一、阻抗變換器簡介

　　阻抗匹配是無線電技術中常見的一種工作狀態，它反映了輸入電路與輸出電路之間的功率傳輸關系．當電路實現阻抗匹配時，將獲得最大的功率傳輸．反之，當電路阻抗失配時，不但得不到最大的功率傳輸，還可能對電路產生損害．

　　阻抗匹配常見于各級放大電路之間、放大器與負載之間、測量儀器與被測電路之間、天線與接收機或發信機與天線之間，等等．例如，擴音機的輸出電路與揚聲器之間必須做到阻抗匹配，不匹配時，擴音機的輸出功率將不能全部送至揚聲器．如果揚聲器的阻抗遠小于擴音機的輸出阻抗，擴音機就處于過載狀態，其末級功率放大管很容易損壞．反之，如果揚聲器的阻抗高于擴音機的輸出阻抗過多，會引起輸出電壓升高，同樣不利于擴音機的工作，聲音還會產生失真．因此擴音機電路的輸出阻抗與揚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系的二端口網絡。1954年J.G.林維爾把負阻抗變換器用于有源濾波器并建立了有關理論。隨著集成電路技術的進步，使用集成運算放大器構成阻抗變換器，已成為阻抗變換器有源濾波器設計的基該方法。

　　二、阻抗變換器種類

　　廣義阻抗變換器

　　對于圖1的二端口網絡，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）的關系，可根據電路傳輸方程寫為 　（1）式中參數A、B、C、D由網絡的結構、元件性質和數值決定。若一網絡的構成使得這四個參數中B=C=0，但A、D厵0，那么這個網絡的輸入阻抗Zi（s）將為 （2）式中f（s）=A/D，稱為變換因子，是復頻率變量s的函數。式（2）反映輸入阻抗Zi（s）與負載阻抗ZL（s）有一定比例的變換關系。

圖一

　　阻抗變換器

　　在有源網絡中常用的負阻抗變換器（NIC），也是一種廣義阻抗變換器，只是它的變換因子f（s）是負實常數，使接在網絡一側的阻抗被變換為另一側的負阻抗，因而可用以作為負阻元件。

　　廣義阻抗倒量器

　　對于圖1的二端口網絡的四個參數，若A=D=0，但B、C厵0，那么兩個端口上的阻抗關系將為 　 （3）它表示從一個端口看進去的阻抗 Zi（s）與另一端口跨接的負載ZL（s）成倒數關系。式中g（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。網絡結構不同，由它所決定的參數B、C也不同，因而可以獲得不同類型的阻抗倒量特性。

圖2a

　　回轉器

　　一種常用的阻抗倒量器，它的網絡參數B=r，C=1/r，倒量變換因子g（s）=B/C=r2。式中r為正實常數，稱為回轉電阻。當在回轉器的一個端口上接電容器C 時，其另一個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100亨的電感器。

　　阻抗變換器的變換內容和電路形式很多。圖2a是由運算放大器組成的一種典型的 GIC電路。若運算放大器是理想的，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s=jw時， 　 （8）它是一種與頻率的平方成反比的負電阻，稱為頻變負阻（FDNR），是有源網絡中的又一種二端口元件。

　　用兩個運算放大器可實現回轉器電路。若運算放大器為理想器件，且負載端接電容器C，則從輸入端看進去的輸入阻抗等效為一個電。此外，用來實現阻抗變換的網絡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換成電壓送至HMS87C1408B進行A/D轉換，HMS87C-1408B將轉換值進行處理后送LCD顯示，并由語音電路輸出報數信息或超標提示。由于測試儀常常需要在室外陽光下和傍晚時操作，因此可用自動背光控制電路自動調節LCD顯示的亮度。自動背光通過光敏電阻感應外界環境的光照度，并將其轉換成電壓直接去控制背光源的電流，實現自動背光控制。按鍵用于設置待測試物的種類或品種、選擇語音提示或語音報數的方式、超標閾值、因為溫度變化需要修正的值以及通過按鍵來顯示平均值等等。電源電路用于將6 V的電池電壓轉換成3.9 V的系統供電，當電池電壓下降到4.5 V時，由低電壓檢測電路檢測并提供電平轉換信號給主控芯片，由主控芯片通過語音電路播出“請更換電池”語音。

　　阻抗變換器電路是本系統的一個重要電路，它的性能關系到測試數據的精度和測試數據的有效范圍。本系統選擇單電源供電、低漂移、高阻運算放大器TLC27L2B結合外圍電阻構成阻抗變換器電路。TLC27L2B的輸入阻抗高達1012 Ω，而被測物籽棉、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。它實際上是一個電壓跟隨器電路。電壓跟隨器具有高阻輸入低阻輸出的特點，它的增益為：

　　Rc、Rd分別是運放的差分輸入電阻和共模輸入電阻；K是運放的開環增益。

　　輸出電壓：

　　Rm為被測阻抗，當電子開關Kd閉合時R12=R1//R2，當Kd打開時R12=R1。Kd用于調節被測阻抗的范圍。當R1選擇30 MΩ時，被測阻抗可高達lO GΩ。Usc經分壓后送主控芯片作A/D轉換可得到含水量。