一、阻抗變換器簡(jiǎn)介

　　阻抗匹配是無(wú)線電技術(shù)中常見(jiàn)的一種工作狀態(tài)，它反映了輸入電路與輸出電路之間的功率傳輸關(guān)系．當(dāng)電路實(shí)現(xiàn)阻抗匹配時(shí)，將獲得最大的功率傳輸．反之，當(dāng)電路阻抗失配時(shí)，不但得不到最大的功率傳輸，還可能對(duì)電路產(chǎn)生損害．

　　阻抗匹配常見(jiàn)于各級(jí)放大電路之間、放大器與負(fù)載之間、測(cè)量?jī)x器與被測(cè)電路之間、天線與接收機(jī)或發(fā)信機(jī)與天線之間，等等．例如，擴(kuò)音機(jī)的輸出電路與揚(yáng)聲器之間必須做到阻抗匹配，不匹配時(shí)，擴(kuò)音機(jī)的輸出功率將不能全部送至揚(yáng)聲器．如果揚(yáng)聲器的阻抗遠(yuǎn)小于擴(kuò)音機(jī)的輸出阻抗，擴(kuò)音機(jī)就處于過(guò)載狀態(tài)，其末級(jí)功率放大管很容易損壞．反之，如果揚(yáng)聲器的阻抗高于擴(kuò)音機(jī)的輸出阻抗過(guò)多，會(huì)引起輸出電壓升高，同樣不利于擴(kuò)音機(jī)的工作，聲音還會(huì)產(chǎn)生失真．因此擴(kuò)音機(jī)電路的輸出阻抗與揚(yáng)聲器的阻抗越接近越好．

　　為使其阻抗匹配，需采用阻抗變換器進(jìn)行匹配。常用阻抗變換器的同軸線阻抗變換器有直線漸變式和階梯式兩種。使入端阻抗與出端阻抗形成一定關(guān)系的二端口網(wǎng)絡(luò)。1954年J.G.林維爾把負(fù)阻抗變換器用于有源濾波器并建立了有關(guān)理論。隨著集成電路技術(shù)的進(jìn)步，使用集成運(yùn)算放大器構(gòu)成阻抗變換器，已成為阻抗變換器有源濾波器設(shè)計(jì)的基該方法。

　　二、阻抗變換器種類

　　廣義阻抗變換器

　　對(duì)于圖1的二端口網(wǎng)絡(luò)，輸入電壓U1（s）、輸入電流I1（s）與輸出電壓U2（s）、輸出電流I2（s）的關(guān)系，可根據(jù)電路傳輸方程寫(xiě)為 　（1）式中參數(shù)A、B、C、D由網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、元件性質(zhì)和數(shù)值決定。若一網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成使得這四個(gè)參數(shù)中B=C=0，但A、D厵0，那么這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗Zi（s）將為 （2）式中f（s）=A/D，稱為變換因子，是復(fù)頻率變量s的函數(shù)。式（2）反映輸入阻抗Zi（s）與負(fù)載阻抗ZL（s）有一定比例的變換關(guān)系。

圖一

　　阻抗變換器

　　在有源網(wǎng)絡(luò)中常用的負(fù)阻抗變換器（NIC），也是一種廣義阻抗變換器，只是它的變換因子f（s）是負(fù)實(shí)常數(shù)，使接在網(wǎng)絡(luò)一側(cè)的阻抗被變換為另一側(cè)的負(fù)阻抗，因而可用以作為負(fù)阻元件。

　　廣義阻抗倒量器

　　對(duì)于圖1的二端口網(wǎng)絡(luò)的四個(gè)參數(shù)，若A=D=0，但B、C厵0，那么兩個(gè)端口上的阻抗關(guān)系將為 　 （3）它表示從一個(gè)端口看進(jìn)去的阻抗 Zi（s）與另一端口跨接的負(fù)載ZL（s）成倒數(shù)關(guān)系。式中g(shù)（s）=B/C，稱為倒量變換因子。廣義阻抗倒量器是B.D.H.特勒根于1948年首先提出的。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同，由它所決定的參數(shù)B、C也不同，因而可以獲得不同類型的阻抗倒量特性。

圖2a

　　回轉(zhuǎn)器

　　一種常用的阻抗倒量器，它的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)B=r，C=1/r，倒量變換因子g（s）=B/C=r2。式中r為正實(shí)常數(shù)，稱為回轉(zhuǎn)電阻。當(dāng)在回轉(zhuǎn)器的一個(gè)端口上接電容器C 時(shí)，其另一個(gè)端口的阻抗將呈感抗特性，即依式（3）有 　 （4）式中稱為模擬電感值。如C=1微法，r=10千歐，即可用以模擬一個(gè)100亨的電感器。

　　阻抗變換器的變換內(nèi)容和電路形式很多。圖2a是由運(yùn)算放大器組成的一種典型的 GIC電路。若運(yùn)算放大器是理想的，則該電路的輸入阻抗為 　（5）若將圖中的Z1、Z2、Z3分別換為電阻R1、R2、R3，且以電容器C 取代Z4并使負(fù)載為純電阻RL，則這一電路就變成圖2b的形式，其輸入阻抗為 　 （6）它相當(dāng)于接地電感器，其等效電感。

　　阻抗變換器

　　若圖2a的Z2、Z3、Z4分別換為電阻R2、R3、R4，且以電容器C1取代Z1并負(fù)載為純電容CL，則這一電路就變成圖2c的形式，其輸入阻抗為 　 （7）當(dāng)s=jw時(shí)， 　 （8）它是一種與頻率的平方成反比的負(fù)電阻，稱為頻變負(fù)阻（FDNR），是有源網(wǎng)絡(luò)中的又一種二端口元件。

　　用兩個(gè)運(yùn)算放大器可實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)器電路。若運(yùn)算放大器為理想器件，且負(fù)載端接電容器C，則從輸入端看進(jìn)去的輸入阻抗等效為一個(gè)電。此外，用來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗變換的網(wǎng)絡(luò)元件尚可舉出變壓器、射極跟隨器和各種傳輸線元件。

　　三、阻抗變換器的作用

　　阻抗變換器的作用是解決微波傳輸線與微波器件之間匹配的，在通常情況下，同軸傳輸線的阻抗為75Ω，而與饋線相連的極化分離器和波道濾波器的輸入輸出阻抗為50Ω。

　　四、阻抗變換器電路

　　阻抗變換器將兩根電極之間的阻抗轉(zhuǎn)換成電壓送至HMS87C1408B進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，HMS87C-1408B將轉(zhuǎn)換值進(jìn)行處理后送LCD顯示，并由語(yǔ)音電路輸出報(bào)數(shù)信息或超標(biāo)提示。由于測(cè)試儀常常需要在室外陽(yáng)光下和傍晚時(shí)操作，因此可用自動(dòng)背光控制電路自動(dòng)調(diào)節(jié)LCD顯示的亮度。自動(dòng)背光通過(guò)光敏電阻感應(yīng)外界環(huán)境的光照度，并將其轉(zhuǎn)換成電壓直接去控制背光源的電流，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)背光控制。按鍵用于設(shè)置待測(cè)試物的種類或品種、選擇語(yǔ)音提示或語(yǔ)音報(bào)數(shù)的方式、超標(biāo)閾值、因?yàn)闇囟茸兓枰拚闹狄约巴ㄟ^(guò)按鍵來(lái)顯示平均值等等。電源電路用于將6 V的電池電壓轉(zhuǎn)換成3.9 V的系統(tǒng)供電，當(dāng)電池電壓下降到4.5 V時(shí)，由低電壓檢測(cè)電路檢測(cè)并提供電平轉(zhuǎn)換信號(hào)給主控芯片，由主控芯片通過(guò)語(yǔ)音電路播出“請(qǐng)更換電池”語(yǔ)音。

　　阻抗變換器電路是本系統(tǒng)的一個(gè)重要電路，它的性能關(guān)系到測(cè)試數(shù)據(jù)的精度和測(cè)試數(shù)據(jù)的有效范圍。本系統(tǒng)選擇單電源供電、低漂移、高阻運(yùn)算放大器TLC27L2B結(jié)合外圍電阻構(gòu)成阻抗變換器電路。TLC27L2B的輸入阻抗高達(dá)1012 Ω，而被測(cè)物籽棉、菜籽和糧食（包括稻谷、玉米、小麥）的阻抗范圍在幾百KΩ到10 GΩ，所以，TLC27L2B適合用作阻抗變換器，并且其功耗極低。阻抗變換器電路如圖2。它實(shí)際上是一個(gè)電壓跟隨器電路。電壓跟隨器具有高阻輸入低阻輸出的特點(diǎn)，它的增益為：

　　Rc、Rd分別是運(yùn)放的差分輸入電阻和共模輸入電阻；K是運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益。

　　輸出電壓：

　　Rm為被測(cè)阻抗，當(dāng)電子開(kāi)關(guān)Kd閉合時(shí)R12=R1//R2，當(dāng)Kd打開(kāi)時(shí)R12=R1。Kd用于調(diào)節(jié)被測(cè)阻抗的范圍。當(dāng)R1選擇30 MΩ時(shí)，被測(cè)阻抗可高達(dá)lO GΩ。Usc經(jīng)分壓后送主控芯片作A/D轉(zhuǎn)換可得到含水量。