第5节 交流电桥电路 (修订中)
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正如我们在 [直流测量电路](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/direct- 的电路配置是测量未知电阻 (opens new window)值的一种非常有用的方法 。
交流电也是如此，我们可以将相同的原理应用于精确测量未知阻抗。
# 1. 桥式电路如何工作？
回顾一下， [桥式电路](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/direct- 分压器工作，在它们之间连接一个 (opens new window)_零位检测_计移动，以指示零伏时的“平衡”状态：
平衡桥在指示器上显示“零”或最小读数。
上述电桥中的四个电阻中的任何一个都可以是未知值的电阻，它的值可以由其他三个的比率确定，它们是“校准的”，或者其电阻值是已知的。
当电桥处于平衡状态（零位检测器指示的零电压）时，该比率计算为：
_在__平衡___的情况下：
使用桥式电路测量电阻的优点之一是与电源电压无关。
实际上，电源电压越高，用零位检测器检测四个电阻之间的不平衡情况就越容易，因此它会更灵敏。
更大的电源电压可以提高测量精度。但是，与其他类型的电阻测量方案不同，不会由于电源电压的减小或增大而引入基本误差。
# 1.1. 阻抗桥
阻抗桥的工作原理相同，只是平衡方程是 [复数](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/alternating- 。 (opens new window)
当然，零位检测器必须是能够检测非常小的交流电压的设备。为此，通常使用示波器，但如果源频率在音频范围内，则可以使用非常敏感的机电仪表移动，甚至可以使用耳机（小型扬声器）。
# 1.2. AC 空值检测器
最大化音频耳机作为零点检测器的有效性的一种方法是通过阻抗匹配 变压器 (opens new window)将它们连接到信号源。
耳机扬声器通常是低阻抗单元 (8 Ω)，需要大量电流来驱动，因此降压变压器有助于将低电流信号“匹配”到耳机扬声器的阻抗。
音频输出变压器适用于此目的：（下图）
“现代”低欧姆耳机需要阻抗匹配变压器用作灵敏的零值检测器。
使用一副完全环绕耳朵的耳机（“闭杯”型），我已经能够通过这个简单的检测器电路检测到小于 0.1 µA 的电流。
使用两个不同的降压变压器获得了大致相同的性能：一个小型电源变压器（120/6 伏特比）和一个音频输出变压器（1000:8 欧姆阻抗比）。
使用按钮开关来中断电流，该电路用于检测从直流到超过 2 MHz 的信号：即使频率远高于或低于音频范围，每次耳机都会听到“咔哒”声开关被按下并释放。
接上电阻桥，整个电路如下图。
带有灵敏交流零位检测器的桥接器。
在调整桥的一个或多个电阻“臂”时聆听耳机，当耳机无法产生“咔嗒声”（或音调，如果桥的电源频率在音频范围内）时，将实现平衡状态) 当开关被启动时。
在描述一般的交流电桥时，_阻抗_而不仅仅是电阻必须处于适当的平衡比例，有时以箱形元件的形式绘制相应的桥臂是有帮助的，每个桥臂都有一定的阻抗：（下图)
广义交流阻抗电桥：Z = 非特异性复阻抗。
为了平衡这种一般形式的交流电桥，每个支路的阻抗比必须相等：
同样，必须强调的是，上述方程中的阻抗量_必须_是复数，同时考虑幅度和相位角。
仅平衡阻抗大小是不够的；如果平衡中没有相位角，零位检测器的端子上仍然会有电压，电桥将不平衡。
可以构建桥式电路来测量几乎任何所需的设备值，无论是电容、电感、电阻，甚至是“Q”。
与电桥测量电路中的往常一样，未知量始终与已知标准“平衡”，该标准来自高质量的校准组件，该组件的值可以调整，直到零位检测器设备指示平衡状态。
根据电桥的设置方式，未知成分的值可以直接从校准标准的设置中确定，也可以通过数学公式从该标准推导出来。
# 1.3. 桥接电路示例
下面显示了几个简单的桥电路，一个用于电感（下图），一个用于电容：
对称电桥通过与标准电感器比较来测量未知电感器。
对称电桥通过与标准电容器比较来测量未知电容器。
诸如此类的简单“对称”桥之所以如此命名，是因为它们从左到右表现出对称性（镜像相似性）。
上面显示的两个桥式电路通过调整校准的无功分量（Ls 或 Cs）来平衡。
它们与现实生活中的对应物相比有所简化，因为实际的对称桥电路通常具有与电抗元件串联或并联的校准可变电阻，以平衡未知元件中的杂散电阻。
但是，在完美组件的假设世界中，这些简单的桥电路很好地说明了基本概念。
# 1.4. 维也纳桥
在所谓的_Wien 电桥_中可以找到一个为补偿现实世界效应而增加的一些额外复杂性的示例，它使用 [并联电容器- 串联电容器-电阻器 (opens new window)组合。（下图）
所有电容器都有一定量的内部电阻，无论是字面的还是等效的（以介电热损耗的形式），这往往会破坏它们原本完美的反应特性。
这种内部电阻可能需要测量，因此 Wien 电桥试图通过提供一个也不是“纯”的平衡阻抗来做到这一点：
Wein Bridge 测量“真实”电容器的电容 Cx 和电阻 Rx 分量。
由于有两个标准组件需要调整（一个 [电阻器](https://www.allaboutcircuits.com/video- 电容器 (opens new window)），这个桥将比我们目前看到的其他桥需要更多的时间来平衡。
Rs 和 Cs 的综合作用是改变幅度和相位角，直到电桥达到平衡状态。
一旦达到这种平衡，就可以从它们的校准旋钮中读取 Rs 和 Cs 的设置，以数学方式确定两者的并联阻抗，并从平衡方程 (Z1/Z2 = Z3/Z4) 以数学方式确定未知电容和电阻.
假设在维恩电桥的操作中，标准电容器的内部电阻可以忽略不计，或者至少该电阻是已知的，因此可以将其计入平衡方程。
文氏电桥可用于确定内部电阻相对较高的“有损”电容器设计（如电解电容器）的值。
它们也被用作频率计，因为电桥的平衡取决于频率。
当以这种方式使用时，电容器是固定的（通常是相等的值），而顶部的两个电阻器是可变的，并通过同一个旋钮进行调整。
在下一个用于精确测量电感的电桥电路中发现了这个主题的一个有趣变化。
# 1.5. 麦克斯韦-温桥
Maxwell-Wein 电桥根据电容器标准测量电感器。
这种巧妙的电桥电路被称为_麦克斯韦-维恩电桥_（有时也被简单地称为_麦克斯韦电桥_），用于测量校准电阻和电容方面的未知电感。（上图）
校准级电感器比类似精度的电容器更难制造，因此使用简单的“对称”电感电桥并不总是可行的。
因为电感器和电容器的相移彼此完全相反，所以如果它们位于桥的相反腿上，容性阻抗可以平衡感性阻抗，就像它们在这里一样。
使用麦克斯韦电桥而不是对称电感电桥测量电感的另一个优点是消除了由于两个电感器之间的互感引起的测量误差。
磁场可能难以屏蔽，即使是电桥中线圈之间的少量耦合也会在某些条件下引入大量错误。由于麦克斯韦电桥内没有第二个电感器做出反应，这个问题就被消除了。
为了最简单的操作，标准电容器 (Cs) 和与其并联的电阻器 (Rs) 是可变的，并且必须调整两者以达到平衡。
但是，如果电容器是固定的（非可变的）并且不止一个电阻器是可变的（至少是与电容器并联的电阻器，以及另外两个中的一个），则可以使电桥工作。
然而，在后一种配置中，需要更多的试错调整来实现平衡，因为不同的可变电阻器在平衡幅度和相位方面相互作用。
与普通 Wien 电桥不同，Maxwell-Wien 电桥的平衡与源频率无关，在某些情况下，该电桥可以在交流电压源混合频率存在的情况下进行平衡，限制因素是电感器的在很宽的频率范围内的稳定性。
除了这些设计之外，还有更多变体，但这里不保证进行全面讨论。制造了通用阻抗电桥电路，可以将其切换为一种以上的配置，以实现最大的使用灵活性。
敏感交流电桥电路中的一个潜在问题是零位检测器单元的任一端与地（地）电位之间的杂散电容。
因为电容可以通过充电和放电“传导”交流电，它们会形成通往交流电压源的杂散电流路径，这可能会影响电桥平衡：
对地的杂散电容可能会将误差引入电桥。
虽然簧片式仪表不精确，但它们的工作原理却并非如此。代替机械谐振，我们可以用电谐振代替 电谐振 (opens new window)，并设计一个频率计，它使用谐振电路（并联电感和电容）形式的电感和电容。
一个或两个组件都可调节，并在电路中放置一个仪表以指示两个组件上电压的最大幅度。
调整旋钮经过校准以显示任何给定设置的谐振频率，并且在设备调整为仪表上的最大指示后从它们读取频率。
本质上，这是一个可调滤波器电路，它被调整然后以类似于桥电路的方式读取（必须平衡“零”条件然后读取）。
如果交流电压源的一端牢固接地，则问题会变得更糟，漏电流的总杂散阻抗会大大降低，而通过这些杂散电容的任何漏电流都会因此变得更大：
如果交流电源的一侧接地，则杂散电容误差会更加严重。
# 1.6. 瓦格纳球场
大大减少这种影响的一种方法是将零位检测器保持在地电位，因此它与地之间没有交流电压，因此没有电流通过杂散电容。
然而，直接将零位检测器接地不是一种选择，因为它会为杂散电流创建一个_直流_路径，这比任何电容路径都更糟糕。
相反，可以使用称为_Wagner 接地_或_Wagner 接地_的特殊 分压器电路 (opens new window)将零位检测器保持在接地电位，而无需直接连接到零位检测器。（下图）
交流电源的 Wagner 接地将杂散电容对电桥接地的影响降至最低。
瓦格纳接地电路只不过是一个分压器，旨在使电压比和 相移 (opens new window)作为电桥的每一侧。
由于 Wagner 分压器的中点直接接地，任何其他分压器电路（包括电桥的任一侧）与 Wagner 分压器具有相同的电压比例和相位，并由相同的交流电压源供电，将处于接地电位，如好吧。
因此，Wagner 接地分压器强制零位检测器处于地电位，而检测器和地之间没有直接连接。
通常在零位检测器连接中进行了一项规定，以确认 Wagner 接地分配器电路的正确设置：一个两位开关（下图），以便零位检测器的一端可以连接到电桥或瓦格纳地球。
当零位检测器在两个开关位置都记录零信号时，不仅保证电桥平衡，而且零位检测器也保证相对于地电位为零，从而消除了由于通过杂散检测器的泄漏电流引起的任何错误对地电容：
切换位置允许调整瓦格纳地面。
# 2. 总结
- 交流电桥电路的工作原理与直流电桥电路相同：阻抗（而不是电阻）的平衡比率将导致“平衡”状态，如零位检测器设备所示。
- 交流电桥的空值检测器可以是灵敏的机电仪表移动、示波器 (CRT)、耳机（放大或未放大）或任何其他能够记录非常小的交流电压电平的设备。与直流零点检测器一样，它唯一需要的校准精度点为零。
- 交流电桥电路可以是“对称”类型，其中未知阻抗由电桥同一侧（顶部或底部）上类似类型的标准阻抗平衡。或者，它们可以是“非对称的”，使用并联阻抗来平衡串联阻抗，甚至使用电容来平衡电感。
- 交流电桥电路通常有不止一种调整，因为阻抗幅度_和_相位角都必须适当匹配才能平衡。
- 一些阻抗电桥电路对频率敏感，而另一些则不是。如果准确知道所有分量值，则频率敏感型可以用作频率测量设备。
- _瓦格纳接地_或瓦格纳_接地_是添加到交流电桥的分压器电路，以帮助减少由于将零位检测器耦合到地的杂散电容而导致的误差。
相关练习：
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