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實(shí)驗(yàn)十????? R、L、C元件參數(shù)測(cè)量? ?
一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康???????????????????????????????????????????????????????????????????
1．熟悉電阻、電感、電容（R、L、C）元件參數(shù)測(cè)試的原理。
2．掌握本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量R、C的基本方法。
1．實(shí)驗(yàn)前要求預(yù)習(xí)關(guān)于“阻抗參數(shù)的數(shù)字化測(cè)量”相關(guān)內(nèi)容。
2．基于本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，完成R、C參數(shù)的測(cè)量，記錄測(cè)量數(shù)據(jù)，并對(duì)電阻測(cè)量進(jìn)行誤差分析。
3．了解R、L、C參數(shù)的校準(zhǔn)測(cè)量原理及方法。
1. SJ-8002B電子測(cè)量實(shí)驗(yàn)箱???????????????????????? ?? 1臺(tái)
2．雙蹤示波器（20MHz模擬或數(shù)字示波器）?????????????? 1臺(tái)
3．計(jì)算機(jī)(具有運(yùn)行windows2000和圖形化控件的能力)???? 1臺(tái)
4．SJ-7001 RLC參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)板?? ?????????????? ?????? 1塊
5．?dāng)?shù)字電壓表（4 1/2位）???????????????????????????? 1個(gè)
6．R、C被測(cè)試元件： ???????????????????????????????? 各3～5個(gè)
?? 1．R、L、C參數(shù)測(cè)試原理
?
?
?
?
?
?? 如圖5－1中
為被測(cè)阻抗，
為采樣電阻（標(biāo)準(zhǔn)電阻）。
為幅度頻率可調(diào)信號(hào)源。由圖知：
? ???????????????? ? 
??????????????? （1）
?? 令被測(cè)阻抗
? ?????????????????? 
??????????????????? （2）
??? 則??????????????? 
??????????????????????? （3）
? ? ? ?? ? ? ???????? 
??? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）
式中
為
和
或
和
的相位差。
??? 若被測(cè)阻抗
分別為Rx、Lx、Cx的理想元件（不考慮Lx、Cx的損耗），即
??????????????????? 
???? 
? ?????????? ?????? （5）
?? ?????? ???????? 
?? 
???????? ??????? ?? （6）
?? ??????? ??????? 
??
?????? ??? ???? ?? (7）
??? 則有： ????????? 
??? ???????? ?????????? ?????????? (8）
??? ? ? ? ? ? ?? ??? 
?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??? (9）
???? ?? ?? ?? ?? ?? 
???? ??? ?? ?? ? ?? ?? ?? ? ??? ?? （10）
??? 根據(jù)式（8）、（9）、（10），即可進(jìn)行元件參數(shù)Rx、Lx、Cx的測(cè)量，式中
、
為同頻正弦波的有效值或峰值，為角頻率。
與
相比，表現(xiàn)為幅度和相位的變化（對(duì)于純電阻，無(wú)相位變化，對(duì)于L、C元件，相差
），通過(guò)改變采樣電阻
的大小，即可改變R、L、C參數(shù)測(cè)量的量程。
??? 2.實(shí)驗(yàn)硬件電路圖
?? 圖2是根據(jù)上述原理設(shè)計(jì)的RLC參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)板（SJ-7001）。圖中，測(cè)試信號(hào)（正弦波）由實(shí)驗(yàn)箱的第一路信號(hào)源（Aout1）產(chǎn)生（也可外接信號(hào)源），信號(hào)源峰值為1V（典型頻率值為1kHz）, 經(jīng)2倍放大后，得到2V峰值。信號(hào)源輸出的匹配電阻
，在更換量程時(shí)，
與
同步的切換，
的作用減小電壓
、
的變化范圍，增加測(cè)量電路工作的穩(wěn)定性。圖中
為實(shí)現(xiàn)測(cè)量校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)電阻，通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)選擇被測(cè)元件或校準(zhǔn)電阻。放大器A1、A2分別取出被測(cè)阻抗
（或校準(zhǔn)電阻
）和采樣電阻
兩端的電壓，并經(jīng)過(guò)適當(dāng)放大，得到
和
，它們分別連接到實(shí)驗(yàn)箱的高速采集輸入通道Ain1和Ain2，實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集并通過(guò)計(jì)算得到信號(hào)的幅值。根據(jù)
、
放大倍數(shù)及式（8）~（10），得到元件參數(shù)Rx、Lx、Cx，即
????????????????????????? 
???????????????????? ???? ? （11）
??????????????????????? 
??????????????????????????? （12）
??????????????????? ?? 
??????????????????????????? （13）
????????????? 
????????? ???????? ????????? ????????? 圖2?? R、L、C參數(shù)測(cè)量原理圖（SJ-7001實(shí)驗(yàn)板）
?? 3．校準(zhǔn)方法
?? 如式（11）~（13），為得到元件參數(shù)Rx、Lx、Cx值，需要根據(jù)采集得到的U1、U2幅值及A1、A2放大倍數(shù)、信號(hào)角頻率
、采樣電阻
進(jìn)行計(jì)算。為提高測(cè)量精度，消除A1、A2的增益精度和增益漂移的影響，可采用校準(zhǔn)測(cè)量方法。以電阻測(cè)量為例，接入被測(cè)電阻Rx后，若U1、U2分別為U1x、U2x（幅值），則由式（11）可得：
??????? ????? ????? ??????? 
?? ?????? ?????? ????????? （14）
再接入標(biāo)準(zhǔn)電阻
，若U1、U2分別為U1s、U2s（幅值），則
的測(cè)量值
為：
????????????? ???????????
?????? ???????????? ??????????? （15）
由（14）和（15）可得：
??? ???????? ??????????? 
????????????? ??????? ????????? （16）
通過(guò)上述兩次測(cè)量過(guò)程，所得的測(cè)量結(jié)果的公式（5-16）中不含
、
、
，因而可消除
、
、
的影響。
?? 1．實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備
? （1）按照?qǐng)D3把RLC參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)板（SJ-7001）插入實(shí)驗(yàn)箱主板的62芯插座，跳線S602接“no”端。主電路板的短路塊S102接到左面，RLC板的短路塊接下面（AO1）。
? （3）用雙蹤示波器分別監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)箱信號(hào)源輸出Aout1和采集輸入通道Ain1及Ain2信號(hào)（即圖5-2中U1、U2輸出）之一。
??????????????????????????? 
?????????????????????????????????????? 圖3實(shí)驗(yàn)連接框圖
?? 2．校準(zhǔn)電阻測(cè)量
? （1）選擇實(shí)驗(yàn)五，進(jìn)入RLC參數(shù)測(cè)量界面，如圖4。
????????????? ??
?????????????????????????? ?圖4??? 虛擬R、L、C測(cè)試儀面板測(cè)量300Ω電阻時(shí)
?? （2）在測(cè)試程序的主界面上，選擇校準(zhǔn)（校準(zhǔn)方框填黑）和表5－1給出的校準(zhǔn)電阻值選擇校準(zhǔn)電阻。
?? （3）先選擇“電阻”，然后選量程，把增益比值“A1/A2”放在“1”處（默認(rèn)位置為“1”）,“循環(huán)”放在“off”處（不循環(huán)，即只進(jìn)行單次測(cè)量），“秒/格”、“伏/格”都采用默認(rèn)設(shè)置(即秒/格置“2”，伏/格置“1V”)。
? （4）點(diǎn)擊“測(cè)量”，根據(jù)采集得到的波形來(lái)更換增益“A1/A2”，使兩個(gè)通道的幅度接近且波形為不失真正弦。由于是純電阻測(cè)量，兩個(gè)波形沒(méi)有相位差。將測(cè)量值填入表1。
??????????????????????????????????? 表1?? 校準(zhǔn)電阻測(cè)試
校準(zhǔn)電阻（Ω） |
選擇電阻 |
A1/A2 |
測(cè)量值 |
絕對(duì)誤差（Ω） |
相對(duì)誤差 |
|
300 |
? |
? |
? |
? |
? |
|
1K |
? |
? |
? |
? |
? |
|
3K |
? |
? |
? |
? |
? |
|
10K |
? |
? |
? |
? |
? |
|
30K |
? |
? |
? |
? |
? |
|
100K |
? |
? |
? |
? |
? |
|
300K |
? |
? |
? |
? |
? |
?? 3．外加電阻測(cè)試
?? （1）選擇5個(gè)待測(cè)電阻，并用數(shù)字電壓表測(cè)量其阻值作為該電阻的實(shí)際值，填入表1中第一欄和第二欄。
?? （2）本實(shí)驗(yàn)使用實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部DDS信號(hào)源Aout1，提供默認(rèn)頻率為1kHz、幅度峰值為2V的激勵(lì)信號(hào)。
?? （3）接入一個(gè)待測(cè)電阻，在測(cè)試程序的主界面上，先選擇“電阻”，然后選量程（用默認(rèn)設(shè)置，30~300Ω），把增益比值“A1/A2”放在“1”處（默認(rèn)位置為“1”）,“循環(huán)”放在“off”處（不循環(huán)，即只進(jìn)行單次測(cè)量），“秒/格”、“伏/格”都采用默認(rèn)設(shè)置(即秒/格置“2”，伏/格置“1V”)。
?? （4）點(diǎn)擊“測(cè)量”，先根據(jù)面板的提示“狀態(tài)”來(lái)更換量程，“30～300”（單位為Ω）是最小量程，選好量程后，再根據(jù)采集得到的波形來(lái)更換增益“A1/A2”，使兩個(gè)通道的幅度接近且不失真，如果量程已經(jīng)選擇為最小量程仍然提示量程偏大或者量程已經(jīng)選擇為最大量程仍然提示量程偏小，就只能改變?cè)鲆妗癆1/A2”了。最后改變“伏/格”和“秒/格”來(lái)改變波形的顯示，使波形充滿屏幕，便于觀測(cè)。同時(shí)，觀察示波器上顯示的波形，注意由于是純電阻測(cè)量，兩個(gè)波形沒(méi)有相位差。將測(cè)量值填入表1中第三欄。
? （5）將上述測(cè)量結(jié)果記錄于表2，并用數(shù)字電壓表測(cè)量值作為實(shí)際值，計(jì)算測(cè)量誤差。
? （6）改換另一個(gè)待測(cè)電阻，重復(fù)（2）～（5）。
? （7）通過(guò)這種單次測(cè)量測(cè)出電阻的參數(shù)后，可以將“循環(huán)”開(kāi)關(guān)置于“on”，來(lái)觀察該電阻多次測(cè)量的穩(wěn)定性和重復(fù)性。
表2 外加電阻測(cè)試
標(biāo)稱值（Ω） |
數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量值（Ω） |
選擇電阻 |
A1/A2 |
測(cè)量值 |
絕對(duì)誤差（Ω） |
相對(duì)誤差 |
|
? |
? |
? |
? |
? |
? |
? |
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? |
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? |
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? |
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?
?? 4．電阻R的校準(zhǔn)測(cè)量。
的比值，若被測(cè)電阻測(cè)量時(shí)，記錄直接測(cè)量值和比值
；再選中“校準(zhǔn)”，并選擇與被測(cè)量最接近的校準(zhǔn)電阻
進(jìn)行測(cè)量，記錄測(cè)量值和比值
，根據(jù)式16，Rx校準(zhǔn)后的值為： ????? ?????? ???? ???? 
????? ??? ??? ????? ???? ? (17)
測(cè)量數(shù)據(jù)記錄于表3。
表3? 電阻的校準(zhǔn)測(cè)量
標(biāo)稱值（Ω） |
數(shù)字電壓表測(cè)量值（Ω） |
比值讀數(shù)X1 |
直接測(cè)量值 |
校準(zhǔn)電阻Rr（Ω） |
比值X2 |
校準(zhǔn)電阻測(cè)量值Rs（Ω） |
校準(zhǔn)結(jié)果Rx（Ω） |
|
? |
? |
? |
? |
? |
? |
? |
? |
|
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? |
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? |
? |
?? 5．電容測(cè)量
? （1）選擇5個(gè)待測(cè)電容，將標(biāo)稱值填入表4中第一欄。由于不易得到電容的實(shí)際值（數(shù)字電壓表測(cè)量電容誤差較大），因此，電容測(cè)量不做誤差分析，但需驗(yàn)證測(cè)量值（顯示值）與理論計(jì)算結(jié)果（13）一致性。
?? （2）在測(cè)試程序的主界面上，選擇要測(cè)量的元件為“電容”，然后選量程（用默認(rèn)設(shè)置），把增益“A1/A2”放在“1”處（默認(rèn)位置為“1”）,“循環(huán)”放在“off”處，“秒/格”、“伏/格”都采用默認(rèn)設(shè)置(即秒/格置“2”，伏/格置“1V”)。
?? （3）本實(shí)驗(yàn)使用實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部DDS信號(hào)源Aout1，默認(rèn)頻率為1kHz、幅度峰值為2V。
?? （4）點(diǎn)擊“測(cè)量”，先根據(jù)面板的提示“狀態(tài)”來(lái)更換量程，“100u～1u”對(duì)應(yīng)最小量程，選好量程后，再根據(jù)采集得到的波形來(lái)更換增益“A1/A2”使兩個(gè)通道的幅度接近且不失真，如果量程已經(jīng)選擇為最小量程仍然提示量程偏大，可降低測(cè)試信號(hào)頻率（如選擇頻率100Hz）；如果量程已經(jīng)選擇為最大量程仍然提示量程偏小，那么可提高測(cè)試信號(hào)頻率（如選擇頻率10kHz）。最后改變“伏/格”和“秒/格”來(lái)改變波形的顯示，使波形充滿屏幕，便于觀測(cè)。同時(shí)，觀察示波器上顯示的波形，注意對(duì)于電容測(cè)量，兩個(gè)波形相位差為
。將測(cè)量結(jié)果（顯示值）填入表5中第二欄，并根據(jù)公式（10）和各測(cè)量參數(shù)計(jì)算理論值，填入表中。
? （5）通過(guò)這種單次測(cè)量測(cè)出電容的參數(shù)后，可以把“循環(huán)”放到“on”處，來(lái)觀察該電容多次測(cè)量的穩(wěn)定性和重復(fù)性。
?????????? ???????? ????????? ???????? ???????? ? 表4
標(biāo)稱值（uF） |
選擇 |
增益 |
角頻率 |
比值 |
測(cè)量值 |
量程對(duì)應(yīng)采樣電阻Rr（Ω） |
理論計(jì)算值（uF） |
|
? |
? |
? |
? |
? |
? |
? |
? |
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? |
? |
? |
? |
? |
表5? 電容量程和采樣電阻對(duì)應(yīng)關(guān)系
序號(hào) |
1 |
2 |
3 |
4 |
|
電容量程 |
100u～ 1u |
1u ～0.1u |
0.1u～ 0.01u |
0.01u ～1000P |
|
采樣電阻Rr（Ω） |
100 |
1k |
10k |
100k |
注意：在運(yùn)行軟件前要先打開(kāi)實(shí)驗(yàn)箱的電源。
? 1. 測(cè)量電容與哪些因素有關(guān)？測(cè)量中應(yīng)該注意什么？
? 2. 分析R、L、C測(cè)量中誤差產(chǎn)生的原因有哪些？
? 3．本實(shí)驗(yàn)僅對(duì)理想元件參數(shù)的測(cè)量，若對(duì)含有虛實(shí)部的阻抗（含電阻和電抗分量）測(cè)量，上述測(cè)量方法則不能實(shí)現(xiàn)，此時(shí)應(yīng)如何改進(jìn)測(cè)量方案？
? 4．若需對(duì)L、C參數(shù)的測(cè)量進(jìn)行校準(zhǔn)，應(yīng)如何進(jìn)行，寫(xiě)出校準(zhǔn)公式，校準(zhǔn)公式中是否還含有ω參數(shù)？
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論