电子电路与综合第二次实验

实验三实验三 正弦波压控振荡器正弦波压控振荡器 1. 实验目的实验目的 1. 通过实验，进一步加深理解 LC 振荡电路的基本工作原理，熟悉振荡电路的起振条 件及影响频率稳定度的因素。 2. 理解压控振荡电路的工作原理，加深对压控特性的理解。 2. 实验仪器与器材实验仪器与器材 双踪示波器（大于 40MHZ） 1 台 万用表 1 只 ISTB 智能信号测试仪 1 台 高频信号发生器 1 台 3. 实验原理及电路实验原理及电路 压控振荡器（VCO）的一般特性如下图 3.1 所示，当不加控制电压时，其输出频率为 自由振荡频率；当控制电压 uC增加时，输出振荡频率升高；当控制电压 uC减小时，输出 振荡频率降低。 图 3.1 VCO 的压控特性曲线图 因此，控制电压与输出频率的关系可表示为(这里认为是线性器件)： (3.1)()( 0 tVKt CCCo 式 3.1 中，0为自由振荡频率，K0为压控灵敏度，Vc(t)为控制电压。压控灵敏度定义 为单位控制电压引起 VCO 振荡频率的调控增量，用 Ko表示，单位 Hz/V。 uC f (Hz) f o 2 (3.2) 21 21 o CCC fff K uuu 通常，采用变容二极管作为 VCO 器件。变容二极管是利用 PN 结的结电容随反向电压 而变化这一特性而设计制作成的一种压控电抗元件。变容二极管的符号和结电容变化的曲 线如图 3.2 中所示。 （a）电电气气符符号号 t Cj(t)Cj 00 0 -uR -uR t Co CjQQ UQ Um （b）结结电电容容-电电压压曲曲线线 图 3.2 变容二极管符号和特性曲线 由于变容二极管的结电容较小，通常为几十 pF，所以变容管构成的 VCO 一般振荡频 率在高频段。以变容管为 VCO 的原理图如图 3.3 所示。将变容二极管接入 LC 振荡器的振 荡回路中，让变容管的可调电容参与振荡频率，就构成了变容二极管 VCO。图 3.3(b)和(a) 分别为振荡交流通路和变容二极管电压控制电路。由图中可知该振荡器为 Clapp 振荡器， 变容二极管与 2.2H 电感并接以后参与 LC 回路，调变振荡频率。必须注意的是变容二极 管必须处于反偏工作状态，因此图中控制电压 uC为正的调变电压加在变容二极管负极，而 变容二极管的正极通过 2.2H 接地，如图 3.3(c)所示的变容二极管控制电路。该 VCO 的输 出频率范围为 100MHz110MHz。 0.1F 0.1F 1mH 10K 20K -12V VEE 4K 0.15H 0.1F 2.2H 10pF 50 100pF 20pF 输输出出 1mH 0.1F 2.2H 0.47H Cj uC (a) (b) .01F 2.2H 10pF 2.2H Cj 0.47H 100pF 20pF 0.15H (c) Cj uC 图 3.3 变容二极管 VCO 3 在本实验中，所采用 VCO 电路图如图 3.4 所示。图中 BG7 为振荡管，D4、D5 为变 容二极管，T3 为振荡线圈。这样，由 BG7 和这三个元件就构成了改进型共基极电容三点 式电路。只要改变 D4、D5 PN 结的结电容，就可以改变振荡器的振荡频率。调节电位器 W4 可以改变压控振荡器的基极偏置，从而调节其静态工作点。工作点趋低，反馈减小， 振荡趋弱，波形趋好；工作点趋高，反馈加强，振荡趋强，但波形趋差。 图中 R49、R50 为偏置电阻，R51 为阻尼电阻，其作用是消除寄生振荡。振荡信号从 BG7 发射极输出，BG8、BG9 构成共集组态电路，为隔离缓冲、滤波电路，一方面减小输 出电路对振荡回路的影响，另一方面使信号波形在一定程度上得到改善。 图中 P21 改变 BG7 静态工作点，P23 为压控控制端，调节 W5 可改变此电压，改变振 荡频率，P24 为振荡器输出端。 图 3.4 压控振荡器电路 4 4 实验内容与步骤实验内容与步骤 1. 将拨动开关 JP13 置于 12 之间，接通“正弦波压控振荡器与调频信号的产生电路” 的直流电压； 2. 用数字万用表测量 P21 点的直流电压，调节电位器 W4，使该点电压为3.5V； 3. 分别用示波器和频谱仪观察 P24 点的波形，调节电位器 W5，观察输出波形频率变 化的情况； 4. 测量压控振荡器的压控特性。 按下表给出的 P23 点的压控电压，调整 W5（用万用表测控） ，用 ISTB 的“频率测量” （11 号）功能测量所对应电压的 P24 点的频率值，并用 ISTB 的“交流电压测量”（15 号） 功能（或使用毫伏表）测量 P24 点相应的幅值，填写在下表中。 P23 压控电压 （V） -9V-8V-7V-6V-5V-4V-3V-2V-1V-0.5V P24 脚输出 频率 f (MHZ) 输出电压幅度 ( mv) 5. 选压控电压为5V，调节 W4，观察 P24 点信号波形的变化； 75 实验报告实验报告 1. 整理实验数据，观测压控振荡器的压控特性。并填写记录表，画出 VCO 控制特性 曲线。 2. 根据式 3.1，利用特性曲线，求出该压控振荡器的压控灵敏度 K0。 5 实验四实验四 调频电路实验调频电路实验 1. 实验目的实验目的 通过实验加深理解调频信号的概念，调频信号产生的基本方法和基本原理； 2. 实验仪器实验仪器 示波器（带宽大于 40MHz）1 台 万用表1 只 双路直流稳压电源 1 台 信号发生器 1 台 调频信号发生器 1 台 频谱仪 1 台 智能信号仪 1 台 3. 实验原理实验原理 3.1 调频原理调频原理 调频是使载波信号的频率按基带调制信号的规律变化，而幅度保持不变的一种调制。 FM 波是基带调制信号去调变载波的角频率。这时，载波的瞬时角频率可表示为 (4.1)()tvktfc 式中 kf是和调频电路有关的比例常数，单位为 rad/V。 已调的瞬时相角为 (4.2) tt dttvktdtttfc 00 0)()()( FM 已调波表达为 (4.3) t ofcomFMdttktVt 0 )(cos)( 对于 v(t)=Vmcost 的单音信号进行频率调制，则 FM 波表达式为 6 (4.4) ofcomFMtMtVtsincos)( 其中，为调频指数，其值与成正比而与成反比，且其值可以大于 1。 fM omV 即 (4.5) F fVk M mmmf f 调频波的产生如图 4.1 所示， 图 4.1 FM 波时域图 3.2 调频波所占频宽调频波所占频宽 FM 调变波所占有的频带宽会随着调变指数(f/F)的增大而扩宽。FM 调变波的频谱分 布范围很广，而只对于存在有 98%以上的能量的频带称之为 Carson 频带宽。在此，对于占 有频带宽 BW 可以概略计算如下 BW 2（Mf+1）F = 2(fm+F) (4.6) 式中，f 是最大频率偏移，F 为调制信号最高频率。 根据 FM 最大调制角频偏的 fm 不同,FM 可分为宽带调频与窄带调频。 宽带调频： 当 fmF, BW 2fm 窄带调频： 当 fmF, BW 2F 3.3 调频方法调频方法 调频波的产生有两种方法：直接调频法和间接调频法，这里只介绍直接调频法。 直接调频：将调制信号去直接调变载频振荡器的振荡频率，使其不失真的反映调制信 图一 单音调频波波形 7 号的变化规律。 直接调频电路就是一个振荡器，其振荡频率取决于电路中电抗元件 L 和 C 的值，用调 制信号电压控制可变电抗的值就可以控制振荡器的频率，这就是直接调频的工作原理。受 控的电抗元件可以是电感或电容，但最常用的是变容二极管。 LC 正弦振荡器直接调频 如图 3.2 所示，C2, C3, C4对载频视为短路；L1对载频视为开路；C1对 V (t) 视为短路； 变容管 D 的电容 Cj与 L2构成振荡回路，当调制信号加在变容管的 Vdq处改变电容值，从 而在电阻 R 上输出调频波。 Vcc Vdq D C2C3 L2 C4 R C1 L1 )(tV 图 4.2 变容二极管直接调频电路 在实验三高频振荡器图 3.4 中，如果在变容二极管 D4 和 D5 中间加入了基带音频信号， 那么在其输出端 P24 就是一个调频信号，让这个基带信号的变化去控制振荡器的输出频率， 由此达到调频的目的。P22 点输入端相当于隔直输入，只让基带信号交流变化控制压控振 荡器的振荡频率。 4. 实验步骤实验步骤 1. 调频信号产生实验：按实验三要求，接通 VCO 电路电源。调节电位器 W5，使 VCO 输出频率为 6.5MHZ，作为载波信号。 2. 用信号源（或 ISTB 多功能测试仪）产生频率为 1KHZ，幅度约 200mV 的正弦 波，作为基带信号。 3. 把基带信号加到压控振荡器的 P22 点处，观察压控振荡器 P24 点输出波形。 4. 用示波器测量此时已调 FM 波最高频率 fmax和最低频率 fmin。 5. 分别改变基带信号的幅度和频率，分别用频谱仪和示波器观察 FM 输出波形。 6. 利用信号源产生一个 FM 信号，参数为：载波频率 fc = 10MHz，调制频偏 Freq DIV=1MHz，调制信号频率 f = 10KHz。再利用频谱仪和示波器观察此波形，注意在信号 源产生的 FM 信号中，无基带信号幅度调节选项。 图二 变容管作为回路总店容直接调频电路 8 5. 实验报告实验报告 1.分别画出在实验步骤 1 和 2 中所产生的 FM 波的时域波形和频谱图，在时域波形 中标明幅度与周期，在频谱图中标出功率与 FM 波所占带宽； 2.在实验步聚 4 中，利用式 4.5 可求出此时调制指数 Mf = (fmax - fmin) / F。 说明：由于测试误差，可能 fmax和 fmin各位同学测试时差异较大，但这是一种求出调 制指数的方法。 3.利用式 4.6 计算 Carson FM 波带宽，并与测试结果进行对比说明。为什么在单音调 制时，FM 波也会占有较宽的带宽。 4.思考，若一调频信号的调制信号为 ，调频波表达式为tVtv m cos)( ，VtttvFM)102sin75104cos(5)( 38 （1）此信号载频和调制信号频率各是多少？ （2）若调制信号幅度增大一倍，调制信号频率不变，调制系数和带宽各有何变化？ 5. 说明调制频偏和调频信号所占带宽的关系。 9 实验五实验五 调频解调电路实验调频解调电路实验 1. 实验目的实验目的 通过实验加深理调频解调电路的工作原理和解调方法。 2. 实验仪器实验仪器 示波器（带宽大于 40MHz）1 台 万用表1 只 双路直流稳压电源 1 台 信号发生器 1 台 调频信号发生器 1 台 频谱仪 1 台 智能信号仪 1 台 3. 实验原理实验原理 3.1 移相乘积移相乘积 FM 解调解调 常用的调频波解调方法有斜率鉴频、移相乘积鉴频和锁相环鉴频三种方法，这里只介 绍移相乘积鉴频电路的工作原理，框图如图 5.1 所示。它的工作原理就是将调频波延时 t0，当 t0 满足一定条件时，可以得到相位变化规律与调制信号变化规律基本相同的调相波。 检测出这个相位变化就可获得解调信号，这种方案多用于集成电路鉴频器中。 延时 t0 低通 滤波器 VD(t) VFM(t)V0(t) VFM(t-t0) 图 5.1 移相乘积鉴频电路框图 若调频波为单频余弦信号调制的信号，表示为 (5.1)sincos)(tmtVtv FccmFM 延时 t0后的调频波可表示为 (5.2)(sin)(cos)( 000 ttmttVttv FccmFM 若 to 0.2/，将调频信号与其延时后的信号相乘得 10 ttmttmtVttmtV ttmttmttmtV ttvtvtv FcFccmFccm FcFcFccm FMFM cos)sin(2cos 2 1 )coscos( 2 1 cossincossincos )()()( 00 2 00 2 00 2 00 式（5.3）经低通滤波器输出为 (5.4) )cossin()sin()coscos()cos( 2 1 )coscos()( 0000 2 00 2 ttmtttmtV ttmtVtv FcFccm FccmD 假定 ct0 /2，这个假定可以在具体电路中实现，并假定 mf ct0 0.2，则上式可近似为： (5.5)ttmVtv FcmD cos 2 1 )( 0 2 由此，实现了调频波的解调。可以看出，如果延时（或相移）网络只要能把 FM 波的载波 信号延时 90 度，就可实现用乘积解调的方法实现解调。 3.2 延时网络延时网络 我们知道，一个简单的 RC 电阻网络可以构成移相（或延时）网络，如图 5.2 所示。 可以看出，一级 RC 积分网络最大相移为 90 度。 图 5.2 RC 积分移相网络 通常在 FM 解调电路的移相器中，使用 LC 并联谐振回路的特性实现 90 度的相移达到 乘积鉴相的目的。 3.3 FM 集成电路芯片集成电路芯片 DG1353 是一种将电视伴音中放、鉴频及音频功放电路集成一体的双极型单片模拟 集成电路，它是为电视接收机的伴音中放和音频部分设计的。 1. 引脚功能及内部电路框图 11 该集成电路采用了双列直插 14 脚封装结构，其上有散热片。其内部包括伴音中频放 大器、调频检波器、直流音量控制电路、2.4W 音频输出放大器和稳压器，其引脚功能如表 5-1 所示。 表 51 引脚功能表 图 5.3 FM 解调电路 图 5.3 中的 FM 解调部分中，FM 信号由 1 脚和 2 脚间的正交线圈（LC 并联网络）移 相 90 度后，在乘法器中相乘，由 8 脚输出解调信号。 4 实验步骤实验步骤 1. 将拨动开关 JP8 置于 12 之间，接通“调频信号的解调电路”的直流电压； 2. 用信号源产生一个 FM 信号，参数为：载波频率 fc = 6.5MHz，调制频偏 Freq 引脚号功 能引脚号功 能 1、2接调频检波调谐回路8功放输出 3接去加重电容器9接自举电容器 4音频衰减输出10功放电源（B2） 5稳压输入（电源 B1） 11接反馈电容器 6接去耦电容器12、13中频输入 7功放音频信号输入14音量控制调节 12 DIV=0.5MHz，调制信号频率 f = 10KHz。 3. 将 FM 信号加到 P18 端，将拨动开关 JP3 置于 1-2 之间（把音频输出与功放输入相 连接） ，拨动开关 JP9 置于 12 之间，用示波器观察 P19 点的波形； 4调节 FM 信号的各个参数，观察 P19 波形的变化。 实验六实验六 混频器实验（选做）混频器实验（选做） （对于未选通信电子线路学生不做要求）（对于未选通信电子线路学生不做要求） 一一 实验目的实验目的 通过实验加深理解混频器的基本原理、混频概念； 二二 实验仪器实验仪器 示波器（带宽大于 40MHz）1 台 万用表1 只 双路直流稳压电源 1 台 信号发生器 2 台 (或调幅信号发生器 1 台） 频谱仪 1 台 三三 实验原理实验原理 3.1混频器在超外差接收机的作用混频器在超外差接收机的作用 单次变频超外差接收机典型框图如图 3.1 所示。低噪放用于对天线接收到的微弱 信号放大；混频器把接收频率变到所需的固定中频，由解调电路恢复出基带信号，最 后由功放电路推动负载输出。 本本振振 混混频频器器 中中频频 滤滤波波 PA 低低噪噪声声 放放大大器器 解解调调 中中放放 图 6.1 典型超外差接收机框图 3.2 混频的种类及混频器的应用混频的种类及混频器的应用 13 混频有上、下混频两种类型： 上变频（上混，up-conversion） ，如 GSM 发射系统。 RLI fff （6.1） 下变频（下混，down-conversion） ，如超外差接收机。 )( )( RLLR RLRL RLI ffff ffff fff （6.2） 混频器是通信机中的重要组成部件。在发射机中一般用上混频，它将已调制的中频信 号搬移到射频段。接收机一般为下混频，它将接收到的射频信号搬移到中频上。接收机的 混频器位于 LNA 之后，将 LNA 输出的射频信号通过与本振信号的相乘变换为中频信号。 混频器在输入端口接收两个信号并在输出端口产生多个频率分量。显然，线性系统是 不能实现这个任务的，而必须由二极管、场效应管或双结型晶体管等非线性器件来完成。 3.2.1 混频原理混频原理 3.2.1.1混频原理（频域）混频原理（频域） 从频域角度来看，混频是一种频谱的线性搬移，输出中频信号与输入射频信号的频谱 结构相同，唯一不同的是载频。下面用频谱来说明混频的过程。 首先说明一点，负频率在物理上是不存在的，就像虚数一样，为了数学计算的需要而 引的。更数学地看问题，混频就是频谱的线性搬移，单音信号 f(t) 的 Fourier 变换为： (6.3)()( 2 1 cos)( ccc jjFjjFttf 14 )(jF )(jF C C C C 0 0 图 6.2 信号乘以正弦函数的频谱变化 0 C C )( C H 0 L L )( L H 0 C C )( C H 图 6.3 （a） 载频为的射频信号频谱 c 15 0 L L )( L H 图 6.3 （b） 本振信号频谱 0 | CL )( IF H L L LC | CL LC 图 6.3 （c） 混频后信号频谱 理想的带通滤波器滤波器频率幅度响应特性分别如图 6.4（a）和图 6.4（b）所示： 0 )( IF H | CL | CL 图 6.4 （a） 中心频率为的理想带通滤波器| CL 0 )( IF H LC LC 图 6.4 （b） 中心频率为的理想带通滤波器 CL 当图 3.5（c）中的混频后信号分别通过如图 6.5（a）和 6.5（b）的带通滤波器后的频谱如 下： 16 0 )( IF H LC LC 图 6.5 (a) 上混频频谱 0 | CL )( IF H | CL 图 6.5 (b) 下混频频谱 用高通滤波器取出和频，则实现了上混频；若用低通滤波器取出差频 RL ，则实现了下混频。 | RL 3.2.2混频原理（时域）混频原理（时域） 从时域上来看，混频就是基于三角函数相乘关系来实现的： (6.3)cos()cos( 2 coscos 212121 tt AB tBtA 若接收射频信号为：，本振信号为：，则：tVtv RRMR cos)(tVtv LLML cos)( (6.4) )cos()cos( 2 1 coscos)()( ttVV tVtVtvtv RLRLLMRM LLMRRMLR 由此可见，实现了混频。 3.2.3混频电路的行为级仿真混频电路的行为级仿真 用 ADS2003 可以进行混频器的行为级仿真，射频输入源 Freq=14.090MHz, P=polar(dbmtow(-40),0)；本振信号源 Freq=14.545MHz, P=polar(dbmtow(-40),0)，混频器输 出采用 Butterwoth 滤波器，在 50 欧 Term(终端)上得到中频电压 IF_OUT(Intermediate Frequency)，如图 3.8 所示。混频器输出频谱如图 3.9 所示，下混频中频电压频谱如图 3.10 17 所示。 图 6.6 谐波平衡法混频器的行为级仿真 m1 freq= m1=-40.000 455.0kHz m2 freq= m2=-33.979 28.64MHz 1020304050060 -500 -400 -300 -200 -100 -600 0 freq, MHz dBm(Mixer_Out) m1m2 图 6.7 混频器输出频谱 (两个混频信号 m1,m2 的功率基本相等) 18 m3 freq= m3=-40.000 455.0kHz m4 freq= m4=-1077.016 28.64MHz 1020304050060 -1400 -800 -2000 -200 freq, MHz dBm(IF_out) m3 m4 图 6.8 经过滤波器后混频器输出下变频频谱 (混频信号 m4 的功率经过滤波器大大衰减) 四、实验电路四、实验电路 图 6.9 中 T1、T2、T3 和二极管 D1、D2、D3、D4 构成一个经典的双平衡混频器，输 入信号由变压器 T1 转换为双端信号，本振信号由变压器 T3 转换为双端信号，混频信号由 变压器 T2 输出至电阻 R1，三极管 BG1 为信号隔离电路，晶体 Y1 和集成放大器 U1