如何达到LCR电桥的最佳精度？

bg8aqa

坛子里买了个HP4263B，测试夹具也是原装的，很不错，开机、reset、设置电源频率、电缆长度后，测了几个电容都比较准、同时换不同频率（100、120、1Khz、10k、100k）差异也很小。

但既然有差异，就想探究到底哪个值更准、什么设置精度更高（这恐怕不仅是38°的风气、更是存在的根本原因，呵呵），就把4263B的说明书，测试夹具选择指南、service manual，还有HP的阻抗测量文章（比较全面，涉及电桥、I-V法、Q表、射频I-V乃至矢量网络分析仪），还有个97年的LCR/阻抗测量基础找来看了看，学了些以前不知道的，但也有了一些新的困惑，有熟悉的高手请指点、讲授。

“基础”（LCR / Impedance Measurement Basics ）里说，只是开路、短路补偿（不知道是否大多数人使用LCR电桥就是做下简单的开、短路校正？）无法消除杂散电容、电感、电阻和相位偏移，也无法消除不同仪器测试结果的不一致，还给了个图示
  （偷偷高兴一下，第一次成功上图）


后面又继续讲到，如果测量范围宽，就选100~1k阻抗、已知精确值的负载来做校正（补偿），推荐使用电阻或损耗D小的电容，比如云母电容，不推荐用电感做校正。  如果只测量某个固定范围，就用阻抗接近的负载来校正。


我的疑问Q1：用阻抗相同的电阻（无感电阻）和电容校正（补偿）是否等效？
自动平衡电桥的信号源流经DUT后再经过一个纯电阻，电阻上电压和电流同相，通过测电阻上的电压就得到电流，DUT上还有个电压检测，送到相敏检波器，再到ADC，实际上就是一个矢量电压表（或者按我个人的理解，可以基本看成一个“低频段的矢量网络分析仪”），测得是DUT的复阻抗，Z=R±jX，在直角坐标上是x、y两个轴，用矢量表示是模长和角度，按一般理解如果要精确地对矢量进行校正（标定），必须要校正位于x、y两个轴上的R和X，或者模长|Z|和角度/-， 如果是一个纯电阻，其实只校正了x轴上的分量，如果是一个纯电容（或D很小），其实只校正了y轴的分量。


或者换一种方式问，如果用电阻做的校正，拿来测电阻没问题，但如果要测电抗元件，就需要用已知容量的、低损耗电容做校正？
（其实我暗自猜测，是否应该用纯电阻、再用纯电容分别做一次才是最好的办法，相当于把x轴和y轴都校正了，但LCR电桥本身可能只接受一次负载校正，一做load correct，就把原来的参数扔了）
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应该说HP们为了提高LCR的测量精度动了很多脑筋，在夹具上不仅是4线达尔文接线消除线压降误差，普遍采用屏蔽电缆，对称性也很好（打开看过，四个端口出来到DUT的线基本等长，坛子上有个帖子，一个朋友买的二手剪了线的HP夹具自己用同轴恢复，但离线孔近的电缆短、远的长，估计性能有影响，我看HP夹具同轴是等长的，多的部分宁愿盘卷在里面），除此四线之外，还采用了四端对接法（4TP，four terminal pair），就是同轴电缆外皮不仅做屏蔽，而且在靠近DUT的地方还依次连接，作为电流回流的途径，理由据说是“每根同轴电缆的芯线和外皮都I大小相等、方向相反，以消除电流带来的电-磁-电感应”，同时也提到，为了减小电流（产生磁场→感应电流）的影响，应该用“尽可能小的电流进行测量”
Q2：相敏检波器、ADC都有分辨率（或类似问题），按照常规是否 还是应该在满度（这里不是指量程，而是信号源、或叫激励电平）的中间或略高一些能获得最佳的精度？而不仅仅是为了减小感应让信号处于检波器和ADC的低端。
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测电容时选择信号源频率的基本原则大家都知道，大电容用低频，小电容用高频。
Q3: 4263B的阻抗测试范围是1m欧姆~100M欧姆，是否有一个建议或推荐值，在什么容量范围采用什么频率？
或者换言之，|Z|在什么范围是电桥的最佳精度区域？（似乎HP或者国内包括同惠的内部培训手册上也没有很明确的说法）


Q4：我只有一个HP16048C四端对开尔文夹，用得更多的是SMD，即使引线元件也更愿意用0m夹具测，HP原装的、哪怕二手都太贵，是否买几个同惠的经过开、短路、负载校正也能得到满意效果？

如果有熟悉这方面的高手、老师肯不吝赐教，将不甚感激。
（来38°学习了不少东西，包括《低电平测量》中文版。。，受益良多，感谢lymex、thy888等诸位大侠）

bg8aqa

补充一个 问题Q5，“基础”或是另一篇“阻抗测试”里面提到，自动平衡电桥的“不适合测量Q值很高（或D很小）的器件”，推荐用Q表，也就是古老的陷波表来测。

问题是现在除了怀旧的爱好者偶尔用陷波表来调下短波天线，早就没有商业产品了。按它这样的说法，LCR岂不是只适合测电阻或低Q值、高D的电容了？  相当不解[s:25]

bg8aqa

关于Q3    HP给了个表，自己可以换算为电容大小。

但表格不太好理解，比如1pC的电容，因为电容量太小，低频时Z很高（超过电桥最大测试范围100MΩ），似乎可以肯定应该用最高的100khz来测量。

表格中读数精度的表示方法没有理解。

xuplastic

矿坛许老师曾经说过：LCR表在测量高Q电容时副参数误差极大，基本不具备意义

原话如下：
在1MHz频率下测高Q电容或电感ESR，可以使用5%精度的高频Q表，也可以使用数万元级的高档0.1%的LCR电桥。是谁测得更准的？
一般是高频Q表测得准。当Q达到1000，好的Q表测到的ESR准确度还可达到10%，LCR表没戏，误差可达0.1%*Q=0.1%*1000=100%，这是因为Q表对相位误差不敏感，它能把电抗部分通过谐振消除。
Q表测高频ESR很历害。

bg8aqa

谢谢，我去找来仔细拜读一下。'
电抗原件到了高频的确特性变化大，明明是电容，在某些频率却呈感性，电感呈容性…


我的问题应该具体到“100kHz范围内LCR电桥如何获得最好精度？”

红色跑车

手持LCR表中有固定频率测量方式，和振荡频率计数测量方式，哪个比较好？

工厂出的好象都是固定频率的（有多个频率可选）

DIY的多是组成振荡回路，再由单片机计数，换算（这个频率可以很高）

想买个炮灰手持LCR，所以有此问

goodays

3楼的“转换图”其实就该表的使用来说就很具有指导意义了。左侧的图给出了不同规格的电容电感元件在不同频率下的阻抗范围。右侧的表格则给出了该仪器在某一测量频率下的精度。以测量1uf电容为例，首先应当在左侧图查找其在不同频率下的阻抗区间，即从上数第5至第8格，显而易见，越靠近两侧则越接近该表的极限量程。同样该5-8格对应右侧表格中的内容则表示不同频率下的测量精度。查表可得，在100hz或100Khz时测量精度明显下降，而精度最高的地方位于频率1K档，阻抗量程1K-100欧的两个位置均为0.09。
以此类推，各种不同规格的元件可以选择合适的测量方案。
至于Q1中所提用电阻还是电容校准的问题，个人认为在电桥中标准电阻的校准是必不可少的，而楼主所提到的相位校准应当另有实现方案，有可能不会出现在菜单中，但电桥内部会有相应的校准相位的措施，一旦校准完成，也就不需要在每次测量前进行校准了。或者换句话说，开短路校准是用户级的校准，要根据测量的需要进行，比如高阻测量前进行开路校准，低阻测量前进行短路校准。而相位，桥臂，增益等校准应当属于厂商级了，需要精密的仪器及高精度的基准器件。
以上为个人看法，欢迎指正。

bg8aqa

谢谢楼上的解释，应该是对的。

HP这张表误差的表示方法不太容易理解（我还没完全理解），是一个常数A+常数B*10^-n*|Zm|，或者常数A*常数B/|Zm|，Zm是负载的“特征阻抗”，也就是被测对象在该频率下的阻抗值。

下边又说精度是%,意思是上面表格的计算结果÷100就是精度？

因为精度牵涉到两个常数和一个变量（Zm），这个表还是不够直观（最大的问题是同一行里面有没办法标出那个频率对应的误差最小？），我们有没有办法理出这样一个表格，xx~xx  pC用什么频率精度最高，xxx~xxx又是什么频率最高？

lilith

楼主的截图比较小，看得不是很清楚，我用我的电桥说明一下我理解的电桥的精度表示方法，抛砖引玉供大家讨论。

电桥的手册中给出了如下的精度表




并解释了

1、
对于阻抗 >= 1K 的，使用公式 A+B*|10Zx-Range|/Range
对于阻抗 <=100 欧的，使用公式 A+10B*|Range-Zx|/Range

Zx 是器件的阻抗，A、B 是表格中的精度参数

2、
表格中，上面的参数是阻抗精度，下面的参数是西塔精度

那么，假设我们要测量的电容是 10uf，测量频率 1KHZ，根据 Cx=1/2pifC 计算得容抗 Cx=15.9 欧姆，这个也可以看下面这个图（注意这个图的数轴不是线性而是对数的，而且也不是均匀的）



用 10uf 斜线和频率竖线交叉点查询横线和 Y 轴（阻抗）刻度得到大约是 16 欧，所以应该使用 100 欧姆量程，测量精度表示为：

阻抗 Zx 的精度 = 0.225 + 10 * 0.015 * |100-15.9| / 100 = 0.225+0.12615 = 0.35%

lilith

我发现，在这个（精度）表格中，1KHZ-10KHZ 测试频率，量程 1 千欧姆的精度是最高的，想一想这个也是有道理的，因为 1 千欧左右的电阻（或阻抗）的测量精度容易做得比较高，如果电阻（或阻抗）太小，那么同样测试电流下得到的电压比较低，噪声和热电势的影响都比较大（如果是万用表，会更在乎热电势，电桥应该比较不敏感）；如果电阻（或阻抗）太大，由于激励源认为是一个电流源*，它的阻抗是很大的，无法很好吸收外界的干扰，并且此时分布电容的影响也会显得更加显著。

*我很想知道，如果激励源使用 CV 模式，是否可以认为此时激励源是电压源，内阻很低？在测试小电容的时候我们经常设置激励源为 CV 模式，元件模型为并联模型，而测试大电容则会设置激励源为 CC 模式，元件模型使用串联模型。那么，激励源的变化是否影响上述猜测？


所以，如果将待测器件阻抗划到 1 千欧姆左右，测试频率在 1-10KHZ，将有最好的测试精度，比如一个 0.18uf 的电容，用 1KHZ 测试频率，阻抗 Z 大约是 884.6 欧姆，则精度表示为

0.12+ 0.002 * |10 x 884.6 - 1000| / 1000 = 0.12 + 0.0157 = 0.14%，比上面的例子高不少。



根据 Cx = 1/2pi*f*C 可知，0.159uf - 0.0159uf 电容，在 1-10KHZ 测试频率下，有最高的测试精度。在这个范围外的电容，则尽可能靠近表格黄圈使用合适的测试频率，使得阻抗 Z 接近 1 千欧，获得最好的精度。

bg8aqa

谢谢lilith解读并解答。

电桥手册上的公式、图表应该说比较全面，但不便理解和实际操作（颇像我国电子类教材，开篇就是麦克斯韦方程），基于常规理解（如万用表）太大或太小的阻值都不易测准（高阻、毫欧、微欧），几百欧~几百k是则相对容易，推测电桥也应基本如此。

同惠2828的说明一定程度证实了这一点：

A1、A2、A3...分别表示低、中、高速下能获得的精度，当然慢的更准，途中可以看出A的方框上下沿对应阻抗范围是15Ω~320k（绿色区域），也就是说通过选择频率使得阻抗（也就是|Z|）在此区间精度等级是最高的。

当然15Ω~320k是个很宽的范围，lilith的分析则更具体和明确，实践中也好操作，越靠近1K精度越高。

拿电容举例，实际使用过程是否可以这样？

方法①，整数级别的按照电桥有的频点算一个阻抗值的表（纵轴1、10、100、1000pC,10nF、100nF....，横轴是100、1k、10k、100k），格子里面是|Z|，测试时根据表格来选择合适频率；其实整数级电容的阻抗都是以16（15.9）为基数的，都不用逐个算，频率×10，阻抗÷10.

方法②随便什么电容（或未知容量），把LCR电桥显示的第一参数选为Z，改变频率，最后用Z最近接1k的频率来完成测量；

方法③电桥打开CurrentMonitoring，换频率，选择I在某一个范围内的作为最终测试的频率。（4263B可选测试电平xxxmV，应该是恒压，电流是变化的——这种情况下I大小实际和阻抗是对应关系）

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尚未解决的疑问：
Q1，复阻抗的实部和虚部（或模长、角度）是同时校正（Correction）的，还是在LoadCorrection时只校正了模长？
Q2，上面的讨论是否仅适于电阻、或者说对|Z|适用，但忽略了其它因素，比如一个1p、10P的小电容，从|Z|来说肯定选择最高频率，如100Khz，但有没有可能100khz后分布参数的影响反而不如10kHz准确？（即使在通过开、短路、load校正后）

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lilith的是什么电桥，连模长和角度的准确度都是分别给出的？

原来的图太小，我把原文附上，您看看4263B和您分析的结论是否也吻合，|Z|=1k是最佳精度范围？

lilith

bg8aqa 发表于 2014-3-15 00:25
谢谢lilith解读并解答。

电桥手册上的公式、图表应该说比较全面，但不便理解和实际操作（颇像我国电子类 ...


。。。

Q2，上面的讨论是否仅适于电阻、或者说对|Z|适用，但忽略了其它因素，比如一个1p、10P的小电容，从|Z|来说肯定选择最高频率，如100Khz，但有没有可能100khz后分布参数的影响反而不如10kHz准确？（即使在通过开、短路、load校正后

5964-6181 这份文件看来不太清楚，我下载了用户手册 04236-90050，比较清楚，和我的电桥的算法类似的：

Zx > 100 OHM
Accurary = A + B * Zx/Range ~

Zx =< 100 OHM
Accurary = A + B * Range / Zx ~

~ 是 C、D 和 E 参数，也就是测试电平、电缆长度和频率附加 <--- 我想可能是分布电容的影响，这些参数我那个小日本电桥没有单独给出，可能已经包含在给出的表格中（表格要求了测试夹具），也可能根本没有，HP 还是要比小日本严谨很多呀。

那么类似的，假设测试一个 500 欧姆阻抗器件，精度就是：
0.09+0.01*500/1000 = 0.09+0.005 = 0.095% 约等于 0.1%

如果是 50 欧姆：
0.09+0.01*100/50 = 0.09+0.02=0.11%

看来精度比我那个 3522 高很多了，另外 HP 这个在一个比较宽的范围（100 OHM~100K OHM）都有比较好的精度。

lilith

bg8aqa 发表于 2014-3-15 00:25
谢谢lilith解读并解答。

电桥手册上的公式、图表应该说比较全面，但不便理解和实际操作（颇像我国电子类 ...

我的电桥是小日本的 Hioki 3522 型山寨电桥（不觉得很像 AG4980 嘛），这个电桥相对比较便宜，测试电平范围比较大（0-100mA、0-5V，四位有效数字），可选频点比较多（DC-100KHZ，4 位有效数字），总而言之就是性价比比较高，但精度差一点，而且看起来也没提及测试电平、测试线缆的影响什么的（可能厂家懒，或者厂家也不知道这些因素）。

电桥给出的指标和图表比较复杂，这个和复阻抗测试的复杂本身也有关，复阻抗本身包含实部和虚部，且阻抗是频率的函数，所以无法像万用表测“直流电阻”那样不需要考虑频域上的差异而给出很简单的表格，因为阻抗特性是在频域上变化的，所以电桥的表格都比较复杂，这个应该也不是厂家有意而为。而且从 HP 的表格看来，参数还要多，这个其实也正常，我们的万用表很少可以提供很多测试电平的（我知道 Advantest 的万用表测试电阻可以选择高功率激励源和低功率激励源），一般来说一个量程提供的测试电流只有一个固定值。

至于开路/短路校准的问题，我也没在手册中看出什么

bg8aqa

谢谢lillith，04236-90050的描述更清晰。

电桥的测量精度是几个因素的综合影响，很难一言以蔽之，比如阻抗的绝对值大小（中间范围精度好、极大、极小精度差）、频率（相位检测的灵敏度、分布参数影响）。。。

这样说来您画的圆圈还只能理解为“1khz时|Z|在100Ω~10k欧姆范围的器件，在这台电桥上用1khz信号频率测量时精度最高”，或者“采用1kHz测试100欧姆~1k阻抗器件时的精度是该电桥最好精度范围”，有些拗口，主要表明的电桥最佳精度范围，而不是器件——似乎我们还没法简单下结论说“频率选择的原则是使|Z|在100欧姆~10k，此时精度最高”

该文的公式很有帮助，列出了精度影响因素A B C D E, 我们试着分解一下、使其简单化（人脑本能还是习惯分析单一自变量和函数之间的关系，除非受过专门训练）
D，越小越好——电缆越短、频率越低；
C，越小越好——似乎500mV测试电平最佳；
E，越大越好——频率越低；
A B越小越好，就是查表。

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和我之前的猜测不同（改变频率，使阻抗接近中间值、比如100Ω~10k），比如1p 10p小电容就用最高频率，这张表看起来似乎基本都是在1kHz有最好精度（严格说是最小的A  B C，  D、E的差异未包括）

还是回到实用角度，我在想我们是否可以根据表格和公式，计算后给出一张简表，xx~xx的电容建议用什么设置、xxx~xxx的又用什么设置。

1933390351

不错，收藏了

fickle

复阻抗的实部和虚部（或模长、角度）是同时校正（Correction）的，还是在LoadCorrection时只校正了模长？

---- 大概都要校准的。至于所谓开路短路校准，我觉得都是骗人，呵呵。
---- 最近看到有个号称做出500ppm东东使用使用npo电容来校准的。可是问题是这个perfect电容真是90度么？谁来验证这个电容？

fickle

lilith 发表于 2014-3-15 10:00
我的电桥是小日本的 Hioki 3522 型山寨电桥（不觉得很像 AG4980 嘛），这个电桥相对比较便宜，测试电平 ...

看这个图片在测量电池内阻呢？

xing_quan

测了几个电容都比较准、同时换不同频率（100、120、1Khz、10k、100k）差异也很小。
这个有差异是必然的，一台设备出厂其精度基本上就固定了，如果不是设计缺陷，很难改变。很多人喜欢摩机，但精密仪器几乎没有摩机空间。

满江红

bg8aqa 发表于 2014-3-13 02:11
关于Q3    HP给了个表，自己可以换算为电容大小。

但表格不太好理解，比如1pC的电容，因为电容量太小， ...

3楼的这个转换图太模糊了，我下载之后几乎不能看，