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  一、简述

    HP4274A LCR电桥是美国惠普公司的产品。该仪表能快速测量电感L、电容C、电阻R、损耗因素D、品质因素Q、电导G、电纳B、电抗X和矢量阻抗|Z|及相位角θ,其频率范围从100Hz到100kHz共13个可选频率测试点。测试电压范围为1mV~5Vrms, 适应于电路设计、产品实验、质量检查多方面测量要求。这种可变的测试信号为测量非线性阻抗元件,如电感和半导体器件带来很大方便。

    该仪表测量值用两部分4½数字单元显示,并可以把每10次测量值进行平均后以5½数字显示。另外,它还提供测试元件时的信号电压和施加电流3位数显示,以便监视测试时的电压、电流情况。

该仪表的电容测试范围为0.01fF~1999.0mF(1毫微微法拉=10-15法法法拉),电感为0.001nH~1999.9H, 电阻和阻抗为0.001mΩ~19.999MΩ。所有测量精度为0.1%~10%, 这主要取决于测试信号的电压和频率。测量电路既可以用并联等效电路形式,也可以是串联等效电路形式。该仪表自动校准后,能使杂散电容减小到20pF,寄生电感减小到2000nH,电阻减小到0.5Ω,电导减小到5μs。

 

二、选择测试电路方式

我们知道,阻抗元件能由其电阻性和电抗性以简单的串联或并联等效电路表示。4274A可由“CIRCUIT MODE”控制选择测量等效电路,也能自动根据测量范围和功能设置选择合理的并联或串联方式。并联和串联方式等效电路元件的测量参数值是彼此不相同的,其差别取决于被采样测量的损耗因数。如果没有串联电阻或并联电导存在,这两个等效电路是同等的。并联测量电路的采样值可通过公式(考虑损耗因数效果)转换成串联电路,见表1。通过推导证明,对于不同的损耗因数(D)值,用串联方式测出的值与用并联测得的有差别。但当值小于0.03时,串联与并联测得的值相等。  

使用该仪表采样测量元件值时应注意,测量电路是近似活动的等效电路,因此对于普通元件,选择适当的方式不是合理的标准判据。一般对测量低阻抗元件值,采用串联测量电路,而高阻抗值采用并联测量电路。例如低电容的陶瓷电容器,其并联电导是主要的损耗;高电容值的电介电容器,等效串联电阻形成泄漏电阻(电极电阻、 介电损耗等)是元件损耗的主要因素。对中等范围阻抗,这个因素仍可应用,但效果不明显。串联电容的损耗因数随测试频率的增高而增大,并联损耗则呈现相反的趋势。对于电感器,可由类似的原理推出等效电路。因此可通过比较损耗因数值来确定测量电路方式。

               表1  并联电路与串联电路的转换公式

            注: 当表中等效条件满足时,并联和串联电路有相等的阻抗(特殊的频率点),

      两等效电路的损耗因数是相同的。

 

     三、电桥的测量端口

    为了提高测量精度,4274A端口采用四端对结构。这个测试端由四个连接器组成:高电流端(HCUR)、高电位端(HPOT)、低电位端(LPOT)和低电流端(LCUR)。电流端可使测量信号电流通过采样端;电位端用于检测流过采样端的电压降。高边预示着以测试信号源内部作为驱动电位。为了在四端结构中形成测量环路,HCUR和HPOT、LCUR和LPOT端必须分别彼此连接。另外,所有连接器的屏蔽必须相互连接,图1为四端结构测量原理图。四端方法具有低阻测量、高阻屏蔽的优点,其结构特点是外边的导体可作为测量信号电流的回路。当同一电流流过中心导体和外屏蔽导体(相对方向)时,在导体周围没有外端磁场发生(里边与外边的电流磁场完全抵消)。由于测量电流不产生磁场,测试负载就不会因自身或耦合电感而产生附加测量误差。因此,四端对方法能使寄生电容和残余电感在测量负载或测试固定器时减少到最小,以保证最好的精度。  

图1  四端对测量原理    

    四、实际的测量电路

    实际中,连接测试采样端的测量电路变成了仪表测量采样的一部分。在被测量器件和测量终端之间的测量电路中存在不同的特性阻抗,这将影响测量结果。这些不希望有的特性阻抗以电阻和电抗因数并联或串联在测试元件上,如图2所示。

 

                             图2  等效测量电路

 

    当频率较高时,残余阻抗、电抗因数对测量有较大的影响。HP4274A使用四端对结构测量,在测量电路中提供了最小的残余阻抗。在采样测试固定夹的被测元件时,这个测试电路会出现寄生电容(如图3所示),即在元件导线周围存在寄生电容。这些L0和C0是元件在测量中特有的,他们数值的大小取决于采样点与测试固定器之间的距离长度。其测量结果包括了被测件和这些特性阻抗实质性的采样值。

              

 

              图3  被测件周围的特性阻抗

 

    五、测量值和元件特性

由于一定的电效应能引起测量变化很宽,如我们知道的导体的趋附效应、电感线圈的铁磁特性、电容器的介电材料的变化因素等,所以,测量元件参数的阻抗和电抗不总是符合他们各自的标称值。这里仅讨论一种元件电抗参数互相作用引起的效应。

元件的阻抗能以复数表示成矢量,如图4所示。这里电阻效果和电抗效果对应于阻抗矢量的投影,即分别是实轴(R)和虚轴(jX)。从图4中可看出,当相位角θ变化时,Re和Xe也随其变化。对L、C、R、D的测量,也可表示成与阻抗矢量相关的元件,相位角θ控制他们的值。

                              图4  阻抗矢量图

    例如电感和感性元件,其自谐振频率的损耗如图5所示。图5(a)为电感器等效电路,电感Lx同分布电容C0在频率f0处谐振。从图5(b)看出,当工作频率与谐振频率重合时,阻抗矢量的相位角θ为0度(矢量接近R轴)。图中还反映出随着电阻损耗的增加,电抗量在减小。在谐振点f0处,这个元件是纯阻的,因此,在谐振点区域损耗因数变化很灵敏。

 

                      图5  典型电感阻抗轨迹

 

    六、其他

    HP4274A电桥配有各种类型结构元件的固定夹具,能显示存贮值与测量值的偏差和相对误差,并能测量二极管的结电容和三极管的集电极输出电容(不加直流偏置或加直流偏置)。该电桥还有一种特殊的偏置电路用于外加偏置电压或电流,以满足电容或电感的测量,也能测量电池的电阻值,具有各种测试错误信息显示功能。

 

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