高频Q表电路

（上海市浦光中学电子小组）Q表是无线电工程制作活动中应用较广泛的仪器。它可以测量谐振回路的Q值、电感线圈的Q值和电感量、分布电容；测量电容器的电容量和损耗角，以及传输线的特性阻抗、高频回路的并联及串联有效电阻，鉴别磁性材料的优劣，测量变容二极管的参数，还可代替高频信号发生器。 电子管式的Q表，其功耗大、体积大、用材多，工作时要预热，表头有零飘。改用晶体管做Q表，就可以克服上述缺点。这里介绍一种业余自制的手提便携式晶体管Q表，其体积为40×26×13（厘米）；电源为交流或直流（12伏）两用；重7公斤；耗电约5瓦；工作不要预热；表针无零飘；操作方便。这种Q表大部分元件都采用通用元件，便于制作。为充分发挥其作用，还附加了一个低频文氏电桥，以调制高频信号，可以输出调幅及等幅高频信号，或1KHZ低频信号，收到一机多用的效果。 一、Q值测量原理 由于高频集肤效应，电抗元件的损耗电阻随频率升高而增大。电感、电容或整个调谐回路的品质因数用符号“Q”表示，它是指振荡一周期内能量储存和能量消耗之比，可以用元件的电抗和损耗电阻之比表示：     Q=XC/R=XL/R 对调谐回路来说，用回路参数表示则为     Q=1;RL;C 在串联谐振回路中，回路两端的电压U和电容两端的电压UC的关系为：     UC＝Q·U         Q＝UC／U 在图1中，将信号源的幅度调节到一定值，用一交流毫伏表来测定U。另外再用一交流电压表测量电容两端的电压UC。UC为U的若干倍，即为Q值。如果在电压表UC的标尺上改以Q值刻度，则可直接读出Q值。这就是Q表的测量原理。 二、晶体管Q表的结构和设计特点 本表结构如图2方框图所示。其中的U表就是前述信号源电压的定位表；Q就是测量UC时以Q值标示的Q值表。本表扩大量程是靠调节放大器的输出电压，当分压器（图3）上端电压为250毫伏时为Q×1，满度Q值为150。当此电压调节到125毫伏时为Q×2，表上Q值读数将乘2倍。量程便得以扩展。下面分别介绍本表各部分的设计特点。 1．场效应管振荡器：用结型场效应管3DJ7装一个电感三点式振荡器（见图3），在各频段都能获得良好的正弦波。对电源电压、偏置耦合元件要求都不严格。信号必须从线圈上端取出，从各抽头取出的波形则欠佳。如发现输出略有失真，可在源极串入反馈电阻（约数十到数百欧姆），就能有效地改善波形。输出信号幅度用电阻组成分压器进行调节。如发现高、低端振幅相差悬殊，则可改变耦合电容或在电阻上并接电容加以解决。为减少谐波，振荡部分和分压电阻要分别接地。电源采取二次稳压，以减小频率漂移。 2．增益可调高阻抗输入级：场效应管振荡器不能象电子管直接输出125毫安的高频电流，需要将信号放大。为了将振荡信号不失真地传输至宽频带放大器，选用了高频特性较好、跨导较小、ISD饱和电流较大的场效应管担任输入级，获得了较大的动态范围和良好的频响。它的输入阻抗高，加给前级的负载不重，对振荡波形的影响小。 场效应管的I～V输出转移特性是非线性的，其跨导随偏压的工作区域变化而变化，如图4。3DJ2～9型场效应管的跨导在偏压VGS为-2～-3伏时接近0，即几乎无放大量；而当VGS为-0.5～-1伏时，放大量最大。如输入信号幅度不太大，与偏压移动相比可忽略不计的话，只要改变直流栅偏压，以改变其工作区域，就能有效地控制其增益，其对应变化关系大致如表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，所以对控制电位器的位置、引线要求也不甚严格。实验证明，偏压变化±0.5伏，即可有效地调节增益，从而达到控制输出，使定位电压从250mV调节到125mV，从而改变Q值的量程，从Q×1变为Q×2。 3．宽频带放大器：为了在50KHZ～50MHZ的宽频带范围内不失真地均匀放大高频信号，设计选用了一级共发（3CG17B）和两级共集（2G711和3DA90）接法的直耦放大电路。为改善频响，负载电阻取得较小，全部工作在甲类放大状态，又将静态电流取得较大，以保证有较大的动态工作范围。各级的工作点和偏置元件经过多次实验选定。逐级都严格地退耦。 4．仪表标尺的线性：定位表和Q值表都只能指示直流量，因此要求将被测信号检波成直流。先后试用2AP、2AK等检波二极管都不合用，标尺线性极差，尤其在小信号时明显偏低。最后采用反向二极管检波，其特性曲线如图5。利用它在正向400mV以下不导通，而反向则十余毫伏就导通的特点，达到了预期的效果。其反向压降小而高频特性良好，但被检波的信号电压必须小于400毫伏。当Q值指示时，因谐振后的峰压较高，所以用两只反向二极管2BF1串联，可以在800毫伏以下正常工作。 定位表用500μA电流表，其内阻约为150Ω，所以电压灵敏度为75mV。对2Ω的分压器而言，分流很小。本表定位电压取为250mV，其峰值不超过反向二极管的正向导通电压，检波后再经一分压电阻送入LC调谐回路。 Q值表采用50μA表头，其内阻为4KΩ，电压灵敏度为200mV，它对场效应管的输出阻抗来说比较匹配，而用内阻150Ω的表头则负载太重。 5．高阻抗隔离放大：电子管Q表用电子管二极管检波，其交流内阻很大，对回路的分流甚微；而晶体二极管的阻抗比较低，不能直接检波，为了提高输入阻抗，减小对谐振回路的影响，仍然采用场效应管进行隔离放大。将回路电容器上的电压先经50MΩ高阻电阻再送到场效应管3DJ2的栅极。经放大后的信号从漏极输出进行检波。这样不必再进行差动放大，就能消除电子管Q表中指针零飘的现象，也省却了调零手续，减少了面板上的旋钮。 6．稳压电源：电源进线加了双路LC的π型滤波器，防止外界高频干扰。稳压部分用了大电容滤波，并加了一组辅助电源，采用6V左右小稳压管，进一步提高了电源输出电压的稳定性。不装电源开关，利用电源插头来通断电源，以免窜入干扰信号。 三、元件选用 1．晶体管：本表场效应管都采用结型场效应管，3DJ2～3DJ8基本上都可使用。只要fm（最高振荡频率）＞100MHZ，都能用作振荡管。宽带放大器和Q值指示输入级的管子则要选择频响较好、漏源饱和电流较大、跨导较小的管子，如3DJ2H、3DJ4H或3DJ9H。 宽频带放大器对高频三极管的频率参数要求比较高，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。末级大功率管3DA90可用特性相近的3DG12配对并联使用。虽然末级电流较大，但电压的峰——峰值仅800mV，所以Vce只要大于2V就能正常工作。放大器的静态工作点IC为：3CG17—8mA；2G711—40mA；3DA90—250mA。末级用3.9Ω限流电阻限流，用电容将集电极交流通地，其功耗约2瓦。如用3DG12，则应加大限流电阻。 2．频段开关：采用8×2互锁琴键开关选择频段，其优点是转换方便，直观，能利用其常闭触点将电感自行短路，以免吸收邻近频段的信号；缺点是分布参数较大，引线的安排比较麻烦。或者也可使用普通分线开关或鼓轮开关。振荡管也可公用一只，以降低造价。 3．振荡回路元件：如果振荡器频率刻度自定，则可根据需要选用其他规格的双连可变电容器。高频段用一组，如容量仍感太大，可拆去几片动片，如有差容的更好。低频段则两组并用。频率覆盖及电感参数可根据f=1/2πLC进行计算。计算时要考虑几个pF的分布电容对高端的影响。相邻的频段要使频率有重叠点。本表安排有七个频段，根据需要也可少装几个，以简化制作。 电感线圈骨架最好采用高频瓷，以减少频率漂移。磁心用NX-20。由于磁性材料的离散性较大，选购磁心后应经高温老化，然后绕一只线圈，分别测其无磁心时电感和有磁心电感，求出其导磁率。然后计算线圈圈数。对抽头比要求不严格，从1/8～1/4均可。线圈起端可以放在下端接地处。这样电感量不符合要求则可任意增减。对频率精度要求并不太高，但每个频段中的电感测试点一定要用频率计校准，误差应小于1％。这样才能提高电感量的测试精度。 4．分压器：采用QBG-3型产品Q表的方法，将2Ω的电阻丝折叠，中间垫云母片，改变其厚度，即可改变各线段间的分布电容。当频率升高时，其容抗则并联在上段电阻上，提高了抽头点的分压比，若定位值不变，则谐振回路两端的电压就略有提高，用以补偿高频测量时Q值的低落，虽然这种补偿是非线性的，但也有一定补偿作用。分压器也可用1Ω的电阻丝，在0.04Ω处焊出引出线，最好能用电阻电桥校正需要的阻值，但这种结构的电感性较大，可在1.96Ω一段并一小电感，在高频得到一定补偿，适当提高抽头点电压。如无条件测量，也可根据导线长度来确定抽头点。用串联谐振法测Q值，各种Q表，其误差在不同频率从7％到20％不等。业余自制Q表能对电感的Q值作出一定的判断或比较已能满足要求。常用器件的Q值约在200以下，所以对谐振可变电容及分压器的精度并不必苛求，何况Q表更为广泛的用途是测电感量、电容量等各种功能，作这些测量时，定位值是不影响测量精度的。 四、工艺要求 本表的面板见图6。 整个宽频带放大器必须充分屏蔽，逐级要用电解电容、磁片电容并联和色码电感组成LC退耦电路，否则易产生低频或高频自激。元件的安装、退耦均和电视机高频头相近。该放大器的电源引线用穿心电容引入，即在2G711集电极接一个2000pF电容到地。并用金属编织线接地（图中未画）。电阻应卧装，元件引线要尽量短。分压器要直接接在末级功放管的射极，因高频时一、二厘米的引线也有很大的感抗，加以末级电流峰值有几百毫安，引线稍长即会造成功率损失。 整机调试时最好用数字式频率计校正振荡频率，用高频示波器观察振荡及放大后的波形，应将谐波尽量消除。确定定位表要用超高频毫伏表多点测量，力求高、低端兼顾。确定Q表刻度时（Q值表标尺是非线性的，不能直接用表面上现成的等分刻度），也要从小到大多点测量。在测量高频振荡时，仪器、探头的影响、引线的长度和输入阻抗都不容忽视，否则极易产生误测。 调谐可变电容的残感是Q表的薄弱环节，有待专业元件厂及早解决。而对业余制作来说，可变电容即使不镀银，其Q值也足够大了，不至影响回路的Q值。如Qc远大于QL，则Qc可忽略不计，回路的Q就近似等于电感的QL。一般空气电容Q值达数千，所以可以选用普通的500/40pF双连。根据指定的测试频率和可变电容的容量，定出相应的L刻度。C-L的刻度直接影响测量电感、电容的精度。 五、常用测量方法 1．测电感线圈Q值及电感量：先将振荡器按照电感测试表（表2）所示指定频率调整到该点。然后将定位表调到Q×1处，再将被测电感线圈接在“Lx”接线柱上。转动测试回路可变电容至Q表指示最大。此时的Q值即为该线圈的Q值。如超过满度，则将定位表调节到Q×2处，再次调测试回路可变电容至谐振点，此时的Q值读数乘以2即为该电感的实际Q值。此时L－C度盘上的电感指示数乘以表2中的相应倍率即为其电感量。           表2  电感测试表 被测电感     倍  率   频   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．测电容量：先按测电感法测任一电感，当谐振时读出可变电容读数为C1，然后将小于460pF的被测电容接在“Cx”接线柱上，调整可变电容使回路重新谐振，这时的电容刻度为C2，则被测电容C=C1－C2。 3．调整收音机：将被调收音机靠近本Q表。开启振荡器并先后调到中频、低端频率和高端频率，调收音机的相应调整元件，如Q表振荡器是等幅输出，可听到鸟叫的差拍声。如加低频调制后，则可听到低频信号声。校正中频时，收音机的调谐频率应调到最低端，最好将本振回路短路。统调时要将收音机调到指定三个统调点分别进行跟踪。                                     表3  各管工作点电压、电流值             3DJ7H    3DJ2G    3CG17B   2G711   30A90    DF104    3DG27    3DG6   3DJ2                                                                                 (3DJ9) S(e)(V)   1V(不定)  2V(变化)     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(变化)    3.5V    12V      11V     18V       18V  13.4V   11.5V ISD(IC)(mA)                    6.5mA   40mA   250～300mA    4．选磁性材料：将各种不同磁心或磁棒分别装在线圈内测其Q值，即可将Q值低的损耗较大的剔除。 最后将本表主要技术指标介绍如下。     Q值测量范围：  15～150；30～300  误差±15％     电感测量范围： 0.1μH～100mH     误差±5％     电容测量范围： 1～460pF           误差±2％     振荡频率：     50KHZ～5MHZ      误差±2％                    电感测试点        误差±1％ 3.jpg (90.96 KB, 下载次数: 156)