现代电子测量理论及应用第五章 测量连接

第五章测量连接■当把一台仪器连接到被测器件〔DUT〕上时，总是要对该器件造成干扰。在进行精密测量时，希望将加载效应和其它效应减至最低程度，使测量不会因测量仪器而变得不可靠。■常用的精密测量的精确方法：采用探头、衰减器、阻抗匹配器件、滤波器等，将所关心的信号耦合到仪器中。§5-1加载效应■对电路的电压测量一般将改变该电压的大小。■考虑如图5-1所示的电路，被测电路已模型化为一个具有一内阻ZS的电压源。开路条件下没有电流流过ZS，该电路的开路电压为VS。当负载阻抗ZL接到该电路时，根据分压关系，有：VL=VSZL/〔ZS+ZL〕〔5-1〕可见，除非ZS等于0或者ZL等于无穷大，VL将总是小于VS。图5-1有限阻抗的电压源连接到电阻负载§5-2最大电压与功率传输■某些电子系统设计时要求系统中有最大的电压传输。●为实现最大电压传输，ZS应尽可能地小，ZL应尽可能地大，ZL应远大于ZS。●当ZL为无穷大，那么为理想情况：VL=VS。■某些电子系统，特别是工作在频率为10MHz以上的系统，被设计成在系统中有最大的功率传输。如图5-1中负载阻抗所耗散的功率由下式给出：〔5-2〕

为求得最大的功率传输，令RL与XL分别是ZL的实部与虚部，那么可求得也即或

●可见，当ZL=ZS*〔*表示共轭〕，负载上的功率到达最大。●如果各阻抗皆为实数，那么当两个阻抗〔电阻〕相等，功率到达最大。●一般将阻抗选择得与传输线的特性阻抗Z0相等。如果输入与输出阻抗都等于Z0，那么系统可正确地端接传输线，使反射最小。§5-3高阻抗输入■一般要求在最小加载条件下测量电路特定的电压，●实际情况，根据被测电路设定ZS，ZL应比ZS大得多。在低频，易于实现，但随频率的增高，实现将变得越来越困难。■复盖频率低于30MHz的频谱分析仪和网络分析仪具有高阻抗的输入端。●这些输入端类似常规示波器的高Z输入。可用一1MΩ的电阻与一典型值为30pF的小电容并联的模型表示。●在低频，输入阻抗为1MΩ，对大多数应用是足够大。●随频率的增高，并联电容开始起作用，从而降低了仪器的等效输入阻抗。●使用仪器时，不能认为“高阻抗〞输入对于一切频率都是高阻抗。例如，在10MHz上30pF电容器的阻抗只有530Ω。除了造成幅度的下降外，高阻抗输入还会因并联电容而导致相移。§5-4高阻抗探头■对高阻抗分析仪的输入应使用标准的示波器探头，以便实现对电路节点的常规检测。●如图5-2所示，为1×或1∶1探头没有设置衰减，与用一条屏蔽电缆将仪器输入端连接到被测电路等效。图5-2典型的10∶1高阻抗示波器探头●电路模型示于图5-3。●被测电压为〔5-4〕●输入电容CIN产生传递函数中的一极点，使VIN在高频降低。●在时传递函数的量值减小3dB。●注意这一频率〔实质上是系统的带宽〕取决于RIN、CIN和RS。通常RIN远大于RS，故RS起主要作用。CIN是测量仪器的一局部，而RS是被测电路的等效输出阻抗。因此，被测结点的阻抗将影响测量的带宽。图5-3被测电路与仪器高阻抗输入产生一单极低通传递函数■有衰减探头●分析仪输入电容的带宽限制效应可用输入信号一定程度的衰减为代价加以补偿。●任何特定模式的探头都是针对一定的输入电容范围设计的，且由于电容将随仪器的设计而变化，因而必须选择与输入端相匹配的探头。●有衰减的探头可等效为信号路径上的一个电阻和电容〔图5-4〕。图5-4有衰减探头将抵消仪器的输入电容的影响●传递到分析仪输入端的电压为：〔5-5〕▲当RPCP=RINCIN，上式简化为：。此时输入电容的影响被抵消；电缆电容等其它参数将限制探头的带宽；●由于DUT看到的是较高的探头阻抗、较小的电容，故被测器件上的载荷降低。通常：▲对于10×或10∶1探头，选择RP是RIN的9倍，VIN是VS的十分之一。▲CP可调，便于用户将探头与输入端精密匹配。●当与示波器一起使用探头时，通过优化系统的脉冲响应对它进行补偿。在频谱和网络分析仪的应用中，可利用有平坦频响的跟踪发生器或信号发生器，通过调节使其到达可能的最平坦频响的方法对探头加以补偿。●10∶1探头是最普遍的有衰减探头，可提供20dB的衰减。也可以采用其它衰减比，以增加信号的衰减换取扩大的系统带宽。§5-5Z0阻抗输入●在较高的频率〔例如：10MHz以上〕，杂散电容和其它效应严重地降低高阻抗输入的性能。●虽然高频分析仪可以呈现出高阻抗输入，但对于高质量的测量，仍使用Z0输入阻抗。在这一频段工作的大多数电子系统一般都采用低输入与输出阻抗，通常是50Ω或75Ω。▲频谱与网络分析仪都具有这种Z0输入阻抗，目的不在于提供最大电压给分析仪，而是要使系统接Z0负载，从而在测量时必须提供这样的负载。▲滤波器、放大器、衰减器和振荡器等，为正常地运行都需要看到Z0负载。通常，分析仪通过Z0阻抗的传输线与被测器件连接，因此传输线应适当地端接Z0输入。●虽然分析仪可以在Z0负载下运行，但它不能接受高功率电平。分析仪的输入电压与〔或〕功率必须不超过其的额定值，在设计上采用功率衰减器或衰减耦合器来处理大信号电平，降低在分析仪输入端呈现的功率。§5-6输入接头■在网络和频谱分析仪的输入端，有各种类型的接头，与仪器的精度及频率范围有关，接头的阻抗随工作频率变化。■为实现精确的测量，接头引入的阻抗失配必须非常小。●在低频可以接受的接头到了1GHz时性能可能会恶化。●由于在校准过程中会出现接头的重复性误差，故接头的重复性十分重要，它将限制测量的重复性。这与仪器校准的质量有关。■上限频率小于40MHz的分析仪，最通用的是BNC〔bayonetNeillConcelman〕接头。特点：●卡口式锁紧机构便于连接。●在较高的频率，BNC接头的回波损耗下降，如果对仪器频段的要求不严的输入和输出，BNC起着通用接头的作用。在50Ω和75Ω两种阻抗上都可使用BNC接头。■对良好的射频测量，广泛采用N〔Neill〕型接头。●N型接头有50Ω和75Ω两种形式，它比BNC接头大很多，可以很好地工作到10GHz频段。●有螺纹的连接机构提供了良好的重复性，因此常在微波频率以下使用。■在微波频率，接头的选择更为严格。在这一频段采用的接头实例有APC(AmphenolPrecisionConnector)-7，APC-3.5，SMA(SubMiniatureversionA)和SMB。§5-7Z0终端■许多场合，对被测器件的所有端口加以适当端接十分重要，即器件必须在该端口看到正确的阻抗，通常是Z0。■通常，Z0终端是带有适当接头的、简便包装的高质量电阻。●馈通式终端是两端都有接头的终端。这种接头可用于将高阻抗输入连接到被测器件〔图5-5〕。●仪器的输入阻抗一般都远大于Z0，而被测器件所粗略看到的是Z0阻抗〔在低频〕。图5-5馈通式终端用来连接Z0器件和高阻抗输入§5-8功率分配器■功率分配器用来将一公共的信号提供给多个端口，或是被测器件，或是仪器的输入端。大多数功率分配器是双路分配器〔提供两个输出〕，或三路分配器。■三电阻功率分配器可有两种不同的配置方式〔图5-6〕，从外部看这两种电路完全等效。如果在每个端口接对地为Z0的电阻负载，那么向功率分配器每个端口看进去的阻抗为Z0〔这是电路的每个端口都必须适当端接的一个简单实例〕。●电阻三角形联接等效变换为电阻星形联接的公式为图5-6三电阻功率分配器的两种类型■图5-7所示是双电阻功率分配器，这种类型的功率分配器用于稳幅和比值。在双电阻功率分配器情况下，两输出口接收到相同的入射电压。图5-7双电阻功率分配器§5-9衰减器■衰减器〔有时称缓冲器〕用来降低测量系统中的信号电平。为使大电平信号进入仪器的测量范围、或通过降低信号电平来控制失真、改进阻抗匹配〔回波损耗〕等需采用衰减器。■固定衰减器只提供一个量值不变的衰减，变衰减器可以调节〔按不连续的步距调节〕。1．高阻抗衰减器图5-8〔a〕分压器电路可以用作为高阻抗系统的衰减器〔b〕可利用电容器补偿衰减器改进频率响应■无Z0或其它参考阻抗及分压器的使用，借助电压增益或损耗来规定衰减器，电路的电压增益由下式给出：〔5-7〕●选择R1与R2，使其远大于鼓励分压器的设备的输出阻抗。那么：〔5-8〕〔5-9〕■例5-1设计一高阻抗衰减器，使其当输入信号为5V有效值时，在其输出端产生1V有效值的信号。分压电路的负载必须至少为1kΩ。分压电路的负载为R1+R2，应选择R1+R2等于1kΩ。衰减器的电压增益为：GV=VOUT/VIN=1/5=0.2。R2=GV〔R1+R2〕=0.2〔1000〕=200ΩR1=〔1－GV〕〔R1+R2〕=〔1－0.2〕〔1000〕=800Ω2．Z0衰减器■具有输入与输出阻抗为Z0的设备要求衰减器在设计上应与Z0阻抗相匹配。在这种系统中习惯上将衰减器的损耗指定为一个功率比，且通常用分贝来表示。K=POUT/PIN〔5-10〕KdB=10log〔POUT/PIN〕〔5-11〕●T形衰减器，电路如图5-9所示，其电阻值由下式确定：〔5-12〕

〔5-13〕图5-9T形衰减器电路●π形衰减器，配置如图5-10所示，其电阻值由下式确定：〔5-14〕

〔5-15〕

●上述两种衰减器电路是等效的。但就某一特定应用，其中一种配置可能会有更合理的元件数值。注意到两种Z0衰减器配置从一端到另一端是对称的，因此，在两个方向上它们有相同的衰减。图5-10π形衰减器电路■例5-2在某一特定的500Ω系统中，必须将一个－10dB的信号衰减到－30dB，试设计一个满足这一要求的衰减器。首先计算所需要的损耗〔以dB为单位〕KdB=－10dB－〔－30dB〕=20dB写成功率比的形式：采用T形衰减器配置，§5-10回波损耗的改善■以降低信号电平为代价，用衰减器可改善一个器件的回波损耗。■考虑如图5-11所示的情况，一个功率损耗为K的衰减器接到反射系数为ρL的负载上，该衰减器的输入和输出阻抗都不是理想的，各自具有的反射系数为ρ1和ρ2。图5-11器件的回波损耗可通过附加一个衰减器得到改善●当系统中没有衰减器时，入射电压V1产生一个反射电压：VR=ρLVI〔5-16〕●接入衰减器后，由于K是输入与输出功率之比，故电压VI被衰减倍〔在衰减器中的损耗〕。那么入射到该器件上的电压等于VI，产生的反射电压等于ρLVI/。设衰减器是对称的，那么反射电压在其返回的路径上被衰减倍，那么在衰减器端看到的反射电压为：VR=ρLVI/K〔5-17〕●衰减器的输入与输出阻抗造成的另一组反射：当VI入射到衰减器输入端时，由于ρ1而产生反射电压。此外，当入射电压到达负载时，由于ρL也产生反射电压。此电压可能由于ρ2再次被反射，由于在质量良好的衰减器中ρ2很小，且任何来自负载的后继反射会更小，故在分析中将这一反射忽略不计。●综合来自负载的主要反射和衰减器输入端的反射，当不知道各反射是同相或反相迭加，考虑最坏情况下的反射：VR=ρIVI+ρLVI/K=VI〔ρI+ρL/K〕〔5-18〕●向衰减器输入端看过去的反射系数：ρa=VR/VI=ρI+ρL/K〔5-19〕该反射系数等于衰减器的反射系数加按功率损耗因子K降低的负载反射系数。▲上式中的ρ1项提醒我们，经改善的回波损耗决不会比衰减器自身固有的回波损耗更好。▲理想衰减器情况下，ρ1为0，上式简化为：ρa=ρL/K〔5-20〕分贝形式表示，可以确定回波损耗：RLa=－20log〔ρa〕=－20log〔ρL/K〕=－20log〔ρL〕+20log〔K〕〔5-21〕●估算利用衰减器所到达的回波损耗的改善程度来说，此式是一个良好的近似。在高质量衰减器和负载具有不良反射系数的情况下，它给出了合理的近似。由于K是功率比，故我们将上式改写为RLa=－20log〔ρL〕+2[10log〔K〕]，RLa=RLL+2KdB〔5-22〕可见回波损耗的改善为两倍的衰减量〔以dB表示〕，这种改善的代价是到达负载的信号电平的降低。■例5-3当将一理想的10dB衰减器接到回波损耗为8dB的信号发生器时，试问在该衰减器的输出端的回波损耗和反射系数有多大？如果衰减器具有20dB的回波损耗，答案有变化吗？●理想的衰减器：回波损耗=RLa=8+2〔10〕=28dB反射系数为ρ=10〔－RLa/20〕=0.040●有20dB回波损耗的衰减器：因为理想情况下预期的回波损耗为28dB，衰减器的20dB回波损耗无疑会减小总的回波损耗。将衰减器的反射系数与理想情况的反射系数相加便得到的总反射系数。衰减器的反射系数是ρI=10〔－20/20〕=0.1。由于ρa=ρI+ρa〔理想〕=0.1+0.04=0.014因此：RLa=－20log〔0.14〕=17dB可见，总回波损耗稍差于衰减器的回波损耗。虽然上述分析是用于接到负载的衰减器的，但同一原理亦适用于改善源的回波损耗。除非受到衰减器匹配的限制，源回波损耗的改善是衰减器损耗的两倍。同样，这种改善的缺点是降低了衰减器输出端的可利用信号的电平。§5-11阻抗匹配器件■频谱分析仪和网络分析仪一般都提供标准的输入阻抗，通常为50Ω和75Ω。有时分析仪并不具备与被测器件相同的阻抗，因而用户可能需要一个匹配网络来消除失配问题。1．最小损耗衰减器■用衰减器以信号的某种程度损失为代价来实现阻抗的变化，这样的衰减器称之为阻抗匹配衰减器或阻抗匹配缓冲器。■最小损耗衰减器：损耗量最小的阻抗匹配衰减器。■与阻抗Z1和Z2相匹配的最小损耗衰减器的电路如图5-14，Z1必须大于Z2。图5-14最小损耗衰减器可用于匹配不相等的阻抗，Z1必须大于Z2电阻值可由下式计算：〔5-25〕〔5-26〕

损耗〔功率比〕：〔5-27〕■损耗系数K为功率比，故以dB表示的K为：KdB=10log〔K〕〔5-28〕用KdB确定最小损耗衰减器的电压增益或损耗时经常会出问题，除非明确考虑到阻抗不相等，否那么结果将有过失。■例5-4试计算将50Ω转变为75Ω的最小损耗衰减器的各参数值。该衰减器的〔功率〕损耗是多少？当正确端接该衰减器时，其输入与输出电压比是多少？

损耗为：输入与输出电压比为：2．变压器■变压器用来匹配以测量为目的的各种阻抗。变压器由共用一个芯子的两个分开的线圈构成，线圈磁场间的耦合使一个线圈中的电压感生出另一线圈的电压。由于耦合机理依赖于变化的磁场，故变压器只能在交流信号下工作，不能用于直流。■理想的变压器是具有以下电压与电流关系的二端口器件〔图5-15a〕：●电压按圈数比变化，而电流的变化反比于圈数比。V2=nV1〔5-29〕I2=I1/n〔5-30〕式中n为变压器的圈数比。图5-15〔a〕理想的变压器〔b〕可利用变压器造成阻抗变化●阻抗按圈数比的平方关系变换。如果将阻抗Z1接到变压器的V1，I1端，那么向V2，I2端看过去的阻抗将由下式给出〔图5-15b〕：〔5-31〕■在选择变压器用于测量时，用户应当针对某一特定频段使特定的变压器最正确化。●在理想情况下，变压器是无耗的，即进入功率将等于出来功率。●在实际情况下，变压器中会有一些损耗，这种损耗可以表征并从测量结果中归一化掉。■在电子测量中，变压器的另一用途是在被测器件与测量仪器间提供直流隔离。由于变压器的两端没有直接的连接，故变压器对直流来说是隔开的。换句话说，可利用变压器将接地输入的仪器变成有悬浮输入的仪器。§5-12测量滤波器■在信号进入仪器的输入端之前，有时希望对信号的频率成分加以