣點與測試固定器之間的距離長度。其測量結果包括了被測件和這些特性阻抗實質性的采樣值。

              

 

              圖3  被測件周圍的特性阻抗

 

    五、測量值和元件特性

由于一定的電效應能引起測量變化很寬,如我們知道的導體的趨附效應、電感線圈的鐵磁特性、電容器的介電材料的變化因素等,所以,測量元件參數的阻抗和電抗不總是符合他們各自的標稱值。這里僅討論一種元件電抗參數互相作用引起的效應。

元件的阻抗能以復數表示成矢量,如圖4所示。這里電阻效果和電抗效果對應于阻抗矢量的投影,即分別是實軸(R)和虛軸(jX)。從圖4中可看出,當相位角θ變化時,Re和Xe也隨其變化。對L、C、R、D的測量,也可表示成與阻抗矢量相關的元件,相位角θ控制他們的值。

                              圖4  阻抗矢量圖

    例如電感和感性元件,其自諧振頻率的損耗如圖5所示。圖5(a)為電感器等效電路,電感Lx同分布電容C0在頻率f0處諧振。從圖5(b)看出,當工作頻率與諧振頻率重合時,阻抗矢量的相位角θ為0度(矢量接近R軸)。圖中還反映出隨著電阻損耗的增加,電抗量在減小。在諧振點f0處,這個元件是純阻的,因此,在諧振點區域損耗因數變化很靈敏。

 

                      圖5  典型電感阻抗軌跡

 

    六、其他

    HP4274A電橋配有各種類型結構元件的固定夾具,能顯示存貯值與測量值的偏差和相對誤差,并能測量二極管的結電容和三極管的集電極輸出電容(不加直流偏置或加直流偏置)。該電橋還有一種特殊的偏置電路用于外加偏置電壓或電流,以滿足電容或電感的測量,也能測量電池的電阻值,具有各種測試錯誤信息顯示功能。

 

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