T型网络衰减电路

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50Ω而视频设备的特性阻抗为75Ω，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)o2//(31RRRRRI-------------------------------------------（1）)I1//(32oRRRRR--------------------------------------------（2）又根据电路输入电压和输出电压关系可得RIR1RIUI-2)31(UoRRIUIRUIRIRRI----------------------（3）由（1）（2）（3）关系式可推出RIUIUoRoRIUIUoRIUIUoRoRIR12)1(122-------------------------------(4)o12)1(222RUIUoRoRIUIUoRIUIUoR------------------------------------（5）12322UIUoRoRIUIUoRIR-----------------------------------------------------(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)I1//(21RIoRRRRR--------------------------------------------（7）又根据电路输入电压和输出电压关系可得RIR1RIUI-1)21(UoRRIUIRUIRIRRI----------------------（8）由（7）（8）关系式可推出111UIUoUIUoRoR-------------------------------(9)12o222UIUoUIUoRR-----------------------------------------------------(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=49.01ΩR3=1Ω4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=998ΩR3=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mVU9.2560.274.262.254.256.258.25o衰减倍数dbVmVUIUAOU38)29.25log(20]log[201输入功率WVVRIUIPI016.05085.25.2)22(12Ω输出功率mWVVRoUoPo0017.0508m9.25m9.25)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DS22022.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=mVU72.2650.272.260.260.274.27o衰减倍数db5.57)2072.26(log20]log[202VmVUIUoAU输入功率WVVRIUIPI05.0100082020)22(22Ω输出功率mWVVRoUoPo0089.010008m9.25m9.25)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MHZCRIo1510210521'21f311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21ZZ,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b3.射频线的工作特性如下：Vo1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Vo1流向Vo2，因此Vo1=Vo2Vo1Vo2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