详解品质因数计

2014-08-28 12:50:59来源: eefocus

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产生可调节正反馈(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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