【参赛】简易高频Q表

Edmon · 发表于 2024-1-8 01:37:19

本帖最后由 Edmon 于 2024-1-8 01:37 编辑

引言

随着各种廉价的自平衡电桥和VNA的面世，从几十Hz到GHZ范围内测量元件的阻抗已经非常容易。但是若想得到可靠的Q值测量，这两者都受到了不同的限制：廉价的自平衡电桥一般只能做到100kHz，虽然精确但对于收音机常用频段（500 kHz 至 ~ 100 MHz）无能为力，高端的自平衡电桥又要数万美元；VNA的话，采用S11参数只对于阻抗在50欧姆附近（10 Ω 至 1 kΩ）的元件能够较为精确的测量，对于NanoVNA之类的简易VNA则适用范围更窄，对Q值之类的副参数精度更低。VNA还有一个补救措施，可以使用外部附件来转换为RF-IV的测量结构来扩展阻抗测量精度，这个留作以后的作业，指不定NanoVNA社区就有人先做掉了。传统的谐振法虽然使用不便，仍是测量高Q值元件的最简易途径。

无奈商业Q表太贵，俺也错过了从前的Q表套件，于是本着尽量不要重复发明轮子的宗旨，设计制作了这个简易高频Q表，因为手头的示波器自带信号发生器就没有内置信号源。结构十分简单，输入的50Ohm信号源通过变压器转换到0.02Ohm低内阻，然后输入到被测元件和可变电容的串联电路，测量谐振时电容两端的电压和信号源的电压，其比值就是Q值：

Q = Vload / Vsource * 52

其中52是变压器的匝数比。

框图.png

制作

下图是本制作的电路，较为简单就直接手绘+洞洞板了，没有做PCB。电路的主要部分就是两个高频高输入阻抗电压探头，用双栅场效应管接成跟随器并整流滤波，然后用Arduino自带的10-bit ADC测量直流电压。10-bit的ADC做一下16倍过采样得到12-bit有效数字（4096字），足够应付Q表的精度。

电路图.jpg

元件都是从库存垃圾堆里找的，所以什么样都有。可变电容用了一个3-140pF的和一个5-300pF的并联达到8-440pF的调节范围，并且外加一个5pF的做微调。140pF的电容接了减速旋钮方便调节。最后装在一个塑料盒子里。下面几个图展示了制作过程。

关键的自制零件，52：1的高频变压器，采用43材料的磁环，初级52圈，次级一圈用粗铜线：
线圈.jpg

可变电容：

放大器和Arduino：
放大器.jpg

放大器加了铜箔屏蔽：
屏蔽.jpg

调试和编程

首先确认了跟随器和整流部分是可以工作的。然后调试的关键部分在于校准这个射频电压表。用信号发生器输入0-10Vpp的信号，然后读取ADC值，来校准电压表的非线性得到校准曲线。

单片机的软件部分也非常简单，分别读取两个ADC通道的值，应用校准曲线，比值乘以匝数比就得到Q值。下面的附件是单片机程序：

Q-meter-tom.zip (6.52 KB, 下载次数: 50)

成品效果

测量4.7uH的电感在22MHz的Q值（273）：
成品2.jpg

测量220uH的磁棒天线在540kHz的Q值（302）：
（因为无法上传更多附件暂时没图）

最后是按照比赛要求和纸条的合影。来矿坛这么多年了第一次参赛，谢谢大家。
参赛.jpg

radio988931 · 发表于 2024-1-8 16:19:37

非常不错的思路，程序也不错！赞！

dabfxz · 发表于 2024-1-8 09:25:42

思路清晰，手工也好，赞一个。

hujingdi · 发表于 2024-1-8 10:36:25

欢迎作者Edmon的作品《简易高频Q表》参赛

dxtxia · 发表于 2024-1-8 14:39:15

不错不错，好手艺

as8233639 · 发表于 2024-1-8 21:10:30

精心的制作，祝取得佳绩！

tl50znz · 发表于 2024-1-9 13:43:54

高手，软件硬件都精通，祝取得佳绩！

peiguoqing · 发表于 2024-1-11 09:38:03

非常不错，频率范围大约多少？贴片电容能测量吗

Edmon · 发表于 2024-1-11 10:01:37

peiguoqing 发表于 2024-1-11 09:38
非常不错，频率范围大约多少？贴片电容能测量吗

没有内置信号发生器，能测的范围取决于外部输入。
BF998组成的高频电压表带宽很大，覆盖到100MHz没问题。

测贴片倒是凑合可以，但想正经测贴片还是得设计个夹具。考虑到大部分贴片电感的Q值不高（100都算高的了），用NanoVNA足矣，我也就没再折腾

longshort · 发表于 2024-1-11 10:14:24

這一匝的粗銅綫强壯得真可以！

Jambalaya · 发表于 2024-1-11 11:46:55

感觉添一级推模拟表头用起来更顺手。

Edmon · 发表于 2024-1-12 06:31:00

longshort 发表于 2024-1-11 10:14
這一匝的粗銅綫强壯得真可以！

其实也就2mm，是磁环太小了显得铜线粗

Edmon · 发表于 2024-1-12 06:32:32

Jambalaya 发表于 2024-1-11 11:46
感觉添一级推模拟表头用起来更顺手。

这个设计之所以简介，是因为电压刻度和非线性校准都靠单片机，以及还要求一个比值，纯靠模拟的话会很麻烦，只加一级放大是估计搞不定

Jambalaya · 发表于 2024-1-12 08:22:56

本帖最后由 Jambalaya 于 2024-1-12 08:36 编辑

Edmon 发表于 2024-1-12 06:32
这个设计之所以简介，是因为电压刻度和非线性校准都靠单片机，以及还要求一个比值，纯靠模拟的话会很麻烦 ...

模拟表头只用于找峰值点，数字显示眼睛和脑子都要反应。或者有个按键可启动极大值留存与当前值双显示。

milamns · 发表于 2024-1-13 17:59:51

请问43材料是啥？FT50-43吗

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