詳解品質因數計

品質因數計通過測量諧振頻率下的串聯電阻確定諧振電路、晶體或諧振器的品質因數Q。品質因數Q與串聯電阻之間的關系可通過下列兩個簡單的方程式計算出來(Rs為串聯電阻，L和C為電抗元件，Fr為諧振頻率)：

本品質因數計有以下幾個不同之處：可以直接顯示串聯電阻的值，并基于一個串聯調諧振蕩器建立。

在本實例中，串聯調諧的拓撲結構更勝一籌是因為該結構在L和C之間普通節點并未引起自身的阻尼，還因為校準的負阻力將諧振回路的串聯電阻完全消除了。因此，這種負阻力僅僅是諧振電路的損失，別無其他。

電路描述

該電路以跨四拓撲結構為基礎(參考文獻1)：Q1至Q4構成四元組，該電路通過取消寄生參數在Q3與Q4的發射極之間合成一個零電阻。

在本實例中，為了使該電路發揮諧振器的作用，做了如下修改：使用齊納管D1~D4來確保晶體管有足夠的C-E動力保證正常運行，另外通過電池P1產生可調節正反饋(正反饋從Q2的集電器中產生并流入其底端，這就是新型反向跨四拓撲結構的工作模式)。

經此修改，P1滑臂和接地之間的電阻與Q3和Q4之間的發射極電阻成反比。當該電阻的大小與諧振回路電阻相等時，該電路便開始諧振。四元組中其他臂中的電流被R1攔截，使二極管檢波器D6/D7上產生電壓，并在J1上產生輸出電壓。D7為峰值檢波器，D6為替補峰值檢波器。當檢測到信號時，D7增加U1b(-)輸入的電壓，同時減少輸出，點亮D8。

該跨四拓撲結構由Q5和Q6兩個電流源提供偏壓電流，在U1a的幫助下精確提供5mA的電流。該偏壓電流還流經P1，同時導致電壓下降，下降的值等于分壓計設定值與5mA相乘的乘積。

R15/R16將此電壓分為五份傳送至毫伏計，毫伏計上顯示的值為分壓計的精確值，單位為歐姆。使用該方法可以準確地顯示實際電流值，而不需要使用大約值或進行更多的運算。如果要計算諧振頻率，可將一個頻率計連接至J1。

開關x1/x10可以通過與R8并聯來減小分壓計的表觀值，將滿標值由220Ω降至22Ω。由于C7阻隔了直流電流，顯示值并不會受影響，仍可以全分辨率顯示。

現在，我們來解釋一下各組件的功能：L1~L3、R2~R7、C2和C4均用于維持電路的穩定，同時抑制不必要的振蕩。如果沒有這些組件，該電路可能會以特高頻頻率振蕩。幾厘米長的測試端子形成了一個開放式傳輸線路，該線路擁有自己的諧振頻率,且由于其品質因數Q值很高，其在電路中總是處于主導地位。

其它附加組件限制了頻率范圍：在本實例中，最大可用頻率約為100MHz(保持可接受的精度)。這是在性能和可用性之間的權衡。L1~L3為電感約為80nH(50Ω)的鐵氧體磁珠。毋庸置疑，為保證電路穩定正常運行，良好的布局技術是不可或缺的。

調節

在沒有振蕩發生的情況下，需調節TR2使LEDD8處于關閉狀態，以便其可以在發生振蕩時迅速點亮。

可使用1MHz~10MHz范圍內的高質量調諧電路(聚苯乙烯或銀云母電容，低損耗電感器)來調節TR1。預設TR1在其滑臂和-12V之間讀取0.5V電壓；在22Ω(x1)范圍內測量該振蕩電路并記下測量值；然后，將一個無電感10Ω精確電阻與LC串聯在一起；將P1調整為新的數值，并使TR1能夠讀取10Ω與最初測量值之和；再檢查一下整個流程：通常情況下，該電路會很快聚合，一個或兩個通路便足夠。檢查指示燈是否與x10范圍一致。

使用須知

使用某些類型的組件之后，有時會出現模棱兩可的情況：當在低頻電路中使用某些類型的諧振器時就會出現這種情況。

低頻率下，組件體積很大，電感器的并聯電容也比較大。這種布線方式及電容形成了一種更高頻率的“幽靈”諧振電路，該電路的品質因數Q要高于“常規”電路，這是因為低頻電感器擁有較高的等效串聯電阻(ESR)。所有這些都意味著測試者會首先發現甚高頻(VHF)諧振，但這并不是電路故障，而是很正常的現象。

為使電路僅在低頻率下運行，需在電路中使用大型鐵氧體磁珠以“消除”高頻(HF)響應。圖1中(圖1請在www.ednchina.com上查找)展示了一種切實可行的實現方法：測試端子為直連PCB的螺旋型端子。在甚高頻條件下這些端子可以直接使用；但在一般情況下，這些端子可以利用彈簧夾延伸，這樣使用更加便捷，此外每個連接中都串聯了一個大型鐵氧體磁珠(1μH/600Ω)。這樣，電路就可以在低于10MHz頻率下高效運行。

使用機械諧振器時可能還會出現同樣的問題：動態參數會被物理電容分流，而這種電容會與連接長度產生共振。對陶瓷諧振器來說，尤其是這樣，因為陶瓷諧振器的電容量比晶體諧振器的電容量大的多。而補救方法與上述方法一樣：在電路中添加額外的珠狀高頻阻尼，或者使用被電阻器分流的電感器。

使用晶體也同樣有其自身的問題。晶體的品質因數Q很大，導致其時間系數也很大。本測試中未計入殘余損失，所以將顯而易見的品質因數Q和時間系數增加到了無限大。在正確設置P1后，振蕩會積聚長達一分鐘時間。這使調整工作近乎不可能完成—即使以很慢的速度打開P1，當LED燈亮時，得到的數值也會比正確數值大很多。

在這種情況下，最簡單的解決方法就是將一個示波器連接到J1，同時觀察振幅并手動進行增益控制：改變很緩慢，所以很容易進行手動調整。其中，振蕩器完全起到了積分器的作用。

其它應用

由于本身取消了寄生參數，該振蕩器拓撲結構能夠提供杰出的穩定性，也可以運用到其他應用中(如近程檢測器)，如果使用的是敏感元件，該電路具有電感性；如果L和C之間的普通節點為輸入節點，則該電路具有電容性。

在不考慮并聯電容等寄生因素的情況下，該電路還能夠精確地找出晶體的準確自然諧振(串聯情況下)。