詳解品質(zhì)因數(shù)計(jì)

品質(zhì)因數(shù)計(jì)通過(guò)測(cè)量諧振頻率下的串聯(lián)電阻確定諧振電路、晶體或諧振器的品質(zhì)因數(shù)Q。品質(zhì)因數(shù)Q與串聯(lián)電阻之間的關(guān)系可通過(guò)下列兩個(gè)簡(jiǎn)單的方程式計(jì)算出來(lái)(Rs為串聯(lián)電阻，L和C為電抗元件，F(xiàn)r為諧振頻率)：

本品質(zhì)因數(shù)計(jì)有以下幾個(gè)不同之處：可以直接顯示串聯(lián)電阻的值，并基于一個(gè)串聯(lián)調(diào)諧振蕩器建立。

在本實(shí)例中，串聯(lián)調(diào)諧的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更勝一籌是因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)在L和C之間普通節(jié)點(diǎn)并未引起自身的阻尼，還因?yàn)樾?zhǔn)的負(fù)阻力將諧振回路的串聯(lián)電阻完全消除了。因此，這種負(fù)阻力僅僅是諧振電路的損失，別無(wú)其他。

電路描述

該電路以跨四拓?fù)?/strong>結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)(參考文獻(xiàn)1)：Q1至Q4構(gòu)成四元組，該電路通過(guò)取消寄生參數(shù)在Q3與Q4的發(fā)射極之間合成一個(gè)零電阻。

在本實(shí)例中，為了使該電路發(fā)揮諧振器的作用，做了如下修改：使用齊納管D1~D4來(lái)確保晶體管有足夠的C-E動(dòng)力保證正常運(yùn)行，另外通過(guò)電池P1產(chǎn)生可調(diào)節(jié)正反饋(正反饋從Q2的集電器中產(chǎn)生并流入其底端，這就是新型反向跨四拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作模式)。

經(jīng)此修改，P1滑臂和接地之間的電阻與Q3和Q4之間的發(fā)射極電阻成反比。當(dāng)該電阻的大小與諧振回路電阻相等時(shí)，該電路便開(kāi)始諧振。四元組中其他臂中的電流被R1攔截，使二極管檢波器D6/D7上產(chǎn)生電壓，并在J1上產(chǎn)生輸出電壓。D7為峰值檢波器，D6為替補(bǔ)峰值檢波器。當(dāng)檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，D7增加U1b(-)輸入的電壓，同時(shí)減少輸出，點(diǎn)亮D8。

該跨四拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由Q5和Q6兩個(gè)電流源提供偏壓電流，在U1a的幫助下精確提供5mA的電流。該偏壓電流還流經(jīng)P1，同時(shí)導(dǎo)致電壓下降，下降的值等于分壓計(jì)設(shè)定值與5mA相乘的乘積。

R15/R16將此電壓分為五份傳送至毫伏計(jì)，毫伏計(jì)上顯示的值為分壓計(jì)的精確值，單位為歐姆。使用該方法可以準(zhǔn)確地顯示實(shí)際電流值，而不需要使用大約值或進(jìn)行更多的運(yùn)算。如果要計(jì)算諧振頻率，可將一個(gè)頻率計(jì)連接至J1。

開(kāi)關(guān)x1/x10可以通過(guò)與R8并聯(lián)來(lái)減小分壓計(jì)的表觀值，將滿標(biāo)值由220Ω降至22Ω。由于C7阻隔了直流電流，顯示值并不會(huì)受影響，仍可以全分辨率顯示。

現(xiàn)在，我們來(lái)解釋一下各組件的功能：L1~L3、R2~R7、C2和C4均用于維持電路的穩(wěn)定，同時(shí)抑制不必要的振蕩。如果沒(méi)有這些組件，該電路可能會(huì)以特高頻頻率振蕩。幾厘米長(zhǎng)的測(cè)試端子形成了一個(gè)開(kāi)放式傳輸線路，該線路擁有自己的諧振頻率,且由于其品質(zhì)因數(shù)Q值很高，其在電路中總是處于主導(dǎo)地位。

其它附加組件限制了頻率范圍：在本實(shí)例中，最大可用頻率約為100MHz(保持可接受的精度)。這是在性能和可用性之間的權(quán)衡。L1~L3為電感約為80nH(50Ω)的鐵氧體磁珠。毋庸置疑，為保證電路穩(wěn)定正常運(yùn)行，良好的布局技術(shù)是不可或缺的。

調(diào)節(jié)

在沒(méi)有振蕩發(fā)生的情況下，需調(diào)節(jié)TR2使LEDD8處于關(guān)閉狀態(tài)，以便其可以在發(fā)生振蕩時(shí)迅速點(diǎn)亮。

可使用1MHz~10MHz范圍內(nèi)的高質(zhì)量調(diào)諧電路(聚苯乙烯或銀云母電容，低損耗電感器)來(lái)調(diào)節(jié)TR1。預(yù)設(shè)TR1在其滑臂和-12V之間讀取0.5V電壓；在22Ω(x1)范圍內(nèi)測(cè)量該振蕩電路并記下測(cè)量值；然后，將一個(gè)無(wú)電感10Ω精確電阻與LC串聯(lián)在一起；將P1調(diào)整為新的數(shù)值，并使TR1能夠讀取10Ω與最初測(cè)量值之和；再檢查一下整個(gè)流程：通常情況下，該電路會(huì)很快聚合，一個(gè)或兩個(gè)通路便足夠。檢查指示燈是否與x10范圍一致。

使用須知

使用某些類型的組件之后，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)模棱兩可的情況：當(dāng)在低頻電路中使用某些類型的諧振器時(shí)就會(huì)出現(xiàn)這種情況。

低頻率下，組件體積很大，電感器的并聯(lián)電容也比較大。這種布線方式及電容形成了一種更高頻率的“幽靈”諧振電路，該電路的品質(zhì)因數(shù)Q要高于“常規(guī)”電路，這是因?yàn)榈皖l電感器擁有較高的等效串聯(lián)電阻(ESR)。所有這些都意味著測(cè)試者會(huì)首先發(fā)現(xiàn)甚高頻(VHF)諧振，但這并不是電路故障，而是很正常的現(xiàn)象。

為使電路僅在低頻率下運(yùn)行，需在電路中使用大型鐵氧體磁珠以“消除”高頻(HF)響應(yīng)。圖1中(圖1請(qǐng)?jiān)趙ww.ednchina.com上查找)展示了一種切實(shí)可行的實(shí)現(xiàn)方法：測(cè)試端子為直連PCB的螺旋型端子。在甚高頻條件下這些端子可以直接使用；但在一般情況下，這些端子可以利用彈簧夾延伸，這樣使用更加便捷，此外每個(gè)連接中都串聯(lián)了一個(gè)大型鐵氧體磁珠(1μH/600Ω)。這樣，電路就可以在低于10MHz頻率下高效運(yùn)行。

使用機(jī)械諧振器時(shí)可能還會(huì)出現(xiàn)同樣的問(wèn)題：動(dòng)態(tài)參數(shù)會(huì)被物理電容分流，而這種電容會(huì)與連接長(zhǎng)度產(chǎn)生共振。對(duì)陶瓷諧振器來(lái)說(shuō)，尤其是這樣，因?yàn)樘沾芍C振器的電容量比晶體諧振器的電容量大的多。而補(bǔ)救方法與上述方法一樣：在電路中添加額外的珠狀高頻阻尼，或者使用被電阻器分流的電感器。

使用晶體也同樣有其自身的問(wèn)題。晶體的品質(zhì)因數(shù)Q很大，導(dǎo)致其時(shí)間系數(shù)也很大。本測(cè)試中未計(jì)入殘余損失，所以將顯而易見(jiàn)的品質(zhì)因數(shù)Q和時(shí)間系數(shù)增加到了無(wú)限大。在正確設(shè)置P1后，振蕩會(huì)積聚長(zhǎng)達(dá)一分鐘時(shí)間。這使調(diào)整工作近乎不可能完成—即使以很慢的速度打開(kāi)P1，當(dāng)LED燈亮?xí)r，得到的數(shù)值也會(huì)比正確數(shù)值大很多。

在這種情況下，最簡(jiǎn)單的解決方法就是將一個(gè)示波器連接到J1，同時(shí)觀察振幅并手動(dòng)進(jìn)行增益控制：改變很緩慢，所以很容易進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整。其中，振蕩器完全起到了積分器的作用。

其它應(yīng)用

由于本身取消了寄生參數(shù)，該振蕩器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠提供杰出的穩(wěn)定性，也可以運(yùn)用到其他應(yīng)用中(如近程檢測(cè)器)，如果使用的是敏感元件，該電路具有電感性；如果L和C之間的普通節(jié)點(diǎn)為輸入節(jié)點(diǎn)，則該電路具有電容性。

在不考慮并聯(lián)電容等寄生因素的情況下，該電路還能夠精確地找出晶體的準(zhǔn)確自然諧振(串聯(lián)情況下)。