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文檔簡介

1、實(shí)驗(yàn)一 認(rèn)識微波測量系統(tǒng)及常用微波元器件【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?了解三厘米微波測量系統(tǒng)的組成及各部分的作用。2學(xué)會正確調(diào)整和使用測量線?!緦?shí)驗(yàn)儀器】 三厘米微波參數(shù)測量系統(tǒng)【實(shí)驗(yàn)原理】(一)微波與電磁波微波是一種波長較短的電磁波,頻率范圍處于光波和廣播電視所采用的無線電波之間,約為300MHz-300GHz,波長范圍約為1m-1mm,因此它兼有兩者的性質(zhì),卻又區(qū)別于兩者,波長較長的分米波(1m至10cm)和無線電波的性能相近,而波長較短的毫米波(1mm至1cm)與光波的性質(zhì)相似。根據(jù)Maxwell方程組導(dǎo)出的波動方程以及具體波導(dǎo)的邊界條件,可以嚴(yán)格求解出只有橫電波和橫磁波兩大類波能夠在矩形波導(dǎo)中傳播。橫

2、電波又稱為磁波,簡寫為TE波或H波,磁場可以有縱向和橫向的分量,但電場只有橫向分量。橫磁波又稱為電波,簡寫為TM波或E波,電場可以有縱向和橫向的分量,但磁場只有橫向分量。在實(shí)際應(yīng)用中,一般讓波導(dǎo)中存在一種波型,而且只傳輸一種波型,我們實(shí)驗(yàn)用的波就是矩形波導(dǎo)中常用的一種波型。如果波導(dǎo)終端負(fù)載是匹配的,傳播到終端的電磁波的所有能量全部被吸收,這時波導(dǎo)中呈現(xiàn)的是行波。當(dāng)波導(dǎo)終端不匹配時,就有一部分波被反射,波導(dǎo)中的任何不均勻性也會產(chǎn)生反射,形成所謂混合波。波具有如下特點(diǎn):1 存在一個臨界波長,只有波長的電磁波才能在波導(dǎo)管中傳播。2 波導(dǎo)波長(自由空間波長)。3 電場只存在橫向分量,電力線從一個導(dǎo)體壁

3、出發(fā),終止在另一個導(dǎo)體壁上,并且始終平行于波導(dǎo)的窄邊。4 磁場既有橫向分量,也有縱向分量,磁力線環(huán)繞電力線。5 電磁場在波導(dǎo)的縱方向z上形成行波。在z方向上,和的分布規(guī)律相同,即最大處也最大,為零處也為零,場的這種結(jié)構(gòu)是行波的特點(diǎn)。(二)微波測量系統(tǒng):微波沿普通的雙股導(dǎo)線傳輸時,會大量向周圍空間輻射,同時由于電流的趨膚效應(yīng),導(dǎo)線的熱損耗也急劇增大,這些都使微波能量無法有效地傳輸,因此一般不用雙導(dǎo)線來傳輸微波。常用的微波傳輸線為同軸線、波導(dǎo)管、帶狀線等。微波在波導(dǎo)中傳輸具有橫電波(TE波)、橫磁波(TM波)和橫電波與橫磁波的混合波三種形式。本實(shí)驗(yàn)使用三厘米標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo),僅能傳輸TE10波。一個完

4、整的微波測量系統(tǒng)通常由信號源、測量裝置和指示器三部分組成。實(shí)際測量中可根據(jù)具體情況,對測量系統(tǒng)進(jìn)行簡化,實(shí)驗(yàn)室所用測量系統(tǒng)如下圖所示。1信號源部分。包括微波信號發(fā)生器、隔離器以及功率、頻率監(jiān)視單元。信號發(fā)生器提供測量所需的微波信號,它具有一定頻率和足夠的功率電平。功率、頻率監(jiān)視單元是利用定向的耦合器分出一小部分微波能量,經(jīng)過檢測指示來顯示信號源的工作情況是否穩(wěn)定,以便及時調(diào)整。隔離器的作用是減少負(fù)載對信號源影響,可變衰減器用來根據(jù)測量需要改變信號源輸出功率電平。2測量裝置部分:包括測量線、調(diào)配元件、待測元件和輔助元件(如短路器,匹配負(fù)載),以及電磁能量檢測器(如晶體檢波器,功率計(jì)探頭等)。3指

5、示器部分:指示器是顯示測量信號與特性的儀表,常用的有直流電流表、測量放大器、功率計(jì)、示波器、光電檢流計(jì)和數(shù)字功率計(jì)等。(三)常用微波元件在微波系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)對微波信號的定向傳輸、衰減、隔離、濾波、相位控制、波型與極化變換、阻抗變換與調(diào)配等功能作用的,統(tǒng)稱為微波元(器)件。1.同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器 同軸線的主模是TEM模,矩形波導(dǎo)的主模是TE10模, 同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器使TEM模變成TE10模。2.矩形波導(dǎo) 橫截面為矩形的空心導(dǎo)波裝置,TE和TM電磁波可在其導(dǎo)體空腔內(nèi)傳播。可以避免外界干擾和輻射損耗。導(dǎo)體損耗低、功率容量大。3.隔離器 隔離器是一種不可逆的衰減器,當(dāng)微波信號正向通過時衰減器量很小,約0.5-

6、db,反向通過時衰減量很大,達(dá)20-40db,兩個方向的衰減量之比稱為隔離度。隔離器應(yīng)用于傳輸系統(tǒng)和測量系統(tǒng)起隔離或消除反射的作用。使用時注意方向性,不能接反。4.衰減器 是一種用來衰減微波功率的微波器件,也可作為負(fù)載與信號源之間的去耦元件。衰減器分為固定衰減器和可變衰減器兩種。衰減器的衰減量定義為在衰減器終端負(fù)載匹配的條件下,其輸入微波功率與輸出微波功率之比的分貝數(shù)。衰減量包含吸收衰減、反射衰減。5.波長計(jì)(頻率計(jì))6.波導(dǎo)測量線波導(dǎo)測量線是探測三厘米波導(dǎo)中駐波分布情況的儀器,通常用來測量波導(dǎo)元件、波導(dǎo)系統(tǒng)的駐波系數(shù)、阻抗,還可以測量波導(dǎo)波長、相移等多種參數(shù),是一種通用的微波測量儀器。7晶體

7、檢波器 微波檢波系統(tǒng)采用半導(dǎo)體點(diǎn)接觸二極管(稱微波二極管),外殼為高頻鋁瓷管,形狀象子彈。晶體檢波器就是一段波導(dǎo)和裝在其中的微波二極管。8.匹配負(fù)載 是終端元件,當(dāng)需要傳輸系統(tǒng)工作于行波狀態(tài)時,需要用到匹配負(fù)載,它能幾乎無反射地吸收入射波的全部功率。匹配負(fù)載要求寬頻帶、小輸入駐波比且有一定的功率容量。9.單螺調(diào)配器 插入矩形波導(dǎo)中的一個深度可以調(diào)節(jié)的螺釘,并沿著矩形波導(dǎo)寬壁中心的無輻射縫作縱向移動,通過調(diào)節(jié)探針的位置使負(fù)載與傳輸線達(dá)到匹配狀態(tài)。調(diào)匹配過程的實(shí)質(zhì),就是使調(diào)配器產(chǎn)生一個反射波,其幅度和失配元件產(chǎn)生的反射波幅度相等而相位相反,從而抵消失配元件在系統(tǒng)中引起的反射而達(dá)到匹配。10.環(huán)形器

8、 可以控制微波功率的流向。11.短路負(fù)載 將電磁波的能量全部反射回去,將波導(dǎo)的終端短路。實(shí)用中短路負(fù)載都做成可調(diào)的稱為可調(diào)的短路活塞。12.微波信號源。它提供所需微波信號,頻率范圍在86GHz一96GHz內(nèi)可調(diào),其工作方式有等幅、方波、外調(diào)制等,實(shí)驗(yàn)時根據(jù)需要加以選擇。13選頻放大器 主要用于測量微弱低頻交流信號,信號經(jīng)升壓、放大,選出1kHz附近的信號,經(jīng)整流平滑后由輸出級輸出直流電平,由對數(shù)放大器展寬供給指示電路檢測?!緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟】注意:開機(jī)前將系統(tǒng)中的全部儀器必須可靠接地,否則,功率頭極易燒毀。1了解微波測量系統(tǒng):(1)觀看常用微波元件形狀,結(jié)構(gòu),了解其作用,主要性能和使用方法。(2

9、)按照系統(tǒng)方框圖,把微波測量系統(tǒng)連接好。2調(diào)整信號源:(1)調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器,。(2)選擇合適的工作狀態(tài)和調(diào)制信號的頻率。(3)選擇實(shí)驗(yàn)所需信號輸出功率。(4)按下電源按鍵,指示燈亮,預(yù)熱15分鐘。3功率計(jì)的調(diào)整:(1) 根據(jù)測試頻率范圍和功率選用合適的功率探頭。接到功率計(jì)輸出端。(2) 接通電源,預(yù)熱。(3) 根據(jù)測量功率和選用探頭選擇合適的量程。(4) 調(diào)節(jié)零點(diǎn),“粗調(diào)”和“細(xì)調(diào)”配合調(diào)節(jié)使表頭指示為零,然后把功率探頭接入被測信號源輸出端,減少信號源衰減量,調(diào)到是實(shí)驗(yàn)所需信號的功率。(5) 測試完畢,關(guān)閉電源,功率探頭取下。(6) 用同軸電纜連接信號源與測量系統(tǒng),把微波信號送到微波測量系

10、統(tǒng)?!舅伎碱}】連接隔離器注意什么?為什么?實(shí)驗(yàn)二 駐波測量【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹? 掌握諧振式頻率計(jì)(波長表)測量頻率的方法。2 掌握直接法測駐波比及波導(dǎo)波長的方法?!緦?shí)驗(yàn)儀器】 三厘米微波參數(shù)測量系統(tǒng)【實(shí)驗(yàn)原理】駐波比(或反射系數(shù))能表征電磁場的分布規(guī)律,所以駐波測量是微波測量中最基本的和最總要的內(nèi)容之一,因負(fù)載阻抗和波導(dǎo)特性阻抗不匹配而產(chǎn)生駐波,因此通過駐波比測量,就可以檢查系統(tǒng)的匹配情況,進(jìn)而明確負(fù)載的性質(zhì)。駐波系數(shù)測量不僅可以了解傳輸線上的場分布,而且可以測量阻抗、波長、相位移、衰減、Q值等其它參量,傳輸線上存在駐波時,能量不能有效地傳到負(fù)載,這就增加了損耗;駐波測量是將探針在開槽的傳輸線中移動

11、,探針經(jīng)過窄槽插入波導(dǎo)內(nèi)并與電場平行,其感應(yīng)電動勢經(jīng)同軸探針座送到晶體檢波器,被檢波后從測量放大器電表讀出。當(dāng)探針座沿波導(dǎo)移動時,放大器讀數(shù)就間接地表示了波導(dǎo)內(nèi)電場大小的分布,找出電場的最大值與最小值及其位置,就能求出駐波大小及相位。1駐波比測量當(dāng)信號電壓較小時,檢波二極管基本遵守平方律特性,檢波電流與信號電壓間的關(guān)系為,即檢波電流與輸入功率成正比。考慮到(E為波導(dǎo)內(nèi)場強(qiáng)),所以,即。而對于直線律檢波有電壓駐波系數(shù),故可知的取值范圍為1,通常按的大小可分三類:3為小駐波比;310為中駐波比;10為大駐波比。如果不知道檢波律,必須用晶體檢波特性曲線求出場強(qiáng)和指示器讀數(shù)的關(guān)系再求得。駐波比的測量,

12、應(yīng)根據(jù)駐波比的大小采用不同的方法,以保證測量的精度。測試方法應(yīng)用條件直接法中小駐波比等指示度法大駐波比功率衰減法任意駐波比節(jié)點(diǎn)偏移法源駐波比移動終端法測量線剩余駐波比當(dāng)駐波比在時,駐波波腹和波節(jié)都相對平坦,難以正確測定,為了提高測量精確度,可移動探針多測幾個波腹和波節(jié)的場強(qiáng),然后取其平均值。當(dāng)駐波比很大時,駐波波腹點(diǎn)與波節(jié)點(diǎn)的電平相差較大,在一般的指示儀表上,很難將兩個電平同時準(zhǔn)確讀出,晶體檢波律在相差較大的兩個電平可能也不同,因此不能將它們相比求出駐波系數(shù)。功率衰減法測量大駐波系數(shù),應(yīng)用可變衰減器測量駐波腹點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)兩個位置上的電平差,使得測量精度主要決定于衰減器精度和系統(tǒng)的匹配情況,而與晶體

13、檢波律無關(guān)。方法是改變測量電路中可變衰減器的衰減量,使探針位于駐波腹點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)時指示電表讀數(shù)相同,則駐波系數(shù),式中分別為探針位于駐波腹點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)時可變衰減器的衰減量,單位為dB 。2微波頻率測量通過測量波長推算出頻率,在分米波與厘米波段,常用諧振式頻率計(jì)(波長表)測量波長。電磁波通過耦合孔進(jìn)入頻率計(jì)的空腔中,當(dāng)頻率計(jì)的腔體失諧時,腔里的電磁場極為微弱,此時,基本上不影響波導(dǎo)中波的傳輸。當(dāng)電磁波的頻率滿足空腔的諧振條件時,發(fā)生諧振,反映到波導(dǎo)中的阻抗發(fā)生劇烈變化,相應(yīng)地,通過波導(dǎo)中的電磁波信號強(qiáng)度將減弱,輸出幅度將出現(xiàn)明顯的跌落,從刻度套筒可以讀出輸入微波諧振時的刻度,通過查表可以得知輸入微波諧振頻

14、率。3 波導(dǎo)波長工作波長是微波源發(fā)射的電磁波在波導(dǎo)中傳播的波長,它是連續(xù)的等幅波。在自由空間或波導(dǎo)中傳播時工作波長是相同的。波導(dǎo)波長則是工作電磁波在波導(dǎo)中兩側(cè)壁來回反射形成電磁場,其場強(qiáng)沿波導(dǎo)傳播方向的周期性分布,這種周期就對應(yīng)于波導(dǎo)波長,即在波導(dǎo)管中傳播的合成波的兩個相鄰波峰或波谷之間的距離,數(shù)值上等于相鄰兩個駐波極值點(diǎn)(波腹或波節(jié))距離的兩倍。可用表示為,為截止波長(與傳輸模式及波導(dǎo)的截面尺寸有關(guān),實(shí)驗(yàn)中為2a)。在測量線中入射波與反射波的疊加為接近純駐波,由于場強(qiáng)在極大值點(diǎn)附近變化緩慢,峰頂位置不易確定,而且探針位于波節(jié)點(diǎn)處對場分布的影響最小,所以實(shí)際采用測定駐波極小點(diǎn)的位置來求出波導(dǎo)波

15、長。為提高測量精度,通常采用交叉讀數(shù)法確定波節(jié)點(diǎn)的位置,即在兩個相鄰波節(jié)點(diǎn)附近找出輸出幅度相等的兩點(diǎn)的位置L1min、L2min,取這兩點(diǎn)坐標(biāo)的平均值作為波節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。實(shí)驗(yàn)中由于可變電抗的反射系數(shù)接近1,測量方法如下圖所示,不直接測量最小點(diǎn)的位置,而是在最小點(diǎn)兩側(cè)找到兩個電流讀書相同的點(diǎn),則,同理。由此可得波導(dǎo)波長。4微波的衰減將微波元件接在匹配信號源與匹配負(fù)載之間,插入元件的輸入功率與輸出功率之比的分貝數(shù)定義為衰減,即,式中為插入元件前負(fù)載吸收功率,為插入元件后負(fù)載吸收功率,元件的衰減是唯一的,與外部環(huán)境無關(guān)。實(shí)驗(yàn)中分別直接測量功率比法和替代法測量衰減。功率比法(直接測量法):接入被測器件前

16、,調(diào)整調(diào)配器,使測量線上測得得檢波部分為匹配狀態(tài),并從指示器上讀得電流;接入被測器件后,從指示器上讀得電流。當(dāng)檢波器為平方律檢波時。高頻替代法:被測器件接入前,調(diào)節(jié)精密可變衰減器至A1,使指示器指示為I 。被測器件接入后,調(diào)節(jié)精密可變衰減器至A2,使指示器指示仍為I 。被測器件的衰減量A=A2-A1,此法比直接測量法精確,其測試精度取決于衰減器的精度?!緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟】注意:開機(jī)前將系統(tǒng)中的全部儀器必須可靠接地,否則,功率頭極易燒毀。1 用頻率計(jì)(波長表)測量頻率(1)關(guān)閉所有電源,按上圖連接微波實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。(2)將可變衰減器調(diào)到最大衰減,以免造成開機(jī)后選頻放大器指針超出量程,使表頭機(jī)械損壞。(

17、3)打開選頻放大器電源,“頻率”選擇“1KHz”,量程置于“*10”位置,“增益”置于較小位置,“輸入電源”細(xì)調(diào)至中間位置,“輸入電壓”步進(jìn)開關(guān)置于較大位置。檢查此時在沒有輸入信號的情況下指示是否為零。(4)打開微波信號源,選擇“方波”(頻率1KHz)調(diào)制,調(diào)節(jié)“頻率”至合適值(表頭顯示和真實(shí)頻率有誤差,約40MHz以內(nèi))。預(yù)熱15分鐘左右,以使輸出頻率更穩(wěn)定。(5)調(diào)節(jié)可調(diào)衰減器,左右移動測量線探針位置,適當(dāng)調(diào)制增益等,使選頻放大器指示值在表頭中間偏右位置(即選頻放大器既不超出量程,示數(shù)又不會太?。?。(6)緩慢旋動頻率計(jì)(波長表)的測微頭在10GHz附件,當(dāng)波長表與被測頻率諧振時,將出現(xiàn)吸收

18、峰。反映在檢波指示器上的指示是一跌落點(diǎn),(參下圖)此時讀出波長表測微頭的讀數(shù),再從波長表頻率與刻度曲線上查出對應(yīng)的頻率,就是所測信號源的頻率。由于頻率計(jì)的測量精度小于0.3%,所以這種測量的精度很高。(7)在讀完數(shù)后調(diào)節(jié)頻率計(jì)使其失諧,以免影響后面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)記錄:信號源顯示頻率(GHz)波長表讀數(shù)1(mm)波長表讀數(shù)2(mm)波長表讀數(shù)3(mm)讀數(shù)平均值(mm)查表得頻率(GHz)誤差(MHz)2 小電壓駐波比測量(1)關(guān)閉所有電源,按上圖連接微波實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),負(fù)載終端不能開路或短路()。(2)將可變衰減器調(diào)到最大衰減,以免造成開機(jī)后選頻放大器指針超出量程,使表頭機(jī)械損壞。(3)打開選頻放

19、大器電源,“頻率”選擇“1KHz”,量程置于“10”位置,“增益”置于較小位置,“輸入電源”細(xì)調(diào)至中間位置,“輸入電壓”步進(jìn)開關(guān)置于較大位置。檢查此時在沒有輸入信號的情況下指示是否為零。(4)打開微波信號源,選擇“方波”(頻率1KHz)調(diào)制,緩慢調(diào)節(jié)“頻率”至合適值(表頭顯示和真實(shí)頻率有誤差,約40MHz以內(nèi))。預(yù)熱15分鐘左右,以使輸出頻率更穩(wěn)定。(5)調(diào)節(jié)可調(diào)衰減器,左右移動測量線探針位置,適當(dāng)調(diào)制增益等,使選頻放大器指示值在表頭中間偏右位置(即選頻放大器既不超出量程,示數(shù)又不會太小)。(6)移動測量線探針位置,用選頻放大器測出波導(dǎo)測量線位于相鄰波腹和波節(jié)點(diǎn)上的和,利用平方律檢波計(jì)算駐波比

20、。序號123 大駐波系數(shù)的測量(1)關(guān)閉所有電源,按上圖連接微波實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。(2)將可變衰減器調(diào)到最大衰減,以免造成開機(jī)后選頻放大器指針超出量程,使表頭機(jī)械損壞。(3)打開選頻放大器電源,“頻率”選擇“1KHz”,量程置于“10”位置,“增益”置于較小位置,“輸入電源”細(xì)調(diào)至中間位置,“輸入電壓”步進(jìn)開關(guān)置于較大位置。檢查此時在沒有輸入信號的情況下指示是否為零。(4)打開微波信號源,選擇“方波”(頻率1KHz)調(diào)制,緩慢調(diào)節(jié)“頻率”至合適值(表頭顯示和真實(shí)頻率有誤差,約40MHz以內(nèi))。預(yù)熱15分鐘左右,以使輸出頻率更穩(wěn)定。(5)精密衰減器置于“零”衰減刻度。(6)將測量線的探針調(diào)到駐波波節(jié)點(diǎn),

21、調(diào)節(jié)精密可變衰減器,使電表指示在80刻度附近,并記下該指示值。(7)將測量線的探針調(diào)到駐波波腹點(diǎn),并增加精密衰減器的衰減量,使電表指示恢復(fù)到上述指示值,讀取精密衰減器刻度并換算出衰減量的分貝值A(chǔ)。(8)計(jì)算被測駐波系數(shù)。4 波導(dǎo)波長的測量(駐波測量線法)(1)關(guān)閉所有電源,按上圖連接微波實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。(2)將可變衰減器調(diào)到最大衰減,以免造成開機(jī)后選頻放大器指針超出量程,使表頭機(jī)械損壞。(3)打開選頻放大器電源,“頻率”選擇“1KHz”,量程置于“*10”位置,“增益”置于較小位置,“輸入電源”細(xì)調(diào)至中間位置,“輸入電壓”步進(jìn)開關(guān)置于較大位置。檢查此時在沒有輸入信號的情況下指示是否為零。(4)打開微

22、波信號源,選擇“方波”(頻率1KHz)調(diào)制,調(diào)節(jié)“頻率”至合適值(表頭顯示和真實(shí)頻率有誤差,約40MHz以內(nèi))。預(yù)熱15分鐘左右,以使輸出頻率更穩(wěn)定。(5)調(diào)節(jié)可調(diào)衰減器,左右移動測量線探針位置,適當(dāng)調(diào)制增益等,使選頻放大器指示值在表頭中間偏右位置(即選頻放大器既不超出量程,示數(shù)又不會太?。#?)移動測量線滑動裝置,記錄相鄰波節(jié)點(diǎn)位置,分別記錄同一波節(jié)點(diǎn)兩側(cè)電流值相同時(電流值越小越精確)探針?biāo)幍膬蓚€不同位置和,則其平均值即為理論節(jié)點(diǎn)位置:在波節(jié)點(diǎn)附近,電場非常小對應(yīng)的晶體檢波電流很小,導(dǎo)致測量線探針移動“足夠長”的距離,選頻放大器表頭指針都在零處“不動”,因而很難準(zhǔn)確確定電壓波節(jié)點(diǎn)位置時,可把探針位置調(diào)至電壓波節(jié)點(diǎn)附近,調(diào)節(jié)選頻放大器的靈敏度(減小衰減量),使波節(jié)點(diǎn)附近電流變化對位置非常敏感)。注意:測出一個電壓波節(jié)點(diǎn)位置之后,將探針向相鄰波節(jié)點(diǎn)移動時,要隨時加大選頻放大器的衰減量,以防選頻放大器電流表過載損壞!序號12(7)根據(jù)波導(dǎo)波長與工作波長的公式,驗(yàn)證上述波導(dǎo)波長結(jié)果的正確性。5 功率測量(1)關(guān)閉所有電源,按上圖連接微波實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。(2)將可變衰減器調(diào)到最大衰減,以免造成開機(jī)后選頻放大器指針超出量程,使表頭機(jī)械損壞。(3)打開選頻放大器電源,“頻率”選擇“1KHz”,量程置于“10”位置,“增益”置于較小位置,“輸入電源”細(xì)調(diào)至中間位置,“輸入電壓”步進(jìn)

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