电容器和电感器交流参数测量方法的对比研究

摘要：为了测量电容器和电感器的性能，常用的交流参数测量方法有传统模拟式(即电桥法和谐振法)和数字智能化测量方法两大类型。通过对比分析传统模拟式和数字智能化测量方法的基本原理和优缺点得出电感(电容)-电压的转换方法优点多，应用广，并指出电容器和电感器交流参数测量方法的发展趋势。
关键词：电容器；电感器；交流参数；测量方法

0 引言
    电容器和电感器性能的好坏决定了电路各项功能的优劣，因此对电容器和电感器性能的判定是非常重要的。
    电容器的主要参数有电容量及其误差、额定电压、温度系数、损耗因数等，实际应用中需要测量的是电容量和损耗因数；电感器的主要参数有电感量及其误差、额定电流、温度系数、品质因数等，实际应用中需要测量的是电感量和品质因数。目前，对电容器和电感器交流参数进行测量的测量仪主要有传统模拟式和数字智能化两类。

1 传统模拟式测量方法
1．1 电桥法测量
    交流电桥是一种以交流电为电源，用于测量电容和电感元件参数的比较式仪器，其平衡条件为：Z1Z3=Z2Z4，原理电路如图1所示。

    采用交流阻抗电桥法测量电感、电容参数的精度较高，结构简单，主要适用于低频，但需要反复调节才能满足其模和阻抗角的平衡，操作繁琐。
1．2 谐振法测量
    谐振法是测量电容、电感的另一种基本方法，它是利用调谐回路的谐振特性建立的测量方法。谐振法的测量精度不如交流电桥法高，但由于测量线路简单方便，在技术实现上的困难要比高频电桥小(主要是杂散耦合的影响)，再加上高频电路元件大多用于调谐回路，所以在高频电路参数测量中，谐振法是一种重要的手段。其原理如图2所示，它包括由振荡源G、已知元件和被测元件组成的谐振回路及谐振指示器。当回路达到谐振时：
   

2 数字智能化测量方法
    随着数字电子技术和计算机技术的发展，出现了新的电容电感参数测量方法，即将待测电感和电容的相关参数经过测量电路转换为电压、频率和周期等信号，再由A／D转换器转化为数字信号，送入微处理器进行计算处理，最终由显示装置显示参数数值。数字化智能化电感、电容测量设备根据测量方法的不同又分不同的类型。
2．1 电压比例法
    电压比例法的电路原理框图如图3所示。

    该方法是通过标准电阻与电感(电容)相串联的分压电路，采用与标准电阻相比较的方法进行测量。测量公式为：
    ZX=R1(UZX／UR1)      (2)
    电感和电容属于电抗元件，因此需要交流来产生测最信号，在角频率为ω的交流信号作用下，待测电容量和电感量为：
   
    式中：UCX，ULX，UR1为各矢量模值。
    这种方法电路结构简单，待测电感(电容)与相关电压比为线性关系，因此只要保证基准电阻的精度和正弦波产生电路的稳定，就能保证测量精度。但从测量原理上不难发现，该方法未考虑电感、电容的损耗电阻的影响，因此会影响测量精度的提高。
2．2 电感(电容)-频率转换法
    电感(电容)-频率转换法的电路原理框图如图4所示。

    该方法是将待测电感(电容)引入LC振荡电路，利用振荡频率可将电感(电容)参数转化为振荡频率，利用微处理器中的计数器对其计数，再通过计算求出相应参数数值。这种方法只要确保基准电容Cb的精度，从整体上能够提高测量精度，但由于振荡频率f和电感(电容)之间并非线性关系，并且未考虑损耗电阻的影响，因此也会影响测量精度。
2．3 电感(电容)-周期转换法
    电感(电容)-周期转换法是由多谐振荡器把待测电感(电容)量转换成与元件参数成正比的脉宽，然后利用微处理器，把脉宽的矩形波作为门控信号，在脉宽时间内对一个已知周期的标准脉冲计数，就可计算出脉宽时间，根据脉宽时间与待测电感(电容)量的关系，计算出电感、电容参数。这种方法电路结构简单，脉宽时间和电感(电容)呈线性关系，但由于普通多谐振荡器电源波动、温度变化等影响，频率稳定性较差，并且未考虑损耗电阻的影响，从而影响测量精度。
2．4 恒压-恒流法
2．4．1 电感测量电路(恒压法)
    该方法是将待测电感引入恒压源电路中，通过开关的开合控制电路中电流的变化，测量其稳态电流Imax和暂态时间t0，从而通过微处理器计算出待测电感参数。原理电路如图5所示。
   

   
2．4．2 电容测量电路(恒流法)
    该方法是将待测电容引入恒流源电路中，通过开关的开合控制电路中电压的变化，测量其稳态电压Umax和暂态时间t0，从而通过微处理器计算出待测电容参数。原理电路如图6所示。
   

   
   
    该方法电路结构简单，可测量待测电容值及损耗因数和电感值及品质因数，测量稳态及暂态参数和待测电容及电感呈线性关系，但开关多次开合增加电容或电感上的累积电荷，使测量精度下降。
2．5 电感(电容)-电压转换法
    电感(电容)-电压转换法是将交流正弦信号加在含有待测元件的反相比例运放上，使运放的输出产生电压中包含实部分量U1和虚部分量U2，通过实部虚部分离电路将U1和U2分离，它们分别与被测阻抗的实部和虚部成正比，因此对U1和U2进行测量，则可求出被测阻抗的实部和虚部，从而得到被测阻抗的参数数值。
    电感测量电路原理框图如图7所示。

   
    电容测量电路的原理框图如图8所示。

   
   
    该测量方法数学模型呈线性关系，通过反相运放将待测信号进行了调制，通过虚实部分离测得的电压可计算出电感及品质因数和电容及损耗因数，因此能够保证测量精度，并且提高抗干扰能力。目前，通过该方法设计出的交流参数测量仪在精度、稳定性和操作便捷程度上都比其他方法要好，因此越来越多地得到广泛应用。通过使用这种方法研制的样机进行测量，测量精度能够达到0．5％。

3 结论
    比较看出，传统模拟式测量方法普遍存在着精度不高，易受干扰，操作繁琐，不能实现快速自动测量等缺点，现已逐渐被淘汰；同时，取而代之的数字智能化测量方法能够不同程度的弥补以上缺点，尤其在众多新的测量方法中，电感(电容)-电压转换法优点多，应用广。总之，数字智能化测量方法能够实现快速准确的自动化测量，具有较高的测量精度，稳定性好，便携和数字显示等优点，是电感电容测量设备的发展趋势。