現(xiàn)代電子測量理論及應(yīng)用第五章測量連接ppt課件

1、第五章第五章 丈量銜接丈量銜接當(dāng)把一臺儀器銜接到被測器件DUT上時，總是要對該器件呵斥干擾。 在進(jìn)展精細(xì)丈量時，希望將加載效應(yīng)和其它效應(yīng)減至最低程度，使丈量不會因丈量儀器而變得不可靠。常用的精細(xì)丈量的準(zhǔn)確方法：采用探頭、衰減器、阻抗匹配器件、濾波器等，將所關(guān)懷的信號耦合到儀器中。5-1 加載效應(yīng)加載效應(yīng)對電路的電壓丈量普通將改動該電壓的大小。思索如圖5-1所示的電路，被測電路已模型化為一個具有一內(nèi)阻ZS的電壓源。 開路條件下沒有電流流過ZS，該電路的開路電壓為VS。當(dāng)負(fù)載阻抗ZL接到該電路時，根據(jù)分壓關(guān)系，有： VL=VSZL/ZS+ZL 5-1 可見，除非ZS等于0或者ZL等于無窮大，VL將

2、總是小于VS。圖5-1 有限阻抗的電壓源銜接到電阻負(fù)載5-2 最大電壓與功率傳輸最大電壓與功率傳輸某些電子系統(tǒng)設(shè)計時要求系統(tǒng)中有最大的電壓傳輸。 為實現(xiàn)最大電壓傳輸，ZS應(yīng)盡能夠地小，ZL應(yīng)盡能夠地大，ZL應(yīng)遠(yuǎn)大于ZS。 當(dāng)ZL為無窮大，那么為理想情況：VL=VS。某些電子系統(tǒng)，特別是任務(wù)在頻率為10MHz以上的系統(tǒng)，被設(shè)計成在系統(tǒng)中有最大的功率傳輸。如圖5-1中負(fù)載阻抗所耗散的功率由下式給出： 5-2 為求得最大的功率傳輸，令RL與XL分別是ZL的實部與虛部，那么可求得2111ReRe22LLLLLPV IVZ0LLLLPPRX也即或 可見，當(dāng)ZL=ZS*表示共軛，負(fù)載上的功率到達(dá)最大。 假

3、設(shè)各阻抗皆為實數(shù)，那么當(dāng)兩個阻抗電阻相等，功率到達(dá)最大。 普通將阻抗選擇得與傳輸線的特性阻抗Z0相等。假設(shè)輸入與輸出阻抗都等于Z0，那么系統(tǒng)可正確地端接傳輸線，使反射最小。2222200SLSSLLLSLRRXX XXRXXLSLSRRXX LSZZ5-3 高阻抗輸入高阻抗輸入普通要求在最小加載條件下丈量電路特定的電壓， 實踐情況，根據(jù)被測電路設(shè)定ZS，ZL應(yīng)比ZS大得多。在低頻，易于實現(xiàn)，但隨頻率的增高，實現(xiàn)將變得越來越困難。復(fù)蓋頻率低于30MHz的頻譜分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀具有高阻抗的輸入端。 這些輸入端類似常規(guī)示波器的高Z輸入?？捎靡?M的電阻與一典型值為30pF的小電容并聯(lián)的模型表示。 在

4、低頻，輸入阻抗為1M，對大多數(shù)運用是足夠大。 隨頻率的增高，并聯(lián)電容開場起作用，從而降低了儀器的等效輸入阻抗。 運用儀器時，不能以為“高阻抗輸入對于一切頻率都是高阻抗。例如，在10MHz上30pF電容器的阻抗只需530。除了呵斥幅度的下降外，高阻抗輸入還會因并聯(lián)電容而導(dǎo)致相移。5-4 高阻抗探頭高阻抗探頭對高阻抗分析儀的輸入應(yīng)運用規(guī)范的示波器探頭，以便實現(xiàn)對電路節(jié)點的常規(guī)檢測。 如圖5-2所示，為1或11探頭沒有設(shè)置衰減，與用一條屏蔽電纜將儀器輸入端銜接到被測電路等效。圖5-2 典型的101高阻抗示波器探頭電路模型示于圖5-3。被測電壓為 5-4 輸入電容CIN產(chǎn)生傳送函數(shù)中的一極點，使VIN

5、在高頻降低。在 時傳送函數(shù)的量值減小3dB。留意這一頻率本質(zhì)上是系統(tǒng)的帶寬取決于RIN、CIN和RS。通常RIN遠(yuǎn)大于RS，故RS起主要作用。CIN是丈量儀器的一部分，而RS是被測電路的等效輸出阻抗。因此，被測結(jié)點的阻抗將影響丈量的帶寬。112I NINSINSININSRVVRRjfCRR1/ 2ININSfCRR圖5-3 被測電路與儀器高阻抗輸入產(chǎn)生一單極低通傳送函數(shù)有衰減探頭 分析儀輸入電容的帶寬限制效應(yīng)可用輸入信號一定程度的衰減為代價加以補償。 任何特定方式的探頭都是針對一定的輸入電容范圍設(shè)計的，且由于電容將隨儀器的設(shè)計而變化，因此必需選擇與輸入端相匹配的探頭。 有衰減的探頭可等效為信

6、號途徑上的一個電阻和電容圖5-4。圖5-4 有衰減探頭將抵消儀器的輸入電容的影響傳送到分析儀輸入端的電壓為： 5-5 當(dāng)RPCP=RINCIN，上式簡化為： 。此時輸入電容的影響被抵消；電纜電容等其它參數(shù)將限制探頭的帶寬；由于DUT看到的是較高的探頭阻抗、較小的電容，故被測器件上的載荷降低。通常：對于10或101探頭，選擇RP是RIN的9倍， VIN是VS的非常之一。 CP可調(diào)，便于用戶將探頭與輸入端精細(xì)匹配。121212ININPPPINPPINSINCfRjRCfRjRCfRjRVVPININSINRRRVV當(dāng)與示波器一同運用探頭時，經(jīng)過優(yōu)化系統(tǒng)的脈沖呼應(yīng)對它進(jìn)展補償。 在頻譜和網(wǎng)絡(luò)分析儀

7、的運用中，可利用有平坦頻響的跟蹤發(fā)生器或信號發(fā)生器，經(jīng)過調(diào)理使其到達(dá)能夠的最平坦頻響的方法對探頭加以補償。101探頭是最普遍的有衰減探頭，可提供20dB的衰減。也可以采用其它衰減比，以添加信號的衰減換取擴(kuò)展的系統(tǒng)帶寬。5-5 Z0阻抗輸入阻抗輸入在較高的頻率例如：10MHz以上，雜散電容和其它效應(yīng)嚴(yán)重地降低高阻抗輸入的性能。雖然高頻分析儀可以呈現(xiàn)出高阻抗輸入，但對于高質(zhì)量的丈量，仍運用Z0輸入阻抗。在這一頻段任務(wù)的大多數(shù)電子系統(tǒng)普通都采用低輸入與輸出阻抗，通常是50或75。 頻譜與網(wǎng)絡(luò)分析儀都具有這種Z0輸入阻抗，目的不在于提供最大電壓給分析儀，而是要使系統(tǒng)接Z0負(fù)載，從而在丈量時必需提供這樣

8、的負(fù)載。 濾波器、放大器、衰減器和振蕩器等，為正常地運轉(zhuǎn)都需求看到Z0負(fù)載。通常，分析儀經(jīng)過Z0阻抗的傳輸線與被測器件銜接，因此傳輸線應(yīng)適當(dāng)?shù)囟私覼0輸入。雖然分析儀可以在Z0負(fù)載下運轉(zhuǎn)，但它不能接受高功率電平。分析儀的輸入電壓與或功率必需不超越其的額定值，在設(shè)計上采用功率衰減器或衰減耦合器來處置大信號電平，降低在分析儀輸入端呈現(xiàn)的功率。5-6 輸入接頭輸入接頭在網(wǎng)絡(luò)和頻譜分析儀的輸入端，有各種類型的接頭，與儀器的精度及頻率范圍有關(guān)，接頭的阻抗隨任務(wù)頻率變化。為實現(xiàn)準(zhǔn)確的丈量，接頭引入的阻抗失配必需非常小。 在低頻可以接受的接頭到了1GHz時性能能夠會惡化。 由于在校準(zhǔn)過程中會出現(xiàn)接頭的反復(fù)性

9、誤差，故接頭的反復(fù)性非常重要，它將限制丈量的反復(fù)性。這與儀器校準(zhǔn)的質(zhì)量有關(guān)。上限頻率小于40MHz的分析儀，最通用的是BNCbayonet Neill Concelman接頭。特點： 卡口式鎖緊機(jī)構(gòu)便于銜接。 在較高的頻率，BNC接頭的回波損耗下降，假設(shè)對儀器頻段的要求不嚴(yán)的輸入和輸出，BNC起著通用接頭的作用。在50和75兩種阻抗上都可運用BNC接頭。對良好的射頻丈量，廣泛采用NNeill型接頭。 N型接頭有50和75兩種方式，它比BNC接頭大很多，可以很好地任務(wù)到10GHz頻段。 有螺紋的銜接機(jī)構(gòu)提供了良好的反復(fù)性，因此常在微波頻率以下運用。在微波頻率，接頭的選擇更為嚴(yán)厲。在這一頻段采用的

10、接頭實例有APC(Amphenol Precision Connector)-7，APC-3.5，SMA(SubMiniature version A )和SMB。5-7 Z0終端終端許多場所，對被測器件的一切端口加以適當(dāng)端接非常重要，即器件必需在該端口看到正確的阻抗，通常是Z0。通常，Z0終端是帶有適當(dāng)接頭的、簡便包裝的高質(zhì)量電阻。 饋通式終端是兩端都有接頭的終端。這種接頭可用于將高阻抗輸入銜接到被測器件圖5-5。 儀器的輸入阻抗普通都遠(yuǎn)大于Z0，而被測器件所粗略看到的是Z0阻抗在低頻。圖5-5 饋通式終端用來銜接Z0器件和高阻抗輸入5-8 功率分配器功率分配器功率分配器用來將一公共的信號提

11、供應(yīng)多個端口，或是被測器件，或是儀器的輸入端。 大多數(shù)功率分配器是雙路分配器提供兩個輸出，或三路分配器。三電阻功率分配器可有兩種不同的配置方式圖5-6，從外部看這兩種電路完全等效。假設(shè)在每個端口接對地為Z0的電阻負(fù)載，那么向功率分配器每個端口看進(jìn)去的阻抗為Z0這是電路的每個端口都必需適當(dāng)端接的一個簡單實例。 電阻三角形聯(lián)接等效變換為電阻星形聯(lián)接的公式為 圖5-6 三電阻功率分配器的兩種類型iiZ 接于 端兩阻抗之乘積形三阻抗之和圖5-7所示是雙電阻功率分配器，這種類型的功率分配器用于穩(wěn)幅和比值。在雙電阻功率分配器情況下，兩輸出口接納到一樣的入射電壓。圖5-7 雙電阻功率分配器5-9 衰減器衰減

12、器衰減器有時稱緩沖器用來降低丈量系統(tǒng)中的信號電平。 為使大電平信號進(jìn)入儀器的丈量范圍、或經(jīng)過降低信號電平來控制失真、改良阻抗匹配回波損耗等需采用衰減器。固定衰減器只提供一個量值不變的衰減，變衰減器可以調(diào)理按不延續(xù)的步距調(diào)理。1高阻抗衰減器高阻抗衰減器假設(shè)運用高輸入阻抗的儀器，而鼓勵衰減器的器件又具有低阻抗，那么可采用一個簡單的分壓器作為衰減器圖5-8a。儀器的高阻抗輸入可保證分壓器的輸出端的載荷很小或沒有。 隨著頻率的升高，該當(dāng)思索輸入電容的影響。 經(jīng)過與R1并聯(lián)一個電容的方法圖5-8b，有補償?shù)母咦杩顾p器可對跨接于R2或儀器輸入電容的任何雜散電容進(jìn)展補償，這與前述的有衰減探頭中所用的技術(shù)一

13、樣。電容器的數(shù)值必需滿足下式： 5-6 ININRRCCR111圖5-8a分壓器電路可以用作為高阻抗系統(tǒng)的衰減器 b可利用電容器補償衰減器改良頻率呼應(yīng) 無Z0或其它參考阻抗及分壓器的運用，借助電壓增益或損耗來規(guī)定衰減器，電路的電壓增益由下式給出： 5-7 選擇R1與R2，使其遠(yuǎn)大于鼓勵分壓器的設(shè)備的輸出阻抗。那么： 5-8 5-9例5-1 設(shè)計一高阻抗衰減器，使其當(dāng)輸入信號為5V有效值時，在其輸出端產(chǎn)生1V有效值的信號。分壓電路的負(fù)載必需至少為1k。 分壓電路的負(fù)載為R1+R2，應(yīng)選擇R1+R2等于1k。衰減器的電壓增益為：GV=VOUT/VIN=1/5=0.2。 R2=GVR1+R2=0.2

14、1000=200 R1=1GVR1+R2=10.21000=800212/RRRVVGINOUTV212RRGRV1121VRGRR2Z0衰減器衰減器具有輸入與輸出阻抗為Z0的設(shè)備要求衰減器在設(shè)計上應(yīng)與Z0阻抗相匹配。 在這種系統(tǒng)中習(xí)慣上將衰減器的損耗指定為一個功率比，且通常用分貝來表示。 K=POUT/PIN 5-10 KdB=10logPOUT/PIN 5-11 T形衰減器，電路如圖5-9所示， 其電阻值由下式確定： 5-12 5-13 1101KKZR1202KKZR圖5-9 T形衰減器電路形衰減器，配置如圖5-10所示，其電阻值由下式確定： 5-14 5-15 上述兩種衰減器電路是等效

15、的。但就某一特定運用，其中一種配置能夠會有更合理的元件數(shù)值。 留意到兩種Z0衰減器配置從一端到另一端是對稱的，因此，在兩個方向上它們有一樣的衰減。圖5-10 形衰減器電路1101KKZRKKZR2102例5-2 在某一特定的500系統(tǒng)中，必需將一個10dB的信號衰減到30dB，試設(shè)計一個滿足這一要求的衰減器。 首先計算所需求的損耗以dB為單位 KdB=10dB30dB=20dB 寫勝利率比的方式： 采用T形衰減器配置，1001010/dBKK1 .101100100502129 .4011001100500110201KKZRKKZR5-10 回波損耗的改善回波損耗的改善以降低信號電平為代價，

16、用衰減器可改善一個器件的回波損耗。思索如圖5-11所示的情況，一個功率損耗為K的衰減器接到反射系數(shù)為L的負(fù)載上，該衰減器的輸入和輸出阻抗都不是理想的，各自具有的反射系數(shù)為1和2。圖5-11 器件的回波損耗可經(jīng)過附加一個衰減器得到改善 當(dāng)系統(tǒng)中沒有衰減器時，入射電壓V1產(chǎn)生一個反射電壓： VR=LVI 5-16 接入衰減器后，由于K是輸入與輸出功率之比，故電壓VI被衰減 倍在衰減器中的損耗。 那么入射到該器件上的電壓等于VI ，產(chǎn)生的反射電壓等于LVI/ 。 設(shè)衰減器是對稱的，那么反射電壓在其前往的途徑上被衰減 倍，那么在衰減器端看到的反射電壓為： VR=LVI/K 5-17 衰減器的輸入與輸出

17、阻抗呵斥的另一組反射： 當(dāng)VI入射到衰減器輸入端時，由于1而產(chǎn)生反射電壓。此外，當(dāng)入射電壓到達(dá)負(fù)載時，由于L也產(chǎn)生反射電壓。此電壓能夠由于2再次被反射，由于在質(zhì)量良好的衰減器中2很小，且任何來自傲載的后繼反射會更小，故在分析中將這一反射忽略不計。KKKK綜合來自傲載的主要反射和衰減器輸入端的反射，當(dāng)不知道各反射是同相或反相迭加，思索最壞情況下的反射： VR=IVI+LVI/K=VII+L/K 5-18向衰減器輸入端看過去的反射系數(shù)： a=VR/VI=I+L/K 5-19該反射系數(shù)等于衰減器的反射系數(shù)加按功率損耗因子K降低的負(fù)載反射系數(shù)。 上式中的1項提示我們，經(jīng)改善的回波損耗決不會比衰減器本身

18、固有的回波損耗更好。 理想衰減器情況下，1為0，上式簡化為：a=L/K 5-20 分貝方式表示，可以確定回波損耗：RLa=20loga=20logL/K=20logL+20logK 5-21估算利用衰減器所到達(dá)的回波損耗的改善程度來說，此式是一個良好的近似。在高質(zhì)量衰減器和負(fù)載具有不良反射系數(shù)的情況下，它給出了合理的近似。 由于K是功率比，故我們將上式改寫為 RLa=20logL+210logK，RLa=RLL+2KdB 5-22 可見回波損耗的改善為兩倍的衰減量以dB表示，這種改善的代價是到達(dá)負(fù)載的信號電平的降低。例5-3 當(dāng)將一理想的10dB衰減器接到回波損耗為8dB的信號發(fā)生器時，試問在

19、該衰減器的輸出端的回波損耗和反射系數(shù)有多大？假設(shè)衰減器具有20dB的回波損耗，答案有變化嗎？ 理想的衰減器： 回波損耗=RLa=8+210=28dB 反射系數(shù)為=10RLa/20=0.040 有20dB回波損耗的衰減器： 由于理想情況下預(yù)期的回波損耗為28dB，衰減器的20dB回波損耗無疑會減小總的回波損耗。將衰減器的反射系數(shù)與理想情況的反射系數(shù)相加便得到的總反射系數(shù)。 衰減器的反射系數(shù)是I=1020/20=0.1。由于 a=I+a理想=0.1+0.04=0.014 因此：RLa=20log0.14=17dB 可見，總回波損耗稍差于衰減器的回波損耗。 雖然上述分析是用于接到負(fù)載的衰減器的，但同

20、一原理亦適用于改善源的回波損耗。除非遭到衰減器匹配的限制，源回波損耗的改善是衰減器損耗的兩倍。同樣，這種改善的缺陷是降低了衰減器輸出端的可利用信號的電平。5-11 阻抗匹配器件阻抗匹配器件頻譜分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀普通都提供規(guī)范的輸入阻抗，通常為50和75。有時分析儀并不具備與被測器件一樣的阻抗，因此用戶能夠需求一個匹配網(wǎng)絡(luò)來消除失配問題。1最小損耗衰減器最小損耗衰減器用衰減器以信號的某種程度損失為代價來實現(xiàn)阻抗的變化，這樣的衰減器稱之為阻抗匹配衰減器或阻抗匹配緩沖器。最小損耗衰減器：損耗量最小的阻抗匹配衰減器。與阻抗Z1和Z2相匹配的最小損耗衰減器的電路如圖5-14，Z1必需大于Z2。圖5-14

21、 最小損耗衰減器可用于匹配不相等的阻抗，Z1必需大于Z2電阻值可由下式計算： 5-25 5-26 損耗功率比： 5-27損耗系數(shù)K為功率比，故以dB表示的K為：KdB=10logK 5-28 用KdB確定最小損耗衰減器的電壓增益或損耗時經(jīng)常會出問題，除非明確思索到阻抗不相等，否那么結(jié)果將有過失。1211/1ZZZR1222/1ZZZR1/212212121ZZZZZZK例5-4 試計算將50轉(zhuǎn)變?yōu)?5的最小損耗衰減器的各參數(shù)值。該衰減器的功率損耗是多少？當(dāng)正確端接該衰減器時，其輸入與輸出電壓比是多少？ 損耗為： 輸入與輸出電壓比為：6 .8675/50150/13 .4375/50175/15

22、0,751222121121ZZZRZZZRZZdBKKdB7 . 573. 3log1073. 3150/7550/75215075237. 250/73. 375/212122212121ZKZVVZVZVPPK2變壓器變壓器變壓器用來匹配以丈量為目的的各種阻抗。 變壓器由共用一個芯子的兩個分開的線圈構(gòu)成，線圈磁場間的耦合使一個線圈中的電壓感生出另一線圈的電壓。 由于耦合機(jī)理依賴于變化的磁場，故變壓器只能在交流信號下任務(wù)，不能用于直流。理想的變壓器是具有以下電壓與電流關(guān)系的二端口器件圖5-15a： 電壓按圈數(shù)比變化，而電流的變化反比于圈數(shù)比。 V2=nV1 5-29 I2=I1/n 5-3

23、0 式中n為變壓器的圈數(shù)比。圖5-15 a理想的變壓器b可利用變壓器呵斥阻抗變化 阻抗按圈數(shù)比的平方關(guān)系變換。 假設(shè)將阻抗Z1接到變壓器的V1，I1端，那么向V2，I2端看過去的阻抗將由下式給出圖5-15b： 5-31在選擇變壓器用于丈量時，用戶該當(dāng)針對某一特定頻段使特定的變壓器最正確化。 在理想情況下，變壓器是無耗的，即進(jìn)入功率將等于出來功率。 在實踐情況下，變壓器中會有一些損耗，這種損耗可以表征并從丈量結(jié)果中歸一化掉。在電子丈量中，變壓器的另一用途是在被測器件與丈量儀器間提供直流隔離。由于變壓器的兩端沒有直接的銜接，故變壓器對直流來說是隔開的。換句話說，可利用變壓器將接地輸入的儀器變成有懸浮輸入的儀器。2221211121/VnVZnVIn ZIIn5-12 丈量濾波器丈量濾波器在信號進(jìn)入儀器的輸入端之前，有時希望對信號的頻率成分加以限制。 例如，某種帶外信號能夠大得足以呵斥分析儀中的失真，可用濾波器去除這種信號和其它信號。 目前曾經(jīng)有各