项目 6 元器件参数测量

电子测量仪器

项目 6 元器件参数测量

任务 1 集总元件参数测量

任务 2 晶体管参数测量

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【任务布置】

1 ．测量电阻器的电阻值 Rx 。

2．测量电容器的电容量 Cx 和损耗因数 Dx 。

3．测量电感器的电感量 Lx 和品质因数 Qx 。


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【任务目的】

1 ．熟悉万用电桥的面板结构和功能。

2．熟练使用万用电桥测量电阻器、电感器和电容器。

3．理解电桥法测量电阻器、电感器和电容器的原理。


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【任务分析】

1. 集总元件

集总参数元件：具有两个端子的元件，并且在任何时刻，从该二端元件的一个端子流入的电流等于从另一端子流出的电流，且两个端子之间的电压为单值量，简称集总元件。电阻器、电容器、电感器都是集总元件，它们的特性可以由元件两端的电压和电流的关系来确切表达。

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【任务分析】

2. 电阻器

理想的电阻器是一个纯电阻元件，不包含电抗分量。实际电阻器还存在一定的引线电感和分布电容，其等效电路如图所示，其中 LR 为引线电感， LC 为分布电容。在低频电路中，引线电感和分布电容的影响可忽略不计，在高频电路中则必须考虑。

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【任务分析】

3. 电容器实际的电容器存在引线电感和损耗电阻（包括漏电阻和介质损耗），在频率不太高的情况下，引线电感的影响可忽略不计。实际电容器的等效电路如图所示，其中 RCS 为电容器的串联损耗电阻， RCP 为电容器的并联损耗电阻。

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【任务分析】

3. 电容器

损耗因数 D 用于表示电容器的损耗大小，损耗因数越小，电容器的质量越好。

对于串联等效电路，损耗因数

对于并联等效电路，损耗因数

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【任务分析】

4. 电感器由于线圈本身存在直流电阻，因此实际的电感器除电感量外，还存在损耗电阻。另外电感器也存在分布电容，但在频率不太高的情况下，分布电容的影响可以忽略不计。实际电感器的等效电路如图所示，其中 RLS 为电感器的串联损耗电阻， RLP 为电感器的并联损耗电阻。

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【任务分析】

4. 电感器电感器的品质因数用于表示电感器的损耗大小，是衡量电感器质量的主要参数。

品质因数越大，电感器的损耗越小，效率越高。

对于串联等效电路，品质因数

对于并联等效电路，品质因数

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【任务分析】

5. 仪器选择

测量集总参数元件的方法主要包括：伏安法、电桥法和谐振法。

伏安法：根据欧姆定律来测量集总元件参数。该方法使用方便，但因有接入误差的影响，测量精确度较差，仅适用于低频测量，比较适合直流电阻的测量。

谐振法：根据 LC 谐振回路谐振特性来确定被测量的大小，通常用来测量高频元件。谐振法需要很高的频率激励信号，一般无法达到很高的测量精度。

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【任务分析】

5. 仪器选择

电桥法：根据电桥平衡时的电桥平衡条件来确定被测量。该方法的工作频率较宽，测量精度较高。但因为在高频测量时，电桥对屏蔽良好的要求很高，所以比较适合低频阻抗元件的测量。

依据电桥法制成的测量仪器称为电桥，主要用来测量电阻器的阻值、电感器的电感量及品质因数、电容器的电容量及损耗因数等。同时具有测量电阻器、电容器和电感器功能的电桥称为万用电桥或万能电桥。

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【认识仪器】

1 ． QS18A 万能电桥外形

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【认识仪器】

2 ． QS18A 万能电桥面板各部件功能

拨动开关

外接插孔

被测端钮

量程选择开关

测量选择开关

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【认识仪器】

2 ． QS18A 万能电桥面板各部件功能

读数旋钮

损耗微调旋钮

灵敏度调节旋钮

损耗平衡旋钮

接壳端钮

指示电表损耗倍率

开关

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【认识仪器】

3 ． QS18A 万能电桥的性能指标

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【任务实施】

1 ．测量电阻器的电阻值 Rx

（ 1）测量步骤

为了减少误差，最好直接将被测元件连接于两个测量端钮上

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【任务实施】



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【任务实施】


（ 2）测量结果记录

读取万用电桥上量程开关、读数旋钮的指示值，并填入表中。

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【任务实施】


（ 3）数据分析处理

QS18A 型万用电桥测量电阻器的计算公式为：

根据量程开关和读数旋钮的读数，得出被测电阻的电阻值 Rx= 。

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【任务实施】2 ．测量电容器的电容量 Cx 和损耗因数 D

x（ 1）测量步骤

当测量有极性的电容器时，应将电容的正极接端钮 1。

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【任务实施】2 ．测量电容器的电容量 Cx 和损耗因数 D

x（ 1）测量步骤

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【任务实施】


读取万用电桥上量程开关、读数旋钮、损耗倍率开关、损耗平衡旋钮的指示值，并填入表中。

2 ．测量电容器的电容量 Cx 和损耗因数 D

x

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【任务实施】


QS18A 型万用电桥测量电容器的电容量和损耗因数的计算公式为：

根据量程开关、读数旋钮、损耗倍率开关、损耗平衡旋钮的读数，得出被测电容器的实测值为：

2 ．测量电容器的电容量 Cx 和损耗因数 D

x

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【任务实施】


3 ．测量电感器的电感量 Lx 和品质因数 Q

x

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【任务实施】


读取万用电桥上量程开关、读数旋钮、损耗倍率开关、损耗平衡旋钮的指示值，并填入表中。


x

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【任务实施】


QS18A 型万用电桥测量电感器的电感量和品质因数的计算公式为：

根据量程开关、读数旋钮、损耗倍率开关、损耗平衡旋钮的读数，得出被测电感器的实测值为：


x

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【知识链接】

1. 万用电桥的结构组成

万用电桥主要由测量桥体、测量用信号源和指零仪三部分组成。

测量桥体：是万用电桥的核心部分，可根据不同的测量对象，由切换开关构成不同的电桥电路；测量用信号源：用于为电桥电路提供所需的信号源；指零仪：用于指示电桥的平衡状态，当指零仪指到零位时，表示电桥电路达到平衡。

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【知识链接】

2. 电桥法测量电阻器的原理当电源接通之后，调节桥臂电阻 R2 、 R3 和 R4 ，使指零仪指示为

零，即指零仪两端没有电位差，流过的电流为零，这时电桥处于平衡状态。

惠斯通电桥

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【知识链接】

3. 电桥法测量电感器的原理麦克斯韦电桥适用于测量品质因数Ｑ＜ 10的电感，当电桥处于平衡状态时，可得到被测电感的参数为：

麦克斯韦电桥

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【知识链接】

3. 电桥法测量电感器的原理海氏电桥适用于测量品质因数Ｑ＞ 10的电感，当电桥处于平衡状态时，可得到被测电感的参数为：

海氏电桥

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【知识链接】

4. 电桥法测量电容器的原理对于损耗较小的电容，适合用串联电容电桥进行测量。根据平衡条件，可得到被测电容的参数为：

串联电容电桥

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【知识链接】

4. 电桥法测量电容器的原理对于损耗较大的电容，适合用并联电容电桥进行测量。根据平衡条件，可得到被测电容的参数为：

并联电容电桥

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【巩固练习】

1 ．利用万用电桥测量两个不同标称阻值的电阻。

2．利用万用电桥测量两个不同标称容量的电容。

3．利用万用电桥测量两个不同标称电感量的电感。

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【任务布置】

1 ．测量二极管 1N4148 的伏安特性。

2．测量三极管 9013 的共射输出特性。


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【任务目的】

1 ．熟悉晶体管特性图示仪的面板结构和功能。

2．熟练使用晶体管特性图示仪测量二极管、三极管的特性。

3．理解使用晶体管特性图示仪测量二极管、三极管的原理。


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【任务分析】

1. 二极管的伏安特性测量方法分析二极管的伏安特性是指加在二极管两端的电压和流过二极管的电流之间的关系，这种关系用图形来表示，就是二极管的伏安特性曲线。通过二极管的伏安特性曲线可以直观地观察到二极管的正向导通、反向截止、反向击穿等现象，帮助理解二极管的单向导电性，并可直接读取二极管的导通电压、反向击穿电压以及稳压二极管的稳压值等参数，以便在电路设计和制作时正确地选择元器件。

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【任务分析】

1. 二极管的伏安特性测量方法分析

在二极管的两端加上正向电压，并且使正向电压从零开始逐渐增大，同时测量流经二极管的电流，以电压为横坐标、电流为纵坐标，把测得的电压和电流的数据以曲线的形式描绘出来，就得到了如图所示的二极管正向特性曲线。

二极管正向特性曲线

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【任务分析】

1. 二极管的伏安特性测量方法分析

在二极管的两端加上负向电压，并且使负向电压从零开始逐渐增大，同时测量流经二极管的电流，以电压为横坐标、电流为纵坐标，把测得的电压和电流的数据以曲线的形式描绘出来，就得到了如图所示的二极管反向特性曲线。

二极管反向特性曲线

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【任务分析】

2. 三极管的共射输出特性测量方法分析三极管的共射输出特性是指三极管在共射接法下，对于不同的基极电流 IB ，其集电极电流 IC与集电极对发射极电压 UCE 之间的关系。三极管的特性曲线反映了其技术性能，是元器件选用和分析放大电路技术指标的重要依据。从三极管的共射输出特性曲线上，可以直观的观察到三极管的截止区、放大区、饱和区，通过读数和简单的计算得出三极管的放大倍数等参数。

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【任务分析】

2. 三极管的共射输出特性测量方法分析测量三极管的共射输出特性的方法：首先使基极电流 IB=0，而后调节 UC

E 使之从零开始逐渐增大，同时测量集电极电流 IC ，以 UCE 为横坐标， IC 为纵坐标，把测得的电压和电流的数据以曲线的形式描绘出来，得到 IB=0时的一根输出特性曲线。然后逐级增大基极电流 IB ，继续上述的过程，得到对应于不同基极电流的多根输出特性曲线。这些曲线就组成了如图所示的三极管共射输出特性曲线簇图。

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【任务分析】

3. 仪器选择

晶体管特性图示仪又称半导体管特性图示仪，是一种用于测量各种半导体分立器件的仪器，它采用示波管显示二极管、三极管、场效应晶体管等半导体器件的各种特性曲线，通过屏幕上的刻度读取测量数据，用途广泛，显示直观，使用方便，是进行晶体管参数测量、挑选配对等工作时必不可少的一种仪器。

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【认识仪器】

1 ． CA4810A 型晶体管特性图示仪外形

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【认识仪器】

2 ． CA4810A 型晶体管特性图示仪面板各部件功能

示波管

光迹旋转旋钮

（ 1）“电源及显示控制”单元

电源开关

电源指示灯

辉度旋钮

聚焦旋钮

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【认识仪器】


“ （）移位”旋钮

（ 2）“垂直偏转”单元

“ 电流 /度”旋钮

“×0.5”按键

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【认识仪器】


“ （）移位”旋钮

（ 3）“水平偏转”单元

“ 伏 /度”旋钮

“ 双簇分离”旋钮

“ 反相”按键

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【认识仪器】


“ 峰值电压%”旋钮

“AC/DC”按键

（ 4）“集电极电源”单元

“2A”熔断器

“ 峰值电压范围”按键

“ 极性”按键

“ 辅助平衡”旋钮

“ 功耗限制电阻Ω”旋钮

“ 容性平衡”旋钮

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【认识仪器】


“ 电压 -电流 /级”旋

钮 “ 调零”

旋钮

（ 5）“阶梯信号 ”单元

“ 串联电阻”按键

“ 单簇”指示灯

“ 级 /簇”旋钮

“ 重复 /单簇”按

键

“+/-”按键

“ 单簇 -按”按键

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【认识仪器】

2 ． CA4810A 型晶体管特性图示仪面板各部件功能（ 6）测试台

“ 左”按键

“ 右”按键

“ 双簇”按键

“ 零电流”按键

“ 零电压”按键

被测器件连接口

被测器件连接口

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【认识仪器】

3 ． CA4810A 型晶体管特性图示仪的性能指标

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【任务实施】

1 ．测量二极管 1N4148 的正向特性（ 1）测量步骤

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【任务实施】


应根据被测参数或被测晶体管允许的集电极电压的数值来确定“峰值电压范围”

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【任务实施】


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【任务实施】

（ 2）测量结果记录对照示波管上的波形，将二极管 1N4148 的正向特性曲线描画在表中，并填写相应的旋钮设置情况。

1 ．测量二极管 1N4148 的正向特性

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【任务实施】

（ 3）数据分析处理根据波形读数和伏 /度旋钮设置，得出二极管 1N4148的正向导通电压 VF= 。

1 ．测量二极管 1N4148 的正向特性

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【任务实施】

2 ．测量二极管 1N4148 的反向特性（ 1）测量步骤

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【任务实施】


将“功耗限制电

阻”旋钮调至高电阻档，以限制其功

耗。

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【任务实施】


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【任务实施】


缓慢调节“峰值电压%”旋钮至出现反向击穿时即可，避免峰值电压调节过大造成元器件损坏。

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【任务实施】

（ 2）测量结果记录对照示波管上的波形，将二极管 1N4148 的反向特性曲线描画在表中，并填写相应的旋钮设置情况。

2 ．测量二极管 1N4148 的反向特性

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【任务实施】

（ 3）数据分析处理根据波形读数和伏 /度旋钮设置，得出二极管 1N4148 的反向击穿电压 VBR= 。

2 ．测量二极管 1N4148 的反向特性

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【任务实施】

3 ．测量三极管 9013 的共射输出特性（ 1）测量步骤

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【任务实施】

3 ．测量三极管 9013 的共射输出特性（ 1）测量步骤

调节“级 /簇”旋钮，观察示波管上波形的变化

调节“电压 -电流 /级”旋钮分别至 10uA/级和 2uA/级，观察示波管上波形的变化

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【任务实施】

（ 2）测量结果记录对照示波管上的波形，将三极管 9013 的共射输出特性曲线描画在表中，并填写相应的旋钮设置情况。

3 ．测量三极管 9013 的共射输出特性

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【任务实施】


根据波形读数和电压 -电流 / 级旋钮设置、电流 /度旋钮设置，得出三极管的电流放大倍数：

3 ．测量三极管 9013 的共射输出特性

试在输出特性曲线上标出放大区、截止区、饱和区。

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【知识链接】

1. 晶体管特性图示仪的结构组成

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【知识链接】

1. 晶体管特性图示仪的结构组成集电极扫描电压发生器：用于提供集电极的扫描电压。一般采用 220V50Hz的工频电压经全波整流后得到的 100Hz的单向脉动电压。波形如图中（ a）所示。

阶梯信号发生器：用于给被测晶体管的基极提供阶梯电流。阶梯的级数以及阶梯的高度可以调节。波形如图中（ b）所示。

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1. 晶体管特性图示仪的结构组成

同步脉冲发生器：用于产生同步脉冲，使集电极扫描电压和阶梯信号同步。

测试转换开关：用于切换电路和改变电路参数以便对不同类型晶体管的不同参数进行测量。

示波管和水平放大器、垂直放大器：类似于示波器，水平放大器和垂直放大器将从被测器件上测得的信号进行放大，送到示波管的 X 轴和 Y 轴偏转板上，在示波管上显示出被测器件的特性曲线。

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2. 晶体管特性图示仪测量二极管伏安特性的原理

晶体管特性图示仪测量二极管特性的电路框图

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2. 晶体管特性图示仪测量二极管伏安特性的原理集电极扫描电压发生器将扫描电压加到被测二极管两端，该电压经水平放大器放大后送到示波管的水平偏转板，控制光点在水平方向的运动。

同时，流经二极管的电流经过取样电阻 Rs 转换成电压，送到示波管的垂直偏转板，控制光点在垂直方向的运动。

因此在屏幕上所显示的就是流过二极管的电流与其两端电压之间的关系曲线，即伏安特性曲线。

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3. 晶体管特性图示仪测量三极管共射输出特性的原理

晶体管特性图示仪测量三极管共射输出特性曲线的电路框图

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【知识链接】

由阶梯信号供给基极电流，集电极扫描电压发生器将工频电压经过全波整流后得到的 100Hz 扫描电压加到三极管的集电极，阶梯信号和集电极扫描电压周期相同且同步。集电极扫描电压经水平放大器放大后送到示波管的水平偏转板，控制光点在水平方向的运动。


在一个扫描周期内，扫描电压从零增加到最大值，然后减小到零，使得光点在示波管上往返一次。

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【知识链接】

这样，对应于基极电流的每一级阶梯都得到一根特性曲线，就形成了一簇三极管共射输出特性曲线。


在扫描的过程中，通过取样电阻 Rs 将集电极的电流转换成电压，送到示波管的垂直偏转板，控制光点在垂直方向的运动，在示波管上得到一根特性曲线。

在下一个扫描周期中，阶梯信号供给的基极电流增大一级。

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【知识链接】4. 晶体管特性图示仪使用注意事项（ 1）根据所测参数或被测管允许的集电极电压，选择合适的扫描电压范围。（ 2）开始测试之前，以及更改扫描电压范围时，应先将“峰值电压 %”旋钮调至零。测试完成之后，也应将“峰值电压 %”旋钮调至零。（ 3）对被测管进行必要的估算，以选择合适的阶梯电流或阶梯电压，一般宜先小一点，再根据需要逐步加大。测试时不应超过被测管的集电极最大允许功耗。（ 4）测量大功率晶体管时，一般将阶梯信号的“重复 /单簇”按键设置为单簇，每次观察特性后再逐渐调节集电极峰值电压。

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【拓展延伸】1. 两个晶体管的比较测试


按照三极管 9013共射特性测量方法进行“电源及显示控制”设置、“集电极电源”设置、“阶梯信号”设置、“垂直和水平偏转”设置。

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【拓展延伸】1. 两个晶体管的比较测试


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【任务实施】

（ 2）测量结果记录对照示波管上的波形，将两个三极管 9013 的输出特性曲线描画在表中，并填写相应的旋钮设置情况。

1. 两个晶体管的比较测试

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【拓展延伸】2. 测量 N 沟道场效应晶体管 3DJ7F 的共源极输出

特性（ 1）测量步骤

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【任务实施】

（ 2）测量结果记录对照示波管上的波形，将 N沟道场效应晶体管 3DJ7F的共源极输出特性曲线描画在表中，并填写相应的旋钮设置情况。

2. 测量 N 沟道场效应晶体管 3DJ7F 的共源极输出特性

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【巩固练习】

1 ．利用晶体管特性图示仪测量稳压二极管的特性曲线，比较稳压二极管和普通二极管特性曲线的差别，分析稳压二极管和普通二极管的特点。

2．利用晶体管特性图示仪测量 9012 （ PNP 型三极管）的共射输出特性曲线。

项目 6 元器件参数测量

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