T型網(wǎng)絡(luò)衰減電路

1、T 型 電 阻 衰 減 電 路一性能指標(biāo) :1 設(shè)計(jì)一個(gè) T 型電阻衰減電路要求衰減倍數(shù) -40db在 0-50MHZ頻率范圍內(nèi)衰減倍數(shù)基本不變2設(shè)計(jì)一個(gè) T 型網(wǎng)絡(luò)衰減電路要求衰減倍數(shù) -60db頻率要求在低頻范圍內(nèi)（低于 200khz）在無線系統(tǒng)測試中常常需要對從一個(gè)設(shè)備到另一個(gè)設(shè)備的信號進(jìn)行衰減。例如， 射頻發(fā)射機(jī)測試中， 涉及的功率等級常常從幾瓦到幾百瓦甚至上千瓦， 這么大功 率的信號必須得經(jīng)過衰減以后才可以連接到大部分的測試設(shè)備中， 否則會(huì)對測試 設(shè)備有損害。 一種叫做衰減器的簡單電路常常能用來減少信號幅度， 而且衰減器 不但可以把信號電壓衰減到一定值還可以對阻抗值進(jìn)行變換。 實(shí)現(xiàn)此

2、功能的電路 常常被稱作型或 ?T 型衰減網(wǎng)絡(luò)大部分測試設(shè)備常常具有特定的輸入阻抗。 比如， 許多的無線通信測試設(shè)備 的特性阻抗為 ?50?而視頻設(shè)備的特性阻抗為 ?75?，而 T 型電阻衰減網(wǎng)絡(luò)可以根 據(jù)實(shí)際要求隨意設(shè)置輸入阻抗， 可以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配問題； 而且 T 型網(wǎng)絡(luò)采用電阻 并聯(lián)后分壓的方式， 也可以避免使用大電阻分壓對衰減網(wǎng)絡(luò)的性能產(chǎn)生影響； 另 外，T 型電阻衰減網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)簡單，易于計(jì)算，所以在電阻分壓時(shí)經(jīng)常被使用。方案一 高頻 T 型電阻衰減網(wǎng)絡(luò)題目要求設(shè)置衰減增益為 -40dB, 輸入輸出阻抗為與外部儀器阻抗匹配，因?yàn)橐獪y 試比較高的頻率( 0- 50MHZ)，用普通的示波器和信號

3、發(fā)生器與電路的連接線會(huì) 對測試結(jié)果產(chǎn)生很大影響(如普通的信號源連接線會(huì)等效為幾十 pf 的電容，與 電路中的電阻構(gòu)成一個(gè)頻率較高的低通濾波，會(huì)在頻率高時(shí)對電路產(chǎn)生衰減作 用)，因此要用到射頻頭和射頻線。因?yàn)樯漕l線的特性阻抗是 50，所以射頻線 特兩端的電阻阻值必須為 50，所以限制了 T 型網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出阻抗，從而限 制了衰減倍數(shù)。所以說要實(shí)現(xiàn)更高頻率的衰減，就不能實(shí)現(xiàn)更大的衰減。方案二 低頻 T 型電阻衰減網(wǎng)絡(luò)首先該方案是實(shí)現(xiàn)更高的衰減倍數(shù)，因?yàn)樵摲椒娮璧娜≈挡皇芟拗?，可以任意設(shè) 置衰減倍數(shù)。然而電路中就不能用射頻線，因此在高頻信號時(shí)，由于普通信號線存在有等效電容，會(huì)在高頻信號時(shí)對信號衰減

4、， 所以說此方案只使用于低頻信號。三 . 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)<1> 普通的 T 型衰減網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì) T 型電阻網(wǎng)絡(luò)衰減時(shí)， 為了保證衰減倍數(shù)能夠在理論計(jì)算值誤差范圍內(nèi)， 必須 要考慮阻抗匹配，即上一級的輸出阻抗要和 T 型網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗要一致，即 R'=RI，下一 級的輸入阻抗要和 T 型網(wǎng)絡(luò)的輸出阻抗一致，即 RL=Ro,電路圖如下所示圖1由阻抗關(guān)系可得Ro R2 R3 /( R1 RI)RI R1RI又根據(jù)電路輸入電壓和輸出電壓關(guān)系可得(RI R1 UI UI ) R2 Uo-UI RI R3 RI由（1）（2）（3）關(guān)系式可推出R1(RI Uo(Ro UIUo2RI1

5、)U2IRI Uo221 Ro UI 2RI(4)R2(Uo 1)UI2RI UoU2IRoRI Uo22 1 Ro Ro UI 25）R32 RIUoUIRI Uo221Ro UI 2(6)<2> 對稱 T 型衰減網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)圖 1 設(shè)計(jì)的電路圖適用于所有 T 型電阻衰減網(wǎng)絡(luò)，若當(dāng) R1=R2時(shí)，該 T 型電阻衰減網(wǎng)絡(luò) 就變成對稱 T 型衰減網(wǎng)絡(luò)，其電路圖如下所示圖27）由阻抗關(guān)系可得Ro RI R1 R2 /( R1 RI)又根據(jù)電路輸入電壓和輸出電壓關(guān)系可得RI R1 UI UI RI R1 (RIRIR1 URI2 URII ) R1 Uo-UI RIRIR1由（7）（ 8）關(guān)

6、系式可推出Uo 1(9)(10)R1 Ro UIUo 1UI2UoR2 Ro UoU2I 1UI 2 1<3>高頻 T 型電阻衰減網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)由上可以知道，要設(shè)置輸入阻抗 RI=R'=50， （R'為信號源內(nèi)部固定阻抗，與輸入阻抗匹配 ），要設(shè)置 Ro/RL+R4=50, （實(shí)現(xiàn)與射頻線匹配）為了方便計(jì)算，這里我們?nèi)o=50，則 RL=Ro=50（負(fù)載與輸出阻抗匹配） ，可推出 R4=25圖3先已知 RI=Ro=50，衰減倍數(shù) Au1=-40db,由公式（ 4）（5）（6）可推出R1=R2=49.01R3=1<4>低頻 T 型電阻衰減網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)低頻 T 型電

7、阻衰減網(wǎng)絡(luò)中， 雖然不用設(shè)置射頻線阻抗匹配， 但仍然需要設(shè)置輸入輸出阻抗匹配，如圖 1 所示。這里我設(shè) RI=RL=1k,由性能指標(biāo)可知， Au2=-60db, 可根據(jù)公式 （4）（5）（6） 可推出R1=R2=998R3=2四系統(tǒng)調(diào)試和分析<1>電路仿真1. 高頻 T 型電阻衰減網(wǎng)絡(luò)下圖是輸入幅值為 10V（峰峰值 20V）, 頻率分別為 1kHZ、1MHZ、50MHZ的交流信號 上圖為仿真出 來的輸出波形（輸入為綠色，輸出為黃 色），輸入波形的頻率為1khz,1Mhz,50Mhz,峰峰值為 20V,輸出波形的峰峰值為 200mV.基本無偏差 .由上可知知道，該 T 型分壓衰減網(wǎng)

8、絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)在 0-50MHZ頻率范圍內(nèi) , 實(shí)現(xiàn)對信號衰減-40db.2. 低頻 T型電阻衰減網(wǎng)絡(luò)下圖是輸入幅值為 10V（峰峰值 20V）, 頻率為 1kHZ，50KHZ,300KHZ,1MH的Z 交流信號上圖為仿真出來的輸出波形（輸入為綠色，輸出為黃色） ，輸入波形的頻率為 0 1Mhz范圍內(nèi), 峰峰值為 20V,輸出波形的峰峰值均值為 20mv. 綜上現(xiàn)象可以知道 , 該 T 型分壓衰減網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)在 0-1MHZ頻率范圍內(nèi) , 實(shí)現(xiàn)對信號衰減-60db.<2>實(shí)物電路圖及結(jié)果分析1. 高頻 T 型電阻衰減網(wǎng)絡(luò) 下圖是輸入一個(gè)峰峰值為 2.5V ，頻率分別為 100hz、10

9、khz、1Mhz、20Mhz、 50Mhz、80Mhz 的正弦波，通過 T 型衰減網(wǎng)絡(luò)，其輸出波形如下所示26.4 27.0 25.9mV由上可知，頻率在 050MHZ，輸入電壓峰峰值為 UI=2.5V 經(jīng)過該高頻 T 型電阻衰減網(wǎng)絡(luò)后， 輸出波形的峰峰值為 25.8mv、 25.6mv、25.4mv、 25.2mv、25.8mv、 26.4mv，無失真，總體 變化幅度小于 2mv則輸入電壓峰峰值 U o 25.8 25.6 25.4 25.2衰減倍數(shù)AU120logUO 20log( 25.9mV UI) 38db2VUI輸入功率PI1(2R2I)22.5V 2.5V 0.016W8 50輸

10、出功率Po1(2Uo2)222Ro25.9mV 25.9mV 0.0017mW8 50說明該高頻 T 型電阻衰減網(wǎng)絡(luò)可以在 050Mhz頻率范圍內(nèi)衰減 -38db, 且衰減倍數(shù)無明顯變 化，在誤差范圍內(nèi)滿足實(shí)驗(yàn)要求。另外，在測試高頻 T 型電阻衰減網(wǎng)絡(luò)時(shí)，用的示波器型號是 DS22022. 低頻 T型電阻衰減網(wǎng)絡(luò)下圖是輸入一個(gè)峰峰值為 20V，頻率分別為 100hz、10khz、50khz、100khz、200khz 的 正弦波，通過 T 型衰減網(wǎng)絡(luò)，其輸出波形如下所示由上可知，頻率在 0200kHZ，輸入電壓峰峰值 UI=20V，經(jīng)過該低頻 T 型電阻衰減網(wǎng)絡(luò)后， 輸出波形的峰峰值分別為 2

11、7.4mv、27.0mv、26.0mv、26.2mv、27.0mv 范圍內(nèi)，無失真，變 化幅度小于 2mv則輸出電壓為 Uo=Uo 27.4 27.0 26.0 26. 2 27.0 26.72mV衰減倍數(shù)AU 220logUUoI 20log(26.2702VmV) 57.5dbUI輸入功率PI2UI 2( UI )222RI20V 20V 0.05W8 1000輸出功率Po2(2 2 )Ro25.9mV 25.9mV 0.0089mW8 1000說明該高頻T 型電阻衰減網(wǎng)絡(luò)可以在 0 200Khz 頻率范圍內(nèi)衰減 -57.5db, 由于輸入輸出電 阻匹配度不夠，誤差較大，但仍大致達(dá)到實(shí)驗(yàn)要

12、求。五遇到的問題及解決方案1、在測試過程中，用普通的示波器和信號發(fā)生器連接線在測試T 型分壓衰減網(wǎng)絡(luò)的頻200率響應(yīng)時(shí)，當(dāng)信號達(dá)到十幾兆時(shí)，信號會(huì)產(chǎn)生幅度較大的衰減，已知輸入出阻抗是答; 因?yàn)樾盘柊l(fā)生器連接線可以等效成幾十 pf 的電容與電路的輸入阻抗形成低通濾波， 所以會(huì)衰減，計(jì)算如下：等效電容大致取值為 C' =50pf, 輸入阻抗 RI=200形成低通濾波的截止頻率為所以說信號在十幾兆會(huì)產(chǎn)生明顯的衰減2. 為什么阻抗不匹配在高頻信號中會(huì)反射，什么是反射？反射是指在電路中由于拐角，過孔，元件引腳，線寬變化， T 型引線等阻抗發(fā)生突變， 就會(huì)有部分信號沿傳輸線反射回源端。 表征這一現(xiàn)

13、象的最好的量化方法就是使用反射系數(shù)， 反射系數(shù)是指反射信號與入射信號幅值之比，其大小為： (Z2-Z1)/ (Z2+Z1) 。Z1是第一個(gè) 區(qū)域的特性阻抗， Z2是第二個(gè)區(qū)域的特性阻抗。 當(dāng)信號從第一個(gè)區(qū)域傳輸?shù)降诙€(gè)區(qū)域時(shí)， 交界處發(fā)生阻抗突變，因而形成反射例如，圖 a 左邊是 T 型網(wǎng)絡(luò)的輸出端并聯(lián)一個(gè)負(fù)載，右邊是一個(gè)射頻線。設(shè)射頻線的 特性阻抗為 Z1=50，而射頻線左邊區(qū)域的特性阻抗為 Z2=RL/Ro=25，由于 Z1 Z2, 阻 抗不匹配，所以電路中會(huì)出現(xiàn)反射現(xiàn)象反射系數(shù) =(Z2-Z1)/ (Z2+Z1)= (50-25) /(50+25)=33.2%輸入電壓為 1.25V則電壓

14、反射量 =1.25*33%=0.41圖a 圖 b3. 射頻線的工作特性如下：Vo1 為輸出一個(gè)電壓值，為了保證阻抗匹配，需要加匹配電阻 R1=50與射頻線的特性阻抗 R2匹配，射頻頭阻斷了電流從 Vo1 流向 Vo2，因此 Vo1=Vo2方案改進(jìn)綜上可知，方案一可以試驗(yàn) 0-50MHZ 的信號衰減，然而衰減倍數(shù)卻只能衰減 -40db, 案 二可以實(shí)現(xiàn)更大的衰減倍數(shù)，卻因此阻抗不匹配，不能用射頻線，在頻率高時(shí)，由于連接 線上存在的等效電容和電感等會(huì)使帶寬受到限制。若要在帶寬足夠大時(shí)增大衰減倍數(shù)，需要使用更小的電阻才能實(shí)現(xiàn) 十實(shí)驗(yàn)總結(jié)與提高1實(shí)驗(yàn)中存在的不足之處1. 方案一衰減倍數(shù)不夠大，方案二帶寬不夠2. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差較大3. 方案設(shè)計(jì)時(shí)只采用了對稱 T 型網(wǎng)絡(luò)，未采用非對稱 T 型網(wǎng)絡(luò)2實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)(1) 在設(shè)計(jì)高頻 T型電阻衰減網(wǎng)絡(luò) PCB時(shí)，要保持地的完整性，信號線距離要短，減少彎曲(2) 在設(shè)計(jì)電路時(shí)，盡量選擇阻值較小的電阻，否則會(huì)產(chǎn)生噪聲等(3) 用射頻線時(shí)，要保證射頻