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在测量幅值时,应注意将“Y轴灵敏度微调”旋钮置于“校准”位置,即顺时针旋到底,且听到关的声音。
在测量周期时,应注意将“X轴扫速微调”旋钮置于“校准”位置,即顺时针旋到底,且听到关的声音。
还要注意“扩展”旋钮的位置。
根据被测波形在屏幕坐标刻度上垂直方向所占的格数(div或cm)与“Y轴灵敏度”开关指示值(v/div)的乘积,即可算得信号幅值的实测值。
根据被测信号波形一个周期在屏幕坐标刻度水平方向所占的格数(div或
cm)与“扫速”开关指示值(t/div)的乘积,即可算得信号频率的实测值。
2、函数信号发生器
函数信号发生器按需要输出正弦波、方波、三角波三种信号波形。
输出电压最大可达20VP-P。
通过输出衰减开关和输出幅度调节旋钮,可使输出电压在毫伏级到伏级范围内连续调节。
函数信号发生器的输出信号频率可以通过频率分档开关进行调节。
函数信号发生器作为信号源,它的输出端不允许短路。
3、交流毫伏表
交流毫伏表只能在其工作频率范围之内,用来测量正弦交流电压的有效值。
为了防止过载而损坏,测量前一般先把量程开关置于量程较大位置上,然
后在测量中逐档减小量程。
三、实验设备与器件
1、函数信号发生器2、双踪示波器
3、交流毫伏表
四、实验内容
1、用机内校正信号对示波器进行自检。
1)扫描基线调节
将示波器的显示方式开关置于“单踪”显示(Y1或Y2),输入耦合方式开关置“GND”,触发方式开关置于“自动”。
开启电源开关后,调节“辉度”、“聚焦”、“辅助聚焦”等旋钮,使荧光屏上显示一条细而且亮度适中的扫描基线。
然后调节“X轴位移”(
)和“Y轴位移”(
)旋钮,使扫描线位于屏幕中央,并且能上下左右移动自如。
2)测试“校正信号”波形的幅度、频率
将示波器的“校正信号”通过专用电缆线引入选定的Y通道(Y1或Y2),将Y轴输入耦合方式开关置于“AC”或“DC”,触发源选择开关置“内”,内触发源选择开关置“Y1”或“Y2”。
调节X轴“扫描速率”开关(t/div)和Y轴“输入灵敏度”开关(V/div),使示波器显示屏上显示出一个或数个周期稳定的方波波形。
a.校准“校正信号”幅度
将“y轴灵敏度微调”旋钮置“校准”位置,“y轴灵敏度”开关置适当位置,读取校正信号幅度,记入表1-1。
表1-1
标准值
实测值
幅度
Up-p(V)
频率
f(KHz)
上升沿时间
μS
下降沿时间
注:
不同型号示波器标准值有所不同,请按所使用示波器将标准值填入表格中。
b.校准“校正信号”频率
将“扫速微调”旋钮置“校准”位置,“扫速”开关置适当位置,读取校正信号周期,记入表1-1。
c.测量“校正信号”的上升时间和下降时间
调节“y轴灵敏度”开关及微调旋钮,并移动波形,使方波波形在垂直方向上正好占据中心轴上,且上、下对称,便于阅读。
通过扫速开关逐级提高扫描速度,使波形在X轴方向扩展(必要时可以利用“扫速扩展”开关将波形再扩展10倍),并同时调节触发电平旋钮,从显示屏上清楚的读出上升时间和下降时间,记入表1-1。
2、用示波器和交流毫伏表测量信号参数
调节函数信号发生器有关旋钮,使输出频率分别为100Hz、1KHz、10KHz、100KHz,有效值均为1V(交流毫伏表测量值)的正弦波信号。
改变示波器“扫速”开关及“Y轴灵敏度”开关等位置,测量信号源输出电压频率及峰峰值,记入表1-2。
表1-2
信号电压频率
示波器测量值
信号电压
毫伏表读数
(V)
周期(ms)
频率(Hz)
峰峰值(V)
有效值(V)
100Hz
1KHz
10KHz
100KHz
3、测量两波形间相位差
1)观察双踪显示波形“交替”与“断续”两种显示方式的特点
Y1、Y2均不加输入信号,输入耦合方式置“GND”,扫速开关置扫速较低挡位(如0.5s/div挡)和扫速较高挡位(如5μS/div挡),把显示方式开关分别置“交替”和“断续”位置,观察两条扫描基线的显示特点,记录之。
2)用双踪显示测量两波形间相位差
① 按图1-2连接实验电路,将函数信号发生器的输出电压调至频率为1KHz,幅值为2V的正弦波,经RC移相网络获得频率相同但相位不同的两路信号ui和uR,分别加到双踪示波器的Y1和Y2输入端。
为便于稳定波形,比较两波形相位差,应使内触发信号取自被设定作为测量基准的一路信号。
图1-2两波形间相位差测量电路
②把显示方式开关置“交替”挡位,将Y1和Y2输入耦合方式开关置“⊥”挡位,调节Y1、Y2的( )移位旋钮,使两条扫描基线重合。
③将Y1、Y2输入耦合方式开关置“AC”挡位,调节触发电平、扫速开关及Y1、Y2灵敏度开关位置,使在荧屏上显示出易于观察的两个相位不同的正弦波形ui及uR,如图1-3所示。
根据两波形在水平方向差距X,及信号周期XT,则可求得两波形相位差。
图1-3双踪示波器显示两相位不同的正弦波
式中:
XT——一周期所占格数
X——两波形在X轴方向差距格数
记录两波形相位差于表1-3。
表1-3
一周期格数
两波形
X轴差距格数
相位差
计算值
XT=
X=
θ=
为数读和计算方便,可适当调节扫速开关及微调旋钮,使波形一周期占整数格。
五、实验总结
1、整理实验数据,并进行分析。
2、问题讨论
1)如何操纵示波器有关旋钮,以便从示波器显示屏上观察到稳定、清晰的波形?
2) 用双踪显示波形,并要求比较相位时,为在显示屏上得到稳定波形,应怎样选择下列开关的位置?
a)显示方式选择(Y1;
Y2;
Y1+Y2;
交替;
断续)
b) 触发方式(常态;
自动)
c) 触发源选择(内;
外)
d)内触发源选择(Y1、Y2、交替)
3、函数信号发生器有哪几种输出波形?
它的输出端能否短接,如用屏蔽
线作为输出引线,则屏蔽层一端应该接在哪个接线柱上?
4、交流毫伏表是用来测量正弦波电压还是非正弦波电压?
它的表头指示
值是被测信号的什么数值?
它是否可以用来测量直流电压的大小?
六、预习要求
1、阅读实验附录中有关示波器部分内容。
2、已知C=0.01μf、R=10K,计算图1-2RC移相网络的阻抗角θ。
实验二 晶体管共射极单管放大器
1、学会放大器静态工作点的调试方法,分析静态工作点对放大器性能的影响。
2、掌握放大器电压放大倍数、输入电阻、输出电阻及最大不失真输出电压的测试方法。
3、熟悉常用电子仪器及模拟电路实验设备的使用。
二、实验原理
图2-1为电阻分压式工作点稳定单管放大器实验电路图。
它的偏置电路采用RB1和RB2组成的分压电路,并在发射极中接有电阻RE,以稳定放大器的静态工作点。
当在放大器的输入端加入输入信号ui后,在放大器的输出端便可得到一个与ui相位相反,幅值被放大了的输出信号u0,从而实现了电压放大。
图2-1共射极单管放大器实验电路
在图2-1电路中,当流过偏置电阻RB1和RB2的电流远大于晶体管T的
基极电流IB时(一般5~10倍),则它的静态工作点可用下式估算
UCE=UCC-IC(RC+RE)
电压放大倍数
输入电阻
Ri=RB1//RB2//rbe
输出电阻
RO≈RC
由于电子器件性能的分散性比较大,因此在设计和制作晶体管放大电路时,离不开测量和调试技术。
在设计前应测量所用元器件的参数,为电路设计提供必要的依据,在完成设计和装配以后,还必须测量和调试放大器的静态工作点和各项性能指标。
一个优质放大器,必定是理论设计与实验调整相结合的产物。
因此,除了学习放大器的理论知识和设计方法外,还必须掌握必要的测量和调试技术。
放大器的测量和调试一般包括:
放大器静态工作点的测量与调试,消除干扰与自激振荡及放大器各项动态参数的测量与调试等。
1、放大器静态工作点的测量与调试
1) 静态工作点的测量
测量放大器的静态工作点,应在输入信号ui=0的情况下进行,即将放大器输入端与地端短接,然后选用量程合适的直流毫安表和直流电压表,分别测量晶体管的集电极电流IC以及各电极对地的电位UB、UC和UE。
一般实验中,为了避免断开集电极,所以采用测量电压UE或UC,然后算出IC的方法,例如,只要测出UE,即可用
算出IC(也可根据
,由UC确定IC),
同时也能算出UBE=UB-UE,UCE=UC-UE。
为了减小误差,提高测量精度,应选用内阻较高的直流电压表。
2) 静态工作点的调试
放大器静态工作点的调试是指对管子集电极电流IC(或UCE)的调整与测试。
静态工作点是否合适,对放大器的性能和输出波形都有很大影响。
如工作点偏高,放大器在加入交流信号以后易产生饱和失真,此时uO的负半周将被削底,如图2-2(a)所示;
如工作点偏低则易产生截止失真,即uO的正半周被缩顶(一般截止失真不如饱和失真明显),如图2-2(b)所示。
这些情况都不符合不失真放大的要求。
所以在选定工作点以后还必须进行动态调试,即在放大器的输入端加入一定的输入电压ui,检查输出电压uO的大小和波形是否满足要求。
如不满足,则应调节静态工作点的位置。
(a)(b)
图2-2静态工作点对uO波形失真的影响
改变电路参数UCC、RC、RB(RB1、RB2)都会引起静态工作点的变化,如图2-3所示。
但通常多采用调节偏置电阻RB2的方法来改变静态工作点,如减小RB2,则可使静态工作点提高等。
图2-3电路参数对静态工作点的影响
最后还要说明的是,上面所说的工作点“偏高”或“偏低”不是绝对的,应该是相对信号的幅度而言,如输入信号幅度很小,即使工作点较高或较低也不一定会出现失真。
所以确切地说,产生波形失真是信号幅度与静态工作点设置配合不当所致。
如需满足较大信号幅度的要求,静态工作点最好尽量靠近交流负载线的中点。
2、放大器动态指标测试
放大器动态指标包括电压放大倍数、输入电阻、输出电阻、最大不失真输出电压(动态范围)和通频带等。
1) 电压放大倍数AV的测量
调整放大器到合适的静态工作点,然后加入输入电压ui,在输出电压uO不失真的情况下,用交流毫伏表测出ui和uo的有效值Ui和UO,则
2) 输入电阻Ri的测量
为了测量放大器的输入电阻,按图2-4电路在被测放大器的输入端与信号源之间串入一已知电阻R,在放大器正常工作的情况下,用交流毫伏表测出US和Ui,则根据输入电阻的定义可得
图2-4输入、输出电阻测量电路
测量时应注意下列几点:
①由于电阻R两端没有电路公共接地点,所以测量R两端电压UR时必须分别测出US和Ui,然后按UR=US-Ui求出UR值。
②电阻R的值不宜取得过大或过小,以免产生较大的测量误差,通常取R与Ri为同一数量级为好,本实验可取R=1~2KΩ。
3) 输出电阻R0的测量
按图2-4电路,在放大器正常工作条件下,测出输出端不接负载RL的输出电压UO和接入负载后的输出电压UL,根据
即可求出
在测试中应注意,必须保持RL接入前后输入信号的大小不变。
4) 最大不失真输出电压UOPP的测量(最大动态范围)
如上所述,为了得到最大动态范围,应将静态工作点调在交流负载线的中点。
为此在放大器正常工作情况下,逐步增大输入信号的幅度,并同时调节RW(改变静态工作点),用示波器观察uO,当输出波形同时出现削底和缩顶现象(如图2-5)时,说明静态工作点已调在交流负载线的中点。
然后反复调整输入信号,使波形输出幅度最大,且无明显失真时,用交流毫伏表测出UO(有效值),则动态范围等于
。
或用示波器直接读出UOPP来。
图2-5静态工作点正常,输入信号太大引起的失真
5) 放大器幅频特性的测量
放大器的幅频特性是指放大器的电压放大倍数AU与输入信号频率f之间的关系曲线。
单管阻容耦合放大电路的幅频特性曲线如图2-6所示,Aum为中频电压放大倍数,通常规定电压放大倍数随频率变化下降到中频放大倍数的
倍,即0.707Aum所对应的频率分别称为下限频率fL和上限频率fH,则通频带 fBW=fH-fL
放大器的幅率特性就是测量不同频率信号时的电压放大倍数AU。
为此,可采用前述测AU的方法,每改变一个信号频率,测量其相应的电压放大倍数,测量时应注意取点要恰当,在低频段与高频段应多测几点,在中频段可以少测几点。
此外,在改变频率时,要保持输入信号的幅度不变,且输出波形不得失真。
6) 干扰和自激振荡的消除
参考实验附录
3DG9011(NPN)
3CG9012(PNP)
9013(NPN)
图2-6幅频特性曲线图2-7晶体三极管管脚排列
三、实验设备与器件
1、+12V直流电源 2、函数信号发生器
3、双踪示波器 4、交流毫伏表
5、直流电压表6、直流毫安表
7、频率计 8、万用电表
9、晶体三极管3DG6×
1(β=50~100)或9011×
1(管脚排列如图2-7所示)
电阻器、电容器若干
四、实验内容
实验电路如图2-1所示。
各电子仪器可按实验一中图1-1所示方式连接,为防止干扰,各仪器的公共端必须连在一起,同时信号源、交流毫伏表和示波器的引线应采用专用电缆线或屏蔽线,如使用屏蔽线,则屏蔽线的外包金属网应接在公共接地端上。
1、调试静态工作点
接通直流电源前,先将RW调至最大,函数信号发生器输出旋钮旋至零。
接通+12V电源、调节RW,使IC=2.0mA(即UE=2.0V),用直流电压表测量UB、UE、UC及用万用电表测量RB2值。
记入表2-1。
表2-1IC=2mA
测量值
UB(V)
UE(V)
UC(V)
RB2(KΩ)
UBE(V)
UCE(V)
IC(mA)
2、测量电压放大倍数
在放大器输入端加入频率为1KHz的正弦信号uS,调节函数信号发生器的输出旋钮使放大器输入电压Ui
10mV,同时用示波器观察放大器输出电压uO波形,在波形不失真的条件下用交流毫伏表测量下述三种情况下的UO值,并用双踪示波器观察uO和ui的相位关系,记入表2-2。
表2-2Ic=2.0mAUi=mV
RC(KΩ)
RL(KΩ)
Uo(V)
AV
观察记录一组uO和u1波形
2.4
∞
1.2
3、观察静态工作点对电压放大倍数的影响
置RC=2.4KΩ,RL=∞,Ui适量,调节RW,用示波器监视输出电压波形,在uO不失真的条件下,测量数组IC和UO值,记入表2-3。
表2-3 RC=2.4KΩRL=∞Ui= mV
2.0
UO(V)
测量IC时,要先将信号源输出旋钮旋至零(即使Ui=0)。
4、观察静态工作点对输出波形失真的影响
置RC=2.4KΩ,RL=2.4KΩ,ui=0,调节RW使IC=2.0mA,测出UCE值,再逐步加大输入信号,使输出电压u0足够大但不失真。
然后保持输入信号不变,分别增大和减小RW,使波形出现失真,绘出u0的波形,并测出失真情况下的IC和UCE值,记入表2-4中。
每次测IC和UCE值时都要将信号源的输出旋钮旋至零。
表2-4RC=2.4KΩRL=∞Ui= mV
u0波形
失真情况
管子工作状态
5、测量最大不失真输出电压
置RC=2.4KΩ,RL=2.4KΩ,按照实验原理2.4)中所述方法,同时调节输入信号的幅度和电位器RW,用示波器和交流毫伏表测量UOPP及UO值,记入表
2-5。
表2-5RC=2.4KRL=2.4K
Uim(mV)
Uom(V)
UOPP(V)
*6、测量输入电阻和输出电阻
置RC=2.4KΩ,RL=2.4KΩ,IC=2.0mA。
输入f=1KHz的正弦信号,在输出电压uo不失真的情况下,用交流毫伏表测出US,Ui和UL记入表2-6。
保持US不变,断开RL,测量输出电压Uo,记入表2-6。
表2-6 Ic=2mARc=2.4KΩRL=2.4KΩ
US
(mv)
Ui
Ri(KΩ)
UL(V)
R0(KΩ)
测量值
计算值
*7、测量幅频特性曲线
取IC=2.0mA,RC=2.4KΩ,RL=2.4KΩ。
保持输入信号ui的幅度不变,改变信号源频率f,逐点测出相应的输出电压UO,记入表2-7。
表2-7Ui=mV
flfofn
AV=UO/Ui
为了信号源频率f取值合适,可先粗测一下,找出中频范围,然后再仔细读数。
说明:
本实验内容较多,其中6、7可作为选作内容。
五、实验总结
1、列表整理测量结果,并把实测的静态工作点、电压放大倍数、输入电阻、输出电阻之值与理论计算值比较(取一组数据进行比较),分析产生误差原因。
2、总结RC,RL及静态工作点对放大器电压放大倍数、输入电阻、输出电阻的影响。
3、讨论静态工作点变化对放大器输出波形的影响。
4、分析讨论在调试过程中出现的问题。
1、阅读教材中有关单管放大电路的内容并估算实验电路的性能指标。
假设:
3DG6的β=100,RB1=20KΩ,RB2=60KΩ,RC=2.4KΩ,RL=2.4KΩ。
估算放大器的静态工作点,电压放大倍数AV,输入电阻Ri和输出电阻RO
2、阅读实验附录中有关放大器干扰和自激振荡消除内容。
3、能否用直流电压表直接测量晶体管的UBE?
为什么实验中要采用测UB、UE,再间接算出UBE的方法?
4、怎样测量RB2阻值?
5、当调节偏置电阻RB2,使放大器输出波形出现饱和或截止失真时,晶体管的管压降UCE怎样变化?
6、改变静态工作点对放大器的输入电阻Ri有否影响?
改变外接电阻RL对输出电阻RO有否影响?
7、在测试AV,Ri和RO时怎样选择输入信号的大小和频率?
为什么信号频率一般选1KHz,而不选100KHz或更高?
8、测试中,如果将函数信号发生器、交流毫伏表、示波器中任一仪器的二个测试端子接线换位(即各仪器的接地端不再连在一起),将会出现什么问题?
注:
附图2-1所示为共射极单管放大器与带有负反馈的两级放大器共用实验模块。
如将K1、K2断开,则前级(Ⅰ)为典型电阻分压式单管放大器;
如将K1、K2接通,则前级(Ⅰ)与后级(Ⅱ)接通,组成带有电压串联负反馈两级放大器。
附图2-1
实验三 负反馈放大器
加深理解放大电路中引入负反馈的方法和负反馈对放大器各项性能指标的影响。
负反馈在电子电路中有着非常广泛的应用,虽然它使放大器的放大倍数降低,但能在多方面改善放大器的动态指标,如稳定放大倍数,改变输入、输出电阻,减小非线性失真和展宽通频带等。
因此,几乎所有的实用放大器都带有负反馈。
负反馈放大器有四种组态,即电压串联,电压并联,电流串联,电流并联。
本实验以电压串联负反馈为例,分析负反馈对放大器各项性能指标的影响。
1、图3-1为带有负反馈的两级阻容耦合放大电路,在电路中通过Rf把输出电压uo引回到输入端,加在晶体管T1的发射极上,在发射极电阻RF1上形成反馈电压uf。
根据反馈的判断法可知,它属于电压串联负反馈。
主要性能指标如下
1)闭环电压放大倍数
其中 AV=UO/Ui—基本放大器(无反馈)的电压放大倍数,即开环电压放大倍数。
1+AVFV—反馈深度,它的大小决定了负反馈对放大器性能改善的程度。
图3-1带有电压串联负反馈的两级阻容耦合放大器
2)反馈系数
3) 输入电阻
Rif=(1+AVFV)Ri
Ri —基本放大器的输入电阻
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