《高频》本科实验指导书精简版本.docx
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《高频》本科实验指导书精简版本
高频电子线路
电子信息与电气工程系
通信教研室
二00八年十月
(蔡志明修订)
目录
实验一高频小信号谐振放大器(甲类)……………………………………3
实验二高频功率谐振放大电路(丙类)……………………………………8
实验三综合设计(调幅波调制与解调)………………………21
实验四集成电路频率调制器…………………………………………………16
实验五集成电路频率解调器…………………………………………………19
适用专业:
通信、电子、信息类专业本科学生
一、实验与实践课程的性质、目的与任务
1.加深对高频电路课中各单元电路工作原理的理解,做到从实践中来,到实践中去,加深对理性知识的认识。
2.熟悉高频实验仪器的原理和使用。
3.熟悉各单元电路的组成,元件及参数的选择,掌握单元电路的基本设计方法。
4.熟练使用实验仪器,进行电路参数的测试。
5.正确分析实验数据,从而总结出符合实际的正确结论,全面掌握所学知识。
6.能自已设计制作一般电路。
二、实验与实践课程教学的基本要求
加强实验与实践教学,理论联系实际,加深对知识的理解与掌握。
提高学生实践操作水平,进行创新性的培养;加强综合性和设计性实验以提高学生解决实际问题的能力。
为了达到以上目的,要求:
1.实验要求:
(1)学生实验课前要认真阅读实验与实践指导书,写出预习实验报告。
(2)实验课上认真听老师讲解,回答老师提出的有关实验内容的相关问题。
(3)按要求正确开启实验仪器和设备。
(4)认真进行数据测量和记录。
(5)实验结束,请指导老师检查实验记录,做到实验数据正确,方可终止实验。
(6)关闭实验仪器,整理实验现场。
(7)填写实验记录,教师签字后方可离开。
(8)认真处理实验数据,写出实验报告。
(9)教师应仔细批改实验报告,并把有关情况以不同方式反馈学生。
2.实践要求:
(1)认真选择实践内容。
(2)若现场参观,要服从管理人员指导,认真观察,认真记录。
(3)若进行电子制作,要根据老师要求选择制作项目,研究制作原理,绘制电路原理图,进行印刷电路板制作,安装调试。
(4)上述各项结束后都要认真地写出实践报告。
三、考核办法
1.基本要求
实验课目的是为了提高学生的动手操作以及创新能力。
实验成绩占《高频电路》课程总成绩的20%。
2.平时成绩评定办法
(1)课前预习:
20%
凡不写预习报告的、不能回答教师问题的,扣除此项成绩。
(2)实际操作:
40%
着重考察每个学生实际操作的科学性、主动性、认真性、熟练性。
(3)实验报告:
40%
不按时交实验报告的扣除10%,书写不合格的重写,扣除20%。
(4)考勤:
实验课不到的,扣除本次实验的100%。
3.实验课堂纪律
凡违反学生实验守则、以及安全规则的扣除成绩20%,损坏物品要赔偿。
四、实验课程内容
打*为选开实验
实验一高频小信号谐振放大器(甲类)
一、实验目的
1、熟悉电子元器件和高频电路实验箱。
2、熟悉谐振回路的幅频特性分析—通频带与选择性的关系。
3、熟悉信号源内阻及负载对谐振回路的影响。
4、熟悉和了解放大器的动态范围及其测试方法。
图1-1单调谐小信号谐振放大器原理图
5、自测数据,绘制曲线,分析实验数据。
二、实验仪器
1、双踪示波器
2、扫频仪
3、高频信号发生器
4、毫伏表
5、万用表
6、实验板1
三、预习要求
1、复习谐振回路的工作原理。
2、了解谐振放大器的电压放大倍数、动态范围、通频带及选择性相互之间关系。
3、实验电路中,若电感L=1μH,回路总电容C=220pf(分布电容包括在内),计算回路中心频率f0。
四、实验内容及步骤
(一)单调谐回路谐振放大器。
1、实验电路见图1-1
(1)按图1-1所示连接电路(注意接线前先测量+12V电源电压,无误后,关断电源再接线)。
(2)接线后仔细检查,确认无误后接通电源。
2、静态测量
实验电路中选Re=1K,R开路。
测量各静态工作点,计算并填表1.1
表1.1(用万用表直流电压、直流电流档测量)
实测
实测计算
根据VCE
判断V是否工作在放大区
原因
VB
VE
IC
VCE
是
否
*VB,VE是三极管的基极和发射极对地电压。
注:
工作在放大区要求发射结正偏,集电结反偏。
3、动态测量
(1)测放大器的动态范围Vi~V0(在谐振点)
选R=10K,Re=1K。
把高频信号发生器接到电路输入端,电路输出端接示波器,将高频信号发生器输出调至0.04V,粗调频率f=10.7MHZ,查看输出示波器的电平值,并左、右调节高频信号发生器的f,使输出电平达到最大,此时即找到谐振回路的谐振频率点。
此时调节Vi由0.04伏变到0.4伏,逐点记录V0电压,并填入表1.2,并用示波器观测。
注:
Vi~V0为峰-峰值电压。
Vi的范围要根据实测情况来调整。
不一定取0.02~0.2
表1.2
Vi(V)
0.04
0.2
0.4
V0(V)
Re=2k
Re=1k
Re=500Ω
(2)当Re分别为500Ω、2K时,重复上述过程,将结果填入表1.2。
在同一坐标纸上画出Re不同时,Vi与V0的动态范围曲线,并进行比较和分析。
(3)用扫频仪观察谐振曲线。
仍选R=10K,Re=1K。
扫频仪0dB校正,将BT--3C扫频仪Y轴衰减打到0,粗细衰减调至0dB,并将扫频仪的输出探头与Y轴输入检波探头对接,适当调Y轴增益使曲线处于屏幕适当位置,例如5格。
然后将BT3C扫频仪输出探头接至被测电路的输入端,Y轴输入检波探头接被测电路输出端,调扫频仪输出粗、细衰减旋钮,使扫频仪输出曲线为5格(注:
与扫频仪未接被测电路时的曲线位置一样),此时记下粗细衰减旋钮的读数,即为被测放大器的增益,并用坐标纸描绘出曲线图。
选R=470K,Re=1K,重复上述实验内容,并进行比较分析。
(4)测量放大器的频率特性
当回路电阻R=10K时,选择正常放大区的输入电压Vi,将高频信号发生器输出端接至电路输入端,调节频率f使其为10.7MHZ(注:
谐振频率在此附近),调节频率f,使输出电压幅度为最大,此时的回路谐振频率f0为中心频率,然后保持输入电压Vi不变,改变频率f由中心频率向两边逐点偏离,测得在不同频率f时对应的输出电压V0,将测得的数据填入表1.3。
频率偏离范围可根据(各自)实测情况来确定。
注:
Vi~V0为峰-峰值电压
表1.3
f(MHZ)
f0
V0
R=10kΩ
R=2KΩ
R=470Ω
计算谐振在中心频率f0时的电压放大倍数及回路的通频带和Q值。
(5)改变谐振回路电阻,即R分别为2KΩ,470Ω时,重复上述测试,并填入表1.3。
比较通频带情况。
(二)双调谐回路小信号放大器
1、实验线路见图1-2
(1)用扫频仪调双回路谐振曲线
接线方法同上3(3)。
观察双回路谐振曲线,选C=3pf,反复调整CT1、CT2使两回路谐振在10.7MHZ。
(2)测双回路放大器的频率特性
按图1-2所示连接电路,将高频信号发生器的输出端接至电路输入端,选C=3pf,置高频信号发生器频率为10.7MHZ,反复微调高频信号发生器的输出信号频率,使输出电压幅度为最大,此时的频率为中心频率,然后保持高频信号发生器输出电压不变,改变频率,由中心频率向两边逐点偏离,测得对应的输出频率f和电压值,并填入表1.4。
2、改变耦合电容C为10P,重复上述测试,并填入表1.4。
图1-2双调谐回路小信号放大器原理图
表1.4
F(MHZ)
10.7
V0
C=3pf
C=10pf
五、实验报告要求
1、写明实验目的。
2、画出实验电路的直流和交流等效电路,计算直流工作点,与实验实测结果比较。
3、写明实验所用仪器、设备及名称、型号。
4、整理实验数据,并画出幅频特性。
(1)单调谐回路接不同回路电阻时的幅频特性和通频带,整理并分析原因。
(2)双调谐回路耦合电容C对幅频特性,通频带的影响。
从实验结果找出单调谐回路和双调谐回路的优缺点。
5、本放大器的动态范围是多少(放大倍数下降1dB的折弯点V0定义为放大器
动态范围),讨论Ic对动态范围的影响。
实验二高频功率谐振放大电路(丙类)
一、实验目的
1、了解丙类功率放大器的基本工作原理,掌握丙类放大器的计算与设计方法。
2、掌握调试丙类功放的方法。
3、了解电源电压Vc与集电极负载对功率放大器功率和效率的影响。
二、预习要求
1、复习功率谐振放大器原理及特点。
2、分析图2-1所示的实验电路,说明各元器件作用。
三、实验仪器
1、双踪示波器
2、扫频仪
3、高频信号发生器
4、万用表
5、实验板1
四、电路原理和调试方法
1、实验电路与工作原理
实验板电路如下
V1、V2为小信号谐振甲类放大器,为V3提供放大的信号。
实际的丙类功率放大器部分如图2-1。
图中,L8、C12、C13、L5为输出端电源供电支路。
其中L8、C12、C13为π型滤波电路,以防止高频信号对直流电源产生影响;L5为高频扼流线圈,以阻止高频信号通过。
C8、L6、C9、RL为负载支路,其中C8为隔直电容,对交流短路;L6、C9为并联谐振回路,负载电阻RL与电感L6串接在一起,整个电路的输出从电阻RL端引出,这样可以减小负载电阻对谐振回路的影响。
在三极管V3的输出端,电源供电支路和负载支路相并联,构成集电极并馈供电形式。
图中,C6、L4、R10和C7为基极偏置电路,它利用发射极脉冲电流iE的直流成份Ieo流过R10来产生基极反向偏压,L4为高频扼流圈,反向偏压VBB为Ieo与R10的乘积,C7为高频旁路电容,用来短路高频电流的。
图2-1高频谐振功率放大器(丙类)原理图
注:
并联谐振阻抗
具体见第一章并联谐振回路原理。
谐振功放的负载一般为小电阻负载,如50Ω、75Ω、120Ω的天线或者电缆。
采用小阻抗负载和电感(或电容)串连的方法,根据
,小电阻可以产生大的谐振阻抗,进而减小负载对谐振回路的影响。
2、丙类功放电路的调试技术
功率放大器是否工作在设计状态,与电路的设计有关,也与电路参数的调整有关,在图2-1中,电路中各参数均已设计好,无需再调整,但是作为一个知识点,我们还是介绍一下丙类功率放大器的调整。
为了使丙类功率放大器有较大的输出功率和效率,通常要使谐振回路处于谐振状态,并使其工作在临界状态,即集电极的负载阻抗为纯电阻性,并且阻值的大小要合适。
但电路在初始状态或在调谐过程中,会出现失谐,此时,集电极负载呈现感性或容性,其阻抗值大大减小,(即
减小)会导致负载上的电压值也大大减小,但集电极电流
反而增加,功率管集电极电压增大,集电极的耗散功率增加,严重时可能会损坏功率管。
所以,为了功率管的安全使用,通常在电路正常工作之前,要对电路进行调整。
调整时,通常先将电源电压调整为规定值的1/2,找到谐振点后,再将电源电压恢复到规定值,这样可以防止在调整过程中损坏功率管。
功率管的损坏是高频功率放大器调试过程中容易发生的现象,必须引起足够的重视,功率管损坏的原因有以下两条:
(1)在调试过程中,由于负载失谐,负载的等效阻抗减小,使放大器工作在欠压区,三极管的集电极承受了过大的电压和电流,其耗散功率急增,当超过了三极管的最大耗散功率时,管子就有可能损坏。
(2)在设计的过程中,功率管的设计裕量太小,造成过载能力差。
(3)在电路设计和调整过程中,产生了高频自激振荡。
为了避免产生自激振荡,应尽量采用合理的元件布局,并尽量采用短而粗的引线,以及接地良好等措施。
五、实验内容及步骤
1、图2-1连接电路,C、D两点短接,负载接50Ω,OUT输出端接示波器,IN端接高频信号发生器,电源电压接+5V,用逐点法测量电路的谐振频率fp(最大不失真输出电压对应的频率,本实验电路的谐振频率在6.5MHZ附近)。
2.电源电压恢复为+12V,负载接50Ω电阻,C、D之间接入直流数字万用表,万用表放在直流电流档,量程选择大于或等于200mA(用于测量直流电源给出直流电流IO)。
在IN输入端接高频信号发生器,输入信号频率为fp,输入信号电压Vi=4V(峰-峰值,用示波器测量),测量电源直流电流IO和输出交流电压值Vo(用示波器进行测量,读取峰-峰值),填入表2.1.
表2.1
fp=
实测(V或mA)
计算(mw或%)
VB
VE
VCE
Vo
IO
PO
PDC
PC
ηC
VC
=5V
Vi=2V
(B点峰-峰值)
RL=50Ω
RL=120Ω
Vi=4V
(B点峰-峰值)
RL=50Ω
RL=120Ω
VC=12V
Vi=2V
(B点峰-峰值)
RL=50Ω
RL=120Ω
Vi=4V
(B点峰-峰值)
RL=50Ω
RL=120Ω
其中:
Vi:
输入电压B点峰-峰值,用示波器测量
Vo:
输出电压峰-峰值,用示波器测量
IO:
电源给出总电流
PO:
电路输出功率,
PDC:
电源输出总功率,PDC=VC*IO
PC:
三极管实际损耗功率,PC=PDC-PO
ηC:
放大电路的效率,ηC=(PO/PDC)*100%
3、加120Ω负载电阻,同2测试并填入表2.1内。
4、改变输入端电压Vi=2V,同2、3、4测试并填入表2.1测量。
5、改变电源电压Vc=5V,同2、3、4、5测试并填入表2.1内。
六、实验报告要求
1、根据实验测量结果,计算各种情况下PDC、P0、PC、η。
2、根据实验数据,分析当负载电阻变化时,输出功率和效率的变化情况。
3、根据实验数据,分析当输入信号电压、电源电压变化时,输出功率和效率的变化情况。
实验三综合设计——调幅波的调制与解调
一、综合设计目的
1、掌握高频信号发射与接收系统的整体设计方法,能根据提供的集成模拟乘法器实现无线发射、接收机,完成普通载波调幅和抑制载波双边带调幅与解调,
2、通过系统设计,研究已调波与二输入信号的关系。
掌握测量调幅系数的方法。
3、掌握用集成电路实现同步检波的方法。
4、通过实验中波形的变换,学会分析实验现象。
二、预习要求
1、复习课本中有关调制和解调原理。
2、分析实验电路中1496乘法器的工作原理,并分析计算各引出脚的直流电压。
3、分析全载波调幅及抑制载波调幅信号特点,并画出其频谱图。
三、实验仪器
1、双踪示波器。
2、高频信号发生器。
图5-1为1496芯片内部电路图
3、万用表。
4、实验板2。
四、实验电路说明
本实验采用集成模拟乘法1496来构成调幅调制器和解调器,图7-1为1496芯片内部电路图,它是一个四象限模拟乘法器的基本电路,电路采用了两组差动对由V1-V4组成,以反极性方式相连接,而且两组差分对的恒流源又组成一对差分电路,即V5与V6,因此恒流源的控制电压可正可负,以此实现了四象限工作。
D、V7、V8为差动放大器V5、V6的恒流源。
进行调幅时,载波信号加在V1-V4的输入端,即引脚的⑧、⑩之间;调制信号加在差动放大器V5、V6的输入端,即引脚的①、④之间,②、③脚外接1KΩ电阻,以扩大调制信号动态范围,已调制信号取自双差动放大器的两集电极(即引出脚⑹、⑿之间)输出。
五、实验内容
(一)调制电路
幅度调制就是载波的振幅受调制信号的控制作周期性的变化。
变化的周期与调制信号周期相同。
即振幅变化与调制信号的振幅成正比。
通常称高频信号为载波信号,低频信号为调制信号,调幅器即为产生调幅信号的装置。
用1496集成电路构成的调幅器电路图如图7-2所示,图中Rp1用来调节引出脚①、④之间的平衡,Rp2用来调节⑧、⑩脚之间的平衡,三极管V为射极跟随器,以提高调幅器带负载的能力。
图7-21496构成的调幅器
注:
1、直流调制特性的测量
(1)调Rp2电位器使载波输入端平衡:
在调制信号输入端IN2加峰峰值为80mv,频率为1KHZ的正弦信号,调节Rp2电位器使输出端信号最小,然后去掉输入信号。
(2)在载波输入端IN1加峰值VC为15mv,频率为1MHZ的正弦信号,用万用表测量A、B之间的电压VAB,用示波器观察OUT输出端的波形,以VAB=0.1V为步长,记录Rp1由一端调至另一端的输出波形及其峰值电压,注意观察相位变化,根据公式V0=KVABVC(t)计算出系数K值。
并填入表7.1。
表7.1
VAB
V0(P-P)
K
2、实现全载波调幅
(1)调节RP1使VAB=0.1V,载波信号仍为VC(t)=15sin2π×106t(mV),将低频信号Vs(t)=Vssin2π×103t(mV)加至调制器输入端IN2,画出Vs=30mV和80mV时的调幅波形(标明峰—峰值与谷—谷值)并测出其调制度m。
(2)调节RP1,观察并记录m=100%和m>100%两种调幅波在零点附近的波形情况。
(3)载波信号VC(t)不变,改变调制信号VSm的值,观察输出波形VAM(t)的变化情况,记录m=30%和m=100%调幅波所对应的VAB值。
(4)载波信号VC(t)不变,将调制信号改为方波,幅值为100mV,观察记录VAB=0V、0.1V、0.15V时的已调波,并绘出波形图。
3、实现抑制载波调幅
(1)将VSm调至30mV,Vcm调至80mV,调RP1,观察波形的变化,直到出现抑制载波调幅。
(2)若步骤
(1)无法实现抑制载波调幅,可将Vcm调至70mV,重复步骤
(1)。
(3)若步骤
(2)仍无法实现抑制载波调幅,可适当改变VSm的值,重复步骤
(2),直至出现为止,此时记录VAB的值,并绘制波形图,分析结果。
(4)所加载波信号和调制信号均不变,微调RP2为某一个值,观察记录输出波形。
(5)在(4)的条件下,去掉载波信号,观察并记录输出波形,并与调制信号比较。
图7-31496构成的解调器
(二)解调电路
调幅波的解调即是从调幅信号中取出调制信号的过程,通常称之为检波。
调幅波解调方法有二极管包络检波器,同步检波器。
二极管包络检波见试验四。
下面仅进行同步检波。
用1496集成电路构成的解调器电路图如图7-3所示,载波信号VC经过电容C1加在⑧、⑩脚之间,调幅信号VAM经电容C2加在①、④脚之间,相乘后信号由(12)脚输出,经C4、C5、R6组成的低通滤波器,在解调输出端,提取调制信号。
1、解调全载波信号
(1)将图7-3中的C4另一端接地,C5另一端接A,按调幅实验中实验内容2
(1)的条件获得调制度分别为30%,100%及>100%的调幅波。
将它们依次加至解调器VAM的输入端,并在解调器的载波输入端加上与调幅信号相同的载波信号,分别记录解调输出波形,并与调制信号相比。
注:
画出调幅波、载波、和解调信号三者的波形对比。
(2)去掉C4,C5观察记录m=30%的调幅波输入时的解调器输出波形,并与调制信号相比较。
然后使电路复原。
2、解调抑制载波的双边带调幅信号
(1)按调幅实验中实验内容3
(2)的条件获得抑制载波调幅波,并加至图7-3的VAM输入端,其它连线均不变,观察记录解调输出波形,并与调制信号相比较。
(2)去掉滤波电容C4,C5观察记录输出波形。
六、实验报告要求
1、整理实验数据,用坐标纸画出直流调制特性曲线。
2、画出调幅实验中m=30%、m=100%、m>100%的调幅波形,在图上标明峰—峰值电压。
3、画出当改变VAB时能得到几种调幅波形,分析其原因。
4、画出100%调幅波形及抑制载波双边带调幅波形,比较二者的区别。
5、画出实现抑制载波调幅时改变RP2后的输出波形,分析其现象。
6、在同一张坐标纸上画出同步检波解调全载波及抑制载波时去掉低通滤波器中电容C4、C5前后各是什么波形,并分析二者为什么有区别。
*二极管峰值包络检波器
一、实验目的
1、进一步了解调幅波的原理,掌握调幅波的解调方法。
2、了解二极管包络检波的主要指标,检波效率及波形失真。
二、预习要求
1、复习课本中有关调幅和解调原理。
2、分析二极管包络检波产生波形失真的主要因素。
三、实验仪器设备
1、双踪示波器
2、高频信号发生器
3、万用表
4、实验板2
四、实验电路说明
调幅波的解调即是从调幅信号中取出调制信号的过程,通常称之为检波。
调幅波解调方法有二极管包络检波器,同步检波器。
下面进行二极管包络检波。
图4-1二极管包络检波器
二极管包络检波器适合于解调含有较大载波分量的大信号的检波过程,它具有电路简单,易于实现,本实验如图4-1所示,主要由二极管D及RC低通滤波器组成,它利用二极管的单向导电特性和检波负载RC的充放电过程实现检波。
所以RC时间常数选择很重要,RC时间常数过大,则会产生对角切割失真。
RC时间常数太小,高频分量会滤不干净。
综合考虑要求满足下式:
其中:
m为调幅系数,f0为载波频率,Ω为调制信号角频率。
五、实验内容及步骤
1、解调全载波调幅信号
(1)m<30%的调幅波的检波
载波信号仍为VC(t)=sin2π×105t(V)调节调制信号幅度,按调幅实验中实验内容2
(1)的条件获得调制度m<30%的调幅波,并将它加至图4-1二极管包络检波器VAM信号输入端,观察记录检波电容为C1时的波形。
(2)加大调制信号幅度
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