高频电子线路实验报告.doc

南京信息工程大学滨江学院高频电子线路实验报告作者 叶涛 学号 20092334932 系部 电子信息工程系 专业班级 通信工程（3）班 指导教师 胡昭华 评阅教师 完成时间： 2011 年 12 月 18 日实验一 高频小信号放大器一、实验原理 高频小信号放大器的作用就是放大无线电设备中的高频小信号， 以便作进一步变换或处理。所谓“小信号”，主要是强调放大器应工作在线性范围。高频与低频小信号放大器的基 本构成相同，都包括有源器件（晶体管、集成放大器等）和负载电路，但有源器件的性能及负载电路的形式有很大差异。 高频小信号放大器的基本类型是以各种选频网络作负载的频带 放大器，在某些场合，也采用无选频作用的负载电路，构成宽带放大器。 频带放大器最典型的单元电路如图 1-1 所示， 由单调谐回路做法在构成晶体管调谐放大器。 图 1-1 电路中，晶体管直流偏置电路与低频放大器电路相同，由于工作频率高，旁路电 容Cb.、Ce可远小于低频放大器中旁路电容值。调谐回路的作用主要有两个：图 1-1 晶体管单调谐回路调谐放大器 第一、选频作用，选择放大的信号频率，抑制其它频率信号。 第二、提供晶体管集电极所需的负载电阻，同时进行阻抗匹配变换。 高频小信号频带放大器的主要性能指标有： （1）中心频率 ：指放大器的工作频率。它是设计放大电路时，选择有源器件、计算谐振回路元件参数的依据。 （2）增益：指放大器对有用信号的放大能力。通常表示为在中心频率上的电压增益和 功率增益。 电压增益 （11）功率增益 （12）式中 、分别为放大器中心频率上的输出、输入电压幅度， 、分别为放大器中心频率上的输出、输入功率。增益通常用分贝表示。 （3）通频带：指放大电路增益由最大值下降 3db 时对应的频带宽度。它相当于输入不变时，输出电压由最大值下降到 0.707 倍或功率下降到一半时对应的频带宽度。（4）选择性：指放大器对通频带之外干扰信号的衰减能力。通常有两种表征方法：其一，用矩形系数说明邻近波道选择性的好坏。 其二，用抑制比来说明对带外某一特定干扰频率 信号抑制能力的大小，其定义为中心频率上功率增益 与特定干扰频率上的功率增益 之比： （14） 还有其它一些性能指标参数，如工作稳定性，噪声系数等。 高频小信号谐振放大电路如图 1-4 所示： 图 1-4 高频小信号谐振放大器 晶体管基极为正偏，工作在甲类，负载为 LC 并联谐振回路 ，调谐在输入信号的频率 465khz 上。该放大电路能够对输入的高频小信号进行反向放大。 在 Multisim 7 电路窗口中，创建如图 1-4 所示的高频小信号放大电路图，其中晶体管 Q1 选用虚拟晶体管。单击“防真”按钮，就可以从示波器中观察到输入与输出的信号波形。 二、实验内容 （一）频带放大器的测量 1.观察高频小信号放大器输入输出信号的波形，注意幅度变化和相位关系。 2.高频小信号的选频作用观察输入输出波形，分析产生此种现象的原因 3.高频小信号放大电路的通频带和矩形系数 利用 Multisim 7 仿真软件中所提供的波特图仪观察上述高频小信号放大电路的通频带，将波特图仪接入高频小信号谐振放大电路，观察幅频特性。 4.观察双调谐回路高频小信号放大器输入与输出波形，分析幅频特性。 （二）宽带放大器的测量 观察输入输出信号的波形，分析幅频特性。高频小信号放大器输入输出信号的波形实验二 振幅调制实验抑制载波的双边带信号 （DSB）的实现一、实验原理 1、振幅调制的一般概念 调制，就是用调制信号（如声音、图像等低频或视频信号）去控制载波（其频率远高于调制信号频率，通常又称“射频”）某个参数的过程。载波受调制后成为已调波。 振幅调制，就是用调制信号去控制载波信号的振幅， 使载波的振幅按调制信号的规律变化。 设调制信号为 u 载波信号为 且 则根据振幅调制的定义，可以得到普通调幅波的表达为： ( （21） 式中 （22） 称为调幅度（调制度），为调制灵敏度。为使已调波不失真，调制度m 应小于或等于1、当 m1 时，此时产生严重失真，称之为过调制失真，这是应该避免的。将式（21）用三角公式展开，可得到： ( （23） 由式（23）看出，单频调制的普通调幅波由三个高频正弦波叠加而成：载波分量，上边频分量，下边频分量。在多频调制的情况下，各边频分量就组成了上下边带。普通调幅波可用 AM 表示。 在调制过程中，将载波抑制就形成了抑制载波双边带信号，简称双边带信号，用 DSB表示；如果 DSB 信号经边带滤波器滤除一个边带或在调制过程中直接将一个边带抵消，就形成单边带信号，用 SSB 表示。 由以上讨论可以看出， 若先将调制信号和一个直流电压相加，然后再与载波一起作用到 乘法器上，则乘法器的输出将是一个普通调幅波；若调制信号直接与载波相乘，或在 AM 调 制的基础上抑制载波，即可实现 DSB 调制；将 DSB 信号滤掉一个边带，即可实现 SSB 调 制。2、抑制载波的双边带信号（DSB）的实现 由于 DSB 信号可以通过调制信号与载波信号直接相乘获得，因此，可以通过二极管电路、差分对电路、模拟乘法器等电路实现。 利用二极管平衡电路实现 DSB 信号如图 2-8 所示。 二极管电路中的二极管应在大信号工作状态下，要求 。图2-8 二极管平衡调制电路利用乘法器电路实现SSB电路如图2-11所示。图2-11乘法器电路实现SSB调制电路二：实验结果：1.利用二极管平衡电路，差分对电路实现 DSB 调制 2.记录利用乘法器电路实现 SSB 调制的波形二极管平衡调制电路乘法器电路实现 SSB 调制电路实验三 调幅信号的解调一、实验原理 从高频已调信号中恢复出调制信号的过程称为解调。解调是调制的逆过程。调幅信号的解调，通常称为检波，其实现方法可分为包络检波和同步检波两大类。前者只适用于 AM 波，而 DSB 或 SSB 信号只能用同步检波。当然同步检波也可解调 AM 信号，但因比包络检波器电路复杂，所以 AM 信号很少采用同步检波。 1、二极管峰值包络检波器 二极管包络检波分为峰值包络检波和平均包络检波。前者输入信号电压大于 0.5V。检波器输出、输入间是线性关系线性检波；后者输入信号较小，一般几毫伏至几十毫伏，输出的平均电压与输入信号电压振幅的平方成正比，又称平方率检波，广泛用于测量仪表中的功率指示。本实验仅研究二极管峰值包络检波，其原理电路如图 3-1 所示。图 31 二极管峰值包络检波电路图中， 输入回路提供调幅信号源。 检波二极管通常选用导通电压小、 导通电阻小的锗管。RC 电路有两个作用：一是作为检波器的负载，在两端产生调制信号电压；二是滤除检波电流中的高频分量。为此，RC 网络必须满足 ? （31） 式中，为载波角频率，为调制角频率。 检波过程实质上就是信号源通过二极管向电容C充电和电容对电阻 R 放电的过程，充电时间常数为，为二极管正向导通电阻。放电时间常数为RC，通常，因此对C而言充电快，放电慢。经过若干个周期后，检波器的输出电压在充放电过程中逐步建立起来。该电压对二极管 D 形成一个大的负电压，从而使二极管在输入电压的峰值附近才导通，导通时间很短，电流通角很小。当 C 充放电达到动态平衡后， 按高频周期作锯齿状波动，其平均值是稳定的，且变化规律与输入调幅信号包络变化规律相同，从而实现了 AM 信号的解调。 平均电压，即输出电压包含直流及低频调制分量： ( （32）当电路元件选择正确时，接近但小于输入电压峰值。如果只需输出调制信号，则可在原电路上增加隔直电容和负载电阻。如图 3-2（a)；如果需要检波器提供与载波电压大小成比例的直流电压（如用于自动增益控制），则可用低通滤波器滤除调制分量，取出直流。如图 3-2（b）所示。 图3-2 峰值包络检波器的输出电路下面简单说明一下二极管峰值包络检波器的两项主要性能指标。 （1）传输系数 传输系数亦称检波系数，检波效率，是描述检波器对输入已调信号的解调能力或效率的一个物理量。若输入电压振幅为，输出直流电压为，则定义为： （33） 对于 AM 信号，其定义为检波器输出低频电压振幅于输入高频已调波包络振幅之比： W = （34） 这两个定义是一致的。的大小决定于 RC 的取值及二级管导通电阻的大小，越趋近于1，检波效率越高。 （2）检波器的失真 二极管峰值包络检波器的失真， 除具有与放大器相同的线性与非线性失真外，还存在两种特有的失真惰性失真和底部切割失真。 惰性失真表现为输出波形不随包络形状而变，他总是起始于输入电压负斜率的包络上，输出电压跟不上包络线的下降速度。这种失真是由于RC过大造成的，即由于RC时间常数过大，二极管截止期间C通过 R 放电速度过慢，使 AM 信号包络下降速度大于电容两端电压下降速度，因而造成二极管负偏压大于信号电压，致使二极管在其后的若干高频周期内不导通。为避免产生惰性失真，必须保证在每一个高频周期内二极管导通一次，也就是使电容C通过R放电的速度大于或等于包络的下降速度。 惰性失真产生的原因是低通滤波器 C,R 取值过大，使得电容的放电速度跟不上输入信号包络的下降速度，导致输出信号波形产生失真。底部切削失真又称负峰切削失真，这种失真是因检波器的交直流负载不同引起的。分析 表明，为防止失真，检波器交流负载与直流负载之比不得小于调幅波的调制度 m，因此，必须限制交、直流负载的差别.底部切割失真产生的原因是由于直流电容的存在，使得交、支流负载电阻不等，造成负峰被切割。 在 Multisim8 工作的界面上，创建如图 3-5 所示的检波电路，设置调查度为0.5.检查无误后自动电路仿真.从示波器中观察输入与输出波形.3-4二极管峰值包络检波电路2.同步检波器 对于DSB、SSB信号泽必须采用同步检波电路进行解调。对于乘积型同步检波器，若设投入已调波信号，插入载频，则乘法器的输出为： W=W+ 经低通滤波器滤除第二项高频分量，取第一项可得： 正是所需的调制信号项。 乘法器既可以采用模拟乘法器电路，也可以通过二极管平衡电路、 环形电路等电路来实 现输入已调波信号与输入载频信号的相乘作用。图 3-5 即为模拟乘法器实现同步检波的电路。电路中点一个乘法器的输出为一个 DSB 信号。该信号作为输入信号输入第二个乘法器 中，与插入载频（与载频同频同向）相乘，第二个乘法器的输出经低通滤波器，即可解调输出。在 Multisim8 工作的界面上，创建如图 3-5 所示的检波电路，检查无误后，启动电路仿真，从示波器中观察到输入信号与输出信号的仿真，从示波器中观察输入与输出波形。将电路中第二个乘法器的输入改为单音调制的 SSB 信号（取频率为 50.5kHz 的上边带 信号， 其中 50kHz 为原波频率， 0.5kHz为调制信号频率） 电路如图 3-6 所示。 利用 Multisim8 仿真，从示波器中观察到输入与输出波形。3-5模拟乘法器实现同步检波电路3-6模拟乘法器实现同步检波电路2二.实验内容1. 二极管峰值包络检波电路输出波形2. 模拟乘法器实现同步检波电路输出波形3.模拟乘法器实现同步检波电路2输出波形实验四 混频器一、实验原理 混频，又称变频，其基本功能是保持已调信号的调制规律不变，近使载波频率升高（上变频）或降低（下变频）。从频谱角度看，变频功能的实质是将已调信号的频谱沿频率轴做线性搬移，因而变频电路必须由乘法器何种频带通滤波器组成，如图 4-1 所示。图4-1 混频器的组成图中，是待混频的已调信号，可以是调幅波或调角波；是参考信号，亦称本机荡信号或本振。设 则其乘积 （41） 经中频带通滤波器，取出或频率分量，即完成变频作用。新的载波频率习惯上称为中频。混频电路形式很多，原则上凡是具有相乘功能的器件都可用来构成混频电路，如集成模拟乘法器、晶体三极管、晶体二极管、场效应管等。 1、三极管混频电路 三极管混频器的电路如图 4-2 所示，它包括晶体三极管、输入信号源、本振信号源、输 出回路和馈电回路。电路特点是：（1）输入回路工作在输入信号的载波频率上，而输出回路则工作在中频频率（即 LC 选频回路的固有谐振频率）。（2）输入信号的幅度很小，在输入信号的动态范围内，三极管近似为线性工作。（3）本振信号与基极偏压共同构成时变工作点。由于三极管工作在线性时变状态，存在随周期变化的时变跨导。 工作原理：输入信号与时变跨导的乘积中包含有本振宇输入载波的差频项， 用带通滤波器取出该项，即获得混频输出。 在 Multisim 7 用户界面中，创建如图 4-2所示的混频电路，电路参数如图所示，检查无误后，启动电路仿真，从示波器中观察输入与输出信号的波形。 在混频器中，变频跨导的大小与三极管的静态工作点、本振信号的幅度有关，通常为了使混频器的变频跨导最大（进而使变频增益最大），总是将三极管的工作点确定在：,.而且，此时对应混频器噪声系数最小。 图4-2 三极管混频电路2、乘法器混频实现混频的电路如图 4-5 所示。 图4-5 乘法器实现混频的电路二、实验内容 1观察三极管混频器的输入、输出波形2选择二极管双平衡电路或差分对电路混频电路，观察输入、输出波形.三极管混频电路输出波形乘法器实现混频的电路输出波形实验五 高频功率放大电路一、实验原理 高频功率放大电路通常用在发射级末级功率放大电路和末前级功率放大电路中，主要对高频小信号低功率进行放大，使其达到发射功率的要求。 高频功率放大电路如图 9-1所示，其电路特点是：晶体管工作在丙类，负载为并联谐振回路，调谐在输入信号的功率上起滤波和阻抗匹配的作用。 图 9-1 高频功率放大电路1、集电极电流与输入信号之间的非线性关系 晶体管工作在丙类的目的是提高功率放大电路的功率，此时晶体管的导通时间小于输入信号的半个周期。因此，集电极电流将是周期的余弦脉冲序列。 （1）当输入信号的振幅为 0.75 V时，利用 Multisim 7 仿真软件中的瞬态分析对高频功率放大电路进行分析的设置是：起始时间设置为0.03s,终止时间设置为 0.030005s,输出变量为VV3#branch，瞬态分析的结果即集电极电流将是一串尖脉冲。 （2）当输入的振幅为1V 时，利用 Multisim 7 仿真软件中的瞬态分析对高频功率放大电路进行分析时，设置同上，瞬态分析结果将是一串凹顶的脉冲。 2、输入与输出信号之间的线形关系 尽管由于晶体管的非线形工作，使集电极电流与输入信号之间为非线形关系，利用并联谐振回路的选频特性，使集电极电流的基波分量会在回路两端产生较大的输出电压，而谐波分量所产生的输出幅度很小，可以忽略不计。这样输出信号将与输入信号成线形关系。 二、高频功率放大电路的外部特性 高频功率放大电路的外部特性是判断、调整其工作状态的依据，主要包括：调谐特性、负载特性、振幅特性、和调制特性。 图 9-2 谐振放大器的调谐特性1、调谐特性 调谐特性是指在、不变的条件下，高频功率放大电路的、等变量的关系，如图 9-2 所示。调谐特性是指示负载回路是否调谐在输入载波频率上的重要依据。 下面以图 9-3 所示的电路为例具体说明高频功率放大电路的调谐特性。 首先使可变电容的百分50%，即电容的大小为 200pF，此时，电路处于谐振状态，并联谐振回路两端输出正弦波，直流电流表的读数为 0184 mA。若改变可变电容的百分比，则会发现直流电流表的读数增加，电路处于失谐状态，输出信号失真。 图 9-3 高频功率放大器调谐特性的仿真电路2、负载特性 负载特性是指在、不变的条件下，高频功率放大电路的工作状态与之间的关系，负载特性曲线如图