高頻Q表電路

lll2168 2012-10-09

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（上海市浦光中學(xué)電子小組）Q表是無線電工程制作活動(dòng)中應(yīng)用較廣泛的儀器。它可以測(cè)量諧振回路的Q值、電感線圈的Q值和電感量、分布電容；測(cè)量電容器的電容量和損耗角，以及傳輸線的特性阻抗、高頻回路的并聯(lián)及串聯(lián)有效電阻，鑒別磁性材料的優(yōu)劣，測(cè)量變?nèi)荻O管的參數(shù)，還可代替高頻信號(hào)發(fā)生器。
電子管式的Q表，其功耗大、體積大、用材多，工作時(shí)要預(yù)熱，表頭有零飄。改用晶體管做Q表，就可以克服上述缺點(diǎn)。這里介紹一種業(yè)余自制的手提便攜式晶體管Q表，其體積為40×26×13（厘米）；電源為交流或直流（12伏）兩用；重7公斤；耗電約5瓦；工作不要預(yù)熱；表針無零飄；操作方便。這種Q表大部分元件都采用通用元件，便于制作。為充分發(fā)揮其作用，還附加了一個(gè)低頻文氏電橋，以調(diào)制高頻信號(hào)，可以輸出調(diào)幅及等幅高頻信號(hào)，或1KHZ低頻信號(hào)，收到一機(jī)多用的效果。
一、Q值測(cè)量原理
由于高頻集膚效應(yīng)，電抗元件的損耗電阻隨頻率升高而增大。電感、電容或整個(gè)調(diào)諧回路的品質(zhì)因數(shù)用符號(hào)“Q”表示，它是指振蕩一周期內(nèi)能量?jī)?chǔ)存和能量消耗之比，可以用元件的電抗和損耗電阻之比表示：
Q=XC/R=XL/R
對(duì)調(diào)諧回路來說，用回路參數(shù)表示則為
Q=1;RL;C
在串聯(lián)諧振回路中，回路兩端的電壓U和電容兩端的電壓UC的關(guān)系為：
UC＝Q·U       Q＝UC／U
在圖1中，將信號(hào)源的幅度調(diào)節(jié)到一定值，用一交流毫伏表來測(cè)定U。另外再用一交流電壓表測(cè)量電容兩端的電壓UC。UC為U的若干倍，即為Q值。如果在電壓表UC的標(biāo)尺上改以Q值刻度，則可直接讀出Q值。這就是Q表的測(cè)量原理。
二、晶體管Q表的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)特點(diǎn)
本表結(jié)構(gòu)如圖2方框圖所示。其中的U表就是前述信號(hào)源電壓的定位表；Q就是測(cè)量UC時(shí)以Q值標(biāo)示的Q值表。本表擴(kuò)大量程是靠調(diào)節(jié)放大器的輸出電壓，當(dāng)分壓器（圖3）上端電壓為250毫伏時(shí)為Q×1，滿度Q值為150。當(dāng)此電壓調(diào)節(jié)到125毫伏時(shí)為Q×2，表上Q值讀數(shù)將乘2倍。量程便得以擴(kuò)展。下面分別介紹本表各部分的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。
1．場(chǎng)效應(yīng)管振蕩器：用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管3DJ7裝一個(gè)電感三點(diǎn)式振蕩器（見圖3），在各頻段都能獲得良好的正弦波。對(duì)電源電壓、偏置耦合元件要求都不嚴(yán)格。信號(hào)必須從線圈上端取出，從各抽頭取出的波形則欠佳。如發(fā)現(xiàn)輸出略有失真，可在源極串入反饋電阻（約數(shù)十到數(shù)百歐姆），就能有效地改善波形。輸出信號(hào)幅度用電阻組成分壓器進(jìn)行調(diào)節(jié)。如發(fā)現(xiàn)高、低端振幅相差懸殊，則可改變耦合電容或在電阻上并接電容加以解決。為減少諧波，振蕩部分和分壓電阻要分別接地。電源采取二次穩(wěn)壓，以減小頻率漂移。
2．增益可調(diào)高阻抗輸入級(jí)：場(chǎng)效應(yīng)管振蕩器不能象電子管直接輸出125毫安的高頻電流，需要將信號(hào)放大。為了將振蕩信號(hào)不失真地傳輸至寬頻帶放大器，選用了高頻特性較好、跨導(dǎo)較小、ISD飽和電流較大的場(chǎng)效應(yīng)管擔(dān)任輸入級(jí)，獲得了較大的動(dòng)態(tài)范圍和良好的頻響。它的輸入阻抗高，加給前級(jí)的負(fù)載不重，對(duì)振蕩波形的影響小。
場(chǎng)效應(yīng)管的I～V輸出轉(zhuǎn)移特性是非線性的，其跨導(dǎo)隨偏壓的工作區(qū)域變化而變化，如圖4。3DJ2～9型場(chǎng)效應(yīng)管的跨導(dǎo)在偏壓VGS為-2～-3伏時(shí)接近0，即幾乎無放大量；而當(dāng)VGS為-0.5～-1伏時(shí)，放大量最大。如輸入信號(hào)幅度不太大，與偏壓移動(dòng)相比可忽略不計(jì)的話，只要改變直流柵偏壓，以改變其工作區(qū)域，就能有效地控制其增益，其對(duì)應(yīng)變化關(guān)系大致如表1所示。
                                          表1
VGS（V） 0  -0.5 -1  -1.5  -1.8 -2  -2.2  -2.5
gm（mA/V） 3 2.7  2.2 1.5 1.1  0.7 0.2 ≈0
由于是直流控制，所以對(duì)控制電位器的位置、引線要求也不甚嚴(yán)格。實(shí)驗(yàn)證明，偏壓變化±0.5伏，即可有效地調(diào)節(jié)增益，從而達(dá)到控制輸出，使定位電壓從250mV調(diào)節(jié)到125mV，從而改變Q值的量程，從Q×1變?yōu)镼×2。
3．寬頻帶放大器：為了在50KHZ～50MHZ的寬頻帶范圍內(nèi)不失真地均勻放大高頻信號(hào)，設(shè)計(jì)選用了一級(jí)共發(fā)（3CG17B）和兩級(jí)共集（2G711和3DA90）接法的直耦放大電路。為改善頻響，負(fù)載電阻取得較小，全部工作在甲類放大狀態(tài)，又將靜態(tài)電流取得較大，以保證有較大的動(dòng)態(tài)工作范圍。各級(jí)的工作點(diǎn)和偏置元件經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)選定。逐級(jí)都嚴(yán)格地退耦。
4．儀表標(biāo)尺的線性：定位表和Q值表都只能指示直流量，因此要求將被測(cè)信號(hào)檢波成直流。先后試用2AP、2AK等檢波二極管都不合用，標(biāo)尺線性極差，尤其在小信號(hào)時(shí)明顯偏低。最后采用反向二極管檢波，其特性曲線如圖5。利用它在正向400mV以下不導(dǎo)通，而反向則十余毫伏就導(dǎo)通的特點(diǎn)，達(dá)到了預(yù)期的效果。其反向壓降小而高頻特性良好，但被檢波的信號(hào)電壓必須小于400毫伏。當(dāng)Q值指示時(shí)，因諧振后的峰壓較高，所以用兩只反向二極管2BF1串聯(lián)，可以在800毫伏以下正常工作。
定位表用500μA電流表，其內(nèi)阻約為150Ω，所以電壓靈敏度為75mV。對(duì)2Ω的分壓器而言，分流很小。本表定位電壓取為250mV，其峰值不超過反向二極管的正向?qū)妷?，檢波后再經(jīng)一分壓電阻送入LC調(diào)諧回路。
Q值表采用50μA表頭，其內(nèi)阻為4KΩ，電壓靈敏度為200mV，它對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管的輸出阻抗來說比較匹配，而用內(nèi)阻150Ω的表頭則負(fù)載太重。
5．高阻抗隔離放大：電子管Q表用電子管二極管檢波，其交流內(nèi)阻很大，對(duì)回路的分流甚微；而晶體二極管的阻抗比較低，不能直接檢波，為了提高輸入阻抗，減小對(duì)諧振回路的影響，仍然采用場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行隔離放大。將回路電容器上的電壓先經(jīng)50MΩ高阻電阻再送到場(chǎng)效應(yīng)管3DJ2的柵極。經(jīng)放大后的信號(hào)從漏極輸出進(jìn)行檢波。這樣不必再進(jìn)行差動(dòng)放大，就能消除電子管Q表中指針零飄的現(xiàn)象，也省卻了調(diào)零手續(xù)，減少了面板上的旋鈕。
6．穩(wěn)壓電源：電源進(jìn)線加了雙路LC的π型濾波器，防止外界高頻干擾。穩(wěn)壓部分用了大電容濾波，并加了一組輔助電源，采用6V左右小穩(wěn)壓管，進(jìn)一步提高了電源輸出電壓的穩(wěn)定性。不裝電源開關(guān)，利用電源插頭來通斷電源，以免竄入干擾信號(hào)。
三、元件選用
1．晶體管：本表場(chǎng)效應(yīng)管都采用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，3DJ2～3DJ8基本上都可使用。只要fm（最高振蕩頻率）＞100MHZ，都能用作振蕩管。寬帶放大器和Q值指示輸入級(jí)的管子則要選擇頻響較好、漏源飽和電流較大、跨導(dǎo)較小的管子，如3DJ2H、3DJ4H或3DJ9H。
寬頻帶放大器對(duì)高頻三極管的頻率參數(shù)要求比較高，要求fT＞200MHZ，高些更好。3CG17可用3CG21、3CG22、CK-1等代替。2G711可用3DG12C等中功率管代用。末級(jí)大功率管3DA90可用特性相近的3DG12配對(duì)并聯(lián)使用。雖然末級(jí)電流較大，但電壓的峰——峰值僅800mV，所以Vce只要大于2V就能正常工作。放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)IC為：3CG17—8mA；2G711—40mA；3DA90—250mA。末級(jí)用3.9Ω限流電阻限流，用電容將集電極交流通地，其功耗約2瓦。如用3DG12，則應(yīng)加大限流電阻。
2．頻段開關(guān)：采用8×2互鎖琴鍵開關(guān)選擇頻段，其優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換方便，直觀，能利用其常閉觸點(diǎn)將電感自行短路，以免吸收鄰近頻段的信號(hào)；缺點(diǎn)是分布參數(shù)較大，引線的安排比較麻煩?；蛘咭部墒褂闷胀ǚ志€開關(guān)或鼓輪開關(guān)。振蕩管也可公用一只，以降低造價(jià)。
3．振蕩回路元件：如果振蕩器頻率刻度自定，則可根據(jù)需要選用其他規(guī)格的雙連可變電容器。高頻段用一組，如容量仍感太大，可拆去幾片動(dòng)片，如有差容的更好。低頻段則兩組并用。頻率覆蓋及電感參數(shù)可根據(jù)f=1/2πLC進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算時(shí)要考慮幾個(gè)pF的分布電容對(duì)高端的影響。相鄰的頻段要使頻率有重疊點(diǎn)。本表安排有七個(gè)頻段，根據(jù)需要也可少裝幾個(gè)，以簡(jiǎn)化制作。
電感線圈骨架最好采用高頻瓷，以減少頻率漂移。磁心用NX-20。由于磁性材料的離散性較大，選購磁心后應(yīng)經(jīng)高溫老化，然后繞一只線圈，分別測(cè)其無磁心時(shí)電感和有磁心電感，求出其導(dǎo)磁率。然后計(jì)算線圈圈數(shù)。對(duì)抽頭比要求不嚴(yán)格，從1/8～1/4均可。線圈起端可以放在下端接地處。這樣電感量不符合要求則可任意增減。對(duì)頻率精度要求并不太高，但每個(gè)頻段中的電感測(cè)試點(diǎn)一定要用頻率計(jì)校準(zhǔn)，誤差應(yīng)小于1％。這樣才能提高電感量的測(cè)試精度。
4．分壓器：采用QBG-3型產(chǎn)品Q表的方法，將2Ω的電阻絲折疊，中間墊云母片，改變其厚度，即可改變各線段間的分布電容。當(dāng)頻率升高時(shí)，其容抗則并聯(lián)在上段電阻上，提高了抽頭點(diǎn)的分壓比，若定位值不變，則諧振回路兩端的電壓就略有提高，用以補(bǔ)償高頻測(cè)量時(shí)Q值的低落，雖然這種補(bǔ)償是非線性的，但也有一定補(bǔ)償作用。分壓器也可用1Ω的電阻絲，在0.04Ω處焊出引出線，最好能用電阻電橋校正需要的阻值，但這種結(jié)構(gòu)的電感性較大，可在1.96Ω一段并一小電感，在高頻得到一定補(bǔ)償，適當(dāng)提高抽頭點(diǎn)電壓。如無條件測(cè)量，也可根據(jù)導(dǎo)線長(zhǎng)度來確定抽頭點(diǎn)。用串聯(lián)諧振法測(cè)Q值，各種Q表，其誤差在不同頻率從7％到20％不等。業(yè)余自制Q表能對(duì)電感的Q值作出一定的判斷或比較已能滿足要求。常用器件的Q值約在200以下，所以對(duì)諧振可變電容及分壓器的精度并不必苛求，何況Q表更為廣泛的用途是測(cè)電感量、電容量等各種功能，作這些測(cè)量時(shí)，定位值是不影響測(cè)量精度的。
四、工藝要求
本表的面板見圖6。
整個(gè)寬頻帶放大器必須充分屏蔽，逐級(jí)要用電解電容、磁片電容并聯(lián)和色碼電感組成LC退耦電路，否則易產(chǎn)生低頻或高頻自激。元件的安裝、退耦均和電視機(jī)高頻頭相近。該放大器的電源引線用穿心電容引入，即在2G711集電極接一個(gè)2000pF電容到地。并用金屬編織線接地（圖中未畫）。電阻應(yīng)臥裝，元件引線要盡量短。分壓器要直接接在末級(jí)功放管的射極，因高頻時(shí)一、二厘米的引線也有很大的感抗，加以末級(jí)電流峰值有幾百毫安，引線稍長(zhǎng)即會(huì)造成功率損失。
整機(jī)調(diào)試時(shí)最好用數(shù)字式頻率計(jì)校正振蕩頻率，用高頻示波器觀察振蕩及放大后的波形，應(yīng)將諧波盡量消除。確定定位表要用超高頻毫伏表多點(diǎn)測(cè)量，力求高、低端兼顧。確定Q表刻度時(shí)（Q值表標(biāo)尺是非線性的，不能直接用表面上現(xiàn)成的等分刻度），也要從小到大多點(diǎn)測(cè)量。在測(cè)量高頻振蕩時(shí)，儀器、探頭的影響、引線的長(zhǎng)度和輸入阻抗都不容忽視，否則極易產(chǎn)生誤測(cè)。
調(diào)諧可變電容的殘感是Q表的薄弱環(huán)節(jié)，有待專業(yè)元件廠及早解決。而對(duì)業(yè)余制作來說，可變電容即使不鍍銀，其Q值也足夠大了，不至影響回路的Q值。如Qc遠(yuǎn)大于QL，則Qc可忽略不計(jì)，回路的Q就近似等于電感的QL。一般空氣電容Q值達(dá)數(shù)千，所以可以選用普通的500/40pF雙連。根據(jù)指定的測(cè)試頻率和可變電容的容量，定出相應(yīng)的L刻度。C-L的刻度直接影響測(cè)量電感、電容的精度。
五、常用測(cè)量方法
1．測(cè)電感線圈Q值及電感量：先將振蕩器按照電感測(cè)試表（表2）所示指定頻率調(diào)整到該點(diǎn)。然后將定位表調(diào)到Q×1處，再將被測(cè)電感線圈接在“Lx”接線柱上。轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)試回路可變電容至Q表指示最大。此時(shí)的Q值即為該線圈的Q值。如超過滿度，則將定位表調(diào)節(jié)到Q×2處，再次調(diào)測(cè)試回路可變電容至諧振點(diǎn)，此時(shí)的Q值讀數(shù)乘以2即為該電感的實(shí)際Q值。此時(shí)L－C度盤上的電感指示數(shù)乘以表2中的相應(yīng)倍率即為其電感量。
      表2  電感測(cè)試表
被測(cè)電感    倍  率頻率
0.1～1.0μH  ×0.1 25.MHz
1.0～10μH ×1    7.95MHz
10～100μH  ×10    2.52MHz
0.1～1.0mH ×0.1 795KHz
1.0～10mH ×1    252KHz
10～100mH ×10    79.5KHz
2．測(cè)電容量：先按測(cè)電感法測(cè)任一電感，當(dāng)諧振時(shí)讀出可變電容讀數(shù)為C1，然后將小于460pF的被測(cè)電容接在“Cx”接線柱上，調(diào)整可變電容使回路重新諧振，這時(shí)的電容刻度為C2，則被測(cè)電容C=C1－C2。
3．調(diào)整收音機(jī)：將被調(diào)收音機(jī)靠近本Q表。開啟振蕩器并先后調(diào)到中頻、低端頻率和高端頻率，調(diào)收音機(jī)的相應(yīng)調(diào)整元件，如Q表振蕩器是等幅輸出，可聽到鳥叫的差拍聲。如加低頻調(diào)制后，則可聽到低頻信號(hào)聲。校正中頻時(shí)，收音機(jī)的調(diào)諧頻率應(yīng)調(diào)到最低端，最好將本振回路短路。統(tǒng)調(diào)時(shí)要將收音機(jī)調(diào)到指定三個(gè)統(tǒng)調(diào)點(diǎn)分別進(jìn)行跟蹤。
                                 表3  各管工作點(diǎn)電壓、電流值
         3DJ7H 3DJ2G 3CG17B 2G711 30A90 DF104 3DG27 3DG6 3DJ2
                                                                              (3DJ9)
S(e)(V) 1V(不定)  2V(變化)    10V 2.8V    0.5V    12V    12.7V    6V    1V
G(b)(V)    0       0       9.3V 3.5V    1.2V 12.7V    13.4V 6.6V    0V
D(c)(V)    7V    7V(變化) 3.5V 12V    11V    18V    18V  13.4V 11.5V
ISD(IC)(mA)                   6.5mA 40mA 250～300mA
4．選磁性材料：將各種不同磁心或磁棒分別裝在線圈內(nèi)測(cè)其Q值，即可將Q值低的損耗較大的剔除。
最后將本表主要技術(shù)指標(biāo)介紹如下。
Q值測(cè)量范圍：  15～150；30～300  誤差±15％
電感測(cè)量范圍： 0.1μH～100mH    誤差±5％
電容測(cè)量范圍： 1～460pF          誤差±2％
振蕩頻率：    50KHZ～5MHZ    誤差±2％
               電感測(cè)試點(diǎn)       誤差±1％

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