使用PXI数字万用表进行电容和电感测量

PXIe-4082使用2线混合单频恒流技术来测量阻抗。将混合单频恒流源(I_src)应用于待测设备(DUT)时，PXIe-4082会测量电压波形的基波和三次谐波。

图1.测量电压波形的基波和三次谐波

当电流和电压已知时，NI 4082将使用快速傅里叶变换(FFT)峰值分析来计算电容或电感。如果残余串联阻抗(Z_s)和杂散并联导纳(Y_p)在测量中引入明显的误差，PXIe-4082可以测量误差的大小并通过补偿技术来减小误差。

容性和感性负载会阻碍交流电流的流动。这种阻碍作用就表示为给定频率下的阻抗。我们观察到，在实际应用中，阻抗负载会导致信号衰减和相移。由于阻抗本身的特性，它用一个矢量来表示，阻抗角等于电压和电流之间的相位差，阻抗的大小等于电压值除以电流值，如下所示：

注意：粗体值表示矢量或复数。

Z = V/I

在数值上，阻抗矢量以极坐标形式（幅度和相位）或直角坐标形式（实部和虚部）表示为复数。以下公式以直角坐标形式表示阻抗：

Z = R + jX

其中R和X分别是电阻和电抗。X = 0时，负载为纯阻性；当R = 0时，负载是纯抗性。对于电容器，电抗可以表示如下：

X_c = –1/(2πfC_s)

对于电感器，电抗可以表示如下：

X_L = 2πfL_s

在实际应用中，负载既不是纯抗性也不是纯阻性。但是，它们可以使用上述公式轻松建模为阻性负载和抗性负载的串联或并联组合。

图2.您可以使用上述公式轻松将负载建模为阻性负载和抗性负载的串联或并联组合。

为了简化数学运算、计算和分析，有时为了方便起见，将阻抗表示为其倒数或导纳。导纳定义为：

Y = 1/Z = I/V

可以写成

Y = G + jB

其中G和B是直角坐标系的分量（实部和虚部），分别称为电导和电纳。电导G是并联电阻的倒数，表示如下：

G = 1/R_P

电容器的电纳表示如下：

B_C = 2fC_P = 1/X_C

电感器的电纳表示如下：

B_L = 1/2fL_P = 1/X_L

通常，从数学计算的角度来说，并联负载使用导纳，串联负载使用阻抗进行计算更为方便。

图3.从数学计算的角度来说，并联负载使用导纳，串联负载使用阻抗进行计算更为方便。

有时可能需要以串联模型或并联模型的形式来获得结果。并联电阻通常大于串联电阻。如果要测量较小的电抗值，例如高值电容器和低值电感器，最好使用串联模型，因为串联电阻要比并联电阻大得多。而在测量较大的电抗值时，例如高值电感器或低值电容器，最好使用并联模型。

表1. 电容器(C)和电感器(L)测量及其首选模型

电容器

电容器是一种能够将能量存储为电荷的电子元件。每个电容器由两块用电介质隔开的导电材料板组成，其中电介质可以是空气、纸、塑料、氧化物或任何其他类型的绝缘体。绝缘体的介电常数或K表示其存储电荷的能力。表2显示了不同介电材料的K值。

表2.不同介电材料的K值

绝缘体的电气特性会随着温度、频率、电压和湿度等因素的变化而变化。这种可变性和电容器的机械结构导致设备处于非理想状态。图4中的等效模型更好地代表了实际电容器，可以帮助您了解实际组件中存在的不同寄生元件。这些寄生元件会影响不同测试频率下的电容器阻抗。

图4.实际组件中可能影响电容器的各种寄生元件的模型

并联电阻R_p通常是一个很大的值，只有在测量低值电容器时，其影响才较为显著。等效串联电阻R_s虽然值很小，但对于大容量的电容器却很重要，因为电容器的阻抗与R_s相比较小并且其功耗较大。串联电感L_s代表较高频率下总的电感和电容滚降。在低频下，由于介电属性的变化，电容会随频率和测试信号电平的变化而变化。图5显示了在不同频率下测量的2.2 µF 100 V铝电解电容器。误差以1 kHz下使用1 V_rms交流测试信号进行测量得到的值为参考。

图5.在不同频率下测量的2.2 µF 100 V铝电解电容器

这些因素导致电容器在不同的温度、频率和信号电平条件下具有不同的值。

电感器

电感器是一种能够将能量存储为电流的电子元件。每个电感器都由一个导电线圈组成，该线圈可以空芯缠绕，也可以缠绕在磁性材料芯上。磁芯材料的磁导率用于度量磁芯中可感应到的磁场强度。磁芯的电气特性会随着温度、频率、电流等因素的变化而变化。这种可变性和电感器的机械结构导致设备处于非理想状态。图6中的等效模型更好地代表了实际电感器，可以帮助您了解实际组件中存在的不同寄生元件。这些寄生元件会影响不同测试频率下的电感器阻抗。

图6.实际组件中可能影响电感器的各种寄生元件的模型

串联电阻R_s代表导体中的电阻损耗。并联电容C_p是线圈匝之间的等效电容效应，并联电阻R_p是由于磁芯材料本身引起的所有损耗的总和。空气芯电感器为了取得较大的电感值，往往需要更多的线圈匝数。但这样会导致空气芯电感器的尺寸和重量较大，使得其应用不太现实。此外，空气芯电感器通常还具有较大的绕组电容和串联电阻，且电感值较高。并非所有寄生效应都会影响电感器的值，但有些寄生效应相比其他寄生效应的影响更为显著，具体取决于线圈的结构、电感器的几何形状、导线的规格和磁芯的特性。频率响应取决于电感器的值以及每种类型的寄生效应相对于其他类型寄生效应的大小。一些元件的几何形状会增加元件对外部因素的敏感性，而这种敏感性的增加会影响电感器的值。裸露的磁通电感器对其附近的金属材料更为敏感，因为这些金属会改变磁场。而环形电感器由于磁通量保持在磁芯内部，因而对其附近的外部导体不太敏感。图7显示了这两类电感器的相关磁通量：

图7.不同类型的电感器磁通量

图8显示的是在不同频率下对5 mH空气芯电感器进行的测量。误差以1 kHz下使用1 V_rms测试信号进行测量得到的值为参考。由于其结构所需的尺寸和匝数，这种类型的电感器具有很高的绕组电容。因此，使用这种类型的电感器测量时会发现电感随着频率的变化而发生剧烈的变化。

图8.在不同频率下测量的5 mH空心气电感器

一些铁氧体磁芯电感器会随着测试信号电平的变化而发生很大的变化。图9显示的是在不同测试信号电平下对100 uH铁氧体磁芯电感器进行的测试。误差以1 kHz下使用1 mA_rms测试信号进行测量得到的值为参考。

图9. 在不同测试信号电平下测试的100 uH铁氧体磁芯电感器

所有这些因素结合起来，导致电感器在不同的温度、频率和信号电平条件下具有不同的值。

测试信号

PXIe-4082数字万用表使用交流电流源作为电容和电感测量的激励。电流波形是非常稳定且谐波较少的方波。该测量方法提取测试信号中包含的混合单频信息，以找到待测设备的电容或电感。测试信号的频率和电平以及从中提取的混合单频如表3和表4所示：

表3和表4. 测试信号的频率和电平以及从中提取的混合单频

数字化仪在两个频率（混合单频）下测量DUT阻抗。根据这两个测量结果，就可以计算出损耗（前端、布线和DUT）。然后根据计算出的损耗，软件会计算两个频率中其中一个频率（有效频率）下的电容或电感。有效测试信号包含在其中作为参考信号。该信号在使用单频测量技术进行测量时，会生成可比较的电容或电感值。由于寄生效应和实际组件构成中使用的材料，测得的电容或电感值可能因仪器而异。当测量具有良好介电属性的电容器时，会发现各种仪器之间的读数差异要小得多。这一现象也适用于具有良好磁性的电感器。表5列举了一些具有良好和较差频率特性的电介质范例。

表5.具有良好和较差频率特性的电介质范例

由于所需的磁化电流量，可以看到电感器的磁芯尺寸越大（例如用于变压器的电感器和功率电感器），对频率变化和其他相关因素的敏感性越高。

温度影响

温度对DUT的阻抗有着显著的影响。通常，电容器具有较大的温度系数（在整个温度范围内变化5%至80%，具体取决于所使用的电容器），但陶瓷COG电容器除外，其变化仅为0.003%/°C。电感器，尤其是那些非空气芯电感器，可能会随温度发生较大变化。环境和DUT温度发生漂移（例如，由于处理方式）可能会导致测量误差。控制环境温度的变化可以减少误差。

布线

为减少系统寄生效应的变化，NI建议使用同轴线缆或屏蔽双绞线，将屏蔽层用作电流返回路径并连接到数字万用表的LO输入端。这种配置使开路/短路补偿更加切实可行，且有助于减少噪声拾取。对于表面贴装器件的手动探测，可以使用镊子。PXIe-4082数字万用表可以补偿测试连接件引入的阻抗。有关详细信息，请参阅下面的开路/短路补偿部分。减少两次连续测量之间的机械变化（例如，线缆的移动或弯曲，或更换连接件），能够保持可重复性。建议使用高质量的线缆，例如belden.com上提供的Belden 83317。NI推荐使用聚四氟乙烯、聚丙烯或聚乙烯绝缘的线缆。有关布线要求的更多信息，请参阅互连和线缆。在测量之前执行开路/短路补偿，即使这种线缆的长度达25英尺，也能获得良好的电容和电感测量性能。

噪声拾取

为了更大限度地减少噪声拾取，需让线缆、装置和DUT远离所有电磁噪声源，例如电机、变压器和阴极射线管(CRT)。避免使用91 Hz、1 kHz、10 kHz附近的频率源以及相应的谐波，因为这些频率是NI 4082使用的激励电流的频率。使用屏蔽线缆（建议使用BNC连接器和同轴线缆）进行布线，并将外部导体连接到数字万用表的LO输入端。

在大多数实际应用中，数字万用表通过开关和/或连接件连接到DUT。这些开关和连接件可能会在测量中引入非预期的误差。补偿可尽可能降低PXIe-4082数字万用表和DUT之间的误差。

偏置补偿

补偿包括对误差进行测量，并将得到的误差应用于实际测量值中，以纠正和尽可能减小测试系统引入的误差。在指定功能和范围内进行任何测量之前，必须设置补偿功能。范围或功能的任何更改都会将补偿类型默认为无。因此，必须重新计算这些值。为了充分提升测试系统的灵活性，补偿值由API返回。您可以为高通道数系统操作、存储和加载这些值。

如果要对电容和电感测量执行开路补偿，请完成以下步骤：

1. 在DUT处断开DUT与数字万用表的连接。
2. 将数字万用表配置为所需范围内的电容或电感。
3. 调用niDMM Configure Cable Comp Type或niDMM_ConfigureCableCompType，并将Cable Comp Type设置为CABLE COMP OPEN。
4. 设置开路状态，即没有任何东西连接到测试连接件。如果使用的开关系统在不同通道上的电容类似，则可以将一个通道专用于开路测量。建议使用具有低电容和低路径电阻的线缆和开关。
5. 在NI LabVIEW软件中，使数字万用表的输入端处于开路状态，然后调用niDMM Perform Open Cable Comp或niDMM_PerformOpenCableComp。该VI或函数会返回两个值：电导和电纳。
6. 将上一步中的两个值传递给niDMM Configure Open Cable Comp Values或niDMM_ConfigureOpenCableCompValues。传递这些值会从所有后续测量中减去开路测量。
7. 执行预期的测量。

如果要对电容和电感测量执行短路补偿，请完成以下步骤：

1. 在DUT处断开DUT与数字万用表的连接。
2. 将数字万用表配置为所需范围内的电容或电感。
3. 调用niDMM Configure Cable Comp Type或niDMM_ConfigureCableCompType，并将Cable Comp Type设置为CABLE COMP SHORT。
4. 使用HI和LO端子之间的低阻抗连接在测试连接件末端设置短路状态。如果使用的开关系统在不同通道上的电感类似，则可以将一个通道专用于短路测量。建议使用具有低电容和低路径电阻的线缆和开关。
5. 在LabVIEW中，使数字万用表的输入端处于短路状态，然后调用niDMM Perform Short Cable Comp或niDMM_PerformShortCableComp。该VI或函数会返回两个值：电阻和电抗。
6. 将上一步中的两个值传递给niDMM Configure Short Cable Compensation Values或niDMM_ConfigurShortCableCompValues。传递这些值会从所有后续测量中减去短路测量。
7. 执行预期的测量。

如果要对电容和电感测量执行开路和短路补偿，请完成以下步骤：

1. 将数字万用表配置为所需范围内的电容或电感。
2. 调用niDMM Configure Cable Comp Type或niDMM_ConfigureCableCompType，并将Cable Comp Type设置为CABLE COMP OPEN AND SHORT。
3. 在DUT处断开DUT与数字万用表的连接。
4. 设置开路状态，即没有任何东西连接到测试连接件。如果使用的开关系统在不同通道上的电感类似，则可以将一个通道专用于开路测量。建议使用具有低电容和低路径电阻的线缆和开关。
5. 使数字万用表的输入端处于开路状态，然后调用niDMM Perform Open Cable Comp或niDMM_PerformOpenCableComp。该VI或函数会返回两个值：电导和电纳。
6. 将上一步中的两个值传递给niDMM Configure Open Cable Comp Values或niDMM_ConfigureOpenCableCompValues。
7. 使用HI和LO端子之间的低阻抗连接在测试连接件末端设置短路状态。如果使用的开关系统在不同通道上的电感类似，则可以将一个通道专用于短路测量。建议使用具有低电容和低路径电阻的线缆和开关。
8. 使数字万用表的输入端处于短路状态，然后调用niDMM Perform Short Cable Comp或niDMM_PerformShortCableComp。该VI或函数会返回两个值：电阻和电抗。
9. 将上一步中的两个值传递给niDMM Configure Short Cable Comp Values或niDMM_ConfigureShortCableCompValues。
10. NI-DMM使用在开路和短路条件下测量的四个值来补偿所有后续测量。
11. 执行预期的测量。

注意：由于环境温度变化和其他环境变化（例如湿度），可能需要每天至少执行一次开路和短路补偿。使用开关系统时，请确认参考通道上的开路和短路测量值与您正在补偿的其余通道上的测量值密切匹配。如果此补偿方法无法满足您的误差预算要求，则必须在进行DUT测量的同一通道上执行开路和/或短路补偿。

如果要测试的是极化组件，例如电解电容器和钽电容器，建议仅使用正电压。因为在正常操作中，交流电流源有50%的时间内为负电压，这会导致被测电容器的极化反向。为防止这种反向极化，可以施加直流偏置以防止器件两端的电压变为负值。

注意：当直流偏置开启时，HI端子上会出现高电位。通过将组件的负极端子连接到LO端子，确保组件正确极化。

直流偏置电压是一个固定值，只能开启和关闭。标称电压值为0.45 V，可用于任何电容范围。默认设置为关闭。

NI还提供源测量单元和LCR表的组合，可用于测量和测试电子设备的电感、电容和电阻(LCR)。PXI LCR表支持在单槽PXI机箱中进行飞法级电容测量和飞安级电流测量。