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标题: 新型品质因数计 [打印本页]

作者: Bazinga 时间: 2014-12-13 17:17 标题: 新型品质因数计

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)。

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