为什么面包板不适合高频电路

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01 为什么在面包板上玩射频

方便,当然还是方便。面包板是进行一些电子线路实验构建电路方便的平台。多用于普通数字电路和模拟电路。一旦涉及到高频电路,面面包就有很多方面不太适合了。

那么到底哪方面不适合?对于高频信号在面包板上的表现形式到底如何?下面通过一些简单的测试来回答这个问题。

02 实验器材

实验器材包括有以下几个方面:

1. 频谱仪

这里使用了一台 DSA815 频谱仪,它具有“Trace”功能,可以用于测量一些系统的频率特性。

 

▲ DSA815 频谱仪

 

DSA815 还有具有联网功能,可以通过网络读取它的数据,这样便于分析。比如下面就是从 DSA815 读取的数据通过 Python 绘制的频谱图。

▲ DSA815 读取的数据

 

2. 面包板

测试的面包板就是下面这种普通的使用所使用的面包板。

 

▲ 小型面包板

03 初步信号测试

1.DSA815 输出信号

设置 DSA815 TG 输出 0dbm 信号。在它的 TG 输出端口增加 50Ω的电阻负载。使用示波器测量 50Ω上的波形。此时设置频率范围是:10~150MHz。

 

▲ TG 输出信号施加在 51Ω负载电阻,使用示波器测量输出信号波形

 

输出波形的峰峰值(指的是中间高频部分,不包括非常低频的那部分的突出峰值)为 532mV。

 

▲ 测量 TG 输出电压波形

 

根据信号的峰峰值 Vpp=0.532V,可以算出此时的其他参数:

  • 信号的峰峰值 Vpp = 0.532V;信号的有效值 Vrsm = Vpp/2/sqrt(2) = 0.188V 信号在 50Ω上的功率 P50=0.708mW 输出功率的 dBm:PdDm = log10(P50*1000)*10 = -1.5

 

2. 频谱仪 TG 输出与输入在面包板上相连

将 DSA815 的 TG 输出如输入端口通过直插线在面包板上相连,看一下他们之间的耦合信号的情况。

(1)通过同轴电缆连接器直接相连

这种情况反映了 DSA815 本身在 TG 输出信号的频谱。

 

▲ 直接相连所得到频谱图

▲ 输出与输出通过同轴电缆连接器直接相连的频谱

 

(2)通过面包板直接相连

通过连接线将射频信号在面包板上相连。两个插针相距 200mil(即两排插孔)。

 

▲ 通过面包板直接连接

 

此时对应的 DSA815 测量的频谱特性为:

▲ 直接相连下,频谱图

 

下面将两个曲线对比,会发现他们有区别但相差不超过 2.5dBm.

▲ 对比直接相连与在面包板上相连对应的频谱曲线

 

(3)在面包边上错位不相连

A. 底线相连

两个接头仅仅是底线相连,信号线左右分开。

下面的曲线表明,面包板上对于输入信号线在仅仅底线相连情况下,仍然有近 -37dBm 的功率耦合。

▲ 底线信号对应的输出频谱曲线

 

B. 信号线相连

仅仅将同轴电缆中的相连,底线分开。对应的信号功率频谱如下:

▲ 信号线相连,底线分开使得频谱

 

C. 信号线相距不同位置

将输入信号与输出信号在面包板上相距一定位置,测量他们之间的耦合关系。

下图是 DSA815 的输出与输出在面包板上相距 21 格是对应的位置。

 

▲ 两个信号线在面包板上相距 21 格的位置

 

测量输入输出之间的耦合关系如下图所示。可以看出。面包板在不同的频率范围内对具有不同的耦合关系。在 40MHz, 115MHz 左右出现了两个峰值。而对于 20MHz 以内, 65MHz~90MHz,大于 135MHz 的频谱耦合强度就弱了。

由此可见,对于普通低于 20MHz 之内的电路实验,面包板还是可以提供非常优良的隔离绝缘环境的。

▲ 在相距 21 格的位置,输入输出之间的频谱特性

 

下面是测量输入输出之间相距的距离(100mil 为单位),每相差一格测量所对应的频谱曲线。从 1 到 21 。距离越远,面包板的的信号耦合强度月底。

▲ 相距不同距离输入输出之间的耦合频谱

 

04 结论

对于在面包上所做的高频电路实验,需要克服的是面板版内的信号耦合问题。对于低于 20MHzy 以下的信号。在相距一格之内的射频耦合强度小于 40dB。这对于大多数的数字和模拟线路实验都是允许的。

对于处在 40MHz,110MHz 左右的高频信号,班内的耦合强度很高。特别是在相距 1 格的情况下,对于 40MHz 左右的信号,相互之间耦合损耗只有10 多个dB,这就有可能使得很多数字信号和模拟信号产生较大的干扰。

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