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[LCR] 台式LCR学习笔记

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发表于 2016-12-19 16:37:39 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 maitreya 于 2016-12-20 13:46 编辑

       最近,因为烧包,因为长草,因为年底压力大,从坛友哪里败了一个原产台湾的华通(Delta United) DU-6021 台式电桥,生产生活均用不上,纯属解闷用。也陆陆续续学习了一些关于LCR电桥的知识,拜读了好多老师的帖子,录入一些笔记以备忘。特别感谢传给我DU-6021中文说明书的矿坛zsy3364 网友
一、关于DU-6021本身。

1.1 测量范围
            最多显示位数19999,是标准的四位半。针对0.1%的基本精度,四位半显示也够了。

             1.JPG
            C和L就不说了,从Z来看,能“显示”的档位从1Ω - 100MΩ。但实际工作档位只有 1Ω, 10Ω, 100Ω, 1kΩ, 10kΩ, 100kΩ 共6个。作为对比同惠的高端TH2816A有9个量程,没有1Ω,有30、300、3k、30k中间档位
            D值显示范围为0.0001 - 19.999。因为D值一般追求小,在精度能满足的情况下越细越好。高端的TH2816A D值可显示0.00001 - 9.99999,说明D值不追求大数值显示,都追求分辨率。
            Q值显示范围为0.01 - 1999.9,也够用了。Q是D的倒数,大Q对应着小D。D很小时精度基本上就是角度精度(的正切),后面会讲到角度精度最好是0.06度,对应D值0.001,对应的Q为1000。此时D值一个小变化会带来Q值大变化,因此大的Q值只有参考意义。
            针对高Q值原器件的精准测量,是不是有一种叫Q表的东西更好?
            角度显示:-180° - +180°。实际显示能分辨0.01°。考虑到角度的基本准确度为0.06°,也够用了。
1.2 主要指标和功能
      基本精度 +/- 0.1%。这个在二手/一般价格的LCR中属于中等水平。高一级如性能接近的固纬LCR-819,性能优越很多的TH2816A/2817A,都是0.05%。当然需要的银子也多一些。
      测试频率40-200kHz, 30个频点;测试电压0.01V -2.55V rms 可调;这两点是比较良心的了,好用。
      测试内阻,可选两种模式,一种是100Ω ,一种是在10Ω  - 100kΩ 根据DUT的阻抗自动选择。这个是比较有意思的。一般的电桥是提供100Ω和30Ω两档,或者就100Ω不给调。
      外置偏压,说明书号称可以,我不知道怎么用,仪器没有提供接口,也无指南,但是说明书说:

2.JPG

      有没有坛友知道DU-6021怎么加偏压的?
1.3 测试功能
      一共8种显示模式:
      LCZ - 这个比较有意思,可以自动去判断待测元件是啥,如果是电容则显示C/D,电感显示L/Q,电阻显示Z/θ
      C/D,  L/Q,   R/Q,  Z/θ,L/R,C/R,Z/R,这些就是常规显示功能啦。
      够丰富,够用。
      显示屏显示测试类型、一个主参数,一个附参数,下边一行小字显示参数选择、频率、测试电压、量程、速度、模型:

7.JPG
       
      比老式的两行数码管显示更直观漂亮一些,没有高端的2816A那么丰富的信息,整体简洁够用。

1.4 做工和其它。
       作为一台比较老的中频电桥,做工还算中规中矩。除了变压器及输入滤波、显示及面板部分、蜂鸣器以外,主机由三个板组成,一个是电源板,一个应该是数字版,还有一个是......数字+模拟板?


3.JPG
       
       不如固纬的LCR-819那么整洁。
       比较电阻采用了五个应该是VSH2薄膜电阻,10R, 100R, 1K, 10K, 100K。这个配置和固纬的LCR 819类似,比TH2816A的十数个白方块要寒酸很多。顺便说一嘴,不是很清楚5个比较电阻怎么实现6个档位的,1欧量程不知道怎么搞的。


4.JPG

5.JPG

   另外还有两个黑不溜秋的排阻:
6.JPG

   由于采用了线性电源,以及大量的铁架,这个东西很重4.8kg。还好尺寸是360×110×350,尺寸对我很重要,空间比仪器贵太多了......

   DU-6021升级的型号叫DU-6215,尺寸更小,不过性能和功能方面没有任何区别。

二、关于LCR电桥

        这一点从lilith(washu)老师的帖子和回复里面学习了很多。
       一个两端器件,以串联模型为例,阻抗可以写为:
       Z = R + jX,j是虚数单位。针对电容,X = -1/ωC;针对电感,X = ωL;
       这些个式子代入欧姆定律会发生几个事情:
       1)U = IZ仍然成立;
       2)由于虚部的存在,会导致电流相对于电压会有相位差;
       3)纯电阻的相位差为0;纯电容的相移为-90°;纯电感的相位差为90°;
       4)容抗和频率成反比,感抗和频率成正比;
       5)在复平面上表示:

    8.JPG
       纯电阻在x轴上,纯电容在-y轴上,纯电感在+y轴上;阻容串联在第四象限,阻-感串联在第一象限。
      6) |Z|的意义。
          |Z|= √(R*R + X*X),为阻抗Z的模(绝对值)。          |Z|表示了交流等效值应该满足的欧姆定律 Vrms = |Z|×Irms。
           但是这个表示中并没有V 和 I 的 相位差,因此要完整的表示交流响应还需要加上角度θ。
           以Vrms×Irms,Vrms*Vrms/|Z|,或者Irms×Irms×|Z|计算“视在功率”也是这个道理,包括了有功功率(阻性部分)和无功功率(抗性部分)。"无功“的就是储能,”有功”的就是耗散,有功/无功 = D,无功/有功 = Q。
          以坐标(|Z|, θ)来表示阻抗的方法,可以看作是直角坐标系(R,X)表示方法的等效极坐标表示。它们有数学关系:
           R = |Z|cos(θ);
           X = |Z|sin(θ);
          这里θ按常规的符号定义,逆时针为正,顺时针为负。
     7) D和Q;
        D表示了“有功功率”和“无功功率”的比值,也即纯阻性部分和纯抗性部分的比值;Q表示了“储能能力(无功功率)”和“耗散功率(有功功率)”的比值,也即纯抗性部分和纯阻性部分的比值。
        D = R/|X| = tan(δ);对于电容 δ = θ+90°;对于电感,δ = 90°-θ;保证D值为正。
        Q = |X|/R = 1/D;
        一般采用电容、电感期间时,我们都希望只有抗性,没有阻性,因此,D越小越好,Q越大越好。
      8) D和Q的符号。两端元件的θ在-90° ~ +90°范围内(我是囫囵吞枣读来的),D>0、Q>0。
         实际使用中电桥会出现D<0的测值,这种情况仅仅是因为误差或错误。
      9) LCR的基本功能。LCR电桥实质上只测量|Z|和θ。其它所有参数都是根据这两个数算出来的。因此(排除掉干扰等等)LCR的准确度和误差,很大程度上取决于这两个值的准确度。
      10)并联等效怎么办? 原理上讲串并联可以互换



三、关于精度/准确度。
       LCR的精度指标一般说成是”基本精度“。如TH2817A/ LCR-819 是+/- 0.05%,DU-6021是 +/- 0.1%。
  3.1|Z|的准确度
      DU-6021的阻抗绝对值准确度随量程、待测量、频率、线缆长度等等变化,说明书给的规律为:
    9.JPG
      注意这个式子里面的D不是损耗因子,而是一个系数。Zs是量程。
      上式右侧第一项A,和第二项的因子B、C,与频率、速度、待测阻抗的范围、量程、测试电平有关,可以查表:

      10.JPG
      从这个表可以看出来:
       1)慢速测试准确度好于快速测试(废话);
       2)只有在少数范围(1kHz,10欧以上1M以下),A因子是0.095,才有可能达到0.1%的精度;
       3)系数C说明,测试电平越低,误差越大(也是废话)。6021的测试电平最高可以上到2.5V,高于1V的精度说明书没说,我理解是不会变差。
       从上式的第二项还能看出,>100欧时,阻抗越大误差越大;<100欧时,阻抗越小误差越大。
       上式第二项的D系数,跟频率和线长有关:

       11.JPG
       D系数告诉我们,高频测量时,尽量选用夹具而不是四线夹;
      上式第三项,纯粹是个频率相关项了。这一项是Zx/E,E =

       12.JPG
       可以发现高频测高阻(典型的是电感)时误差会很大。

3.2  δ 及 θ的准确度
      说明书给的是绝对误差:
       13.JPG 应该要除以100.
       我基本上确定这个式子漏掉个100的因子。否则角度的基础误差高达6度,太搞笑了。同惠的说明书上是180/π ×A/100。
       这里有一个很有意思的现象,就是角度给的是绝对误差而不是相对误差。也就是说角度误差和测值无关,仅仅是一个固定的数值,或者理解为量程为180度,误差为全量程的Ae%。针对δ 及 θ,准确度是一样的。
      当阻抗误差Ae最小(0.1)时,这个误差是0.057度,对应的正切值是0.001。带来的现象是:
      当θ接近于零时,Q = tan(θ)  ~ 0。角度误差有可能导致 Q<0;此时D很大并可因为Q的小小变化带来D的大变化,因此测D是不合适的。

       当δ接近于零时,Q = tan(δ)  ~ 0。角度误差有可能导致D <0;此时Q很大且可因为D的小小变化带来Q的剧烈变化,因此测Q是不合适的。如下图:
       16.JPG
      如果严格按照说明书,绝对值<0.001的D或者Q已经不可信了。不过仪器总是有精度余量的嘛。实际我觉得 0.0003 ~ 0.0004的D值还是有参考意义的,比这更小直接视为0了(如果清零正确、模型正确的话)。关于这个事情同惠是这么说的,基本上和我的直观感觉一致:
       19.JPG
   

     DU-6021的说明书给出了D和Q的准确度(绝对误差)的算法:

14.JPG

       关于负损耗,同惠的说法如下:


17.JPG
      
     假设所有条件都正常......测量低损元件仍旧得到-D值,那么就认了吧,这是误差。
     不过同惠还指出一点,呵呵,这个引起较大争论就不评论了:

       18.JPG


四、关于测量
       对于台式电桥,如果有条件,还是采用夹具(直插有直插的夹具,SMD有SMD的夹具)比较好。采用四线开尔文夹、SMD镊子,方便些,精度受限,高频时误差会大。
      我的感觉是,即使刚做完全频开路清零和短路清零,不接任何元件,也会有0.1pF量级的跳动读数。不知道是仪器问题还是本该就是这样,不理会。
      如果用四线夹子,开路清零,线缆及夹子的位置要和测量时基本一致;短路清零时要电流端接电流端,电压端接电压端,再接起来:
       15.JPG
      实际自己测量一些小破元件的学习总结如下:
      最接近纯电阻的是 Vishy的小黑块,10R, 100R, 1K, 10K, 100k 的电阻测量,Z值误差都在LCR精度范围内,Q值基本为0 或者0.0001 0.0002

      1M的Vishy小方块,阻值精确,Q就上了一个量级到0.00x了。10M(5M×2)的Vishy小方块,就有明显负差,Q值也是0.00x了
       0.01R 和0.1R的电阻,RX11 实测误差还是较大的,这个恐怕只有毫欧表能搞定......
      损耗最小的电容 我只有CBB的,1kHz测量 D值大概在0.0003这样子;
      电解电容 损耗和容量、耐压有关。47u/50V的,比较好的D是0.1xxx,一般的是0.2xxx,100Hz测量;
      电感Q值 我手上的变压器,没有特别好的,具体多少我记不清了......
      独石电容,对测试电平很敏感,可能材料的介电常数高......





20.JPG
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 楼主| 发表于 2016-12-19 16:38:44 | 显示全部楼层
本帖最后由 maitreya 于 2016-12-19 18:08 编辑

(一楼超长度了,沙发自己坐):
五、该多少频率测量

    或者说,该买多少频率的电桥?
    一般而言,1kHz 提供最好的准确度,中值阻、感,一般用1kHz测量。
    对于50Hz 工频整流后滤波用的电解,以100Hz测量其D值或ESR为宜。
    对于PWM开关电源用的电解,不知道是否要用更高频率测量。
    高频使用的一般小瓷片电容,我个人理解 其特性在MHz 和百kHz 不会有太大的变化,可能损耗会增加一些,容量不会有太大变化。
    射频元件 不是普通LCR的菜。
5.1 元器件本身的频率响应及R-L-C模型
    上述讨论中,都是一个简单的模型 X = -j/ωC 或者 X = jωL,再加上一个实部的R,而实际的器件,当信号频率跨越几个量级时,会有很多效应出现:
    1)C,L本身随频率变化;其中C随频率变化主要是介电常数的色散,L随频率变化主要是介磁系数的色散;
    2)元件本身有C和L特性,低频时阻抗随频率增加而减少(容性),高频时阻抗随频率增加而增加(感性);
    3)耗散阻性部分R,随频率变化;对电容而言,可分为DC(漏电)部分,和介电损耗。介电损耗和频率是相关的,高频时还有电极损耗。对电感而言,可分为铜损(纯电阻)和铁损(磁芯损耗),后者是频率相关的。
下图非常经典:

       20.JPG
       频率较低时容抗主导,容抗随频率下降,损耗也随频率而下降,很多电容器在中低频测试时容量和D值都基本不变;而高频时,感性慢慢主导,阻抗在复平面上从第四象限往上缩,阻抗随频率上升,损耗随频率上升,此时D值随频率上升或者下降都有可能,一般是上升。
       读懂这个图,再去考虑不同频率时测量电容、电感的结果,就比较容易理解了。比如我给女儿演示用的一个自己绕的电磁铁,低频的时候电感量测试比较稳定,高频的时候因为用的铁芯(螺钉)在该频率下几乎没什么磁性,就表现为容性了,此时的Q就变成负的了......

六、梦想中的电桥

      如果我是土豪,肯定选择安捷伦(是德)的东东啦;
      一般 要是玩玩,TH2816A 是非常非常好的,无论是参数、功能还是做工,都是一流的;性价比也不低。如果一定要高频,那就是2828A咯。
      LCR-819 也还不错,不过综合性价比 不如 TH2816A。
      不过 俺木有钱,所以只能买个负担得起的货色,总体对DU-6021非常满意。
      频率低一些10kHz的,其实一般也够用了。只要准确度能到0.1~0.2%,D分辨率能到0.0001,就很好啦。

     写完了。有没有人知道DU-6021 到底怎么加直流偏置啊?

附录:DU-6021 准确度表格,计算值
21.JPG

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发表于 2016-12-19 16:47:10 38hot手机频道 | 显示全部楼层
学习了,技术贴,支持。
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发表于 2016-12-19 16:59:21 | 显示全部楼层
拜读了,很好
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发表于 2016-12-19 17:22:53 | 显示全部楼层
能力有限有些理论性东东还没看懂;也就经常测测方块电阻玩玩!顶顶这样的贴!
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发表于 2016-12-19 18:22:29 38hot手机频道 | 显示全部楼层
顶楼主,,,,
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发表于 2016-12-19 19:18:31 | 显示全部楼层
就是直接串在搞输出
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 楼主| 发表于 2016-12-19 19:44:59 38hot手机频道 | 显示全部楼层
liurongbin1111 发表于 2016-12-19 19:18
就是直接串在搞输出

那么我直接两端接电池是不是可以测内阻?
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发表于 2016-12-19 21:34:23 | 显示全部楼层
maitreya 发表于 2016-12-19 16:38
(一楼超长度了,沙发自己坐):
五、该多少频率测量

电子电路技术基础,lcr电路只是前半部分,要看就要看全,后半部分共发射极,共集电极,共基极,画h微变等效电路以及h微变等效电路计算方法。还有开环放大器,闭环放大器,比列电路,积分器等等,都因该看看。
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发表于 2016-12-19 21:35:41 | 显示全部楼层
好贴!学习了!!!
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