R&S®HM8118:电容器和电感器测量

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电阻器、电容器和电感器是电路的基本元件。这些元件必须确保正常、准确地运作。因此,需要在电路设计期间充分测试这些元件。测试通常使用实验室和生产中必不可少的 LCR 仪表来进行。本应用说明探讨了如何准确可靠地执行电容器和电感器基础测量。

阻抗测量原理
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测量基础知识

R&S®HM8118 LCR 电桥不是基于文氏电桥、麦克斯韦电桥或汤姆逊电桥的典型仪器。不同于其他的 LCR 电桥,此仪器利用交流激励信号测量阻抗 Z 和相位角 Φ。

执行测量时,必须考虑到电容器等电气元件的特性会随着特定参数(即频率)而变化。其他会影响元件特性的因素包括老化、温度、附加偏置和电应力。

每个被测设备的等效电路均包含电感、电阻和电容元件。例如,电容器将包含寄生电感和电阻元件,电感器将包含寄生电阻和电容元件。这意味着将无法获得理想的相位角 Φ(90° = 纯电感,0° = 纯电阻,–90° = 纯电容)。寄生元件会引起任一类元件在特定频率下的自谐振。

还需要注意的是,寄生元件会在一定程度上导致每次测量不准确,并产生系统测量误差。

R&S®HZ181 四端测试夹具
R&S®HZ181 四端测试夹具
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测试配件

请时刻牢记,测试配件会显著影响测量。例如,对于电容量处于微微法拉范围的电容器,夹具的位置对测量结果有相当大的影响。下列实验利用随仪器提供的标准开尔文夹具,很容易证明这一点:

  • 首先,按下 [RECALL] [9] 将仪器设为出厂默认设置,然后将夹具短路并按下 [SHORT] 按钮进行短路校准
  • 然后,以至少 20 cm 的间距放置夹具并按下 [OPEN] 执行开路校准。现在,切换到 C-D 模式,保持夹具尖端不接触,然后查看测量结果。即使没有连接其他组件,且仅更改了夹具的位置,也将显示约 3 pF 的测量结果

实验表明,为应用选择合适的测试适配器非常重要。R&S®HZ181 四端测试夹具非常适用于有线组件,并且可以避免距离问题。

校准测试结构

为了确保出色的性能和精度,建议测量未知设备时在所有可用频率(20 Hz 至 200 kHz,69 步长)中校准仪器。选择合适的测试配件并等待仪器预热至少 30 分钟后,按照以下步骤进行校准:

  • 按下 [RECALL] [9] 将仪器设为出厂默认设置。要在所有频率中进行校准,按下 [SELECT] [3],使用旋钮切换到 (Mode),然后按下旋钮。现在,从“SGL”切换到“All”,再次按下旋钮,然后按下 [ESC] 退出菜单
  • 现在,可以将夹具短路并按下 [SHORT] 进行短路校准。短路校准将在 2 分钟内完成
  • 然后,将夹具开路(如果使用开尔文夹具,确保夹具位置与预期测量的位置大致相同)并按下 [OPEN] 执行开路校准。开路校准将在 2 分钟内完成
132 µH/漆包铜线标准线圈相对于频率的 Φ 和 Z
132 µH/漆包铜线标准线圈相对于频率的 Φ 和 Z
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测量未知电感器

注意:包含铁磁芯材料的电感器通常指定用于某一频段。如果利用非该频段的测量频率测试电感器,结果可能与电感器规格不同。应事先检查这一点。首先,打开测试信号电平指示器:

  • 按下 [SELECT] [2]
  • 使用旋钮切换到 (Vm/Im)
  • 将数值切换为“ON”,然后再次按下旋钮
  • 按下 [ESC] 退出菜单

现在,将未知电感器连接到测试结构,然后按下 [Z – Φ] 切换到 Z/Φ 测量。相位角应为正。

现在,搜索最佳采集频率:

  • 按下 [FREQ]
  • 使用旋钮更改频率,同时尽量保持 Φ 接近 90°
  • 按下 [L – R]

现在,显示屏上将显示电感和串联电阻。确保电压不会下降过多(标称电压为 1 V 时,最低可降至标称电压的 35%;参阅显示屏左上角的“LEV”部分)。

相对于频率的相位角 (270 μF)
相对于频率的相位角 (270 μF)
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测量未知电容器

注意:金电容器的材料惰性太重,不能使用 R&S®HM8118 进行测量。

打开测试信号电平指示器,并将未知电容器连接到测试结构。

按下 [Z – Φ] 切换到 Z/Φ 测量(相位角应为负)。现在,搜索最佳采集频率:

  • 按下 [FREQ]
  • 使用旋钮更改频率,同时尽量保持 Φ 接近 –90°
  • 按下 [C – D]

现在,显示屏上将显示电容和串联电阻。

确保电压不会下降过多(标称电压为 1 V 时,最低可降至标称电压的 35%;参阅显示屏左上角的“LEV”部分)。

其他信息

如果电压降至标称值的 35% 以下,则开启恒定电压模式。切换到此模式时,之前完成的校准仍然有效。

如果恒定电压模式激活 (ON),源电阻预设为 25 Ω。对于阻抗远大于 25 Ω 的所有被测组件,应用到组件的电压将几乎保持不变。这通常可以改善较低电感值的结果。需要注意的是,在这种模式下精度会降低一半。

您也可以使用预期工作频率确定被测设备的特性,无需调谐。利用这种方法,您可以使用“SGL”模式(在设备菜单中依次选择“CORR”、“MODE: SGL”)仅对该工作频率进行校准。

参考

  • R&S®HM8118 使用手册
  • R&S 常见问答“如何使用特定校准启动 HM8118”
  • R&S 常见问答“同一线圈的 HM8118 测量结果不同”
  • R&S 常见问答“将 HM8118 设置为使用外部 BIAS”