DIY数字电桥说明(7)

2020-03-27 19:58

0.200k电阻:上臂2,下臂0,Q=-0.020 0.100k电阻:上臂2,下臂0,Q=-0.020 0.051k电阻:上臂3,下臂0,Q=-0.036

由上表的低阻部分可知,3倍档移相0.016弧度,10倍档移相0.02弧度,30倍档移相是0.036弧度,正好就是前两档之和0.016+0.020,与理论值相符。

上表的高阻部分,如51k档时的移相,未能达到理想的+0.036,这是表笔分布电容造成的。 程序设计时,只要已知放大器的总移相θ,就可以对结果进行修正。 设原测阻抗是a+jb

修正方法是:a 2= a*cosθ-b*sinθ,b2=a*sinθ+b*cosθ

本LCR表,只要在菜单7中输入两个放大器的移相的弧度参数的1000倍即可。当然,测量放大器移相时,这两个参数必须置0

修正后电阻验证法:取上述被测电阻重测,相位误差应为0,即Q=0

修正后电容验证法:在20欧档验证CBB、CL电容,取两个两同0.47uF CL电容,它的ESR稍大,单个测得ESR为R,两个串联则应为2R,并联须为R/2。测量高压的CBB,不管如何串并联,测得的ESR一般为0,Q为999显示。也可以用高压CBB电容串联低阻电阻,得到可测定的ESR

上述测量用7.8kHz档。 V/I变换器的相位补偿:

V/I变换器引入的相位误差有两方面

高频低阻大电流测量,相位误差主要是引线电感及仪表三运放的共模抑制能力引起的。这方面无须软件修正,三运放的共模抑制良好,其误差可忽略,引线电感可以采用相对值法消除,与万用表200欧档测量电阻时“去除表笔电阻”得真值的原理差不多。 高阻测量,V/I变换器的相位的误差就比较麻烦,最好采用软件修正。 高阻相位误差来源可分两部分:

其一、分布电容引入的附加耦合,如虚地对信号源热端的分布电容,TL082内部两运放的分布电容耦合、信号源质量等,都可能造成信号耦合。因此上臂的电流实为被测Zx上的电流与附加耦合的电流之和。其二、来自下臂输出对虚地的耦合(或其它受控源耦合),等效为下臂电阻上并联了一个分布电容。它造成下臂输出相位滞后。100k档相位误差最严重,而10k档相位误差按100k档相位误差的1/10估算即可。从频域看,相当于下臂电压产生了小量顺时针旋转(滞后),而对幅值的影响基本可以忽略。

以下建模计算分析。测试线分布参数属于被测电抗X的一部分,上臂限流电阻与下臂电阻

等值,都是100k,记作R,运放响应延时等效阻抗为Z1(并联在下臂R上),LCR表测得下、上桥臂阻抗比为k,无相位误差时k的理想值为k=U2/U1=R/X,而实际存在如下关系:

Z1Rk?U2U1?Z1//RXR?XXR?k?[(R?X)//Z0]XZ0?R?(1??Z1?RZ0XZ0?R?X?RZ1(Z0?R?X)XZ0(Z1?R)Z1(Z0?R)Z0(Z1?R)Z1(Z0?R)Z0(Z1?R)(1?,B)XZ0?R)

记A?R是已知的,k可以由LCR表直接测得,A可以通过校准得到,当B也测得,那么就有X=k*R*A*B。其中,Z0与Z1只相当于几个皮法电容的电抗,所以电抗很大。

那么,应如何理解A和B呢?当X很小时,如X=2k欧或5k欧,B是接近于1的,相位偏移量的附加量是A引起的,B几乎不起作用。当X很大时,A和B同时引起相位偏移,偏移量是A*B的角度量。

如果仅用Z=k*R*A表示测量结果,那么Z实际上是Z = X/B = X/[1+X/(Z0+R)] = X*(Z0+R)/(X+Z0+R) = X//(Z0+R),高阻测量时,X是被测电容与表笔分布参数的并联电抗,而且Z0+R与X并联,说明最终得到的Z是Z0+R、表笔电容、被测电抗者的并联值。 综上,A表示V/I变换器的的附加相位偏移,B则反应一个结论,用Z=k*R*A作为结果时,它是开路残余电抗(Z0+R与表笔电抗并联)与被测电抗的并联值,因此,为了得到X,应以并联法扣除开路残余电抗。

通过以上分析,就可以得到一个很有效的A值测量方案:测定时,用Z=k*R计算阻抗。由于Z0和Z1比R大得多,所以A的模值接近于1,他对测量结果的模幅值的影响可以忽略,只需考虑A引起的移相,以免造成Q值测量严重误差。接入5k被测色环电阻(5k电阻Q值几乎为0的),B就接近于1且车辐角接近于0,因此测得Q值正是A的相位。所以,A就是模值为1,辐角为Q的复数。

直得注意的是,DDS前级、后级放大器输出也会存在一些残余耦合,高阻测量时,它也会使V/I变换器发生相位偏移。它们的影响,同样可以归算到A和B之中。

V/I变换器负反馈电阻上并联一个小电容,从输出端看,它引起电压相位滞后。从输入端看,相当于入一个超前的电流(超前补偿)。频率越高,这种反馈越强。有的LCR表采用一些技巧,减小高频反馈,如,100k反馈电阻使用10k与90k串联,串联的中心对地接一个小电容,这个电路,在高频时对反馈信号旁路,减弱了高频反馈,起到了补偿作用。 十、多途验证记录: 验证1:高Q测量精度验证

取0.1uF/630V CBB22电容做为基准器件。这种电容具用很高Q值,它的Q值是大于这个LCR表的测量上限的。 X=16k,800至999(10k档) X=1.6k,700至999(1k档)

X=200欧,500至999(1k档),999(7.8k档)

本LCR表有效测量上限为300左右。测得以上Q值,属正常,上误差许可范围内。本LCR表最大显示限制为999 验证2:低Q测量精度验证

取0.1uF/630V CBB22高Q电容,与3.14欧电阻并联。并联之前测得容量为101nF

用并联法测量。1kHz,测得容量为60nF,7.8kHz测得容量为80nF(此时Q值显示为0.012左右)

理论Q值是3.14/200=0.016,实测0.012,误差4字

经查,这4字误差是二线法测量造成的。转到串联模式,表笔短路,测得表笔残余电抗是+9毫欧。

大串联法重测这个阻容并联体,等效串联电抗是-37毫欧,显然,去除表笔残余值后,正确值是46毫欧。因此,改正后Q值是46毫欧/3.14=0.015,与理论值很接近。 验证3:

测量0.47uH空心线圈(Q表测量),测值也是0.47uH(已去除表笔残余电感)

验证4:

取一段0.18平方毫米铜线,对拆绞合,形成无感电阻。今测其残余电感。

用7.8kHz,20欧档,测得电感量是0.36uH,ESR=294毫欧,去除表笔电感量0.20uH,得电感量0.16uH

用1MHz高频伏安法测得约值是0.2uH

由于这种电感Q值低,电感量不好测量,两种测法误差都比较大,而且电感与频率相关,故只能做粗略比较。两种测法所得结果差不多。 验证5:

20pF小电容测量,与Q表对比,仅相差0.1pF 验证6:

取5个5pF电容并联,测量Q值,得到Q=300,还算满意。 验证7:

接入10欧电阻测试分辨力,用100k档测量,测得三种频率下阻值均为10欧(跳动正负0.5欧) 验证8:

测试电阻,测了几十个电阻,误差均小于0.5% 验证9:

用网线测量毫欧电阻。利用长度测量换算电阻,并与测值比对,可分辨1毫欧。网线电阻率事先用直流电桥测定。 验证10:

取相同的0.47uF/630V CBB22,镀锡包铜钢线引脚,测得单个Q=999(超量程),两个相同的电容并联或串联,也是Q=999。显示正确 验证11:

1uF/400V CL21电容,测得ESR=0.18欧,EPR=2.2k

0.47uF/630V CBB22电容,测得ESR=0.01欧,EPR=百几k欧 测试线电阻0.013欧

两电容并联,测得EPR=2.1k,ESR=0.10欧

计算验证:去除导线电阻,两电容ESR分别为0.17,0.00,并联后的ESR为0.17*(1/1.47)^2+0.013=0.09,与测值0.10相近。 验证13:

用不同的量程,同测一个电容的Q值。

以下Q值分别是20、1k、10k、100k档测得

0.47uF/630V CBB22电容,镀锡铜包钢线引脚,1kHz,X=344Ω: 7.8kHz,四档测Q值:999,999,800,20 1kHz,四档测Q值:999,999,800,999 100Hz,四档测Q值:500,600,900,999 0.1uF/100V 500,涤纶电容,1kHz,X=1.47kΩ 7.8kHz,四档测Q值:127,120,140,500 1kHz,四档测Q值:210,210,210,190 100Hz,四档测Q值:500,900,400,800

3.3nF红褐色电容,曾用于V/F变换器试验,效果非常好,1kHz,X=47.6kΩ。 7.8kHz,四档测Q值:3,150,800,800 1kHz,四档测Q值:150,999,999,999 100Hz,四档测Q值:500,999,999,999 2.2nF涤纶。1kHz,X=70.9kΩ

7.8kHz,四档测Q值:90,125,135,110 1kHz,四档测Q值:30,190,240,240 100Hz,四档测Q值:10,100,800,999

红色部分表示比较合适的档位。

横向比较,要求数值尽量统一。Q大于500,对于本LCR来说,可以认为是无穷大了,因此,Q=700与Q=999,即使都看作999也无妨。 注:Q值大了,跳得利害,仅是取个平均数。 验证13——鉴相器验证线性度:

切换到菜单3手动调节开关状态,切换到下臂测量。

取两个3.3k电阻并联接入,调节相位和增益,使读值尽可能大一些,以便精确分辨,得到读值是6770。

保持相位和增益不变,仅接入一个电阻,另一个电阻不接入虑地表笔,而改接到地线。得到读值是3382。

两个电阻交换,得到读值是3388。

理论上,当检波器和AD线性度良好时,后两个读数之和应等于前一个读数。3388+3382正好等于前一读数6770,所以鉴相器线性度良好。

验证14——电容容量验证

取CBB22/630V 0.47uF电容,这种电容,在不同电压下测量,容量变化较小。 该电容与329.3欧电阻串联,接入AD9850 DDS输出端,频率为1kHz 用VC9806+万用表测得电容两端电压是288.7mV,电阻两端电压是279.8mV 算得容抗X = 329.3*288.7/279.8 = 339.8欧 C = 1/(X*2*3.1416*1000) = 468.4nF 实测结果是:

独立测量R=328.5欧,电容C=469.3nF 串联测量R=329.5欧,电容C=469.3nF 电阻误差:-0.24%,电容误差:+0.19%

这个电容的等效串联电阻很小,可以忽略。串联测量时,理想结果也应是328.5,实测为329.5,偏大1欧。

以上测量结果表明,电容测量的精度与电阻测量精度相当。

上述测量中,万用表加AD9850 DDS测量结果更精确一些。此时上下臂基本上是平衡的,因此万用表的非线性误差基本可以忽略。由于电容的容量较大,所以万用表的分布电容的影响可以忽略。万用表输入电阻为2M欧,相对于329欧电阻来说,也是可以忽略的。


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