高频Q表及其应用知识

电阻器、电容器、电感器都是电路的基本元件。电路基本元件参数是电路测试的基本内容之一。电路参数测试仪器是基本测试仪器。由于电路元件的工作频率范围不同，测试的方法和测试的仪器也有所不同。对于工作在低频电路中的元件大多采用电桥法和万用电桥;对于工作在高频电路中的元件，大多采用谐振法和q表等。一、谐振法测元件参数的基本原理图谐振法的基本电路谐振测试法是根据谐振回路的谐振特性建立起来的测电路元件参数的方法。谐振测试法的基本电路如图。它是由lc谐振回路、高频振荡电路和谐振指示电路三部分组成。振荡电路提供高频信号，它与谐振回路之间的藕合程度应足够弱，使反映到谐振回路中的阻抗小到可以忽略不计。谐振指示器用来判别回路是否处于谐振状态，它可以用并联在回路两端的电压表或串联在回路中的电流表担任。同样要求谐振指示电路的内阻对回路的影响小到可以忽略不计。

电容量的测试谐振法测电容器有直接法和替代法两种。1.直接法用直接法测试电容量的电路与图的基本电路相同。选用一适当的标准电感l，与被测电容cx组成谐振电路，调节高频振荡电路的频率，当电压表的读数达最大，即谐振回路达到串联谐振状态。这时振荡电路输出信号的频率f将等于测量回路的固有频率fo，即由此可求得电容cx值，式中电容的单位是f，频率的单位是hz，电感的单位是h。若上述各量的单位分别用pf，mhz，uh，则cx式可写为：由于谐振频率fo可由振荡电路的度盘读得，电感线圈的电感量是已知的，即可由上式计算被测电容量cx。由直接法测得的电容量是有误差的，因为它的测试结果中包括了线圈的分布电容和引线电容，为了消除这些误差，宜改用替代法。2.替代法用替代法测试电容量有并联替代法和串联替代法两种。串联和并联替代法，采用替代原理，必须进行两次测试。被测元件接入前使电路谐振;被测元件接入已调谐好的电路后会使电路失谐，然后重新调整电路中的标准元件，以补偿被测元件造成的失谐。测量结果需计算后方能得到。这是一种间接测量的方法。并联替代法用并联替代法测试电容量的电路如图8-2所示，进行测试时，首先将标准可变电容器放在电容量甚大的刻度位置cs1上，调节振荡电路的频率使串联谐振回路谐振。然后将被测电容器接在cx接线柱上，与标准可变电容器并联，振荡电路保持原来的频率不变，减小标准可变电容器的电容量到cs2，使串联谐振回路恢复谐振。在这种情况下，cs1=cs2+cx即可求得被测电容cx的值为:cx=cs1-cs2

显然，并联替代法只能测电容量小于标准可变电容器的变化范围的电容器。由于通常标准可变电容器的电容量变化范围有限，例如一个能从500pf变化到40pf的电容器的电容量变化范围为460pf。按照上述测试方法，只能测试电容量小于460pf的电容。当被测电容量大于标准可变电容器的电容量变化范围时，则可根据被测电容量的估算数值选择一个适当容量的电容器作辅助元件，再用上述方法进行测试。选择辅助电容器时，必须使已知辅助电容器的电容量与标准可变电容器的变化范围之和大于被测电容器的电容量。例如用电容量变化范围为460pf的标准可变电容器来测被测电容量约为680pf的电容时，必须选择一个电容量大于220pf的已知电容作辅助元件。

测试时，首先把已知电容接在cx接线柱上，标准可变电容器放在电容量所在的刻度位置cs1上，调节振荡电路的频率使串联谐振回路谐振。然后拆去cx接线柱上的已知电容，接上被测电容。振荡电路保持原来的频率不变。减小标准可变电容器的电容量到cs2,使串联谐振回路恢复谐振。在这种情况下cs1+c已知=cs2+cx即可求得被测电容cx的值为:cx=csl-cs2+c已知串联替代法测电容量大于标准可变电容器容量变化范围的另一种方法是串联替代法。串联替代法测电容的电路如图8-3所示。进行测试时，首先将标准可变电容放在电容量甚小的刻度位置cs1上，调节振荡电路的频率使串联谐振回路谐振。然后将被测电容串联在谐振回路中，振荡电路保持原来的频率不变，增加标准可变电容量到cs2，使串联谐振回路恢复谐振。在这种情况下cs1=l/即可测得被测电容cx的值为串联替代法测量电容量

电感量的测试1.直接法在图若选用已知标准电容cs和被测电感lx组成谐振回路，按测试电容的同样方法，调节振荡电路的输出频率，使谐振回路达到谐振状态，由式可得被测电感lx的值为式中电容的单位是法，频率的单位是赫，电感的单位是亨。若上述各量的单位分别用pf，mhz，uh，则上式可写为。上式中fo可由振荡电路的度盘读得，cs可由标准可变电容器的度盘读得，由上式即可计算得被测电感量lx。实际上按谐振法设置的测试仪器，测电感时为了能直接读数，通常是在某些指定的频率点上进行测试。由式可知，当fo为定值时，lx与cs成反比例关系，所以，在标准可变电容器cs的刻度盘上附加直读电感的刻度，就可以直接读出被测电感lx值，而无需计算。用直接法测得的电感量是有误差的，因为实际上式中的电容值还包括线圈的分布电容和引线电容，而标准可变电容的刻度中不包括这两项电容值，使测试结果为正误差，即测试值大于实际值。若要消除误差，应采用替代法。2.替代法与测电容一样，也有并联替代法和串联替代法两种。测小电感时用图所示的串联替代法，测大电感时用图的并联替代法。由于具体的测试方法与测电容的替代法相仿，故不再赘述。

品质因数的测试利用谐振法测回路的品质因数，可采用电容变化法或频率变化法，两种测试方法均采用图的电路。电容变化法是变化调谐回路中的电容量，使回路发生一定程度的失谐，从而求得回路的品质因数。根据回路谐振时可变电容器cs的读数cso和回路两次失谐时可变电容器cs的读数cl、c2，即可按下式计算品质因数q=2cso/频率变化法是变化高频振荡电路的振荡频率，使回路发生一定程度的失谐，从而求得回路的品质因素。根据回路谐振时振荡电路的频率数fo和回路两次失谐时振荡电路的频率读数f1和f2，可计算品质因数q=fo/。用电容变化法和频率变化法测回路的品质因数q值，须经过几步操作和计算。根据谐振原理制成的一种能直接读出线圈q值的测试仪器，称之为q表。它是测高频电路元件参数的重要仪器。q表除测线圈q值的基本用途以外，因为其中包含有谐振测试法所需用的各项设备，所以还可以用它进行其他项目的谐振法测试。

q表的基本原理图如图。由图可见，被测线圈与q表内部的一只标准可变电容器cs组成一个串联谐振回路;并在标准可变电容器的两端跨接一只标准可变电容器cs组成一个串联谐振回路;并在标准可变电容器的两端跨接一只输入阻抗很高的电子电压表，作为谐振指示器;加在标准电阻r1及r2上的高频电压，由一个作监视器的电子电压表测试，用以监视引入串联谐振回路的高频电压u1的大小。调节可变高频振荡电路的频率或标准可变电容器的电容，使串联谐振回路谐振，此时并联在标准可变电容器上的电子电压表的指示最大。按照谐振回路的原理，最大电压u2和输入回路的电压u1之间关系u2=qu1，可得，q=u2/u1由此测得的q值是串联谐振回路总的品质因数。但由于在一般情况下标准可变电容器cs的损耗与线圈的损耗相比可以忽略，电子电压表的输入电阻极大，由其所引入回路中的损耗可以忽略，输入电压u1的内部电阻与线圈的有效串联电阻rx相比也可以忽略，所以串联谐振回路的品质因数q可以认为是被测线圈的品质因数qx。若将u1的大小保持一定，则u2即比例于被测线圈的q值，因此如将电子电压表的度盘直接按q值刻度，在测试时便可以直接读出q值。由u2=qu1这一基本关系式可见，因为u2和q之间的比例常数为u1，改变u1的大小可以改变q表量程。u1愈小，则同一u2值所代表的q值愈大。所以q表的量程能借助ul的减小而扩大。某些产品q表就是通过减小ul值来扩展q值读数倍率的。为了使q表除测试线圈q值之外能进行其他谐振法测试，通常将其内部的高频振荡电路和可变标准电容均加以正确的定度。这样便可由振荡电路的频率度盘和频段开关所示出的读数，知道测试所用振荡频率的准确数值;由可变标准电容器度盘所示出的读数，知道测试时标准电容器的准确数值。为了微调和读出微小电容变化值的变化值的需要，一般q表内部的标准电容器除一只容量较大的可调电容器外，还包括一个与之并联的、度盘直接按微小电容量刻度的较小的电容器。q表按其应用的频率范围不同，有低频q表、高频q表和超高频q表等不同类型。不同频率的q表的基本原理都同上所述。二、高频q表的组成q表可以用来测量高频电感或谐振回路的q值、电感器的电感量及其分布电容量、电容器的电容量及其损耗角、电工材料的高频介质损耗、高频回路的有效并联电阻及串联电阻、传输线特性阻抗等。

高频q表原理功能方框图产品q表的原理功能方框图如图。由图可见，q表包括高频振荡电路、定位指示电路、谐振指示电路、测试回路和电源供给电路5个部分。现分别介绍如下。1.高频振荡电路通常是一个电感3点式振荡电路。一般产生频率为50khz～50mhz的高频振荡信号。分若干个频段，由筒形波段开关控制变换，每个频段的频率由双联可变电容器连续调节。高频振荡电路的输出信号通过电感耦合线圈馈送到宽带低阻分压器。借助调节电位器改变高频振荡管的相关直流电压，可以控制一定大小的高频信号电压，加到宽频带低阻分压器上，此高频信号通过电阻分压后加入串联谐振回路。2.定位指示电路加在宽频带低阻分压器上的高频信号电压由作定位指示用的电子电压表测量，用以监视引入串联谐振回路的高频电压的大小。当调节高频振荡电路的输出信号电压，使定位指示器的指示在定位线“q×1”上时，宽带低阻分压器的输入电压为500mv，通过分压，从0.04ω电阻上取出的10mv的高频信号电压，加到测试回路上。分压电阻是一个0.04ω的小电阻，以实现低阻抗的高频信号源，减小电源内阻对测量电路的影响。作为定位指示用的电子电压表的零点调节由一只电位器担当。3.测试回路测试回路中有两个标准可变电容器，一个是主调电容器，另一个是微调电容器;有两对接线柱：“lx”和“cx”，“lx”接被测线圈或辅助线圈;“cx”接被测电容等。由被测线圈与标准电容器组成一个串联谐振回路。当调节标准可变电容器的电容量或振荡电路的频率，使串联谐振回路谐振时，作谐振指示器的电子电压表指示最大。4.谐振指示电路谐振指示电路是一个作谐振指示和q值读数的电子电压表，它并接在串联谐振回路中的可变电容器的两端。当串联谐振回路达到谐振状态时，电容器两端的电压达最大值，电子电压表指示达最大。由于回路谐振时标准可变电容器两端的电压的是测试电路的输入电压值ul的q倍，即u2=qul，q=u2/u1，这里的q值是串联谐振回路的品质因数，但可以认为是串联谐振回路线圈的品质因数。在u1为定值时，测试电路输入电压ul等于10mv，所以q值正比于u2值(假使u2为0.lv，则q为10;假使u2为0.5v，则q为50;假使u2为lv，则q为100……)，因此可将作为谐振指示器用的电子电压表的表度盘直接按q值刻度。这样刻度以后，在测量时便可以直接读出q值。一般测量q值的量程分三档：10～100，20～300，50～600，由电子电压表的灵敏度转换开关选择。作为谐振指示器的电子电压表的零点调节，由一只电位器担当。5.电源供给电路通常采用磁饱和稳压器和稳压管双重稳压，保证仪器在电源电压变化较大的情况下正常工作。三、使用方法q表虽然型号不少。但是它们除频率范围、测量范围、测量精度等不完全一样外，基本使用方法是相同的。现以qbg-3型高频q表为例加以介绍。面板装置

qbg-3型高频q表面板图

qbg-3型高频q表面板上所具有的控制装置有频段选择开关、振荡频率度盘、定位指示表头、定位零点校正旋钮、定位粗调和定位细调旋钮、q表指示表头、q值零位校正旋钮、q值范围开关、主调电容度盘、微调电容度盘、测量接线柱、电源开关和指示灯。如图的q表面板图，现分别介绍如下。1.频段选择开关是高频振荡电路中的波段开关，分成七个频段。2.振荡频率度盘作每个指示频段内的频率连续调节用。刻度盘上有与频段选择开关配合使用的若干条频率刻度，以选择所需频率。3.定位指示表头是定位指示电路中的直流微安计cb1，用作监视引入测试电路的高频电压的大小。一般使用时调节定位粗调和定位细调旋钮，使表头指针指示在定位刻度的q×1上，才能从q值指示表上直读q值。4.当定位粗调旋钮置于起始位置时，调节定位零位校正旋钮，使定位指示表的指针在零位。5.定位粗调和定位细调旋钮是高频振荡电路中的两个电位器。调节定位粗调和定位细调旋钮，可改变高频振荡电路输出电压大小，使定位指示表指在刻度“q×1”上。当定位粗调旋钮置于起始位置时，高频振荡电路输出为零。6.q值指示表头是谐振指示电路中的直流微安计cb2，作谐振指示和q值读数用。表头上有三条刻度：0～100，0～300，0～600。根据q值范围开关所在位置，读表头上相应的刻度。7.q值零位校正旋钮是谐振指示电路中的电位器。在测试回路远离谐振点的情况下，调节q值零位校正旋钮，使q值指示表的指针在零位。8.q值范围开关是谐振指示电路中的波段开关，作谐振指示时的灵敏度变换和q值指示的量程变换用，有三档位置：10～100，20～300，50～600，进行测量时，应根据被测元件q值的大小选择适宜档级。9.主调电容度盘是测试回路中标准可变电容器。度盘上有c和l两种刻度。c刻度线在度盘的上方，测量电容量时用。l刻度在度盘的下方，测量电感量时用。10.微调电容度盘是测试回路中的标准可变电容器，有-3pf～0～+3pf刻度，作微调之用，通常该度盘置于零位，否则测试时须将微调电容器度盘的读数加到主调电容度盘的读数上去。11.测量接线柱是测试回路中的接线柱，有两对，位于仪器的顶部。“lx”接线柱是接被测线圈的，若测量电容时，此接线柱须接辅助线圈。“cx”接线柱是测量电容等时接被测电容等的。12.电源开关和指示灯测试步骤与技巧1.测试准备进行各项测试时均应做好本项使用工作。将仪器安装在水平的工作台上，校正定位指示电表的机械零点。将定位粗调旋钮向逆时针方向旋到底，定位零位校正和q值零位校正旋钮置于中间附近位置，微调电容度盘调到零。接通电源，预热30分钟以上，待仪器稳定后进行测试。2.高频线圈q值测量将被测线圈接在仪器顶部的“lx”接线柱上;调节频段选择和频率度盘，使之到规定的测量频率点上;估计被测件的q值，将q值范围开关置于适当的档级上;将定位粗调旋钮向逆时针方向旋到底。调节定位零位校正旋钮，使定位表指示为零;调节定位粗调、定位细调旋钮，使定位表指示在“q×1”上(在回路调谐后，若定位表指示偏离定位点，则应重新调节定位粗调和定位细调旋钮，使指针仍在定位点上);调节主调电容度盘，使之远离谐振点;调节q值零位校正旋钮，使q表指示为零;再调节主调电容和微调电容度盘，使测试回路谐振，即q值表指示最大，此时q值表头指示值便为测量回路的q值。因为测量回路中标准电容器的损耗极小，所以测量回路的q值就近似等于被测电感的q值。注意：当工作频率高于10mhz时，若回路谐振，定位表可能有微小偏转，此时应调节定位细调旋钮定位表仍指示“q×1”上，并以调节后的q值表的读数为准。由于被测线圈本身分布电容的影响，以上所测得的q值和实际值略有相差，如果所进行的测量作为q值的大概比较，那就不需加以修正。当需获得较精确的q值时，则应按后面所述的方法测出线圈的分布电容量co，然后按照下式修正：q=qm/c1式中qm为测量值，c1为回路谐振时主调电容度盘与微调电容的读数之和。如回路谐振时c1读数很大，co只占很小比数，则测得值和修正后的实际值相差很小。3.高频线圈电感量的测量q表在测量高频线圈的q值时，能够知道与被测高频线圈相谐振时的电容量c值和频率fo值。按照公式可计算出被测高频线圈的电感量。实际上测量高频线圈电感值时，为了能够直读，通常是在某些指定频率上进行电感测量的。在频率已经指定的情况下，lx与c成反比例的关系，所以在标准可变电容器的度盘上可附加直读电感的刻度，以免除计算的麻烦。将被测线圈接在仪器顶部“lx”接线柱上。根据被测线圈的大约电感值，在面板上的“电感、倍率、频率”对照表中选择一标准频率。然后通过频段选择开关和频率度盘，将高频信号调到这一标准频率上。使被测电感在此标准频率上谐振。微调电容度盘置于“0”上，调节主调电容度盘，使测试回路谐振。则主调电容度盘对应的电感数乘以对照表上所指示的倍率就是被测线圈的近似电感值。“电感、倍率、频率”对照表见表8-1所示。对照表的使用方法举例如下：如被测的高频线圈的大约电感值为50μh，根据表查得被测电感量在10μh～100μh范围内，测试频率为2.52mhz，电感量按主调电容度盘上的l读数乘以倍率10。要测得准确的电感数，必须先测得电感的分布电容量co。然后照上述步骤读得约略电感值后，再将主调电容度盘的刻度调在“c1+co”的位置上，这时度盘的电感读数乘以对照表上所指示的倍率即为线圈的较精确的电感量。在被测电感小于10μh时，按上述方法测得的电感值，还应减去仪器中测试回路本身的剩余电感lo。电感倍率频率0.1～1.0uh×0.125.2mhz1.0～10uh×17.95mhz10～100uh×102.52mhz0.1～1.0mh×0.1795khz1.0～10mh×1252khz10～100mh×1079.5khz

实例：已知被测线圈的分布电容值co=4pf，仪器剩余电感值lo=0.07μh，按“电感、倍率、频率”对照表选择的标准频率f=7.95mhz。微调电容度盘置于“0”上，调节主调电容度盘，使测试回路谐振，测得cl=196pf。随后再调整主调电容度盘到c1+co=196+4=200处。从对边l刻度线上读得l值为4μh。被测线圈的实际电感值为l-lo=4-0.07=3.39。4.高频线圈分布电容co的测量两倍频率法将被测线圈接在仪器顶部的“lx”接线柱上，将主调电容度盘调到c1上，通常c1以200pf较为适宜。调节频段选择开关和频率度盘，找出谐振频率f1。然后将频率调至f2，再调节主调电容度盘至谐振点c2。根据下式可求得分布电容co的值co=/3。自然频率法此法可获得较准确结果。将被测高频线圈接在“lx”接线柱上。将微调电容度盘置于“0”位置上，主调电容度盘调c1，c1取400pf。调节高频振荡器的频率，使测试回路谐振，谐振频率为f1。取下被测线圈，换上一个能在主调电容度盘调节范围内和10f1频率谐振的标准电感。将高频振荡器调到约10f1的频率上，调节主调电容度盘，使测试回路谐振。将被测线圈接在“cx”接线柱上，调节主调电容度盘，使测试回路谐振，此时看电容度盘读数是增加还是减小，如果增加则应将信号频率调高些，如是减小则将信号频率调低些。再取下被测线圈，调节主调电容度盘，使测试回路谐振。重复、直到某一频率，被测线圈接上或不接上“cx”柱均不改变谐振点，这一频率即为被测线圈的自然谐振频率f2，线圈的分布电容：co=c12。式中电容量单位用pf;频率单位用mhz。5.电容器容量的测量小于460pf电容器的测量通常采用并联替代法测量电容量小于460pf电容量，具体测量步骤如下。①取一个电感量大于lmh的辅助线圈，接在“lx”接线柱上，与标准可变电容器组成串联谐振回路。②将微调电容度盘调到“0”位，主调电容度盘调到较大电容量c1上。③定位粗调旋钮置于起始零位时，调节定位零位校正旋钮，使定位表示于零。调节定位粗调和定位细调旋钮，使定位表指示在“q×1”位置附近。④调节高频振荡频率，使远离谐振点，调节q值零位校正旋钮，使q值表指示于零。⑤调节频段选择开关和频率度盘，使测试回路谐振。⑥将被测电容器接在“cx”接线柱上，与标准可变电容器并联，保持高频振荡频率不变，调节主调电容度盘。使测试回路恢复谐振，若此时主调电容器度盘的读数为c2，则c1=c2+cx。所以被测电容器的电容量为cx=c1-c2。大于460pf电容量的测量通常标准可变电容器的电容变化范围有限，一般q表的主调电容度盘的电容变化范围为460pf。故按上述的并联替代法只能测量电容量小于460pf的电容，若要测量大于460pf的电容时，可借助一只已知电容量的电容器作辅助元件，再用并联替代法进行测量或采用串联替代法进行测量。具体测量在测试原理中已介绍。6.电容器损耗因数的测量下面介绍电容量不超过460pf的电容器损耗因数的方法。调节频段选择开关和频率度盘到规定的测量频率点。选择本身q值较高、电感量适当的辅助电感，接在“lx“接线柱上，与标准可变电容器组成串联谐振回路。定位粗调旋钮置于起始零位时，调节定位零位校正旋钮，使定位表指示于零位，调节定位粗调和定位细调旋钮，使定位表指在“q×1”上。调节主调电容度盘到远离谐振点处，再调节q值零位校正旋钮使q表示于零位。调节主调电容度盘，使测试回路谐振。读得q值为q1，电容读数为c1。将被测电容器接在“cx”接线柱上，与标准可变电容器并联。调节电容度盘使测试回路恢复谐振。读得q值为q2，电容读数为c2。根据下式便可算得电容器损耗正切角δ，tgδ=1/q=式中co为辅助电感的分布电容量。电容器的有效并联电阻为rprp=·式中rp是有效并联电阻，单位为ω;f是谐振频率，单位hz;c1和co单位pf。如果f以khz作单位，c1和co以pf为单位，则上式写成rp=·7.大电阻的测量按第6项～操作，其中c1值要尽量小些，以提高测量灵敏度。将被测件接在“cx”接线柱，再调节电容度盘，使测试回路恢复谐振，此时q值读数为q2，电容读数为c2，有效电阻值即为rp=·此电的分布电容cp=c1-c2。如c1小于co，则此电阻在这个测试频率上具有电感性，它的电感量为lp=1/，此处lp单位uh;c1、c2单位pf;f单位khz。8.低阻抗的测量低阻值电阻、大容量的电容和小电感等低阻抗都可以且串联法来进行测量。按第6项～操作进行。将被测件和标准电感串联后再接入“lx”接线柱，保持高频振荡频率不变。并重调电容度盘，使测试回路恢复谐振。读出c2和q2值，就可以按下式算得有效电阻值rs=×106此处rs单位ω;c1、c2单位为pf;f单位khz。使用注意事项1.被测件和测量回路的接线柱间的接线应尽量短和足够粗，并且要接触良好可靠，以减少因接线的电阻和分布参数所带来的测量误差。2.被测件不要直接搁在仪器顶部，必要时可用低损耗的绝缘材料如聚苯乙烯做成的衬垫物衬垫。3.不要把手靠近被测件，以免人体感应影响而造成测量误差。有屏蔽的被测件，屏蔽罩应连接在低电位端的接线柱上。4.估计被测件的q值，并将q值范围开关置于适当的档级上。在不了解被测件的q值时，q值范围开关应置于高档。定位粗调旋钮应保持适当位置，特别在变换高频振荡频率档级时，要避免定位表超过满度引起损坏。5.仪器应保持清洁干燥，特别是测试回路部分。