高频电子线路实验报告概述.docx
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高频电子线路实验报告概述
实验报告
实验课程:
高频电子线路
学生姓名:
学号:
专业班级:
指导教师:
实验一、仪器的操作使用………………………………………
实验二、高频小信号调谐放大器………………………………
实验三、功率放大器设计………………………………………
实验四、LC正弦波振荡器………………………………………
实验五、晶体振荡器设计………………………………………
实验六、集成模拟乘法器混频…………………………………
实验七、二极管双平衡混频器…………………………………
实验八、集电极调幅……………………………………………
实验九、基极调幅电路…………………………………………
实验十、模拟乘法器调幅(AM,DSB,SSB)……………………
实验一仪器的操作使用
一、实验目的
1.学会高频实验室基本仪器的使用与操作,并能够运用仪器进行简单的实验;
2.运用仪器调出相应要求的信号,并进行测试。
二、实验仪器
示波器,信号发生器,频率特性测试仪
三、实验内容
1.用信号发生器产生所需要的信号,通过示波器的信号输入线加入到示波器,按一下AUTOSET键,示波器自动识别,显示出信号波形,在按一下Measure键,示波器出现信号频率、幅度等参数。
2.设置高频正弦波信号的频率为10.8MHz,按照表格分别设置信号的幅度,测出对应的输出信号的峰峰值。
3.按调幅键键,进行调幅波信号的产生和观测。
四、实验数据
输入信号有效值
100mv
150mv
200mv
250mv
输出信号峰峰值(接负载)
×1档
339mv
504mv
658mv
819mv
×10档
265mv
420mv
555mv
709mv
理论值
282.8mv
424.2mv
565.6mv
707mv
输出信号峰峰值(空载)
×1档
590mv
973mv
1.18v
1.58v
×10档
603mv
940mv
1.25v
1.49v
理论值
565.6mv
848.4mv
1.15v
1.45v
实验误差:
接负载:
(1)×1档100mv22.1%150mv19%200mv16%250mv15.3%
(2)×10档100mv1.4%150mv1.9%200mv1.6%250mv1.8%
空载:
(1)×1档100mv6.0%150mv15.4%200mv14.1%250mv12.2%
(2)×10档100mv:
7150mv9.1%200mv8.1%250mv6.3%
实验二高频小信号调谐放大器实验
五、实验目的
1、掌握高频小信号谐振电压放大器的电路组成与基本工作原理。
2、熟悉谐振回路的调谐方法及测试方法。
3、掌握高频谐振放大器处于谐振时各项主要技术指标意义及测试技能。
六、实验内容
1、谐振频率的调整与测定。
2、主要技术性能指标的测定:
谐振频率、谐振放大增益Avo及动态范围、通频带BW0.7、矩形系数Kr0.1。
七、实验仪器
1、1号板信号源模块1块
2、2号板小信号放大模块1块
3、6号板频率计模块1块
4、双踪示波器1台
5、万用表1块
6、扫频仪(可选)1块
八、实验原理
(一)单调谐小信号放大器
图1-1单调谐小信号放大电路图
小信号谐振放大器是接收机的前端电路,主要用于高频小信号或微弱信号的线形放大。
实验单元电路由晶体管N1和选频回路T1组成,不仅对高频小信号放大,而且还有选频作用。
本实验中单调谐小信号放大的谐振频率为fs=10.7MHz。
放大器各项性能指标及测量方法如下:
1、谐振频率
放大器的调谐回路谐振时所对应的频率f0称为放大器的谐振频率,对于图1-1所示电路(也是以下各项指标所对应电路),f0的表达式为
式中,L为调谐回路电感线圈的电感量;
为调谐回路的总电容,
的表达式为
式中,Coe为晶体管的输出电容;Cie为晶体管的输入电容;P1为初级线圈抽头系数;P2为次级线圈抽头系数。
谐振频率f0的测量方法是:
用扫频仪作为测量仪器,测出电路的幅频特性曲线,调变压器T的磁芯,使电压谐振曲线的峰值出现在规定的谐振频率点f0。
2、电压放大倍数
放大器的谐振回路谐振时,所对应的电压放大倍数AV0称为调谐放大器的电压放大倍数。
AV0的表达式为
式中,
为谐振回路谐振时的总电导。
要注意的是yfe本身也是一个复数,所以谐振时输出电压V0与输入电压Vi相位差不是180º而是为180º+Φfe。
AV0的测量方法是:
在谐振回路已处于谐振状态时,用高频电压表测量图1-1中输出信号V0及输入信号Vi的大小,则电压放大倍数AV0由下式计算:
AV0=V0/Vi或AV0=20lg(V0/Vi)dB
3、通频带
由于谐振回路的选频作用,当工作频率偏离谐振频率时,放大器的电压放大倍数下降,习惯上称电压放大倍数AV下降到谐振电压放大倍数AV0的0.707倍时所对应的频率偏移称为放大器的通频带BW,其表达式为
BW=2△f0.7=f0/QL
式中,QL为谐振回路的有载品质因数。
分析表明,放大器的谐振电压放大倍数AV0与通频带BW的关系为
上式说明,当晶体管选定即yfe确定,且回路总电容
为定值时,谐振电压放大倍数AV0与通频带BW的乘积为一常数。
这与低频放大器中的增益带宽积为一常数的概念是相同的。
通频带BW的测量方法:
是通过测量放大器的谐振曲线来求通频带。
测量方法可以是扫频法,也可以是逐点法。
逐点法的测量步骤是:
先调谐放大器的谐振回路使其谐振,记下此时的谐振频率f0及电压放大倍数AV0然后改变高频信号发生器的频率(保持其输出电压VS不变),并测出对应的电压放大倍数AV0。
由于回路失谐后电压放大倍数下降,所以放大器的谐振曲线如图1-2所示。
可得:
通频带越宽放大器的电压放大倍数越小。
要想得到一定宽度的通频宽,同时又能提高放大器的电压增益,除了选用yfe较大的晶体管外,还应尽量减小调谐回路的总电容量CΣ。
如果放大器只用来放大来自接收天线的某一固定频率的微弱信号,则可减小通频带,尽量提高放大器的增益。
(二)双调谐放大器
图1-3双调谐小信号放大电路图
为了克服单调谐回路放大器的选择性差、通频带与增益之间矛盾较大的缺点,可采用双调谐回路放大器。
双调谐回路放大器具有频带宽、选择性好的优点,并能较好地解决增益与通频带之间的矛盾,从而在通信接收设备中广泛应用。
在双调谐放大器中,被放大后的信号通过互感耦合回路加到下级放大器的输入端,若耦合回路初、次级本身的损耗很小,则均可被忽略。
1、电压增益为
2、通频带
为弱耦合时,谐振曲线为单峰;
为强耦合时,谐振曲线出现双峰;
临界耦合时,双调谐放大其的通频带
BW=2△f0.7=
fo/QL
九、实验步骤
(一)单调谐小信号放大器单元电路实验
1、断电状态下,按如下框图进行连线:
单调谐小信号放大电路连线框图
注:
图中符号
表示高频连接线。
源端口
目的端口
连线说明
1号板:
RFOUT1
(Vp-p=200mVf=10.7M)
2号板:
P3
高频小信号输入
1号板:
RFOUT2
6号板:
P3
频率计观察输入频率
2、频率谐振的调整
(1)用示波器观测TP3,调节①号板信号源模块,使之输出幅度为200mV、频率为10.7MHz正弦波信号。
(2)顺时针调节W1到底,用示波器观测TP1,调节中周,使TP1幅度最大且波形稳定不失真。
3、动态测试
保持输入信号频率不变,调节信号源模块的幅度旋钮,改变单调谐放大电路中输入信号TP3的幅度。
用示波器观察在不同幅度信号下TP1处的输出信号的峰值电压,并将对应的实测值填入下表,计算电压增益Avo。
在坐标轴中画出动态曲线。
4、通频带特性测试
(1)保持输入信号幅度不变,调节信号源的频率旋钮,改变单调谐放大电路中输入信号TP3的频率。
用示波器观察在不同频率信号下TP1处的输出信号的峰值电压,并将对应的实测值填入下表,在坐标轴中画出幅度-频率特性曲线。
若配有扫频仪,可用扫频仪观测回路谐振曲线。
(2)调节输入信号频率,测试并计算出Bw0.707。
5、谐振曲线的矩形系数Kr0.1测试
(1)调节信号频率,测试并计算出Bw0.1。
(2)计算矩形系数Kr0.1。
(二)双调谐小信号放大器单元电路实验
1、断电状态下,按如下框图进行连线:
双调谐小信号放大电路连线框图
注:
图中符号
表示高频连接线。
源端口
目的端口
连线说明
1号板:
RFOUT1
(Vp-p=150mVf=465K)
2号板:
P5
高频小信号输入
1号板:
RFOUT2
6号板:
P3
频率计观察输入频率
2、频率谐振的调整
(1)用示波器观测TP6,调节①号板信号源模块,使之输出幅度为150mV、频率为465KHz正弦波信号。
(2)顺时针调节W1到底,反复调节中周T2和T3,使TP7幅度最大且波形稳定不失真。
3、动态测试
保持输入信号频率不变,调节信号源模块的幅度旋钮,改变单调谐放大电路中输入信号TP6的幅度。
用示波器观察在不同幅度信号下TP7处的输出信号的峰值电压,并将对应的实测值填入下表,计算电压增益Avo。
在坐标轴中画出动态曲线。
4、通频带特性测试
(1)保持输入信号幅度不变,调节信号源的频率旋钮,改变单调谐放大电路中输入信号TP6的频率。
用示波器观察在不同频率信号下TP7处的输出信号的峰值电压,并将对应的实测值填入下表,在坐标轴中画出幅度-频率特性曲线。
若配有扫频仪,可用扫频仪观测回路谐振曲线。
输入信号Vi(mv)TP3
200mv
输入信号fs(MHz)
10.4
10.5
10.6
10.7
10.8
10.9
11.0
11.1
输出信号Vo(v)TP1
201
413
609
921
1320
817
631
425
幅度-频率特性测试
(2)调节输入信号频率,测试并计算出Bw0.707。
实验三功率放大器设计
一、实验目的
1.了解丙类功率放大器的基本工作原理,掌握丙类放大器的调谐特性以及负载改变时的动态特性。
2.了解高频功率放大器丙类工作的物理过程以及当激励信号变化对功率放大器工作状态的影响。
3.掌握丙类放大器的计算与设计方法。
二、实验内容
设计功率放大器
三、实验原理
放大器按照电流导通角θ的范围可分为甲类、乙类、丙类及丁类等不同类型。
功率放大器电流导通角
越小,放大器的效率
越高。
甲类功率放大器的
,效率
最高只能达到50%,适用于小信号低功率放大,一般作为中间级或输出功率较小的末级功率放大器。
非线性丙类功率放大器的电流导通角
,效率可达到80%,通常作为发射机末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率。
特点:
非线性丙类功率放大器通常用来放大窄带高频信号(信号的通带宽度只有其中心频率的1%或更小),基极偏置为负值,电流导通角
,为了不失真地放大信号,它的负载必须是LC谐振回路。
电路原理图如图7-1所示,该实验电路由两级功率放大器组成。
其中Q3(3DG12)、T6组成甲类功率放大器,工作在线性放大状态,其中RA3、R14、R15组成静态偏置电阻,调节RA3可改变放大器的增益。
W1为可调电阻,调节W1可以改变输入信号幅度,Q4(3DG12)、T4组成丙类功率放大器。
R16为射极反馈电阻,T4为谐振回路,甲类功放的输出信号通过R13送到Q4基极作为丙放的输入信号,此时只有当甲放输出信号大于丙放管Q4基极-射极间的负偏压值时,Q4才导通工作。
与拨码开关相连的电阻为负载回路外接电阻,改变S1拨码开关的位置可改变并联电阻值,即改变回路Q值。
丙类功率放大器
1)基本关系式
丙类功率放大器的基极偏置电压VBE是利用发射极电流的直流分量IEO(≈ICO)在射极电阻上产生的压降来提供的,故称为自给偏压电路。
当放大器的输入信号
为正弦波时,集电极的输出电流iC为余弦脉冲波。
利用谐振回路LC的选频作用可输出基波谐振电压vc1,电流ic1。
图7-3画出了丙类功率放大器的基极与集电极间的电流、电压波形关系。
分析可得下列基本关系式:
式中,
为集电极输出的谐振电压及基波电压的振幅;
为集电极基波电流振幅;
为集电极回路的谐振阻抗。
式中,PC为集电极输出功率
式中,PD为电源VCC供给的直流功率;ICO为集电极电流脉冲iC的直流分量。
放大器的效率
为
图7-3丙类功放的基极/集电极电流和电压波形
2)负载特性
当放大器的电源电压+VCC,基极偏压vb,输入电压(或称激励电压)vsm确定后,如果电流导通角选定,则放大器的工作状态只取决于集电极回路的等效负载电阻Rq。
谐振功率放大器的交流负载特性如图7-4所示。
由图可见,当交流负载线正好穿过静态特性转移点A时,管子的集电极电压正好等于管子的饱和压降VCES,集电极电流脉冲接近最大值Icm。
此时,集电极输出的功率PC和效率
都较高,此时放大器处于临界工作状态。
Rq所对应的值称为最佳负载电阻,用R0表示,即
当Rq﹤R0时,放大器处于欠压状态,如C点所示,集电极输出电流虽然较大,但集电极电压较小,因此输出功率和效率都较小。
当Rq﹥R0时,放大器处于过压状态,如B点所示,集电极电压虽然比较大,但集电极电流波形有凹陷,因此输出功率较低,但效率较高。
为了兼顾输出功率和效率的要求,谐振功率放大器通常选择在临界工作状态。
判断放大器是否为临界工作状态的条件是:
四、实验设计
V3分别为集电极和基极的直流电源电压,为使晶体管工作在丙类状态,v2应小于晶体管的导通电压Vbe(on),在没有输入时晶体管处于截止,LC为滤波匹配网络,与电阻构成并联谐振回路,满足:
输入端Vbe=V2+V1coswt,输出端Vce=V3+Vcmcoswt,输出Vo=Vcmcoswt。
Vcc=+15V,现设
=700,查表得:
集电极电流余弦脉冲直流ICO分解系数
,集电极电流余弦脉冲基波ICM1分解系数
。
设功放的输出功率为0.5W。
功率放大器集电极的等效电阻为:
RP=(Vcc-Vces)^2/2*Po=182KΩ
集电极基波电流振幅为:
Icm1=(2*Po/RP)^-2=74mA
集电极电流脉冲的最大振幅为:
Icmax=Icm1/alpha1=168mA
集电极电流脉冲的直流分量为:
Ico=Icmax*alpha0=42mA
电源提供的直流功率为:
Pd=Vcc*Ico=0.63W
集电极的耗散功率为:
Pc=Pd-Po=0.13W
集电极的效率为:
Po/Pd=79%
由计算可以得出L=63.5μH,C1=100pF,C2=100nF。
五、实验结果
具体实验电路如图:
实验结果:
实验四LC正弦波振荡器
一、实验目的
1、掌握LC正弦波振荡器电路的基本原理,振荡电路设计及电路参数计算。
2、通过实验掌握晶体管静态工作点、反馈系数、负载变化对起振和振荡幅度的影响。
3、研究外界条件(温度、电源电压、负载变化)对振荡器频率稳定度的影响。
二、实验内容
1、熟悉振荡器模块各元件及其作用。
2、进行LC振荡器波段工作研究。
3、研究LC振荡器中静态工作点、反馈系数以及负载对振荡器的影响。
4、测试LC振荡器的频率稳定度。
二、实验仪器
1、模块31块
2、频率计模块1块
3、双踪示波器1台
4、万用表1块
三、基本原理
图5-1正弦波振荡器(4.5MHz)
将开关S1的1拨下2拨上,S2全部断开,由晶体管N1和C3、C10、C11、C4、CC1、L1构成电容反馈三点式振荡器的改进型振荡器——西勒振荡器,电容CCI可用来改变振荡频率。
振荡器的频率约为4.5MHz(计算振荡频率可调范围)
振荡电路反馈系数
F=
振荡器输出通过耦合电容C5(10P)加到由N2组成的射极跟随器的输入端,因C5容量很小,再加上射随器的输入阻抗很高,可以减小负载对振荡器的影响。
射随器输出信号经N3调谐放大,再经变压器耦合从P1输出。
四、实验步骤
1、根据图5-1在实验板上找到振荡器各零件的位置并熟悉各元件的作用。
2、研究振荡器静态工作点对振荡幅度的影响。
1)将开关S1拨为“01”,S2拨为“00”,构成LC振荡器。
2)改变上偏置电位器W1,记下N1发射极电流Ieo(=
,R11=1K)(将万用表红表笔接TP2,黑表笔接地测量VE),并用示波测量对应点TP4的振荡幅度VP-P,填于表5-1中,分析输出振荡电压和振荡管静态工作点的关系。
分析思路:
静态电流ICQ会影响晶体管跨导gm,而放大倍数和gm是有关系的。
在饱和状态下(ICQ过大),管子电压增益AV会下降,一般取ICQ=(1~5mA)为宜。
3、测量振荡器输出频率范围
将频率计接于P1处,改变CC1,用示波器从TP8观察波形及输出频率的变化情况,记录最高频率和最低频率填于下表中。
Fmax
5.143MHz
Vp-p
1.03V
Fmin
4.560MHz
Vp-p
934mV
实验五晶体振荡器设计
一、实验目的
1.掌握晶体振荡电路的基本工作原理完成晶体振荡电路的设计、连接与仿真。
二、实验原理
振荡器电路属于一种信号发生器类型,即表现为没有外加信号的情况下能自动生成具有一定频率、一定波形、一定振幅的周期性交变振荡信号的电子线路。
振荡器起振时是将电路自身噪声或电源跳变中频谱很广的信号进行放大选频。
此时振荡器的输出幅值是不断增长的,随着振幅的增大,放大器逐渐由放大区进入饱和区或者截止区,其增益逐渐下降,当放大器增益下降而导致环路增益下降到1时,振幅的增长过程将停止,振荡器达到平衡,进入等幅振荡状态。
振荡器进入平衡状态后,直流电源补充的能量刚好抵消整个环路消耗的能量。
图中C0是晶体作为电介质的静电容,其数值一般为几个皮法到几十皮法。
Lq、Cq、Rq是对应于机械共振经压电转换而呈现的电参数。
Rq是机械摩擦和空气阻尼引起的损耗。
晶体振荡器是一串并联的振荡回路,其串联谐振频率
和并联谐振频率
分别为:
=1/2π
,
=
晶体的等效电路如图2-2所示:
图2-2晶体振荡器的等效电路
从石英晶体谐振器的等效电路可知,它有两个谐振频率,即:
(1)当L、C、R支路发生串联谐振时,它的等效阻抗最小(等于R)。
串联揩振频率用
表示,石英晶体对于串联谐振频率
呈纯阻性,
(2)当频率高于
时L、C、R支路呈感性,可与电容C。
发生并联谐振,其并联频率用
表示。
当W<Wq或W>Wo时,晶体谐振器显容性;当W在Wq和Wo之间,晶体谐振器等效为一电感,而且为一数值巨大的非线性电感。
由于Lq很大,即使在Wq处其电抗变化率也很大。
实际应用中晶体工作于Wq~Wo之间的频率,因而呈现感性。
根据石英晶体的等效电路,可定性画出它的电抗—频率特性曲线。
可见当频率低于串联谐振频率
或者频率高于并联谐振频率
时,石英晶体呈容性。
仅在
<f<
极窄的范围内,石英晶体呈感性。
晶体谐振器的电抗—频率特性曲线如图2-3所示:
图2-3晶体的电抗—频率特性曲线
晶体振荡器的设计:
(1)偏置电路元件确定
偏置电路元件RB1、RB2的选用原则:
①无信号时晶体管有给定的电流(即工作点)。
②反馈量适当时,能保证PL=0.3Po。
则认为偏置的设计是合理的。
(2)反馈系数的确定
经验证明,振荡器的偏置和反馈系数适当时,在集电极上的输出电压大约为电源电压的90%。
反馈系数kf=
。
实验证明,kf在1/7~1/4的范围内选取稳定性最好。
(3)振荡频率
该电路的振荡频率是由L1、C1、C2和石英晶体谐振器的等效电感来决定的。
此外还必须注意,晶体管的输出电容Co是与C1相并联,在频率较高的电路中该输出电容必须考虑。
(4)谐振电路元件确定
在没有提出特别要求的情况下,短波和超短波段谐振电路的电容以每(波长)2pF来选择为宜。
在工作频率低于1MHz的中波波段可取每米为10~20pF。
当电容量确定后,可由式f= 1/2*pi*(LC)^2 求出L的值。
(5)旁路电容,耦合电容和射频扼流圈
旁路电容C4、C5的值应当能够使其在工作频率上电抗值为5Ω或更低。
耦合电容C6的数值应近似等于晶体管输出电容与C1并联后的数值,如果C6为可变电容则应让C6的中间值近似等于该值。
C3用于隔离加在晶体振子上的直流电压。
其取值一般为30p、51p、100p。
射频扼流圈L2、L3在工作频率上其阻抗值应该在1000Ω至3000Ω范围内。
扼流圈的最小电流容量应大于预期的最大直流电流值(至少应当大10%)。
(6)输出电路
将振荡信号输送到下一级的方法,可以用电感线圈抽头的方法从L1取出(当负载为低阻抗时);也可以采用耦合电容的方法从集电极取出(当负载为高阻抗时),通常,以后者最方便。
一般耦合电容C5是可变的,这样当负载变化时调整C5仍可保持良好的输出。
三、实验设计
振荡管的基极对高频接地,晶体接集电极与基极之间,C2和C5位于回路的另外两个电抗元件,由于Cq非常小,因此,晶体振荡器的谐振回路与振荡管之间的耦合电容非常弱,从而使频率稳定度大大提高。
由于晶体的品质因数很高,故其并联谐振阻抗也很高,虽然接入系数很小,但等效到晶体管c-e两端的阻抗仍很高,因此放大器的增益高,电路容易满足振幅齐起振条件。
根据理论基础和原理图,计算出合适的参数。
在Multisim软件中画出并联型振荡器的实际电路如图所示:
确定三极管静态工作点:
高频振荡器的工作点要合适,若偏低、偏高都会使振荡波形产生严重失真,甚至停振。
实际中取ICQ=0.5~5mA之间,若取ICQ=2mA,
,则有:
为提高电路的稳定性,Re值可适当增大,取Re=1kΩ,则Rc=2kΩ,则有:
若取流过Rb2的电流Ib2为10IBQ,则Ib2=10IBQ=0.33mA,则取:
实际电路中,Rb2可用20Ω。
正确的静态工作点是振荡器能够正常工作的关键因素,静态工作点主要影响晶体管的工作状态,若静态工作点的设置不当则晶体管无法进行正常的放大,振荡器在没有对反馈信号进行放大时是无法工作的。
4、实验结果
实验六集成模拟乘法器混频
一、实验目的
1、了解集成混频器的工作原理
2、了解混频器中的寄生干扰
二、实验内容
1、研究平衡混频器的频率变换过程
2、研究平衡混频器输出中频电压Vi与输入本振电压的关系
3、研究平衡混频器输出中频电压Vi与输入信号电压的关系
三、实验仪器
1、1号板1块
2、6号板1块
3、3号板1块
4、7号板1块
5、双踪示波器1台
四
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