高频C4实验指导书V2[1].4

高频电子线路实验指导书 1 高频电子线路高频电子线路 C4C4 型实验箱总体介绍型实验箱总体介绍 一 概述一 概述 本高频电子线路 C4 型实验箱的实验内容及实验顺序是根据高等教育出版社出版的 高频电子线路 作者为张肃文 一书而设计的 本实验箱设置了十个实验 分别是 高频小信号调谐放大器实验 二极管开关混频器实验 高频谐振功率放大器实验 正弦波振 荡器实验 集电极调幅及大信号检波实验 变容二极管调频实验 集成电路模拟乘法器应用 实验 模拟锁相环应用实验 小功率调频发射机设计和调频接收机设计 其中前八个实验是 为配合课程而设计的 主要帮助学生理解课堂所学的内容 后两个实验是系统实验 能让学 生了解每个复杂的无线收发系统都是由一个个单元电路组成的 实验板配有有机玻璃罩 以保护实验板上的元件 可调电阻如果用手调节不方便 可用 实验箱配置的无感批调节 二 整机介绍二 整机介绍 本实验箱为整板式结构 实验板的右侧至上而下分别为实验所需的频率计 低频信号源 和高频信号源 它们不作为实验内容 属于实验工具 频率计 低频信号源和高频信号源的 使用方法说明如下 1 频率计使用方法 频率计使用方法 本实验箱提供的频率计是基于本实验箱实验的需要而设计的 它只适用于频率低于 15MHz 信号幅度 Vp p 100mV 5V 的信号 KG1 是频率计的电源开关 ING1 为频率计的输入端 JG2 JG3 和 JG4 为输入信号通 道选择跳线 当所测信号频率低于 100KHz 时 连接 JG3 JG4 此时 JG2 断开 当所测信 号频率高于 100KHz 时连接 JG2 此时 JG3 JG4 断开 一般情况下都连接 JG2 断开 JG3 JG4 所测信号的频率通过 8 个数码管显示 其中前 6 个数码管显示有效数字 第 8 个 数码管显示 10 的幂 单位为 Hz 如显示 10 7000 6 则频率为 10 7MHz 频率计的使用方法如下 使用时 首先按下开关 KG1 然后用实验箱附带的连接线将所要测量的信号与频率计的 输入端 ING1 相连 按要求确定 JG2 JG3 和 JG4 的连接方式 则数码管显示所测信号的频 率 本频率计的精度为 若信号为兆赫兹级 则显示精度为百赫兹 若信号为千赫兹级和赫 兹级 则显示精度为赫兹 2 低频信号源的使用方法 低频信号源的使用方法 本实验箱提供的低频信号源是基于本实验箱实验的需要而设计的 输出分两个频段 第一频段 500Hz 2KHz 实际输出信号范围较宽 此信号可以方波 正弦波的形式 输出 主要用于变容二极管调频实验 集成模拟乘法应用中的平衡调幅实验 集电极调幅实 验和高频信号源输出调频波功能的实现 第二频段 20KHz 100KHz 实际输出信号范围较宽 此信号可以正弦波的形式输出 主要用于锁相环倍频实验 KD1 为低频信号源的电源开关 TTD1 和 TTD2 分别为正弦波和方波输出端 跳线 高频电子线路实验指导书 2 JD1 JD2 用于选择频段 连接 JD1 断开 JD2 则输出信号频率范围为 500Hz 2KHz 连 接 JD2 断开 JD1 则输出信号频率范围为 20KHz 100KHz 跳线 JD3 JD4 用于选择输 出信号的波形 连接 JD3 断开 JD4 则输出波形为方波 连接 JD4 断开 JD3 则输出 波形为正弦波 WD6 用于调节输出信号的频率 WD1 用于调节方波信号的幅度 WD2 用 于调节正弦波信号的幅度 低频信号源的使用方法如下 使用时 首先按下开关 KD1 则发光二极管 LEDD1 LEDD2 亮 当需输出 500Hz 2KHz 的信号时 连接 JD1 JD4 此时 JD2 JD3 断开 则从 TTD1 处输出 500Hz 2KHz 的正弦波 调节 WD2 使正弦波的幅度满足要求 调节 WD6 同时用频率计测 量使输出信号的频率满足要求 连接 JD1 JD3 此时 JD2 JD4 断开 则从 TTD2 处输出 500Hz 2KHz 的方波 调节 WD1 使方波的幅度满足要求 调节 WD6 同时用频率计测量使 输出信号的频率满足要求 当需输出 20KHz 100KHz 的信号时 连接 JD2 JD4 此时 JD1 JD3 断开 则从 TTD1 处输出 20KHz 100KHz 的正弦波 调节 WD2 使正弦波的幅度满足要求 调节 WD6 同时用频率计测量使输出信号的频率满足要求 连接 JD2 JD3 此时 JD1 JD4 断开 则 从 TTD2 处输出 20KHz 100KHz 的方波 调节 WD1 使方波的幅度满足要求 调节 WD6 同 时用频率计测量使输出信号的频率满足要求 特别指出的是 在输出特别指出的是 在输出 20KHz 100KHz 的信号时 会出现信号幅度随着频率的增大而的信号时 会出现信号幅度随着频率的增大而 减小的现象 这是因为 本实验装置的频率调节是通过跳线选择不同的电容值和调节电位器减小的现象 这是因为 本实验装置的频率调节是通过跳线选择不同的电容值和调节电位器 分压来实现的 不同的电容值对信号幅度的衰减不同 在相同电容值且频率较高的情况下 分压来实现的 不同的电容值对信号幅度的衰减不同 在相同电容值且频率较高的情况下 输出电压幅度会随着频率的增大而减小 但这种变化可通过调节输出电压幅度来进行调整 输出电压幅度会随着频率的增大而减小 但这种变化可通过调节输出电压幅度来进行调整 不影响实验的效果 不影响实验的效果 3 高频信号源的使用方法 高频信号源的使用方法 本实验箱提供的高频信号源是基于本实验箱实验的需要而设计的 它只提供 10 7MHz 的载波信号和约 10 7MHz 的调频信号 调频信号的频偏可以调节 载波主要用于小信号调 谐放大器实验 高频谐振功率放大器实验 集电极调幅与大信号检波实验 模拟乘法器应用 实验中的平衡调幅和混频 二极管开关混频器实验 调频信号主要用于模拟乘法器应用实验 中的鉴频实验 模拟锁相环应用实验中的锁相鉴频实验 KF1 为高频信号源的电源开关 TTF1 为高频信号源的输出端 WF1 用于调节输出信号 的幅度 可调电容 CCF1 用于调节调频波载波的频率 跳线 JF1 JF2 JF3 JF4 用于选择输 出载波还是输出调频波 高频信号源的使用方法如下 使用时 首先按下开关 KF1 则发光二极管 LEDF1 亮 当需输出载波信号时 连接 JF1 此时 JF2 JF3 JF4 断开 则 10 7MHz 的载波信号由 TTF1 处输出 调节 WF1 使载 波信号的幅度满足要求 当需输出调频波时 连接 JF2 JF3 JF4 此时 JF1 断开 同时使低频信号源处于输出 频率为 1KHz 峰峰值为 2V 的正弦波状态 则约 10 7MHz 的调频信号由 TTF1 处输出 若 调频波的中心频率偏离 10 7MHz 调节 CCF1 使调频波的中心频率更接近 10 7MHz 调节 WF1 使调频波的幅度满足要求 改变改变 1KHz 调制信号的幅度就是改变调频波的频偏 实验时按本书给出的参数调节调制调制信号的幅度就是改变调频波的频偏 实验时按本书给出的参数调节调制 高频电子线路实验指导书 4 信号幅度大小 信号幅度大小 高频电子线路实验指导书 5 实验一实验一 高频小信号调谐放大器高频小信号调谐放大器实验实验 一 实验目的一 实验目的 1 进一步掌握高频小信号调谐放大器的工作原理 2 学会小信号调谐放大器的设计方法 二 实验内容二 实验内容 1 调节谐振回路使谐振放大器谐振在 10 7MHz 2 测量谐振放大器的电压增益 3 测量谐振放大器的通频带 4 判断谐振放大器选择性的优劣 三 实验仪器三 实验仪器 1 BT 3 G 型频率特性测试仪 选项 一台 2 20MHz 模拟示波器 一 台 3 数字万用表 一块 4 调试工具 一套 四 实验原理四 实验原理 图 1 1 所示电路为共发射极接法的晶体管高频小信号调谐放大器 它不仅要放大高频信 号 而且还要有一定的选频作用 因此晶体管的集电极负载为 LC 并联谐振回路 在高频情 况下 晶体管本身的极间电容及连接导线的分布参数等会影响放大器输出信号的频率或相位 晶体管的静态工作点由电阻 RB1 RB2 及 RE 决定 其计算方法与低频单管放大器相同 图 1 1 小信号调谐放大器 高频电子线路实验指导书 6 放大器在高频情况下的等效电路如图 1 2 所示 晶体管的 4 个 y 参数 及 ie y oe y fe y 分别为 re y 输入导纳 1 ebebbb ebeb ie jwcgr jwcg y 1 1 输出导纳 1 cb ebebbb ebbb m oe jwc jwcgr jwcrg y 1 2 正向传输导纳 1 ebebbb m fe jwcgr g y 1 3 反向传输导纳 1 ebebbb cb re jwcgr jwc y 1 4 图 1 2 放大器的高频等效回路 式中 晶体管的跨导 与发射极电流的关系为 m g 1 S mAI g E m 26 5 发射结电导 与晶体管的电流放大系数 及 IE有关 eb g 其关系为 1 S mAI r g E eb eb 26 1 高频电子线路实验指导书 7 6 基极体电阻 一般为几十欧姆 bb r 集电结电容 一般为几皮法 cb C 发射结电容 一般为几十皮法至几百皮法 eb C 由此可见 晶体管在高频情况下的分布参数除了与静态工作电流 电流放大系数 E I 有关外 还与工作频率有关 晶体管手册中给出的分布参数一般是在测试条件一定的 情况下测得的 如在30MHz 2mA 8V 条件下测得 3DG6C 的 y 参数为 o f E I CE U mS r g ie ie 2 1 pFCie12 mS r g oe oe 250 1 pFCoe4 mSyfe40 uSyre350 如果工作条件发生变化 上述参数则有所变动 因此 高频电路的设计计算一般采用工 程估算的方法 图 1 2 中所示的等效电路中 为晶体管的集电极接入系数 即 1 P 1 211 NNP 7 式中 为电感 L 线圈的总匝数 2 N 为输出变压器 T 的副边与原边的匝数比 即 2 P 1 232 NNP 8 式中 为副边 次级 的总匝数 3 N 为调谐放大器输出负载的电导 通常小信号调谐放大器的下一级仍为 L g LL Rg1 晶体管调谐放大器 则将是下一级晶体管的输入电导 L g 2ie g 由图 1 2 可见 并联谐振回路的总电导的表达式为 g 高频电子线路实验指导书 8 1 G jwL jwcgPgP G jwL jwcgPgPg Loe ieoe 1 1 2 2 2 1 2 2 2 2 1 9 式中 G 为 LC 回路本身的损耗电导 谐振时 L 和 C 的并联回路呈纯阻 其阻值等于 1 G 并联谐振电抗为无限大 则 jwC 与 1 jwL 的影响可以忽略 1 1 调谐放大器的性能指标及测量方法 调谐放大器的性能指标及测量方法 表征高频小信号调谐放大器的主要性能指标有谐振频率 谐振电压放大倍数 放 o f vo A 大器的通频带 BW 及选择性 通常用矩形系数来表示 等 1 0r K 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称为放大器的谐振频率 对于图 1 1 所示电 o f 路 也是以下各项指标所对应电路 的表达式为 o f 1 LC f 2 1 0 10 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 C C 1 ieoe CPCPCC 2 2 2 1 11 式中 Coe为晶体管的输出电容 Cie为晶体管的输入电容 谐振频率的测量方法是 o f 用扫频仪作为测量仪器 用扫频仪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 o f 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称为调谐放大器的电压放大倍数 vo A 的表达式为 vo A 高频电子线路实验指导书 9 1 12 1212 0 0 22 12 fefe V ioeie PP yPP y U A UgP gP gG 式中 为谐振回路谐振时的总电导 因为 LC 并联回路在谐振点时的 L 和 C 的并联电 g 抗为无限大 因此可以忽略其电导 但要注意的是本身也是一个复数 所以谐振时输出 fe y 电压 U0与输入电压 Ui相位差为 180o fe 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 RL两端 vo A 的电压 U0及输入信号 Ui的大小 则电压放大倍数由下式计算 0V A 或 dB 1 13 00Vi AUU 00 20lg Vi AUU 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下降到谐振电压放大倍数的 0 707 倍时所对应的频率偏移称 V A 0V A 为放大器的通频带 BW 其表达式为 1 14 L QffBW 07 0 2 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与通频带 BW 的关系为 vo A 1 15 C y BWA fe V 2 0 上式说明 当晶体管选定即 yfe确定 且回路总电容 C 为定值时 谐振电压放大倍数 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 vo A 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 时的谐振频率及电压放大倍数然后改变高频信号发生器的频率 保持其输出电压幅度 o f vo A uS不变 并测出对应的电压放大倍数 由于回路失谐后电压放大倍数下降 所以放大器 vo A 的谐振曲线如图 1 3 所示 高频电子线路实验指导书 10 图 1 3 谐振曲线 由式 1 14 可得 1 16 7 0 2 fffBW LH 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 由式 1 15 可知 除了选用较大的晶体管外 还应尽量减小调谐回 fe y 路的总电容量 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 C 减小通频带 尽量提高放大器的增益 4 选择性 矩形系数 调谐放大器的选择性可用谐振曲线的矩形系数时来表示 如图 1 3 所示的谐振 1 0v K 曲线 矩形系数为电压放大倍数下降到 0 1时对应的频率偏移与电压放大倍数下降 1 0v K vo A 到 0 707时对应的频率偏移之比 即 vo A 1 17 BWfffKr 1 07 01 01 0 222 上式表明 矩形系数越小 谐振曲线的形状越接近矩形 选择性越好 反之亦然 1 0r K 一般单级调谐放大器的选择性较差 矩形系数远大于 1 为提高放大器的选择性 通 1 0v K 常采用多级单调谐回路的谐振放大器 可以通过测量调谐放大器的谐振曲线来求矩形系数 1 0r K 2 2 实验参考电路 实验参考电路 高频电子线路实验指导书 11 图 1 4 单级调谐放大器 1 主要技术指标 谐振频率 10 7MHz 谐振电压放大倍数 10 15 dB 通频 o f vo A 带 BW 1MHz 矩形系数 10 因 fT比工作频率大 5 10 倍 所以选用 3DG12C 1 0r K o f 选 50 工作电压为 12V 查手册得 70 3PF 当 1 5mA 时为 25PF 取 bb r cb C E I cb C L 1 8 H 变压器初级 N2 23 匝 次级为 10 匝 P1 0 43 P2 0 2 确定电路为单级调谐放大器 如上图 1 4 3 确定电路参数 a 设置静态工作点 由于放大器是工作在小信号放大状态 放大器工作电流 ICQ一般选取 0 8 2mA 为宜 现 取 1 5mA 2 25V 9 75V E I EQ U CEQ U 则 则 1 5K KIUR EEQE 5 1 4A R 取流过的电流为基极电流的 7 倍 则有 3A R 取 15K 3 7714 ABQBQBQE RUIUIK 则 2 122 95 11546 2 95 A RWAK 则取 5 1K 选用 47K 的可调电阻以便调整静态工作点 2A R1WA b 计算谐振回路参数 高频电子线路实验指导书 12 由式 1 6 得 mSS mAI g E eb 15 1 26 由式 1 5 得 mSS mAI g E m 58 26 由式 1 1 1 4 得 4 个 y 参数 SjS jwcgr jwcg y ebebbb ebeb ie 33 1088 210373 1 1 由于 ieieie cjgy 则有 1 373ms ie g 7281 ieie gr pF w mS Cie 5 22 88 2 mSjmSjwc jwcgr gcjwc y eb ebebbb m cbbb oe 37 1216 0 1 因 则有 oeoeoe cjgy msgoe216 0 pFWmscoe 2 1037 1 计算回路总电容 由 1 10 得 C PF Lf C123 108 110 7 1014 3 2 1 2 1 6 2 6 2 0 由 1 11 得 ieoe CPCPCC 2 2 2 1 pFCPCPCC ieoe 119 2 100 5 2243 0 120 222 2 2 1 则有 CA3 119pF 取标称值 120pF c 确定耦合电容及高频滤波电容 高频电路中的耦合电容及滤波电容一般选取体积较小的瓷片电容 现取耦合电容 0 01 F 旁路电容 0 01 F 滤波电容 0 1 F 2A C 4A C 5A C 五 实验步骤五 实验步骤 本实验中 用到本实验中 用到 BT 3 频率特性测试仪和频谱仪的地方可选做 频率特性测试仪和频谱仪的地方可选做 高频电子线路实验指导书 13 参考所附电路原理图 G2 先调静态工作点 然后再调谐振回路 1 按下开关 KA1 则 LEDA1 亮 2 调整晶体管 QA1 的静态工作点 不加输入信号 ui 0 即将 TTA1 接地 用万用表直流电压档 20V 档 测量三极管 QA1 发射极对地的电压 uEQ 即测 P6 与 G 两焊点之间的电压 调节 WA1 使 uEQ 3V 左右 根据实验参考电路计算此时的 uBQ uCEQ uEQ及 IEQ 3 使放大器的谐振回路谐振在 10 7MHz 方法是 BT 3 频率特性测试仪的扫频电压输出端和检波探头 分别接电路的信号输入 端 INA1 及测试端 TTA2 通过调节 y 轴 放大器的 增益 旋钮和 输出衰减 旋钮于合适 位置 调节中心频率刻度盘 使荧光屏上显示出放大器的 幅频谐振特性曲线 根据频标 指示用绝缘起子慢慢旋动变压器的磁芯 使中心频率 10 7MHz 所对应的幅值最大 o f 如果没有频率特性测试仪 可用示波器来观察调谐过程 方法是 在 TTA1 处输入由高 频信号源提供的频率为 10 7MHz 峰峰值 Vp p 20 100mV 的信号 用示波器在 TTA2 处观 察输出波形 调节 TA1 使 TTA2 处信号幅度最大 4 电压增益 AV0 使用 BT 3 频率特性测试仪测的方法如下 0v A 在测量前 先要对测试仪的 y 轴放大器进行校正 即零分贝校正 调节 输出衰减 和 y 轴增益 旋钮 使屏幕上显示的方框占有一定的高度 记下此时的高度和此时 输出衰 减 的读数 N1dB 然后接入被测放大器 在保持 y 轴增益不变的前提下 改变扫频信号的 输出衰减 旋钮 使谐振曲线清晰可见 记下此时的 输出衰减 的值 N2dB 则电压增益 为 AV0 N1 N2 dB 若用示波器测量 则为输出信号幅度大小与输入信号幅度大小之比 方法如下 用示波器测输入信号的峰峰值 记为 Ui 测输出信号的峰峰值记为 U0 则小信号放大 的电压放大倍数 AV0 U0 Ui 如果 AV0较小 可以通过调节静态工作点来改善 5 测量通频带 BW 用 BT 3 频率特性测试仪测量 BW 先调节 频率偏移 扫频宽度 旋钮 使相邻两个频标在横轴上占有适当的格数 然 后接入被测放大器 调节 输出衰减 和 y 轴增益 使谐振特性曲线在纵轴占有一定高度 测出其曲线下降 3dB 处两对称点在横轴上占有的宽度 记为 BW1 根据内频标就可以近似 算出放大器的通频带 BW BW1 B0 7 6 放大器的选择性 放大器选择性的优劣可用放大器谐振曲线的矩形系数 Kr0 1表示 用步骤 5 中同样的方法测出 B0 1即可得 7 0 1 0 7 0 1 0 1 0 2 2 f f B B Kr 由于处于高频区 存在分布参数的影响 放大器的各项技术指标满足设计要求后的元件 高频电子线路实验指导书 14 参数值与设计计算值有一定的偏差 所以在调试时要反复仔细调整才能使谐振回路处于谐振 状态 在测试要保证接地良好 六 实验报告六 实验报告 1 整理好实验数据 用方格纸画出幅频特性曲线 2 思考 引起小信号谐振放大器不稳的原因是什么 如果实验中出现自激现象 应该 怎样消除 高频电子线路实验指导书 15 实验二实验二 二极管开关混频器实验二极管开关混频器实验 一 实验目的一 实验目的 1 进一步掌握变频原理及开关混频原理 2 掌握环形开关混频器组合频率的测试方法 3 了解环形开关混频器的优点 二 实验内容二 实验内容 1 观察环形混频器输出和陶瓷滤波器输出各点的波形 2 测量输出回路 3 观察混频器的镜像干扰 三 实验仪器三 实验仪器 1 频谱分析仪 选项 一台 2 20MHz 双踪模拟示波器 一台 3 万用表 一块 4 调试工具 一套 四 实验原理四 实验原理 1 环形混频器的工作原理 变频器的原理方框图如图 2 1 所示 图 2 1 变频原理方框图 图中 ui 为信号电压 uL 为本地振荡电压 当这两个不同频率的正弦电压 同时作用到 一个非线性元件上时 就会在它的输出电流中 产生许多组合频率分量 选用适当的滤波器 取出所需的频率分量 o 此时就完成了频率变换 这就是变频原理 根据所选用的非线性器件不同 可以组成不同的混频器 如二极管混频器 晶体管混频 器 场效应管混频器和差分对管混频器等 这些混频器各有其优缺点 随着生产和科学技术 的发展 人们逐渐认识到由二极管组成的平衡混频器和环形混频器较之晶体管混频器具有 动态范围大 噪声小 本地振荡无辐射 组合频率少等优点 因而目前被广泛采用 如果把本振电压取得较大 约 0 6 1V 使二极管工作在导通 截止的开关状态 则这 种由二极管组成的混频器性能会更好 二极管的开关作用可用以下单位开关函数式来描述 高频电子线路实验指导书 16 VV VV tS L L 6 00 6 01 则二极管的电流可表示成 DD utsgi gD为二极管的导通电导 uD 为加在二极管上的电压 下面就以图 2 2 所示的环形混频器为例 分析它工作在开关状态的原理 图 2 2 环形混频原理图 把本图与典型的环形混频器电路相比 本振输出与中频输出的位置互换了 D1 D4 是 经挑选具有相同参数的二极管 则认为它们都有相同跨导gD 两个高频变压器线圈匝数均为 1 2 所以次级电压为初级电压的两倍 由于本振电压起着开关作用 在本振电压的正半周 D2 D3导通 负半周 D1 D4 导 通 其等效电路如图 2 3 所示 a 正半周 b 负半周 图 2 3 工作原理图 在本振电压正半周的输出电流为 Ds gtsuuiii 032 2 高频电子线路实验指导书 17 负半周的输出电流为 DS gtsuuiii 014 2 所以 总的输出电流为 2 1 tstsgutstsguiii DDs 0 22 式中的 S t 也是受本振电压控制的单位开关函数 只是 S t 的时间比 S t 落后 T0 2 相位落后 它们的变化周期就是本振电压 uL的周期 如图 2 4 所示 图 2 4 S t 与 S t 的关系 设 us Vsmsin st uL VLmsin Lt 2 2 则 S t 和 S t 可用付里叶级数展开为 2 3 tttts LLL 5sin 5 2 3sin 3 2 sin 2 2 1 ttt tttts LLL LLL 5sin 5 2 3sin 3 2 sin 2 2 1 55sin 5 2 33sin 3 2 sin 2 2 1 2 4 由 2 3 2 4 式可得 2 1 tsts 高频电子线路实验指导书 18 5 2 sin 4 5sin 5 4 3sin 3 4 sin 4 1 为奇整数ntn n ttttsts n L LLL 6 将 2 5 2 6 式代入 2 1 式得 2 tVgttVg ttVg ttVg ntVgt n tVgi mDsLsLsmD sLsLsmD sLsLsmD cmDL n ssmD 00 0 1 sin2 5cos 5 cos 5 4 3cos 3 cos 3 4 cos cos 4 sin2sin 4 sin2 为奇整数 7 从 2 7 式可以看出 环形开关混频器工作在开关状态时 输出电流中的组合频率只 有本振电压的奇次谐波与信号电压频率的基波的组合 用一通式表示组合频率为 其中 p 0 1 2 SL P 12 即使环形混频器不工作在开关状态 它的输出电流也只含有本振电压的奇次谐波与信号 电压的奇次谐波的组合 也可用通式 来表示 其中 p q 0 1 2 3 较之其它的混频器 sL qP 1212 组合频率干扰少是其突出的优点之一 从 2 7 式 我们还可以找出中频电流分量为 2 8 tgVtVgi DmsLsmD000 sin2cos 4 式中第二项是负载电压反作用所引起的中频电流 同理 可以从图 2 3 中分析得到 总的输入信号电流为 tstsguguiii DDsrrr 0 22 从而可以得出信号电流成分为 2 9 tVgtgVi oLimDsDsmS cos 4 sin2 把 2 8 2 9 两式中的电流电压写成复数形式 得 高频电子线路实验指导书 19 000 2 44 2vgvgivgvgi DsDDsDs 与它对应的等效电路如图 2 5 所示 图 2 5 等效电路图 图中 D gg 4 2 1D gg 4 2 网络特性阻抗 2 21 2 10 4 122 D ggggg 根据等效电路 不难求得此混频器的增益 Lsm om V ggg g V V K 21 2 0 当环形混频器的负载开路时 即 RL gL 0 这时 64 0 21 2 gg g KVC 由此可见 环形混频器没有变频增益 只有衰减 最大的 0 64 这也是它的缺点 VC K 在全匹配条件下 即 功率增益最大为 0 ggL 0 ggs 1 0 32 0 2 2 021 2 2 ggg g KK VCPC dBdBKPC10 2 实验电路原理图 如附图 G4 图中 MIX41 为集成环形开关混频器 型号为 HSPL 1 其内部电原理如图 2 6 高频电子线路实验指导书 20 图 2 6 集成环形开关混频器内部电路原理图 封装外引脚功能如下 其中 1 脚为射频信号输入端 8 脚为本振信号输入端 3 脚 4 脚为中频信号输出端 2 5 6 7 接地 本混频器的本振输入信号在 3dBm 13 dBm 之间 用高频信号源输入本振信号 频 率选为 10 7MHz 而射频信号是由正弦振荡部分产生的 10 245 MHz 的信号 输出取差频 10 7 10 245 455KHz 信号 经过 455KHz 的陶瓷滤波器 FL1 进行滤波 选取中频信号 因信 号较弱 经 Q3 进行放大 此放大电路的静态工作电流为 7mA VE 3 36V CQ I 选 R21 RE 470 取 RC R19 560 R18 3 6K R17 5 1K W3 5 1K 其中 R8 R9 R10 R11 R12 R13 R14 R15 R16组成三组隔离电路 因为频率较高 信号较强 且信号引入较长 存在一定感应 在输出可能存在一定强度 的本振信号和射频信号 五 实验步骤五 实验步骤 混频器是非线性器件 输出的组合频率较多 为了能更好地观察输出信号 建议使用频 谱分析仪对混频器输出端的信号进行测试 1 熟悉频谱分析仪的使用 2 调整静态工作点 按下开关 K41 则 LED41 亮 调节电位器 W41 使三极管 Q41 发 射极对地的电压 UEQ 3 36V 即测 P1 与 G 两焊点之间的电压 3 接通射频信号 从 IN42 输入 10 245MHz 的正弦波信号 此信号由正弦波振荡部分 产生 产生方法 按下开关 K51 连接跳线 J54 J53 此时 J52 J55 J56 断开 调节 CC52 使 TT51 处输出信号的频率为 10 245MHz 调节 W51 使 TT51 输出信号峰峰值约 200mV 左右 4 输入本振信号 从 IN41 输入 10 7MHz 的本振信号 本振信号由高频信号源提供 产生方法参考高频信号源的使用 本振信号的峰峰值 Vp p 不小于 300mV 5 验证环形混频器输出组合频率的一般通式 选做 选做 用频谱仪在 TT41 处观察混频器的输出信号 验证环形开关混频器输出组合频率的一般 1 3 5 7 2 4 6 8 高频电子线路实验指导书 21 通式为 p 0 1 2 s ffP 1 12 同时用示波器在 TT41 处观察波形 6 测量输出回路 选做 选做 用频谱仪在 TT43 处观察各频率分量 计算选频回路对除中频 455KHz 之外的信号的抑 制度 同时用示波器在 TT42 处观察输出波形 比较 TT41 与 TT42 处波形形状 7 观察混频器镜像干扰 IN41 处信号频率不变 由正弦振荡单元的 LC 振荡部分产生 11 155MHz 的信号作为 IN42 处的输入信号 11 155MHz 信号的产生方法是 按下开关 K51 连接跳线 J52 J55 此时 J53 J54 J56 断开 调节 CC51 使 TT51 处输出信号的频率为 11 155MHz 调节 W51 使 TT51 输出信号峰峰值约 300mV 左右 观察 TT42 处的信号是否也为 455KHz 此即为镜像干扰现象 六 实验报告内容六 实验报告内容 1 整理本实验步骤 5 6 中所测得的各频率分量的大小 并计算选频回路对中频以外分 量的抑制度 2 绘制步骤 5 6 中分别从 TT41 TT42 处用示波器测出的波形 3 说明镜像干扰引起的后果 如何减小镜像干扰 高频电子线路实验指导书 22 实验三实验三 高频谐振功率放大器高频谐振功率放大器实验实验 一 实验目的一 实验目的 1 进一步理解谐振功率放大器的工作原理及负载阻抗和激励信号电压变化对其工作状 态的影响 2 掌握谐振功率放大器的调谐特性 放大特性和负载特性 二 实验内容二 实验内容 1 调试谐振功放电路特性 观察各点输出波形 2 改变输入信号大小 观察谐振功率放大器的放大特性 3 改变负载电阻值 观察谐振功率放大器的负载特性 三 实验仪器三 实验仪器 1 BT 3 频率特性测试仪 选项 一 台 2 高频电压表 选项 一 台 3 20MHz 双踪模拟示波器 一 台 4 万用表 一 块 5 调试工具 一 套 四 实验原理四 实验原理 利用选频网络作为负载回路的功率放大器称为谐振功率放大器 这是无线电发射机中的 重要组成部分 根据放大器电流导通角 的范围可分为甲类 乙类 丙类及丁类等不同类 型的功率放大器 电流导通角 愈小 放大器的效率 愈高 如甲类功放的 180 效 率 最高也只能达到 50 而丙类功放的 90 效率 可达到 80 甲类功率放大器 适合作为中间级或输出功率较小的末级功率放大器 丙类功率放大器通常作为末级功放以获 得较大的输出功率和较高的效率 图 3 1 为由两级功率放大器组成的高频功率放大器电路 其中晶体管 Q1组成甲类功率 放大器 晶体管 Q2组成丙类谐振功率放大器 这两种功率放大器的应用十分广泛 下面介 绍它们的工作原理及基本关系式 1 甲类功率放大器 甲类功率放大器 1 静态工作点 如图 3 1 所示 晶体管 Q1组成甲类功率放大器 工作在线性放大状态 其中 RB1 RB2 为基极偏置电阻 RE1为直流负反馈电阻 以稳定电路的静态工作点 RF1为交流负反馈电阻 可以提高放大器的输入阻抗 稳定增益 电路的静态工作点由下列关系式确定 高频电子线路实验指导书 23 111ECQEFEQEQ RIRRIU 3 1 式中 RF1一般为几欧至几十欧 BQCQ II 3 2 图 3 1 高频功率放大器 3 3VUU EQBQ 7 0 3 4 11EFCQCCCEQ RRIUU 2 负载特性 如图 3 1 所示 甲类功率放大器的输出负载由丙类功放的输入阻抗决定 两级间通过变压 器进行耦合 因此甲类功放的交流输出功率 P0可表示为 3 BH PP 0 5 式中 PH 为输出负载上的实际功率 B为变压器的传输效率 一般为 B 0 75 0 85 高频电子线路实验指导书 24 图 3 2 甲类功放的负载特性 图 3 2 为甲类功放的负载特性 为获得最大不失真输出功率 静态工作点 Q 应选在交流 负载线 AB 的中点 此时集电极的负载电阻 RH称为最佳负载电阻 集电极的输出功率 PC的 表达式为 3 6 H Cm CmCmC R U IUP 2 2 1 2 1 式中 Ucm为集电极输出的交流电压振幅 Icm为交流电流的振幅 它们的表达式分别为 3 7 CESECQCCcm URIUU 1 式中 UCES称为饱和压降 约 1V 3 8 CQcm II 如果变压器的初级线圈匝数为 N1 次级线圈匝数为 N2 则 3 9 2 1 H HB R R N N 式中 为变压器次级接入的负载电阻 即下级丙类功放的输入阻抗 H R 3 功率增益 与电压放大器不同的是功率放大器应有一定的功率增益 对于图 3 1 所示电路 甲类功 率放大器不仅要为下一级功放提供一定的激励功率 而且还要将前级输入的信号 进行功率 放大 功率增益 Ap的表达式为 3 ioP PPA 10 高频电子线路实验指导书 25 其中 Pi为放大器的输入功率 它与放大器的输入电压 Uim及输入电阻 Ri的关系为 3 11 iiim PRU2 式中 Ri又可以表示为 3 12 1 1 Ffeiei RhhR 式中 hie为共发接法晶体管的输入电阻 高频工作时 可认为它近似等于晶体管的基极 体电阻 r b b hfe为晶体管共发接法电流放大系数 在高频情况下它是复数 为方便起见可取 晶体管直流放大系数 2 2 丙类功率放大器 丙类功率放大器 1 基本关系式 如图 3 1 所示 丙类功率放大器的基极偏置电压 UBE是利用发射极电流的直流分量 IEO ICO 在射极电阻 RE2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 则集电极的输出电流 ic为余弦脉冲波 利用谐振回路 L2C3的选频作 i u 用可输出基波谐振电压 uc1 电流 ic1 图 3 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 3 13 110c mc m UIR 高频电子线路实验指导书 26 式中 为集电极输出的谐振电压即基波电压的振幅 为集电极基波电流振幅 mc U 1mc I 1 R0为集电极回路的谐振阻抗 3 14 0 2 1 0 2 111 2 1 2 1 2 1 R U RIIUP mC mCmCmCC 式中 PC为集电极输出功率 3 15 coccD IUP 式中 PD为电源供给的直流功率 ICO为集电极电流脉冲 ic的直流分量 电流脉冲 cc U 图 3 3 丙类功放的基极 集电极电流和电压波 形 高频电子线路实验指导书 27 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 1 0 0 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 4 00 400 800 1200 1600 图 3 4 电流脉冲的分解系数 a 1 ic经傅立叶级数分解 可得峰值 Icm与分解系数的关系式 n a 3 16 00 11 aII aII cmc cmmc n a 分解系数与 的关系 a0 n a 如图 3 4 所示 放大器集电极的耗散功率 PC 为 a2 PC PD PC 3 17 放大器的效率 为 3 18 11 0 1 1 0 1 0 1 2 1 2 1 2 Cc mc m DCCc c m CC PUI PUI aU Ua a a 式中 ccmc UU 1 称为电压利用系数 图 3 5 输入电压 ube与集电极电流 iC波形 图 3 5 为功放管特性曲线折线化后的输入电压与集电极电流脉冲 ic的波形关系 由 be U 图可得 3 19 bm Bj U UU cos 高频电子线路实验指导书 28 式中 Uj为晶体管导通电压 硅管约为 0 6V 锗管约为 0 3V Ubm为输入电压 或激 励电压 振幅 UB为基极直流偏压 3 20 2ECOB RIU 当输入电压 ube大于导通电压 Uj时 晶体管导通 工作在放大状态 则基极电流脉冲 Ibm与集电极电流脉冲 Icm成线性关系 即满足 3 21 bmbmfecm IIhI 因此基极电流脉冲的基波幅度 Ib1m及直流分量 Ibo也可以表示为 3 22 00 11 aII aII bmb bmmb 基极基波输入功率 Pi为 3 23 mbmbi IUP 11 2 1 放大器的功率增益 Ap为 3 24 dB P P A P P A i p i p 00 lg10 或 丙类功率放大器的输出回路采用了变压器耦合方式 其等效电路如图 3 6 所示 集电极 谐振回路为部分接入 图 3 6 变压器耦合电路 谐振频率为 3 25 LC f LC w 2 11 00 或 谐振阻抗与变压器线圈匝数比为 0 3 110 02 3 2 L L c m L L P RNR NUR w LN Q NR 3 26 式中 N1 为集电极接入初级匝数 N2 为初级线圈总匝数 N3 为次级线圈总匝数 QL为 高频电子线路实验指导书 29 初级回路有载品质因数 一般取 2 10 丙类功率放大器的输入回路亦采用变压器耦合方式 以使输入阻抗与前级输出阻抗匹配 分析表明 这种耦合方式的输入阻抗为 i Z 3 27 cos1 1 a r Z bb i 式中 为晶体管基极体电阻 25 bb r bb r 2 负载特性 当功率放大器的电源电压 Ucc 基极偏压 Ub 输入电压 C 或称激励电压 Ubm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 3 7 所示 由图可见 当交流负载线正好穿过静态特性曲线 的转折点 A 时 管子的集电极电压正好等于管子的饱和压降 UCES 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值 用 R0表示 即 3 28 0 2 0 2 P UU R CESCC 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 Ucc Ucm UCES 3 29 式中 Ucm集电极输出电压幅度 UCES晶体管饱和压降 高频电子线路实验指导书 30 图 3 7 谐振功放的负载特性 3 3 主要技术指标及测试方法 主要技术指标及测试方法 1 输出功率 高频功率放大器的输出功率是指放大器的负载 RL上得到的最大不失真功率 对于图 3 1 所示的电路中 由于负载 RL与丙类功率放大器的谐振回路之间采用变压器耦合方式 实现 了阻抗匹配 则集电极回路的谐振阻抗 RO上的功率等于负载 RL上的功率 所以将集电极的 输出功率视为高频放大器的输出功率 即 2 2 1 1110 0 111 222 C m CC m C mC m U PUIIR R 测量功率放大器的主要技术指标的连接电路如图 3 8 所示 其中高频信号发生器提供激 励信号电压与谐振频率 示波器监测波形失真 直流毫安表 mA 测量集电极的直流电流 高 频电压表 V 测量负载 RL的端电压 只有在集电极回路处于谐振状态时才能进行各项技术指 标的测量 可以通过高频电压表 V 及直流毫安表 mA 的指针来判断集电极回路是否谐振 即 电压表 V 的指示为最大 毫安表 mA 的指示为最小时集电极回路处于谐振 当然用扫频仪测 量回路的幅频特性曲线 使中心频率处的幅值最大也可以 高频电子线路实验指导书 31 图 3 8 高频功放的测试电路 放大的输出功率可以由下式计算 3 30 L L R U P 2 0 式中 uL为高频电压表 V 的测量值 2 效率 高频功率放大器的总效率由晶体管集电极的效率和输出网络的传输效率决定 而输出网 络的传输效率通常是由电感 电容在高频工作时产生一定损耗而引起的 放大器的能量转换 效率主要由集电极的效率所决定 所以常将集电极的效率视为高频功率放大器的效率 用 表示 即 3 31 D C P P 利用图 3 8 所示电路 可以通过测量来计算功率放大器的效率 集电极回路谐振时 的值由下式计算 3 32 CCC LL D C UI RU P P 0 2 式中 UL为高频电压表的测量值 ICO为直流毫安表的测量值 3 功率增益 放大器的输出功率 Po与输入功率 Pi之比称为功率增益 用 Ap 单位 dB 表示 见 式 3 10 4 4 电路的确定 电路的确定 1 本实验由两级组成 激励级由甲类功放组成 功放级由丙类功放组成 电源供电 为 12V 功放管使用 3DG12C 本实验主要技术指标 输出功率 P0 125mw 中心频率 f0 10 7MHz 负载 RL 50 2 确定电路和参数 激励级 QE1 采用甲类放大 因此基极偏压采用固定偏压形式 静态工作点 ICQ 7mA 直流负反馈电阻为 300 交直流负反馈电阻为 10 集电极输出由变压器耦合输出到下一 高频电子线路实验指导书 32 级 谐振电容取 120P 根据前面的理论推导 变压器 TE1 的参数为 初级取 18 匝 次级取 7 匝 2 56NN 初级次级 功放级 QE2 采用丙类放大 导通角为 70 基极偏压采用发射极电流的直流分量 IEO在 发射极偏置电阻 Re 上产生所需要的 VBB 其中直流反馈电阻为 30 交直流反馈电阻为 10 集电极谐振回路电容为 120P 负载为 50 输出由变压器耦合输出 采用中间抽头 以利于阻抗匹配 它们的匝数分别为 N3 6 匝 N1 9 匝 N2 23 匝 最终电路如附图 G1 所示 五 实验步骤五 实验步骤 1 按下开关 KE1 则 LED1 亮 调节 WE1 使三极管 QE1 发射极对地的电压 VE 2 2V 即 测量 P5 与 G 两焊点之间的电压 2 连接 JE2 JE3 JE4 JE5 3 从 INE1 处输入 10 7MHz