1、电子技术实验中基本电量的测量电子技术实验中基本电量的测量 一、要点提示 .2.1 电阻的测量122 电容的测量1.2 电感的测量1.2.4 电压的测量.2. 电流的测量二、内容简介 电子技术实验离不开对某些电量的测量,测量是为了确定被测量对象的量值而进行的实验过程。在这个过程中,人们借助于专门的设备，把被测量对象直接或间接地与同类已知单位进行比较，取得用数值和单位共同表示的测量值。它所涉及的内容包含以下几个方面：电能量的测量(如电压、电流、功率)；元件和电路参数的测量（如电阻、电容、电感、晶体管参数);电信号特性参数的测量(如频率、相位);电路性能指标的测量(如放大倍数、噪声指数）;特性曲线的
2、测量（如晶体管特性曲线、电路的幅频曲线），上述各参数中，电压、电流、电阻等是基本参量，由于受篇幅所限,本节仅介绍几个基本电量的测量,其它有关电参量的测量,请参阅有关章节。 1.21电阻的测量电阻由于其结构上的特点,存在引线电感和分布电容,当工作于低频时电阻分量起主要作用,电抗分量可以忽略不计。但当工作频率升高时电抗分量就不能忽略不计了。此时，工作于交流电路的电阻的阻值，由于集肤效应、涡流损耗等原因，其等效电阻随频率的不同而不同。实验证明,当频率在1Hz以下时,电阻的交流阻值和直流阻值相差不过11 ，随着频率的升高,其间的差值随之增大。一、固定电阻的测量万用表测量电阻 用万用表的电阻档测量电阻时
3、,先根据被测电阻的大小,选择好万用表电阻档的倍率或量程范围，再将两个输入端（称表笔)短路调零，最后将万用表并接在被测电阻的两端，读出电阻值即可。在用万用表测量电阻时应注意以下几个问题：要防止用双手把电阻的两个端子和万用表的两个表笔并联捏在一起,因为这样测得的阻值是人体电阻与待测电阻并联后的等效电阻的阻值，而不是待测电阻的阻值。当电阻连接在电路中时,首先应将电路的电源断开,决不允许带电测量。用万用表测量电阻时应注意被测电阻所能承受的电压和电流值,以免损坏被测电阻。例如,不能用万用表直接测量微安表的表头内阻,因为这样做可能使流过表头的电流超过其承受能力(微安级)而烧坏表头。万用表测量电阻时不同倍率
4、档的零点不同，每换一档都应重新进行一次调零,当某一档调节调零电位器不能使指针回到0欧姆处时，表明表内电池电压不足了，需要更换新电池。由于模拟式万用表电阻档表盘刻度的非线性，测量误差也较大，因而一般作粗略测量。数字式万用表测量电阻的误差比模拟万用表的误差小,但当它用以测量阻值较小的电阻时，相对误差仍然是比较大的。2.电桥法测量电阻 当对电阻值的测量精度要求很高时，可用电桥法进行测量。如图1.2所示R1,R2是固定电阻，称为比率臂，比例系数R1R可通过量程开关进调节，为标准电阻称为标准臂，Rx为被测电阻,G为检流计。测量时接上被测电阻，接通电源,通过调节K和Rn,使电桥平衡即检流计指示为零,读出K
5、和Rn的值,即可求得Rx的值。图.2.1电桥法测量电阻3.伏安法测量电阻伏安法是一种间接测量法，理论依据是欧姆定律U,给被测电阻施加一定的电压,所加电压应不超出被测电阻的承受能力,然后用电压表和电流表分别测出被测电阻两端的电压和流过它的电流，即可算出被测电阻的阻值。 伏安法有如图1.1（a)、(b)所示的两种测量电路。如图1.2（)所示电路称为电压表前接法。由图可见,电压表测得的电压为被测电阻Rx两端的电压与电流表内阻R压降之和。因此,根据欧姆定律求得的测量值为R测UIx=(Ux+)IxRx图1. 伏安法测量电阻如图122(b）所示电路称为电压表后接法。由图可见，电流表测得的电流为流过被测电阻
6、Rx的电流与流过电压表内阻v的电流之和,因此,根据欧姆定律求得的测量值为 测=/xU/(Iv+Ix）RxRvRx使用伏安法时,应根据被测电阻的大小，选择合适的测量电路;如果预先无法估计被测电阻的大小，可以两个电路都试一下，看两种电路电压表和电流表的读数的差别情况，若两种电路电压表的读数差别比电流表的读数差别小,则可选择电压表前接法,即如图.2.2(a)所示电路。反之，则可选择电压表后接法即如图.2.2(b)所示电路。二、电位器的测量用万用表测量电位器用万用表测量电位器的方法与测量固定电阻的方法相同,先测量电位器两固定端之间的总体固定电阻,然后测量滑动端对任意一端之间的电阻值，并不断改变滑动端的
7、位置，观察电阻值的变化情况，直到滑动端调到另一端为止。在缓慢调节滑动端时，应滑动灵活,松紧适度，听不到咝咝的噪声,阻值指示平稳变化,没有跳变现象，否则说明滑动端接触不良，或滑动端的引出机构内部存在故障。,用示波器测量电位器的噪声如图.2.3所示,给电位器两端加一适当的直流电源E,的大小应不造成电位器超功耗，最好用电池。让一定电流流过电位位器,缓慢调节电位器的滑动端，在示波器的荧光屏上显示出一条光滑的水平亮线，随着电位器滑动端的调节，水平亮线在垂直方向移动，若水平亮线上有不规则的毛刺出现，则表示有滑动噪声或静态噪声存在。 图1.2.3 用示波器测电位器的噪声三、非线性电阻的测量非线性电阻如热敏电
8、阻、二极管的内阻等，它们的阻值与工作环境以及外加电压和电流的大小有关，一般采用专用设备测量其特性。当无专用设备时,可采用前面介绍的伏安法,测量一定直流电压下的直流电流值,然后改变电压的大小，逐点测量相应的电流,最后作出伏安特性曲线，所得电阻值只表示一定电压或电流下的直流电阻值。如果电阻值与环境温度有关时还应制造一定的外界环境。1.2.2 电容的测量电容的主要作用是贮存电能。它由两片金属中间夹绝缘介质构成。由于存在绝缘电阻(绝缘介质的损耗）和引线电感。而引线电感在工作频率较低时,可以忽略其影响。因此,电容的测量主要包括电容量值与电容器损耗（通常用损耗因数D表示)两部分内容,有时需要测量电容器的分
9、布电感。一、谐振法测量电容量将交流信号源、交流电压表、标准电感L和被测电容C连成如图12.4所示的并联电路，其中C为标准电感的分布电容。测量时，调节信号源的频率,使并联电路谐振，即交流电压表读数达到最大值，反复调节几次，确定电压表读数最大时所对应的信号源的频率?,则被测电容值Cx为图1.2.4 并联谐振法测量电容量二、交流电桥法测量电容量和损耗因数交流电桥有如图1.2.5(a)和(b）所示的串联和并联两种电桥。对于如图1.5（a）所示的串联电桥,Cx为被测电容，R为其等效串联损耗电阻，由电桥的平衡条件可得 图.5 测量电容的交流电桥测量时,先根据被测电容的范围，通过改变3来选取一定的量程，然后
10、反复调节R和Rn使电桥平衡，即检流计读数最小,从R4，Rn刻度读Cx和D的值。这种电桥适用于测量损耗小的电容器。对于如图1.5(b)所示的并联电桥，x为被测电容，R为其等效并联损耗电阻，测量时,调节Rn和Cn使电桥平衡,此时这种电桥适于测量损耗较大的电容器。三、用万用表估测电容 用模拟式万用表的电阻档测量电容器,不能测出其容量和漏电阻的确切数值，更不能知道电容器所能承受的耐压，但对电容器的好坏程度能粗略判别,在实际工作中经常使用。.估测电容量 将万用表设置在电阻档,表笔并接在被测电容的两端,在器件与表笔相接的瞬间,表针摆动幅度越大，表示电容量越大，这种方法一般用来估测00F以上的电容器。2电容
11、器漏电阻的估测 除铝电解电容外,普通电容的绝缘电阻应大于10M，用万用表测量电容器漏电阻时，万用表置x1k或x10k倍率档,当表笔与被测电容并接的瞬间,表针会偏转很大的角度,然后逐渐回转,经过一定时间,表针退回到处，说明被测电容的漏电阻极大,若表针回不到处,则示值即为被测电容的漏电阻值。铝电解电容的漏电阻应超过00k?才能使用。若表针偏转一定角度后，无逐渐回转现象，说明被测电容已被击穿，不能使用了。c:iknowdocsharedatacur_workhttp：ww.wsjwu.ntDla18wesiyarme02.htm - c021.2. 电感的测量电感的主要特性是贮存磁场能。但由于它一般
12、是用金属导线绕制而成的，所以有绕线电阻（对于磁芯电感还应包括磁性材料插入的损耗电阻)和线圈匝与匝之间的分布电容。采用一些特殊的制作工艺,可减小分布电容，工作频率也较低时,分布电容可忽略不计。因此，电感的测量主要包括电感量和损耗(通常用品质因数表示）两部分内容。一、谐振法测量电感 如图.6所示为并联谐振法测电感的电路，其中C为标准电感，L为被测电感，Co为被测电感的分布电容。测量时，调节信号源频率，使电路谐振,即电压表指示最大，记下此时的信号源频率,则 图1.6 谐振法测量电感由此可见，还需要测出分布容Co，测量电路如图1.6所示,只是不接标准容。调信号源频率,使电路自然谐振。设此频率为f1,则
13、由上两式可得将Co代入L的表达式,即可得到被测电感的感量。二、 交流电桥法测量电感测量电感的交流电桥如图1.7（a)和(b）所示的马氏电桥和海氏电桥两种电桥,分别适用于测量品质因数不同的电感。图1.交流电桥法测量电感如图1.2.7(a)所示的马氏电桥适用于测量0的电感，测量方法和结论与马氏电桥相同。12.4 电压的测量在电子测量领域中,电压是基本参数之一。许多电参数，如增益、频率特性、电流、功率调幅度等都可视为电压的派生量。各种电路工作状态,如饱和、截止等,通常都以电压的形式反映出来。不少测量仪器也都用电压来表示。因此,电压的测量是许多电参数测量的基础。电压的测量对调试电子电路可以说是必不可少
14、的。电子电路中电压测量的特点是： (1) 频率范围宽；电子电路中电压的频率可以从直流到数百兆赫范围内变化。(2) 电压范围广;电子电路中,电压范围由微伏级到千伏以上高压，对于不同的电压档级必须采用不同的电压表进行测量。（3) 存在非正弦量电压；被测信号除了正弦电压外,还有大量的非正弦电压。(4)交、直流电压并存；被测的电压中常常是交流与直流并存，甚至还夹杂有噪声干扰等成分。（5） 要求测量仪器有高输入阻抗;由于电子电路一般是高阻抗电路，为了使仪器对被测电路的影响减至足够小，要求测量仪器有更高的输入电阻。 所以,在电子电路中，应根据被测电压的波形、频率、幅度、等效内阻,针对不同的测量对象采用不同
15、的测量方法。如:测量精度要求不高,可用示波器或普通万用表；如果希望测量精度较高,根据现有条件,选择合适的测量仪器。 一、直流电压的测量电子电路中的直流电压一般分为两大类,一类为直流电源电压，它具有一定的直流电动势和等效内阻0,如图2.8（a)所示。另一类是直流电路中某元器件两端之间的电压差或各点对地的电位，如图1.2.8(b）所示,图中1,R2,R，R4可以是任意元器件的直流等效电阻，1、R3为元器件两端电压，Ul、U2既是对地电位又是元器件两端电压。 图12.8 两种直流电压直流电压的测量方法大体上有直接测量法和间接测量法两种。（)直接测量法 将电压表直接并联在被测支路的两端,如图.2.8所
16、示，如果电压表的内阻为无限大,则电压表的示数即是被测两点间的电压值。实际电压表的的内阻不可能为无穷大,因此直接测量法必定会影响被测电路,造成测量误差。测量时还应注意电压表的极性。它影响到测量值与参考极性之的关系，也影响模拟式电压表指针的偏转方向。（2)间接测量法如图.2.8（b）所示，若要测量R3两端的电压,可以分别测出R3对地的电位U和，然后利用公式UR1-U2求出要测量的电压值。下面介绍实际使用的测方法。1、 数字万用表测量直流电压数字万用表的基本构成部件是数字直流电压表，因此，数字万用表均有直流电压档。用它测量直流电压可直接显示被测直流电压的数值和极性,有效数值位数较多,精确度高。一般数
17、字万用表直流电压档的输入电阻较高，可达1M以上，如T90型数字万用表的直流电压档的输入电阻为1，将它并接在被测支路两端对被测电路的影响较小。用数字万用表测量直流电压时，要选择合适的量程,当超出量程时会有溢出显示，如T-90C型数字万用表，当测量值超出量程时会显示OL,并在显示屏左侧显示OR表示溢出。数字万用表的直流电压档有一定的分辨力，即它所能显示的被测电压的最小变化值，实际上不同量程档的分辨力不同,一般以最小量程档的分辨力为数字电压表的分辨力,如80型数字万用表的直流电压分辨力为100V，即这个万用表不能显示出比100更小的电压变化。2、 模拟式万用表测量直流电压 模拟式万用表的直流电压档由
18、表头串联分压电阻和并联电阻组成,因而其输入电阻一般不太大，而且各量程档的内阻不同，各量程档内阻量程直流电压灵敏度Sv-,因此同一块表，量程越大内阻越大。在用模拟式万用表测量直流电压时，一定要注意表的内阻对被测电路的影响,否则将可能产生较大的测量误差。例如用MF500-B型万用表测量如图1.9所示电路的等效电动势E，万用表的直流电压灵敏度S20k?/,选用1V量程档,测量值为7.2V,理论值为9V，相对误差为20,这就是由所用万用表直流电压档的内阻Rv与被测电路等效内阻相比不够大所引起的，是测量方法不当引起的误差。再比如,用灵敏度为KV的万用表的2.5V直流电压档，去测量图1.2.10所示放大器
19、中晶体管的发射结电压Ube。如果不直接测量BE，而是分别测得UB=.8V,UE=0.92V,计算得UBEUBUE=.0V。根据这个测量结果,放大器必然处于截止状态,而实际上放大器却工作在放大状态,且UE=.2V。图1.2.9测量支流电压 造成这个错误结论的原因是万用表.5 档的内阻为5k,这个电阻并联在基极与地之间，减小了下偏置电阻，因而测出的B值比实际值小得多，而测得的值由于发射极输出阻抗低,仪器内阻的影响小而接近其实际值。可见，上述误差是由于测试方法不当引起的，应直接测量基极与发射极之间的电压E。因此模拟式万用表的直流电压档测量电压只适用于被测电路等效内阻很小或信号源内阻很小的情况。图1.
20、20 单管放大电路图2.1 零示法测量直流电压、零示法测量直流电压为了减小由于模拟式电压表内阻不够大而引起的测量误差,可用如图1.21所示的零示法。图中Es为大小可调的标准直流电源,测量时,先将标准电源Es置最小,电压表置较大量程档,按如图1.1所示的极性接人电路，然后缓慢调节标准电源的大小,并逐步减小电压表的量程档，直到电压表在最小量程档指示为零,此时E=Es，电压表中没有电流流过,电压表的内阻对被测电路无影响。然后断开电路,用电压表测量标准电源E的大小即为被测E的大小。在此由于标准直流电源的内阻很小，一般均小于l？，而电压表的内阻一般在K?级以上,所以用电压表直接测量标准电源的输出电压，电
21、压表内阻引起的误差完全可以忽略不计。、用电子电压表测量直流电压 为了提高电压表的内阻,可以将磁电式表头加装输入阻抗高、并且具有一定放大量的电子线路构成电子电压表,一般采用跟随器和放大器等电路提高电压表的输入阻抗和测量灵敏度,这种电子电压表可在电子电路中测量高电阻电路的电压值。?5、示波器测量直流电压用示波器测量电压时，首先应将示波器的垂直偏转灵敏度微调旋钮置校准档,否则电压读数不准确。 具体测量步骤如下：(1)将待测信号送至示波器的垂直输入端。 （)确定直流电压的极性。将示波器的输入耦合开关置于GD档,调节垂直位移旋钮,将荧光屏上的水平亮线(时基线)移至荧光屏的中央位置,即水平坐标轴上。调整垂
22、直灵敏度开关于适当档位,将示波器的输入耦合开关置于DC档,观察水平亮线的偏转方向(灵敏度不合适时,亮线可能消失,此时需要调整灵敏度）。若向上偏转,则被测直流电压为正极性，若向下偏转，则被测直流电压为负极性。(3)定零电压线。将示波器的输入耦合开关置于N：档，调节垂直位移旋钮，将荧光屏上的水平亮线(时基线）向与其极性相反的方向移动,置于荧光屏的最顶端或最底端的坐标线上，即被测电压为正极性，就将时基线移至最底端的坐标线上，反之则将时基线移至最顶端的坐标线上，此时基线所在位置即为零电压所在位置,在此后的测量中不能再移动零电压线。即不能再调节垂直位移旋钮。 图1.2.12 示波器测量直流电压图1.2.
23、1 微差法测量直流电压(4)将示波器的输入耦合开关置于DC档,调整垂直灵敏度开关于适当档位,读出此时荧光屏上水平亮线与零电压线之间的垂直距离Y(如图112所示),将Y乘以示波器的垂直灵敏度即可得到被测电压的大小,即UxYY。6、微差法测量直流电压 在上面介绍的直流电压测量中都存在一个分辨力问题，数字电压表的分辨力是末位数字代表的电压值，模拟电压表的分辨力为最小刻度间隔所代表的电压值的一半，量程越大分辨力越低，如MF50B型万用表在2.5量程档,分辨力为2V,10V档的分辨力为.1V,电压表不可能正确测量出比分辨力小的电压的微小变化量。为了准确地测量大电压中的微小变化量，可以用如图1.2.3所示
24、的微差法来测量。图中Es为大小可调的标准电源。测量时，调节Es的大小,使电压表在小量程档(分辨力最高）上有一个微小的读数，则o=Es+。当UUo时,电压表的测量误差对的影响极小，且电压表中流过的电流很小,对被测电压不会产生大的影响。7、含有交流成分的直流电压的测量由于磁电式电表的表头偏转系统对电流有平均作用,不能反映纯交流量，所以,含有交流成分的直流电压的测量，一种常用的方法就是用模拟式电压表直流档直接测量。如果叠加在直流电压上的交流成分具有周期性和幅度对称性,可直接用模拟式电压表测量其直流电压的大小。 由交流信号转换而得到的直流,如整流滤波后得到的直流平均值,以及非简谐波的平均直流分量都可用
25、模拟式电压表测量。一般不能用数字式万用表测量含有交流成分的直流电压,因为数字式直流电压表要求被测直流电压稳定,才能显示数字,否则数字将跳变不停。 二、 交流电压的测量电子技术实验中,交流电压大致可分为正弦和非正弦交流电压两类,测量方法一般可分为两种,一种是具有一定内阻的交流信号源的测量，如图1.2.14（)所示。另一种是电路中任意一点对地的交流电压的测量，如图.14（b)所示电路中的U1、U2，也包括电路中任意两点间的交流电压,如URl,UR3。在此注意,用间接测量法求UR=12电压时,其值由矢量差求出，只有当U1和2同相位时，才能用代数差表示。在时间域中，交流电压的变化规律是各种各样的,有按
26、正弦规律变化的正弦波、线性变化的三角波、跳跃变化的方波、随机变化的噪声波等。但无论变化规律多么不同,一个交流电压的大小均可用峰值(或峰峰值)、平均值、有效值、波形因数、波峰因数来表征。 图1.4 测量两种交流电压方法 峰值U 峰值是交变电压在所观察的时间或一个周期内所达到的最大值,记为UP如图1.21所示,峰值是从参考零电平开始计算的,有正峰值P+和负峰值-之分。正峰值与负峰值一起包括时称为峰峰值P。常用的还有振幅Um,它是直流电压为参电平计算的。因此，当电压中包直流成分时，P与U是不相的，只有纯交流电压时m。图1.15 交流电压的峰值与幅度 平均值 平均值在数学上定义为原则上,求平均值的时间
27、为任意时间，对周期信号而言,T为信号周期。根据以上的定义，若包含直流成分U-，则 -,若仅含有交流成分，=0。这样对纯粹的交流电压采说,由于 =0,将无法用平均值来表征它的大小。由于在实际测量中,总是将交流电压通过检波器变换成直流电压后再进行测量的，因此平均值通常是指检波后的平均值。根据检波器的不同又可分为全波平均值和半波平均值,一般不加特别说明时，平均值都是指全波平均值，即 有效值一个交流电压和一个直流电压分别加在同一电阻上,若它们产生的热量相等，则交流电压的有效值等于该直流电压值,即作为交流电压的一个参数，有效值比峰值、平均值用得更为普遍，当不特别指明时，交流电压的量值均指有效值，各类交流
28、电压表的示值,除特殊情况外，都是按正弦波的有效值来刻度的。 波形因数KF电压的有效值与平均值之比称为波形因数KF ，即 波峰因数KP交流电压的峰值与有效值之比称为波峰因数P,即 几种典型交流电压波形的参数见表.2.1表1. 几种典型交流电压的波形参数.正弦交流电压的测量实验中对正弦交流电压的测量，一般测量其有效值，特殊情况下才测量峰值。由于万用表结构上的特点，虽然也能测量交流电压,但对频率有一定的限制。因此，测量前应根据待测量的频率范围,选择合适的测量仪器和方法。 模拟式万用表测量交流用万用表的交流电压档测量电压时,交流电压是通过检波器转换成直流后直接推动磁电式微安表头,由表头指针指示出被测交流电压的大小。因此这种表的内阻较低,且各量程的内阻不同，各档的内阻Rv=量程交流电压灵敏度V-,测量时应注意其内阻对被测电路的影响。此外，模拟式万用表测量交流电压的频率范围较小，一般只能测量频率在kHz以下的交流电压。它的优点是：由于模拟式万用表的公共端与外壳绝缘
