高頻實驗基礎

1、第一部分 高頻實驗基礎1. 高頻電路實驗與測量概述高頻電路是通信與信息工程主干課程中的專業(yè)基礎課?！案哳l”電路與“低頻”電路之間很難劃一個非常明確的界線。習慣上有兩種劃法：一種是以電路的工作頻率分，將音頻（20KHz）以下的電路劃為低頻電路，而將音頻以上的電路劃為高頻電路；另一種劃分方法是按器件的內部電抗分量在電路中所產生的影響的大小來區(qū)分。當器件內部等效電抗對電路的工作特性不產生顯著影響時劃為低頻電路，否則劃為高頻電路。本實驗指導書中采用后者的劃分法。高頻是一個相對量，它介于低頻(20HZ300KHz)和超高頻(300MHz以上)之間，本實驗教材的內容僅限于米波段以內，即工作頻率小于300M

2、HZ而高于300KHZ。眾所周知，在超高頻段，電路元件中分布參數(shù)的作用開始突出起來，涉入微波頻段后分布參數(shù)成了主導因素，而我們所討論的高頻電路組成，基本上采用集中參數(shù)元件，也就是由晶體二極管和三極管或集成電路與集中參數(shù)的電阻R、電容C、電感L所組成。又因為工作頻率較低頻頻率高，元件的分布參數(shù)不能不考慮，所以分析及測量均較低頻電路要復雜一些。但是正因為與低頻電路一樣，采用集中參數(shù)元件組成，所以分析測量的原理與低頻電路十分相似。就分析方法而言，都是基于正弦分析原理，即研究在正弦激勵源激勵下，電路的響應情況；其實驗與測量也是在正弦信號激勵下，測量電路的幅度，相位，及頻率變換的情況。所以，模擬電子技術

3、中所討論的方法及原則都適用于高頻電路。但因高頻頻率較高，波長較短，所以也有它自身的特殊點，下面將分別介紹幾個方面，目的在于讓同學們更多地了解一些高頻條件下測量的知識，減小實驗及測量數(shù)據(jù)的誤差，提高分析的準確性。2. 使用高頻電子儀器的一般注意事項高頻電子儀器的類型很多，各有其使用特點。但下面的注意事項是普遍適用的，掌握這些知識，有助于減少測量中的誤差，防止損壞儀器或被測電路。1）高頻電子儀器的結構一般均較為復雜，精密度和靈敏度較高而且功能也較多，在使用前一定要了解儀器的性能和使用條件。在實驗室，在可能的條件下可先閱讀有關儀器的技術說明書或有關儀器使用方法的說明資料。如在使用中發(fā)現(xiàn)有異常現(xiàn)象，應

4、及時報告教師或實驗室管理人員，并切斷電源。2）若需對實驗數(shù)據(jù)進行高精度定量分析時，應了解所用儀器的精度及是否有周期檢定后的修正值如修正曲線、公式、數(shù)表等。若無周期性檢定，該儀器只能作低精度的粗略測量。3）在接通儀器電源前，應先檢查儀器的量程、功能、頻段、衰減、增益、時基、極性等旋鈕及開關，是否有松動、滑位、錯位等現(xiàn)象，并及時修復；對于儀器上各功能旋鈕及開關的置位，應根據(jù)被測電路的要求來決定；若對被測電路和要求不太清楚時，一般情況下應將儀器的“增益”、“輸出”、“靈敏度”、“調制”等旋鈕置于最低位置，而將“衰減”、“量程”等旋鈕置于最高位，測量中逐步降低測量檔位；還要注意被測電路及是否有直流高壓

5、以及該直流高壓是否超出了儀器的耐壓能力，同時注意被測電路的直流成份是否會影響某些儀器的測量結果。因此，在選擇和使用儀器時要特別小心，必要時可在儀器的輸出或輸入端加接耐壓及容量適當?shù)母糁瘪詈想娙萜鳌?）儀器接通電路前，應仔細檢查被測電路的聯(lián)接線是否正確，有無接錯或短路現(xiàn)象。特別是地線的聯(lián)接是否合理，這對高頻電路來說是相當重要的。盡管接有地線，但接地點選擇不當，走線不合理都會造成測量數(shù)據(jù)的極大誤差。測量數(shù)據(jù)時，要先接地線然后再接高電位端，而測量結束時，應先去掉高電位端然后再去掉地線，否則會造成常見的“打表”現(xiàn)象，損壞儀器或降低儀器的精度。5）高頻電子儀器一般都必須經過足夠的預熱時間，工作性能才能穩(wěn)

6、定。而儀器的技術指標需要在足夠的預熱時間后才有保證，比如一般晶體管儀器就須515分鐘的預熱時間。高精度的儀器預熱時間要更長些。通常，在實驗前有1030分鐘的預熱，測量結果就能滿足精度的需要了。6）不少電子測量儀器在使用前均需調零處理。調零分機械調零和電氣調零兩種。調零應保證在無任何信號輸入時進行(包括被測信號和外界干擾)。機械調零是指調整電表在開機前的指示零點，而電氣調零是在開機并充分預熱后進行。應特別指出的是某些測量儀器有不同功能及量程，所以改換功能或量程后還需進行調零。7）若開機后發(fā)生保險絲熔斷現(xiàn)象，首先應檢查電源電壓和外部接線是否有誤，在排除故障后再換上相同容量的保險絲重新通電。切忌隨意

7、加大保險絲容量! 對于內部裝有電風扇作強制通風冷卻的儀器，通電后應注意電風扇工作是否正常，否則會損壞儀器。8）有不少測量儀器內部都附有校準裝置。利用內設的校準裝置可以消除儀器因元器件老化或參數(shù)變化等因素造成的系統(tǒng)誤差，提高測量數(shù)據(jù)的精度。通過自校也可判斷儀器各部分是否工作正常。所以，凡有自校功能的儀器在開機充分預熱之后，都應先進行自校，再投入使用。9）有些高頻測量儀器的附件如探頭等，上面標有與主機序號相同的編號，這是為方便與主機配套使用而專門設置的，出廠時由廠家進行過嚴格配對調試。探頭上的編號必須與主機的相符，才能保證測量的精確度。嚴格說來，在超高頻條件下此類同型號的儀器之間的探頭一般是不能互

8、換或隨便拉用的。這也是高頻條件下電子器件自身的分布參數(shù)的分散性及其影響在工程應用中的一個實例?？偠灾ㄟ^高頻電路的實驗，我們一定要初步建立起有關分布參數(shù)的重要概念，這在今后的工程實踐中是十分有用的。最后，從安全角度出發(fā)，作為種職業(yè)習慣，實驗中應注意養(yǎng)成左單手操作的習慣。尤其接觸高壓電路時，更應注意，最好事先選擇并接好參考點，然后用左單手去操作，避免通過人體形成回路而造成對人身的傷害。實驗中若出現(xiàn)放電打火，元器件冒煙或電解電容器爆炸（電源接反后發(fā)生）或其它意外事故時，應保持冷靜，馬上切斷電源，然后再作檢查和妥善處理。3. 實驗裝置的組成欲進行電路參數(shù)的測試，往往需要用多臺不同功能的測量儀器及

9、輔助設備、附件等組成一套完整的測量裝置。一項實驗究竟由哪些型號的儀器及設備來組成測量裝置，這要根據(jù)實驗任務的要求并結合實驗室具體條件來決定。首先，要根據(jù)實驗任務考慮被測對象的工作頻率、電源供給要求、輸入激勵信號幅度以及測量精度要求等來擬定由哪些儀器組成實驗裝置，即確定方案；其次要考慮為了保證儀器的正常工作和一定的精度，應如何布置和聯(lián)接儀器設備。在現(xiàn)場布置和連線方面要注意：各儀器的布置應保證讀取數(shù)據(jù)時視差小，眼睛不易疲勞，有利于觀測和減小讀測誤差；應根據(jù)不同儀器面板上可調旋鈕的分布情況來安排布局位置，使操作順手，調節(jié)方便。儀器放置要注意安全穩(wěn)妥；注意不要造成短路；注意功率大，發(fā)熱多的儀器的散熱以

10、及對周圍儀器的影響；儀器與被測網絡之間，以及儀器與儀器之間的接線要盡可能短，避免信號輸入與輸出線靠近。以免引起信號的串擾或產生自激現(xiàn)象。實驗裝置一般是為完成某種電子測量，而任何電子測量過程，都是將某種被測信號，經過一系列的變換、比較、調整及信息處理，最后得到與被測量有唯一確定關系的測量結果。而為了得到這種“唯一確定關系”，除要求測量儀器本身穩(wěn)定可靠外，還必須滿足兩個基本條件：一是測量結果僅僅反映被測量的大??；二是被測量不能經過任何非正常的通道去影響測量結果。對于一般技術指標合格并在規(guī)定條件下使用的測量儀器，可以不考慮由儀器內部產生的噪聲的影響。但對于來自設備及系統(tǒng)外部的無關信號干擾，卻不能不考

11、慮。通常干擾對測量過程的影響表現(xiàn)為儀器讀數(shù)顯著偏大或偏小，讀數(shù)不穩(wěn)，隨機跳動，嚴重時甚至使儀器不能正常工作以致?lián)p壞儀器。干擾的來源一般可以分為有源干擾及無源干擾兩大類。有源干擾主要包括以下幾個方面： 1）電氣設備中電流的急劇變化及伴隨的電火花。比如：交流接觸器，電鉆、電焊機、電梯、繼電器以及汽車、摩托車、輪船等內燃機的點火系統(tǒng)。 2）高頻電氣設備的電磁輻射干擾。如：高頻感應爐、高頻(微波)治療儀；短波無線電臺及電視臺等。 3）天電干擾。比如天體的劇烈變化、太陽黑子的磁爆、天空的雷電等。 4）工頻干擾，是指由于50HZ交流電網強大的電磁場所產生的干擾。 5）氣體電離干擾。主要來源于各種離子器件(

12、如閘流管、充氣穩(wěn)壓管、氖管等)以及照明的日光燈、霓虹燈所產生的電離變化。無源干擾主要是指自然的大氣電離程度的有規(guī)律變化及無規(guī)律隨機起伏。干擾對實驗裝置影響的途徑可分為寄生耦合及電磁輻射兩大類。屬于寄生耦合的途徑有如下幾種：l 公共阻抗耦合地電阻及電源內阻實驗裝置要求各儀器與實驗底板間有公共參考點接地點。由于接地點設置不當或接地點虛焊、氧化而形成一定的公共阻抗。如圖 1所示。Rg為接地電阻，其值取決于地線的電阻率，地線聯(lián)接方式及工作頻率等。當 Rg阻值不可忽略時，一方面前級耦合至后級的信號要減少，另一方面由于外電磁干擾比如強大的50HZ工頻干擾將在 Rg上產生一個明顯的干擾電動勢，造成測量結果的

13、誤差。當幾個電路單元或實驗底板共用一組直流電源時，如果電源內阻不夠低，就會通過該內阻形成耦合如圖2所示，Rg的存在可能造成實驗裝置系統(tǒng)的自激振蕩或者信號串擾等。圖1 由接地電阻形成的耦合 圖2 由電源內阻形成的耦合圖3 分布電容的影響表1 幾種典型分布電容的數(shù)值類別容量編織隔離的直徑0.9mm的雙絞導線6.56PF/100mm高頻隔離的直徑0.6mm的雙絞導線8.2PF/100mm兩根直徑1mm，相距2mm的平行導線2.0PF/100mm兩根直徑1mm，相距10mm的平行導線0.9PF/100mm平行于機殼的直徑0.5mm導線與機殼間相距1mm2.7PF/100mm平行于機殼的直徑0.5mm導

14、線與機殼間相距10mm1.4PF/100mm1、2W碳質電阻的端到端1.5PF20W變壓器初、次級間0.0011F20W電烙鐵芯與外殼40PF人站在絕緣體上對大地700PFl 分布電容耦合在實驗裝置中，儀器、實驗底板、元器件、接線、大地、人體之間都存在著極為復雜的分布電容。尤其是工作在高頻段，這些分布電容的影響便不能忽略。它往往形成有害的第三回路。嚴重時，將影響系統(tǒng)的正常工作，造成測量結果的極大誤差。常見的分布電容的影響，如圖3所示。圖3(a)所示為分布電容的影響，被觀測到的波形產生了失真；圖3(b)為人體靠近電路時分布電容的影響與遠離時分布電容的影響，造成振蕩頻率的漂移；圖3(c)中的多級放

15、大級由于級間分布電容的影響，容易造成放大器的自激。為了便于估計分布電容的影響程度，由表1給出幾種典型的分布電容的實測數(shù)值。l 分布電感耦合一根導線，在低頻時可視為一根理想的導體，但當工作頻率提高時，其分布電感的影響便不能忽略，圖 4是一根接線在高頻工作時因分布電感及分布電容不可忽略時的實際等效電路示意圖。圖中 Ux代表被測電壓，為輸入電壓表的電壓。此兩值的差異取決于分布參數(shù)的大小及工作頻率的高低。分析可知，因為這些因素而造成的測量誤差量為。其中，f為工作頻率，f 0為分布電感及電容所形成的固有頻率。由式可知，工作頻率愈高，其誤差愈大；分布參數(shù)愈小，f 0愈高。誤差愈小。表2給出了幾種導線的分布

16、電感、及在100MHz時的感抗，以及導線本身的電阻等值。圖4 分布電感及電容的影響表2 幾種導線的電阻、電感和感抗導線直徑（mm）50mm100mm200mm100mm導線電阻（）電感（H）感抗（）電感（H）感抗（）電感（H）感抗（）0.10.07440.15940.332070.220.50.05310.12750.261630.891.00.04250.10630.231440.232.00.035220.08500.201260.56對于實驗裝置中的電感線圈、各類變壓器、扼流圈，應特別注意阻止通過互感及電磁耦合形成非正常的信號傳輸通道。電磁輻射耦合是當實驗裝置的工作頻率較高時，如大于幾百

17、千赫以上，此時信號傳輸線、控制線、輸入輸出線等，均會呈現(xiàn)出一定的天線效應，這種天線效應具有（發(fā)射和接收的）互易性。也就是說，通過這些導線不僅會將測試信號輻射至空中，構成一定強度的電磁場，形成一條非正常的信號傳輸通道，而且這些導線還會感應到其它非正常通道輻射出來的電磁波信號以及各種干抗信號，從而造成測量誤差。由上述討論可知：要完成一項實驗任務，不僅要會正確選用儀器設備，而且要正確地聯(lián)接和布置，避免干擾對實驗測量的影響，如何才能減少干擾的影響呢?下面我們分別討論。4. 實驗裝置的接地與屏蔽一般電子技術中的地或地線、地電位等，有兩種含義。第一種含義是指真正的大地，而且常常局限于所在實驗室附近的大地。

18、對于交流供電電網的地線，通常是指三相電力變壓器的中線(又稱零線)。它是在發(fā)電廠接大地。第二種含義是指電子測量儀器、設備、實驗底板等的公共聯(lián)接點。它通常是與機殼直接聯(lián)在一起或通過一個大電容(有時還并聯(lián)一個大電阻)與機完相聯(lián)。所以，至少在交流意義而言，可以把一個測量裝置中的公共聯(lián)接點，即電路中的地線與儀器設備的機殼看作等效的。接地的問題，在實驗工作中要引起我們足夠的重視。一般說來，由于儀器或設備的機殼面積較大，特別是因為絕大多數(shù)電子測量儀器都要使用電源變壓器，因此，機殼與大地之間有一個較大的分布電容。接地，包括為保證實驗工作者人身安全的安全接地和為保證測量儀器正常工作的技術接地。圖5 利用三孔插座

19、和插頭進行安全接地所謂安全接地，是指人體接觸到實驗裝置中的儀器或設備的外殼時，不會因儀器設備的漏電造成觸電，以防止傷害操作人員的安全而設置的接地。我們知道絕大多數(shù)測量儀器都采用220V單相交流電網供電。供電線路中，有一根中線已在發(fā)電廠用良導體接大地；另一根是相線(又稱火線)。電網電壓一般是加到電源變壓器初級。變壓器的鐵芯以及初級次級之間的屏蔽層均直接與機殼即電路的公共聯(lián)結點相聯(lián)接。變壓器次級繞組的一端或中心抽頭也與此點相聯(lián)。于是在變壓器的初、次級與機殼，機殼與大地間都存在有分布電容。同時還存在有阻值很大(10M數(shù)量級)的絕緣電阻(或稱漏電阻)。在正常情況下無論單相插頭以什么方向插入電源插座中，

20、人體接觸儀器的外殼都不會觸電。但如果儀器設備經常處于濕度較高的環(huán)境中使用或長期受潮，變壓器質量低劣等，或者實驗室未設置地線而多臺儀器同時使用時，會出現(xiàn)機殼帶電的現(xiàn)象。人體接觸時會有觸電感覺。一般可把單相電源插頭換個方向插入電源插座中，即可削弱甚至消除漏電現(xiàn)象。有條件的實驗室，應在地面上鋪設絕緣材料的板料。另一個比較安全的辦法是采用國家現(xiàn)行標準的三孔插頭座。如圖 5所示。三孔插座中間插孔應與本實驗室的地線相接。左邊插孔接220V相線(火線)、右邊一個接電網的中線(零線)。插頭的接線與插座相反，是左“中線”右“相線”。由于實驗室地線與電網中線實際接地點不同，因此在此兩點間存在著一定的大地電阻 Rg

21、，為此，不允許把中線與實驗室地線相聯(lián)。否則，中線電流就會在地電阻Rg上形成一個電位差。同樣道理，也不能用中線代替實驗室地線。采用三孔電源插座和插頭可保證機殼與大地始終相聯(lián)，而且相線與中線不會接錯，從而遂免了觸電事故。所謂技術接地，是指保證電子測量儀器設備能正常工作所采取的一種必要措施。接地是否正確，是以對外界干擾信號的抑制能力為衡量標準。技術接地點的正確選擇與接地是否良好，直接影響著測試精度。比如欲測回路的諧振電壓，接地點應選擇在高頻地電位點而不能直接并接在回路兩端，否則測試儀器的輸入電容和接線分布電容將使回路失諧或被它短路。在設計高頻實驗電路板時，要求各電路單元以及單元中的各級電路都要就近集

22、中一點接地。然后按信號傳輸方向總的接地；接地線要短、粗或大面積，還要將不同頻率、不同電平的接地線分開。有些工作頻率很高的電子測量儀器。為了減小高頻電纜接地電阻，配有接地專用的花瓣套筒，如圖6所示，測量時應插牢。當用多臺儀器組成測量系統(tǒng)，尤其對高頻弱信號進行精密測量時，為避免因多點接地構成幾個干擾回路的影響，可以將每臺儀器的接地點分別田一條粗而盡可能短的地線聯(lián)至同一點并與大地相接。圖6 高頻接地用的花瓣套筒對于高靈敏度、高輸入阻抗的電子測量儀器，必須養(yǎng)成先接好地線再進行測量的習慣。若接地不良，將感應大的干擾，造成儀器過荷，甚至損壞電表及器件的惡性事件。在實驗過程中，如果測量方法正確，被測電路及測

23、量儀器工作狀態(tài)正常，但儀器的讀數(shù)卻大大超過預計值時，這很可能就是地線接觸不良造成的。有時，如懷疑儀器讀數(shù)不正常，可試用手去摸一下它的外殼，若發(fā)現(xiàn)儀器讀數(shù)隨之變化，這可能也是因接地不良所致。此外應區(qū)別某些高頻測量裝置，即使接地良好但屏蔽較差，人體觸模外殼時，讀數(shù)也會發(fā)生變化，但此時變化范圍較小。有時還會碰到被測信號兩端都不允許接地的情況，這往往是一種典型的平衡電路結構。如圖7(a)和(b)所示。圖(a)，被測信號是 A、B兩端的電壓。如果直接測量，無論地線怎樣聯(lián)接都會造成被測電路被C1、C2分布電容串聯(lián)后旁路。正確的辦法是先分別測出 A、B對地(C點)的電壓 Uac及 Ubc，然后求得Uab U

24、acUbc。圖7 被測信號兩端都不接地時的測量方法圖 7(b)中的待測信號是電橋的輸出電壓 UCD。顯然，無論電壓表怎樣聯(lián)接，電橋的一個臂都會被分布電容所旁路。在這個例子中，也不能采用分別測量 C、D電位然后求其差值的辦法。因為在兩次測量中，電壓表的輸人阻抗將分別對電橋的不同臂產生影響。一種可行的測量方案如(c)圖所示，它是經過輸出隔離變壓器再接到電壓表進行測量。此時，被測電路與儀器的地線對電橋的工作狀態(tài)不再產生影響。為減小測量的誤差與接地同樣重要的是要注意屏蔽。屏蔽有電場屏蔽與磁場屏蔽兩類，屏蔽的目的：一方面是避免被測電路本身產生的電磁場輻射，干擾其它電路工作；另一個方面是為避免其它信號源產

25、生的電磁場，干擾被測電路的工作。電路的屏蔽要有效，其中行政權的一點仍然是需要良好接地，否則不但屏蔽效果差，反會引起電路參數(shù)變化，造成測量誤差。對于微弱信號下的高精度測量和調試必要時應在專門的電磁屏蔽室內完成。這種屏蔽室是用全金屬板密閉結構或多層良導體金屬絲網包裹的木框板塊為構造單元，通過螺絲拼合而成的全封閉型工作間，其內部鋪有絕緣地板，采用無干擾照明裝置，并設有特殊的防止電磁波泄漏的通風波道窗、防護門裝置。整個屏蔽室的金屬外殼嚴格接地，引入屏蔽室內的電源及進線也采取了嚴格的專業(yè)級濾波措施。5. 輸入阻抗對測量精度的影響電子技術實驗中，儀器輸入阻抗值的大小、對測量精度及被測電路的工作狀態(tài)有明顯的

26、影響。一般說來，我們總可以把電子測量儀器的影響用一個等效的輸入阻抗來進行分析。由于除電流表以外，絕大多數(shù)儀器都是以并聯(lián)的形式跨接在被測電路的兩端，所以，可用輸入電阻Ri與輸入電容 Ci的并聯(lián)電路作為儀器輸入阻抗的通用形式。 1）輸入電阻 Ri的影響。圖8所示為用電壓表測量電阻 R兩端電壓的示意圖。Us信號源，Rs為信號源內阻，當信號頻率不太高時，Ci影響可忽略不計。由圖可見當電壓表接人前，R上的電壓為：電壓表接入后，R上的電壓變?yōu)椋?，式中由此可求?Ri引入測量的理論誤差為：由上式可見，電壓表輸入電阻Ri越大，或者被測電路的內阻Rs及負載電阻R越小，理論誤差就越小，反之誤差就越大。如果要將上述

27、測量誤差控制在1左右，Ri至少要比被測電路的電阻R大1050倍以上。圖8 電壓表輸入阻抗的影響 圖9 電流表內阻的影響圖 9是測量直流電流的最簡單的例子。設測量前被測電流為 I，則后，被測電流變?yōu)?，此時的理論誤差為：由上式可知，為使理論誤差不超過 l，電流表的電阻應比被測回路的電阻小100倍。從上述兩個最簡單測量的例子可知，若測量儀器欲與被測電路并聯(lián)連接時，為減小Ri的影響，要求測量儀器輸入電阻要大；同理，若測量儀器串接于電路中時，則要求儀器的輸入電阻要小。須要注意，若被測電路需輸入激勵信號時，則要用信號源一類的儀器，此時信號源雖然也與被測電路并接，但被測電路的輸入阻抗對被測電路的影響，由上

28、面推導中已知，信號源內阻要越小越好。但是，在高頻電路實驗中還應該注意，因為信源輸出電阻小而被測電路輸入阻抗都不是與信源阻抗相等，而造成信號的反射從而造成波形的失真。這不僅會導致被測電路工作失常，而且因不匹配造成激勵功率減小。所以，一般在高頻電路實驗中，在信源輸出端與被測電路輸入端都要加上一個阻抗匹配網絡，以使激勵信號穩(wěn)定。被測網絡正常工作，這是一個十分重要的問題。在高頻電路中，廣泛采用了LC諧振回路作為選頻網絡和負載。在這種情況下，測試儀器輸入電阻對回路的影響，主要表現(xiàn)在引起回路Q值的下降，使高頻電壓降低。 2）輸入電容Ci的影響在電路工作頻率提高，或者測試儀器輸入電容Ci值較大時，也會對被測電路產生嚴重影響。當測試儀器Ci較大時，其容抗較小，這將旁路被測電路，使電壓降低，嚴重時被測電路還會被其短路。若Ci較小而工作頻率較高時，旁路作用仍存在，致使被測電路輸出電壓下降。輸入電容Ci對LC諧振回路的影響，不僅