详解品质因数计

2014-08-28 12:50:59来源: eefocus 关键字:品质因数计  串联电阻  调谐振荡器  齐纳管

品质因数计通过测量谐振频率下的串联电阻确定谐振电路晶体或谐振器的品质因数Q。品质因数Q与串联电阻之间的关系可通过下列两个简单的方程式计算出来(Rs为串联电阻,L和C为电抗元件,Fr为谐振频率):

本品质因数计有以下几个不同之处:可以直接显示串联电阻的值,并基于一个串联调谐振荡器建立。


在本实例中,串联调谐的拓扑结构更胜一筹是因为该结构在L和C之间普通节点并未引起自身的阻尼,还因为校准的负阻力将谐振回路的串联电阻完全消除了。因此,这种负阻力仅仅是谐振电路的损失,别无其他。


电路描述


该电路以跨四拓扑结构为基础(参考文献1):Q1至Q4构成四元组,该电路通过取消寄生参数在Q3与Q4的发射极之间合成一个零电阻。


在本实例中,为了使该电路发挥谐振器的作用,做了如下修改:使用齐纳管D1~D4来确保晶体管有足够的C-E动力保证正常运行,另外通过电池P1产生可调正反馈(正反馈从Q2的集电器中产生并流入其底端,这就是新型反向跨四拓扑结构的工作模式)。


经此修改,P1滑臂和接地之间的电阻与Q3和Q4之间的发射极电阻成反比。当该电阻的大小与谐振回路电阻相等时,该电路便开始谐振。四元组中其他臂中的电流被R1拦截,使二极管检波器D6/D7上产生电压,并在J1上产生输出电压。D7为峰值检波器,D6为替补峰值检波器。当检测到信号时,D7增加U1b(-)输入的电压,同时减少输出,点亮D8。


该跨四拓扑结构由Q5和Q6两个电流源提供偏压电流,在U1a的帮助下精确提供5mA的电流。该偏压电流还流经P1,同时导致电压下降,下降的值等于分压计设定值与5mA相乘的乘积。


R15/R16将此电压分为五份传送至毫伏计,毫伏计上显示的值为分压计的精确值,单位为欧姆。使用该方法可以准确地显示实际电流值,而不需要使用大约值或进行更多的运算。如果要计算谐振频率,可将一个频率计连接至J1。


开关x1/x10可以通过与R8并联来减小分压计的表观值,将满标值由220Ω降至22Ω。由于C7阻隔了直流电流,显示值并不会受影响,仍可以全分辨率显示。


现在,我们来解释一下各组件的功能:L1~L3、R2~R7、C2和C4均用于维持电路的稳定,同时抑制不必要的振荡。如果没有这些组件,该电路可能会以特高频频率振荡。几厘米长的测试端子形成了一个开放式传输线路,该线路拥有自己的谐振频率,且由于其品质因数Q值很高,其在电路中总是处于主导地位。


其它附加组件限制了频率范围:在本实例中,最大可用频率约为100MHz(保持可接受的精度)。这是在性能和可用性之间的权衡。L1~L3为电感约为80nH(50Ω)的铁氧体磁珠。毋庸置疑,为保证电路稳定正常运行,良好的布局技术是不可或缺的。


调节


在没有振荡发生的情况下,需调节TR2使LEDD8处于关闭状态,以便其可以在发生振荡时迅速点亮。


可使用1MHz~10MHz范围内的高质量调谐电路(聚苯乙烯或银云母电容,低损耗电感器)来调节TR1。预设TR1在其滑臂和-12V之间读取0.5V电压;在22Ω(x1)范围内测量该振荡电路并记下测量值;然后,将一个无电感10Ω精确电阻与LC串联在一起;将P1调整为新的数值,并使TR1能够读取10Ω与最初测量值之和;再检查一下整个流程:通常情况下,该电路会很快聚合,一个或两个通路便足够。检查指示灯是否与x10范围一致。


使用须知


使用某些类型的组件之后,有时会出现模棱两可的情况:当在低频电路中使用某些类型的谐振器时就会出现这种情况。


低频率下,组件体积很大,电感器的并联电容也比较大。这种布线方式及电容形成了一种更高频率的“幽灵”谐振电路,该电路的品质因数Q要高于“常规”电路,这是因为低频电感器拥有较高的等效串联电阻(ESR)。所有这些都意味着测试者会首先发现甚高频(VHF)谐振,但这并不是电路故障,而是很正常的现象。


为使电路仅在低频率下运行,需在电路中使用大型铁氧体磁珠以“消除”高频(HF)响应。图1中(图1请在www.ednchina.com上查找)展示了一种切实可行的实现方法:测试端子为直连PCB的螺旋型端子。在甚高频条件下这些端子可以直接使用;但在一般情况下,这些端子可以利用弹簧夹延伸,这样使用更加便捷,此外每个连接中都串联了一个大型铁氧体磁珠(1μH/600Ω)。这样,电路就可以在低于10MHz频率下高效运行。


使用机械谐振器时可能还会出现同样的问题:动态参数会被物理电容分流,而这种电容会与连接长度产生共振。对陶瓷谐振器来说,尤其是这样,因为陶瓷谐振器的电容量比晶体谐振器的电容量大的多。而补救方法与上述方法一样:在电路中添加额外的珠状高频阻尼,或者使用被电阻器分流的电感器。


使用晶体也同样有其自身的问题。晶体的品质因数Q很大,导致其时间系数也很大。本测试中未计入残余损失,所以将显而易见的品质因数Q和时间系数增加到了无限大。在正确设置P1后,振荡会积聚长达一分钟时间。这使调整工作近乎不可能完成—即使以很慢的速度打开P1,当LED灯亮时,得到的数值也会比正确数值大很多。


在这种情况下,最简单的解决方法就是将一个示波器连接到J1,同时观察振幅并手动进行增益控制:改变很缓慢,所以很容易进行手动调整。其中,振荡器完全起到了积分器的作用。


其它应用


由于本身取消了寄生参数,该振荡器拓扑结构能够提供杰出的稳定性,也可以运用到其他应用中(如近程检测器),如果使用的是敏感元件,该电路具有电感性;如果L和C之间的普通节点为输入节点,则该电路具有电容性。


在不考虑并联电容等寄生因素的情况下,该电路还能够精确地找出晶体的准确自然谐振(串联情况下)。

关键字:品质因数计  串联电阻  调谐振荡器  齐纳管

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2014/0828/article_9395.html
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