LCR测量仪在阻抗测量中的应用

　　摘要： 介绍了LCR 测量仪的工作原理及其阻抗测量的特点， 分析了信号源输出阻抗、寄生分布参数对阻抗测量结果的影响， 指出电容、电感测量中应注意的一些问题。

　　1 引言

　　电感、电容和电阻等阻抗元件的测量是电子测量技术的基础， 其测量结果准确与否将直接影响到整机的质量。通常人们将电感、电容、电阻测量仪称为LCR 测量仪， 或者也称之为阻抗分析仪。由于LCR 测量仪使用方便， 因此被人们广泛采用。

　　目前LCR 测量仪的发展速度非常快， 几乎取代了所有手动式电子元件测试仪器， 其测量不断提高（高达±0.02 %）， 频率范围不断拓宽（从20 Hz到数GHz）； 其测量参数也越来越多。在电子元件测试领域， LCR 测量起着非常重要的作用， 其测量结果可靠与否将直接影响电子元件的质量乃至电子产品和电气产品的技术性能。然而， 由于不少使用者对阻抗测量的特点以及LCR 测量仪的原理不熟悉而导致测量结果的不一致， 不可靠的情况在实际工作中经常发生。特别是对高介电系数陶瓷电容器、带磁芯的电感器进行测量时这种情况尤为突出， 我们在实际工作中多次遇到元件制造商与元件使用厂商由于测量结果不一致而导致退货纠纷的情况。本文通过对LCR 测量仪的原理及阻抗测量的影响因素分析， 提出电感电容测量中应采取的正确方法及注意事项。

　　2 LCR 测量仪的组成分析

　　LCR 测量仪的组成原理为自动平衡电桥理论，其结构主要由三部分组成， 分别为信号源、自动平衡桥和矢量比检测器。

　　信号源部分产生测试信号， 测试信号频率可从40 Hz 到110 MHz， 输出信号电平为5 mV 到1 V，由一个微处理器控制频率合成器来提供高分辨率的测试信号， 信号电平由一个衰减器来进行调整。

　　自动平衡桥部分根据通过测试件的电流来调整通过量程电阻的电流， 使在测试件DUT 的低电压端维持零电位， 这时叫电桥平衡。当电桥不平衡时， 零检测器就检测到一个电流， 同时相位检测器把这信号分成00 和900 分量， 这两个分量通过环路滤波器反馈给调节器来控制00 和900 的分量信号，结果信号被放大并反馈给量程电阻来抵消通过零检测器的电流， 从而达到电桥平衡。

　　矢量比检测器测量加在被测件上的矢量电压Udut 和量程电阻上的矢量电压Urr， 由于量程电阻值是已知的， 所以测量这两个电压就能得到矢量阻抗Zx =Rr ×（Udut/Urr）。

　　阻抗是评测电路、元件以及制作元件的材料性能的重要参数， 阻抗Z 通常定义为给定频率下对流经电路或元件的交流电流的抵抗能力， 它用矢量平面上的复数表示， 一个阻抗矢量包括实部（电阻R） 和虚部（电抗X）。通常可表示为Z=R+jX， 为确定阻抗， 我们至少需要测量两个值， 因为阻抗是一个复数。许多现代的阻抗测量仪测量阻抗的实部和虚部， 然后将它们转换成所需要的参数，如Z、C、L、R、G、B 等。

　　所有的电路元件既不是纯粹的电阻性元件， 也不是纯粹的电抗性元件， 而是这些阻抗成分的组合。因为所有真实世界的器件都存在寄生参数， 电阻中有不希望的电感， 电容器中有不希望的电阻，以及电感器中有不希望的电容等。当然， 不同的材料和制造技术会造成不同大小的寄生参数， 以至影响到元件的可使用性， 以及所能确定电阻、电容和电感量值的准确程度。

　　一个真实世界的元件包含许多寄生参数。作为元件主要参数和寄生参数的组合， 一个元件就好比一个复杂电路。

　　3 电容器的测量

　　电容器是电子电路中使用的一种基本元件。电容器的基本结构是在两个极间夹一层介质材料， 各种实用电容器可按它的介质类型分类， 不同类型的电容器有不同的性能特征， 电容量C、损耗因素D 和等效串连电阻（ESR） 是通常需要测量的参数。

　　电容器的典型等效电路如图1 所示， 在该电路中， 电容量C 是电容器的主要成分， Rs 和L 是引线和电极中存在的寄生参数， Rp 代表两个电极间的寄生泄漏参数。

　　当我们进行电容器测量时， 必须考虑这些寄生量。阻抗测量仪器使用串联模式（Cs-D、Cs-Rs）或并联模式（Cp-D、Cp-Rp） 来测量电容。由于寄生参数的存在， 造成所显示的电容值并不总是等于实际电容值C。例如， 当使用Cs-Rs 模式测量图1 所示的电容器电路时， 显示的电容值用图2的复杂公式表示。只有当Rp 值足够高， 并且L 的电抗可以忽略时， Cs 才等于Co。在高频区能看到L 的影响， 在这种情况下就不能忽略L。对于高值电容器， 与C 值并联的电抗远低于Rp。对于低值电容器， Rp 本身就很高， 所以， 大多数电容可用图3 表示。

　　在电容器的测量中， 应注意的事项与被测电容量有关， 高值电容测量属于低阻抗测量， 因此必须把接触电极、测试夹具和电缆中的接触电阻及残余阻抗减到， 应使用4 端、5 端或4 端对配置把DUT 接到仪器上。在使用4 端和5 端配置时， 必须确保高测试信号电流流过电缆， 为避免电磁场耦合的影响， 按图4 所示的方式来连接电缆；此外， 为进行测量， 应正确使用开路、短路补偿。特别是对于施加直流偏置电压的电解电容器，应在直流偏置设置为ON （0 V） 时进行开路/短路补偿。

　　低值电容测量属于高阻抗测量。接触电极间杂散电容比残余阻抗有更大的影响， 使用3 端（屏避2T）、5 端（屏避4T） 或4 端对（4TP） 法， 正确的接地技术和开路/短路补偿可以把杂散电容的影响减到。

　　除电容量外， 损耗因素D 和等效串联电阻ESR 也是需要测量的重要的电容器参数， 对低D 值和低ESR 值的测量必须给予特别的注意。即使使用4端配置， 测试夹具和电缆间的接触电阻和残余阻抗也会影响测量结果。

　　对于高介电系数材料瓷介电容器的测量， 特别要注意测量条件的完全一致， 才能得到一致的测量结果。如有一批高介电系数材料片状电容器， 规格为1 μF， 其产品的技术规范规定测量电容量的技术条件为频率1 kHz， 测量电压为1 V, 生产厂商和使用厂的测量结果不一致而起纠纷， 他们起初认为对方仪器有问题， 后来他们各自拿出仪器近期校准合格证书来证明自己的仪器是准确的； 由于仪器是在我中心校准的， 所以他们找到我们要求给予仲裁。

　　其实， 这种情况我们已经遇到多次， 是由于大家对仪器的原理和产品的特性了解不深而造成的。

　　由于不同型号的仪器信号源有不同的输出阻抗， 典型的输出阻抗有100 Ω、300 Ω、30 Ω 等， 加上被测件后， 源阻抗和被测件阻抗进行分压， 所以加在被测件上的电压不是仪器设定电压1 V, 而是源阻抗和被测件阻抗进行分压后的电压值， 由于源阻抗不同， 造成实际加在被测件的的电压不同， 而该电容器又对测量电压很敏感， 故测量结果有很大的不同。

　　4 电感器的测量

　　电感器由缠绕在磁芯上的导线构成， 其特性则由所使用的磁芯材料决定。空气是构成电感器简单的磁性材料， 但为使电感器具有更高的电感量，经常用铁、铁氧体等磁性材料做磁芯。电感器的典型等效电路如图5 （a） 所示， 图中Rp 代表磁性的铁耗， Rs 代表导线的铜耗， C 是绕线间的分布电容。对于低值电感应使用图5 （b） 所示的等效电路。由于L 值很小， 绕组间的分布电容就成了主要的影响因素。

　　有时， 使用不同的仪器会得到不同的电感测量结果。其原因是：

　　a） 测试信号电流的影响。

　　磁性电感器与测试信号电流的关系如图6 （a）所示。电感量随测量电流的大小而不同， 即使将两台不同的仪器设置为同样的输出电压， 如果它们的源阻抗不同， 它们的输出电流也将不同， 请参考图6 （b）。有些磁性电感器的电感量与流过电流的关系很大， 电流的变化可导致电感值成倍地变化。我们多次遇到元件制造厂与元件使用厂家的纠纷就源于此。他们用不同的仪器测量同一产品的结果有很大的不同， 进而怀疑仪器有问题， 但仪器经过我们计量校准是合格的。其实就是因为仪器的源阻抗不同而导致通过测试件的电流不同， 测量结果当然也就不一致。因此一些的LCR 表有电压、电流监视器功能， 可监测实际加在测试件上的电压及流过测试件的电流。

　　b） 使用的测试夹具的影响。

　　当电感器旁边有金属物体时， 电感器的泄漏磁通将在金属中产生涡流。不同的测试夹具由于大小和形状的不同， 所产生的涡流幅度也不同， 从而造成不同的测量结果， 这对测量磁通开路的电感器尤为重要。

　　c） 电感器的影响。

　　有些仪器使用厂家自己绕制一些电感器作为校准LCR 表的标准器， 也往往会得出不正确的结果。

　　因为这类电感器大多采用直线管形结构， 甚至采用磁性材料作为骨架， 或者直接用电感器产品作为标准器。这种电感器的致命缺点是电感值与测量电流大小有关， 不能抗电磁干扰， 稳定性差， 其电感值受环境条件的影响极大。现在的标准电感器一般采用环形电感线圈， 辅之于电磁屏蔽以解决电感器抗电磁干扰， 采用非磁性骨架材料与温度补偿技术，克服一般电感器的缺点， 可用来校准LCR 测量仪。

　　5 结束语

　　LCR 测量仪作为一种广泛使用的基础测量仪器， 只有正确掌握其测量方法及阻抗测量的特点，才能得到可靠、准确的结果。