實(shí)驗(yàn)七阻抗的測(cè)量

(一)實(shí)驗(yàn)儀器和器材介紹

1.XD22型低頻信號(hào)發(fā)生器

XD22型低頻信號(hào)發(fā)生器與FD22C多用信號(hào)發(fā)生器一樣可以產(chǎn)生正弦波信號(hào)及脈沖信號(hào)。信號(hào)頻率范圍為1Hz~

1MHz,用數(shù)碼管顯示。脈沖信號(hào)寬度在周期的30%~70%范圍內(nèi)可調(diào),輸出阻抗為600Ω。圖Ⅱ.7-1所示的是XD22型低頻信號(hào)發(fā)生器的面板，圖Ⅱ.7-2所示的是其原理方框圖。操作方法如下：

(1)頻率調(diào)節(jié)。方法與FD22C的頻率調(diào)節(jié)方法相同，頻率由數(shù)碼管顯示。讀數(shù)時(shí)注意小數(shù)點(diǎn)位置及頻率單位(Hz還是kHz)。

(2)信號(hào)輸出與波形變換。信號(hào)從面板右下方的輸出端輸出，正弦波和脈沖波均用此輸出端。正弦波和脈沖波可用輸出端上方的乒乓開(kāi)關(guān)來(lái)選擇。

(3)信號(hào)幅度調(diào)節(jié)。信號(hào)幅度可用面板右上方的“輸出衰減/dB”開(kāi)關(guān)(實(shí)驗(yàn)時(shí)此開(kāi)關(guān)可不用，置“0dB”位即可)和“輸出細(xì)調(diào)”旋鈕來(lái)調(diào)節(jié)。信號(hào)幅度的有效值(正弦波和脈沖波電壓)由電壓表指示，但指示的是空載(負(fù)載開(kāi)路)電壓。若輸出端接上負(fù)載，輸出

電壓值與面板上電壓表讀數(shù)值是不一致的。

(4)脈沖寬度調(diào)節(jié)。脈沖寬度由“占空比%”旋鈕調(diào)節(jié)。圖Ⅱ.7-1XD22型低頻信號(hào)發(fā)生器的面板圖Ⅱ.7-2XD22型低頻信號(hào)發(fā)生器的原理方框圖

2.DA-16晶體管毫伏表

1)綜述

電壓表是電子測(cè)量技術(shù)中一種最基本的儀表。選用電壓表主要考慮以下技術(shù)特性：

(1)頻率范圍。與所有電子儀器一樣，每種電壓表也各有一定的工作頻段。例如DA-16型晶體管毫伏表測(cè)量電壓的頻率范圍是20Hz~1MHz。

(2)量程。電子式電壓表的電壓測(cè)量范圍一般可從毫伏級(jí)到數(shù)百伏。高靈敏度的數(shù)字式電壓表的靈敏度可高達(dá)10－9V。電壓表的量程應(yīng)根據(jù)被測(cè)電壓的大小選用，

選擇原則是使電壓表指針偏轉(zhuǎn)在滿(mǎn)偏位置的2/3以上。

(3)輸入阻抗。為使電壓表對(duì)被測(cè)電路的工作狀態(tài)影響盡量小，要求電壓表的輸入阻抗較之被測(cè)阻抗盡可能高。

2)DA-16型晶體管毫伏表

DA-16型晶體管毫伏表是一種放大—檢波式電子電壓表，具有較高的靈敏度和穩(wěn)定度，用于正弦電壓有效值的測(cè)量。其電壓測(cè)量范圍為100μV~300V;被測(cè)電壓頻率范圍為20Hz

~1MHz;固有誤差＜3%(基準(zhǔn)頻率1kHz);對(duì)于頻率響應(yīng)誤差,當(dāng)頻率在100Hz~100kHz時(shí),固有誤差≤3%,當(dāng)頻率在20Hz~

1MHz時(shí),固有誤差≤5%;輸入阻抗為1MΩ，接入電容為

70pF(頻率為1kHz時(shí)).圖Ⅱ.7-3是DA-16型晶體管毫伏表的面板。圖Ⅱ.7-3DA-16型晶體管毫伏表的面板

DA-16型晶體管毫伏表使用方法及注意事項(xiàng)如下：

(1)為保證測(cè)量精度，使用時(shí)應(yīng)使毫伏表表面垂直放置。(2)注意調(diào)零。接通電源，待指針?lè)€(wěn)定后，將量程置較大位置(如3V位)，將電壓表輸入端短路，調(diào)節(jié)“調(diào)零”旋鈕，使指針指準(zhǔn)零位后即可進(jìn)行測(cè)量。

(3)量程的選擇。量程選擇的原則是在不打表針的前提下，指針偏轉(zhuǎn)盡可能大。為此，可先將量程放大一點(diǎn)，輸入電壓后，若指針偏轉(zhuǎn)過(guò)小(甚至指零刻度)，可逆時(shí)針一擋一

擋地調(diào)節(jié)“量程開(kāi)關(guān)”，直至指針有較大偏轉(zhuǎn)時(shí)才讀數(shù)。注意讀數(shù)后立即將量程調(diào)回至大擋位。

(4)測(cè)量時(shí)要正確選擇接“地”點(diǎn)，以免造成測(cè)量誤差。電壓表的“地”應(yīng)盡可能與信號(hào)源的“地”接在一起。尤其是被測(cè)電壓小于100mV時(shí)更應(yīng)注意這一點(diǎn)。

(5)注意正確讀數(shù)，不要讀錯(cuò)刻度尺。毫伏表有3條刻

度線：第一條滿(mǎn)偏值為10，供量程開(kāi)關(guān)指向01V、1V和10V等1×10n擋級(jí)使用，在哪個(gè)擋，則滿(mǎn)偏值代表這擋的值；第二條最大刻度值為3，供量程03V、3Ｖ和30V等3×10n擋級(jí)使用，同樣，最大刻度代表該擋的值；第三條刻度線供音頻電平測(cè)量使用。

3)固定線路實(shí)驗(yàn)板

本實(shí)驗(yàn)使用的固定線路實(shí)驗(yàn)板如圖Ⅱ.7-4所示，其使用方法與實(shí)驗(yàn)五介紹的“固定線路實(shí)驗(yàn)板”的使用方法相同。

4)SR-071B型雙蹤示波器

詳見(jiàn)實(shí)驗(yàn)四的介紹。圖Ⅱ.7-4固定線路實(shí)驗(yàn)板

(二)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)

1.課前預(yù)習(xí)

(1)認(rèn)真閱讀本實(shí)驗(yàn)的“實(shí)驗(yàn)儀器與器材介紹”部分，了解XD22低頻信號(hào)發(fā)生器與DA-16型晶體管毫伏表的使用方法和注意事項(xiàng)。

(2)認(rèn)真閱讀本指導(dǎo)書(shū)“實(shí)驗(yàn)原理”，了解阻抗的測(cè)量方法，掌握“三壓法”測(cè)阻抗的原理及對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的

方法。

(3)按表Ⅱ.7-1畫(huà)兩個(gè)表格以備實(shí)驗(yàn)時(shí)進(jìn)行記錄使用。并按表內(nèi)列出的頻率計(jì)算10mH電感的感抗理論值和0.01μF電容的容抗理論值，分別記入表Ⅱ.7-1內(nèi)。

2.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

學(xué)習(xí)阻抗測(cè)量方法。了解正弦交流電路中的相量關(guān)系。掌握點(diǎn)測(cè)法測(cè)量頻率特性。

3.實(shí)驗(yàn)原理

阻抗的測(cè)量分電表法和電橋法兩種。電橋法測(cè)阻抗精度較高，但操作比較麻煩。電表法測(cè)量精度較差，但操作方便。本實(shí)驗(yàn)只討論電表法測(cè)阻抗。

阻抗定義為加在網(wǎng)絡(luò)上的正弦電壓相量和流過(guò)網(wǎng)絡(luò)的電流相量之比，即(7-1)阻抗定義示意圖：如圖Ⅱ.7-5所示。網(wǎng)絡(luò)輸入端口的電壓、電流相量之比稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗。對(duì)于單口網(wǎng)絡(luò)，即是網(wǎng)絡(luò)自身的等效阻抗。阻抗通常是一復(fù)數(shù)，由式(7-1)得(7-2)圖Ⅱ.7-5阻抗定義示意圖

(1)在頻率較高時(shí)，沒(méi)有專(zhuān)用的交流電流表。所以，電流的測(cè)量通常是通過(guò)間接測(cè)量法(詳見(jiàn)實(shí)驗(yàn)一的電流測(cè)量?jī)?nèi)容)，即測(cè)量被測(cè)支路中已知電阻上的電壓，然后用歐姆定律計(jì)算出電流。如果被測(cè)支路中無(wú)已知電阻，則可人為地串入一已知電阻r,如圖Ⅱ.7-6所示。圖Ⅱ.7-6利用串入電阻r來(lái)測(cè)電流電路

r的取值要根據(jù)具體情況而定：若專(zhuān)門(mén)要測(cè)某支路的電流值，則r值應(yīng)遠(yuǎn)小于該支路的阻抗值，以減小因串入r

而對(duì)該支路電流的影響；若為了測(cè)量阻抗而串入r，則r值可取得

與被測(cè)阻抗值基本接近。r通常稱(chēng)為電流取樣電阻。從圖Ⅱ.7-6可知，只要測(cè)得阻抗兩端的電壓UZ及r上的電壓Ur，則阻抗模|Z|的測(cè)量值為(7-3)

(2)jZ的測(cè)量。從式(7-1)可知jZ就是電壓相量超前電流相量的相角。精確測(cè)量可以用相位差計(jì)。通常在精度要求不高的情況下，可以用雙蹤示波器進(jìn)行測(cè)量。將uZ和ur分別加到雙蹤示波器Y1和Y2兩個(gè)輸入端，調(diào)節(jié)示波器使在熒

光屏上顯示出穩(wěn)定波形，并使兩個(gè)波形的基線與熒光屏前坐標(biāo)之橫軸重合，即“雙跡法”測(cè)相位，如圖Ⅱ.7-7所示。圖Ⅱ.7-7“雙跡法”測(cè)相位然后讀出波形一周期所占橫軸長(zhǎng)度，設(shè)為T(mén)/mm，讀出波形上升邊過(guò)零點(diǎn)的間隔，設(shè)為τ/mm,則阻抗角jZ為(7-4)阻抗角也可用電表法進(jìn)行測(cè)量，這就是我們下面要介紹“三壓法”測(cè)阻抗。如何計(jì)算出jZ,就必須研究、Z和r間的相量關(guān)系。圖Ⅱ.7-8和圖Ⅱ.7-9是它們的相量圖，均為一三角形。由于三角形三條邊的長(zhǎng)度就是各電壓相量的有效值，已由電壓表測(cè)出，因而這個(gè)三角形是已知的。電流相量

與r是同相位。圖Ⅱ.7-8感性阻抗電路相量圖圖Ⅱ.7-9容性阻抗電路相量圖需要說(shuō)明的是，式(7-5)計(jì)算出來(lái)的值是阻抗角的絕對(duì)值，是正值還是負(fù)值要根據(jù)阻抗的性質(zhì)而定：若阻抗是感性阻抗，則取正值，相量圖如圖Ⅱ.7-8所示；若阻抗是容性阻抗，則取負(fù)值，相量圖如圖Ⅱ.7-9所示。判斷阻抗是容性阻抗還是感性阻抗，有兩種方法：①觀察組成阻抗的元件，如果只有電容和電阻組成的網(wǎng)絡(luò),則為容性阻抗；如果只有電阻和電感組成的網(wǎng)絡(luò),則為感性阻抗。

②用實(shí)驗(yàn)方法判斷。方法是將測(cè)試頻率提高，若測(cè)得

的|Z|值比原測(cè)試頻率時(shí)的|Z|值增加，則為感性阻抗;若|Z|值下降，則為容性阻抗。

4.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟

1)測(cè)量XL~f特性

(1)按圖Ⅱ.7-6在圖Ⅱ.7-4所示的實(shí)驗(yàn)板左上角L

-R串聯(lián)線路上連接實(shí)驗(yàn)電路。圖中L=10mH,R即圖Ⅱ.7-6中的電流取樣電阻r=100Ω。

(2)信號(hào)源頻率按表Ⅱ.7-1所列頻率值變化，并保持U=3.00V不變，測(cè)量UZ和Ur值記入表Ⅱ.7-1中。在實(shí)驗(yàn)中一定要注意先定下信號(hào)源頻率，隨后測(cè)量U是否是3.00V(一定

要將信號(hào)源連接到線路上后再進(jìn)行測(cè)量)，若不是3.00V，則調(diào)信號(hào)源“輸出細(xì)調(diào)”旋鈕使之達(dá)到3.00V(此時(shí)“輸出衰減/dB”開(kāi)關(guān)應(yīng)在0dB位)，然后測(cè)量UZ和Ur值。信號(hào)頻率改變后又要重新調(diào)節(jié)U值達(dá)到3.00V后才能進(jìn)行測(cè)量。

(3)表Ⅱ.7-1中的其他值課后再進(jìn)行處理。

2)測(cè)XC~f特性

C=0.01μF,r=100Ω，操作步驟與1)的相同，測(cè)量數(shù)據(jù)記入表Ⅱ.7-1內(nèi)(另畫(huà)一個(gè)表格)。

3)“三壓法”測(cè)阻抗

(1)用“三壓法”測(cè)圖Ⅱ.7-10(a)電路中的Zab,信號(hào)頻率用

30.0kHz,信號(hào)源接入電路后，調(diào)節(jié)信號(hào)源輸出為3.00V，然后測(cè)量UZ、Ur，將測(cè)量結(jié)果記入表Ⅱ.7-2中。畫(huà)出測(cè)量電路的電壓相量圖。

(2)用同樣方法測(cè)圖Ⅱ.7-10(b)所示電路中的Zab，信號(hào)頻率為15.0kHz,U=3.00V。測(cè)量數(shù)據(jù)記入表Ⅱ.7-2中。畫(huà)測(cè)量電路的電壓相量圖。圖Ⅱ.7-10“三壓法”測(cè)阻抗電路

4)用示波器測(cè)量jZ

實(shí)驗(yàn)線路如圖Ⅱ.7-6所示,取Z為L(zhǎng)=10mH(或電容C=

0.01μF)的阻抗,取樣電阻r=100Ω。令信號(hào)源電壓U=

3.00V，信號(hào)頻率：若Z為L(zhǎng)的阻抗，則f=40.0kHz；若Z為

C的阻抗，則f=6.00kHz。由于|Z|值ωL>>r或1/ωC>>r,此時(shí)可認(rèn)為

Z≈。用雙蹤示波器測(cè)量jZ。連線時(shí)要注意按圖Ⅱ.7-11所示連接示波器，要注意“共地”。圖Ⅱ.7-11用示波器測(cè)量jZ電路操作示波器時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：

(1)“Y工作方式”置“交替”位。

(2)“觸發(fā)方式”開(kāi)關(guān)置“自動(dòng)”位。

(3)由于Ur值較小，因而Y2的“靈敏度選擇”開(kāi)關(guān)要順時(shí)針打若干擋，使屏幕上顯示的兩個(gè)信號(hào)幅度接近。

(4)測(cè)量前注意調(diào)節(jié)兩個(gè)信號(hào)的零線與橫坐標(biāo)刻度重合。方法是將Y1和Y2的“輸入耦合開(kāi)關(guān)”放在“⊥”位，調(diào)Y1和Y2的

“位移”旋鈕,使屏幕上的兩條橫線(零線)與橫坐標(biāo)刻度重合。然后再將Y1和Y2的“輸入耦合開(kāi)關(guān)”回到“AC”位。

(5)運(yùn)用“掃描速率”開(kāi)關(guān)和“掃描微調(diào)”旋鈕使信號(hào)一個(gè)周期的長(zhǎng)度剛好是10cm(這樣操作便于測(cè)量和計(jì)算)