T型电阻衰减电路
一.性能指标:
《1》设计一个T型电阻衰减电路
要求衰减倍数-40db
在0-50MHZ频率范围内衰减倍数基本不变
《2》设计一个T型网络衰减电路
要求衰减倍数-60db
频率要求在低频范围内(低于200khz)
二.方案论证:
在无线系统测试中常常需要对从一个设备到另一个设备的信
号进行衰减。例如,射频发射机测试中,涉及的功率等级常
常从几瓦到几百瓦甚至上千瓦,这么大功率的信号必须得经
过衰减以后才可以连接到大部分的测试设备中,否则会对测
试设备有损害。一种叫做衰减器的简单电路常常能用来减少
信号幅度,而且衰减器不但可以把信号电压衰减到一定值还
可以对阻抗值进行变换。实现此功能的电路常常被称作π型
或T型衰减网络
大部分测试设备常常具有特定的输入阻抗。比如,许多的无线通信测试设备的特性阻抗为50 ?而视频设备
的特性阻抗为75?,而T型电阻衰减网络可以根据实际要
求随意设置输入阻抗,可以实现阻抗匹配问题;而且T型
网络采用电阻并联后分压的方式,也可以避免使用大电阻
分压对衰减网络的性能产生影响;另外,T型电阻衰减网
络设计简单,易于计算,所以在电阻分压时经常被使用。方案一高频T型电阻衰减网络
题目要求设置衰减增益为-40dB,输入输出阻抗为与外部仪
器阻抗匹配,因为要测试比较高的频率(0-- 50MHZ),用
普通的示波器和信号发生器与电路的连接线会对测试结果
产生很大影响(如普通的信号源连接线会等效为几十pf的
电容,与电路中的电阻构成一个频率较高的低通滤波,会
在频率高时对电路产生衰减作用),因此要用到射频头和射
频线。因为射频线的特性阻抗是50Ω,所以射频线特两端
的电阻阻值必须为50Ω,所以限制了T型网络的输入输出
阻抗,从而限制了衰减倍数。所以说要实现更高频率的衰
减,就不能实现更大的衰减。
方案二低频T型电阻衰减网络
首先该方案是实现更高的衰减倍数,因为该方法电阻的取值不受限制,可以任意设置衰减倍数。然而电路中就不能用射频线,因此在高频信号时,由于普通信号线存在有等效电容,会在高频信号时对信号衰减,所以说此方案只使用于低频信号。
三. 系统硬件电路设计
<1> 普通的T型衰减网络设计
在设计T型电阻网络衰减时,为了保证衰减倍数能够在理论计算值误差范围内,必须要考虑阻抗匹配,即上一级的输出阻抗要和T 型网络的输入阻抗要一致,即R’=RI,下一级的输入阻抗要和T型网络的输出阻抗一致,即RL=Ro,电路图如下所示
图1
由阻抗关系可得
)o
2
//(
3
1R
R
R
R
RI+
+
=-------------------------------------------(1)
)I
1
//(
3
2
o R
R
R
R
R+
+
=--------------------------------------------(2)又根据电路输入电压和输出电压关系可得
RI
R1
RI
UI
-
2
)
3
1
(
+
?
=
?
+
?
+
Uo
R
RI
UI
R
UI
RI
R
RI----------------------(3)
由(1)(2)(3)关系式可推出
RI
UI
Uo
Ro
RI
UI
Uo
RI
UI
Uo
Ro
RI
R-
-
?
?
-
?
=
1
2
)1
(
1
2
2
-------------------------------(4)
o
1
2
)1
(
2
2
2
R
UI
Uo
Ro
RI
UI
Uo
RI
UI
Uo
R-
-
?
?
?
-
=------------------------------------(5)
1
2
3
2
2
-
?
?
?
=
UI
Uo
Ro
RI
UI
Uo
RI
R-----------------------------------------------------(6)
<2> 对称T型衰减网络设计
图1设计的电路图适用于所有T型电阻衰减网络,若当R1=R2时,该T型电阻衰减网络就变成对称T型衰减网络,其电路图如下所示
图2
由阻抗关系可得
)I
1
//(
2
1
RI
o R
R
R
R
R+
+
=
=--------------------------------------------(7)又根据电路输入电压和输出电压关系可得
RI
R1
RI
UI
-
1
)
2
1
(
+
?
=
?
+
?
+
Uo
R
RI
UI
R
UI
RI
R
RI----------------------(8)
由(7)(8)关系式可推出
1
1
1
+
-
?
=
UI
Uo
UI
Uo
Ro
R-------------------------------(9)
12
o 222-?=UI Uo UI
Uo
R R -----------------------------------------------------(10)
<3>高频T 型电阻衰减网络设计
由上可以知道,要设置输入阻抗RI=R ’=50Ω,(R ’为信号源内
部固定阻抗,与输入阻抗匹配),要设置Ro//RL+R4=50Ω,(实现与射频线匹配)为了方便计算,这里我们取Ro=50,则RL=Ro=50Ω(负载与输出阻抗匹配),可推出R4=25Ω
图3
先已知RI=Ro=50Ω,衰减倍数Au1=-40db,由公式(4)(5)(6)
可推出
R1=R2=49.01Ω
R3=1Ω
<4>低频T 型电阻衰减网络设计
低频T 型电阻衰减网络中,虽然不用设置射频线阻抗匹配,但
仍然需要设置输入输出阻抗匹配,如图1所示。这里我设RI=RL=1k, 由性能指标可知,Au2=-60db,可根据公式(4)(5)(6)可推出
R1=R2=998Ω
R3=2Ω
四.系统调试和分析
<1>电路仿真
1.高频T型电阻衰减网络
下图是输入幅值为10V(峰峰值20V), 频率分别为1kHZ、1MHZ、50MHZ的交流信号
上图为仿真出来的输出波形(输入为绿色,输出为黄色),输入波形的频率为1khz,1Mhz,50Mhz,峰峰值为20V,输出波形的峰峰值为200mV.基本无偏差.
由上可知知道,该T型分压衰减网络可以实现在0-50MHZ频率范围
内,实现对信号衰减-40db.
2.低频T型电阻衰减网络
下图是输入幅值为10V(峰峰值20V), 频率为1kHZ,50KHZ,300KHZ,1MHZ的交流信号
上图为仿真出来的输出波形(输入为绿色,输出为黄色),输入波形的频率为0—1Mhz范围内,峰峰值为20V,输出波形的峰峰值均值为20mv
.综上现象可以知道,该T型分压衰减网络可以实现在0-1MHZ频率范围内,实现对信号衰减-60db.
<2>实物电路图及结果分析
1.高频T型电阻衰减网络
下图是输入一个峰峰值为2.5V,频率分别为100hz、10khz、1Mhz、20Mhz、50Mhz、80Mhz的正弦波,通过T型衰减网络,其输出波形如下所示
由上可知,频率在0—50MHZ ,输入电压峰峰值为UI=2.5V 经过该高频T 型电阻衰减网络后,输出波形的峰峰值为25.8mv 、25.6mv 、25.4mv 、25.2mv 、25.8mv 、26.4mv ,无失真,总体变化幅度小于2mv 则输入电压峰峰值mV U 9.256
0.274.262.254.256.258.25o =+++++= 衰减倍数db V
mV UI U A O U 38)29.25log(20]log[201-≈== 输入功率W V V RI UI PI 016.05085.25.2)22(
12=??==Ω 输出功率mW V V Ro Uo Po 0017.0508m 9.25m 9.25)22(
12=??==Ω 说明该高频T 型电阻衰减网络可以在0—50Mhz 频率范围内衰减-38db,且衰减倍数无明显变化,在误差范围内满足实验要求。
另外,在测试高频T 型电阻衰减网络时,用的示波器型号是DS2202
2.低频T 型电阻衰减网络
下图是输入一个峰峰值为20V ,频率分别为100hz 、10khz 、50khz 、100khz 、200khz 的正弦波,通过T 型衰减网络,其输出波形如下所示
由上可知,频率在0—200kHZ ,输入电压峰峰值UI=20V ,经过该低频T 型电阻衰减网络后,输出波形的峰峰值分别为27.4mv 、27.0mv 、26.0mv 、26.2mv 、27.0mv 范围内,无失真,变化幅度小于2mv
则输出电压为Uo=mV U 72.2650.272.260.260.274.27o =++++= 衰减倍数db 5.57)2072.26(log 20]log[202-===V
mV UI Uo A U
输入功率W V V RI UI PI 05.010*******)22(
22=??==Ω 输出功率mW V V Ro Uo Po 0089.010008m 9.25m 9.25)22(
22=??==Ω 说明该高频T 型电阻衰减网络可以在0—200Khz 频率范围内衰减-57.5db,由于输入输出电阻匹配度不够,误差较大,但仍大致达到实验要求。
五.遇到的问题及解决方案
1、在测试过程中,用普通的示波器和信号发生器连接线在测试T 型分压衰减网络的频率响应时,当信号达到十几兆时,信号会产生幅度较大的衰减,已知输入出阻抗是200Ω
答;因为信号发生器连接线可以等效成几十pf 的电容与电路的输入阻抗形成低通滤波,所以会衰减,计算如下:
等效电容大致取值为C ’=50pf,输入阻抗RI=200Ω
形成低通滤波的截止频率为
MHZ C RI o 1510210521'21f 311≈????∏=??∏=-
所以说信号在十几兆会产生明显的衰减
2.为什么阻抗不匹配在高频信号中会反射,什么是反射?
反射是指在电路中由于拐角,过孔,元件引脚,线宽变化,T 型引线等阻抗发生突变,就会有部分信号沿传输线反射回源端。表征这一现象的最好的量化方法就是使用反射系数,反射系数是指反射信号与入射信号幅值之比,其大小为:(Z2-Z1)/ (Z2+Z1)。Z1是第一个区
域的特性阻抗,Z2是第二个区域的特性阻抗。当信号从第一个区域传输到第二个区域时,交界处发生阻抗突变,因而形成反射例如,图a左边是T型网络的输出端并联一个负载,右边是一个射频线。设射频线的特性阻抗为Z1=50Ω,而射频线左边区域的特性阻抗为Z2=RL//Ro=25Ω,由于2
1Z
Z ,阻抗不匹配,所以电路中会出现反射现象
反射系数=(Z2-Z1)/ (Z2+Z1)=(50-25)/(50+25)=33.2%
输入电压为1.25V
则电压反射量=1.25*33%=0.41
图a 图b
3.射频线的工作特性如下:
V o1为输出一个电压值,为了保证阻抗匹配,需要加匹配电阻R1=50Ω与射频线的特性阻抗R2匹配,射频头阻断了电流从V o1流向V o2,因此V o1=V o2
Vo1
Vo2
射频线
匹配阻抗R1R2
方案改进
综上可知,方案一可以试验0-50MHZ的信号衰减,然而衰减倍数却只能衰减-40db,案二可以实现更大的衰减倍数,却因此阻抗不匹配,不能用射频线,在频率高时,由于连接线上存在的等效电容和电感等会使带宽受到限制。若要在带宽足够大时增大衰减倍数,需要使用更小的电阻才能实现。
十.实验总结与提高
《1》实验中存在的不足之处
1.方案一衰减倍数不够大,方案二带宽不够
2.实验结果误差较大
3.方案设计时只采用了对称T型网络,未采用非对称T型网络《2》实验注意事项
(1)在设计高频T型电阻衰减网络PCB时,要保持地的完整性,信号线
距离要短,减少弯曲
(2)在设计电路时,尽量选择阻值较小的电阻,否则会产生噪声等
(3)用射频线时,要保证射频线两侧的特性阻抗阻值相等
《3》心得体会
通过做这次T型衰减网络,我收获颇大,
一.我学会设计非对称和对称型T型网络内部阻值大小;
二.我学会如何设计高频网络的PCB板及要注意的问题,如要在信号线两边过孔,信号线尽量不要弯曲,过孔,要尽量短。
三.学会使用射频线并了解到其内部原理
四.学会认识T型网络的作用,一是实现阻抗转换二是衰减信号五.认识到设计T型网络的要注意阻抗匹配,负责电路会出现反射现象
六.学会实现信号完整性要注意的一些细节
七.认识到信号源内部的原理