高频电子线路实验报告.doc

福建农林大学金山学院电子信息工程类实验报告课程名称：高频电子线路实验姓 名：z系：信息与机电工程系专 业：电子信息工程年 级：学 号：1指导教师：2013年 07月 02 日实验项目列表序号实验项目名称成绩指导教师1变容二极管调频2正弦波振荡实验3高频小信号调谐放大器福建农林大学金山学院信息工程类实验报告系： 信息与机电工程系 专业： 电子信息工程 年级： 2011级 姓名： z 学号： 1 实验课程 高频电子线路 实验室号： 田家炳3 406_ 实验时间： 2013年06月25日 指导教师签字： 成绩： 实验一 高频小信号调谐放大器一、实验目的小信号调谐放大器是高频电子线路中的基本单元电路，主要用于高频小信号或微弱信号的线性放大。在本实验中，通过对谐振回路的调试，对放大器处于谐振时各项技术指标的测试（电压放大倍数，通频带，矩形系数），进一步掌握高频小信号调谐放大器的工作原理。学会小信号调谐放大器的设计方法。二、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和相位。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yie，yoe，yfe及yre分别为输入导纳 （1-1）输出导纳 （1-2）正向传输导纳 （1-3）反向传输导纳 （1-4）图1-2 放大器的高频等效回路式中，晶体管的跨到，与发射极电流的关系为发射结点到，与晶体管的电流放大系数及有关由此可见，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EI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。如在条件下测得3DG6C的y参数为： 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，既 (1-7)公式中，为电感L线圈的总匝数（既是T原边（初级）的总匝数）。为输出变压器T的副边与原边的匝数比，既 公式中，为副边（次级）的总匝数。 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晶体管调谐放大器，则将是下一级晶体管的输入导纳。 由图1-2可见，并联谐振回路的总电导的表达式为式中，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。三、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，放大器的通频带BW及选择性（通常用矩形系数来表示）等。放大器各项性能指标及测量方法如下：1、 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，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。表达式为 谐振频率的测量方法是：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。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。的表达式为 ：式中，为谐振回路谐振时的总电导，因为LC并联回路在谐振点的L和C的并联电抗为无限大，因此可以忽略其电导，但要主要的是本身也是一个附属，所以谐振时输出的电压与输入电影G相位差为的测量方法是：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两端的电压及输入信号的大小，则电压放大倍数由下式计算： 或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为放大器的通频带BW，其表达式为 式中，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 上式说明，当晶体管选定即确定，且回路总电容为定值时，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。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，所以放大器的谐振曲线如图1-3所示。图1-3 谐振曲线由式（1-14）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，由式(1-15)可知，除了选用较大晶体管外，还应尽量减小调谐回路的总电容量。如果放大器只用来放大来只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。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到0.707时对应的频率偏移之比，即上式表明，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。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。四、实验参考电路图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，通频带Bw=1MHz，矩形系数10。因比工作频率大（510）倍，所以选用3DG12C，选=50，工作电压为12V，查手册得=70, =3PF，当=1.5mA时为25PF，取L1.8H，变压器初级=23匝，次级为10匝，且=0, =0.43。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。1） 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0.82mA为宜，现取IE=1.5mA，uEQ=3V，uCEQ=9V。则 RE = uEQ /IE =1.5K 则RA6=1.5K取流过RA3 的电流为基极电流的7 倍，则有：则则取RA2=5.1K WA1选用50K的可调电阻以便调整静态工作点。2）计算谐振回路参数由式（1-6）得 b由式（1-5）得 由式（1-1）（1-4）得4个参数由于则有 =1.373mS 因 则有 计算回路总电容，由（1-10）得由（1-11）则有 CA3=119pF取标称值120pF2） 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CA2=0.01F，旁路电容CA4=0.1F，滤波电容CA5=0.1F五、实验内容本实验中，用到BT-3和频谱仪的地方选做。参考所附电路原理图G6。先调静态工作点，然后再调谐振回路。1）按照所附电原理图G6，将JA2 用连接器连好，按下开关KA1，接通12V 电源，此时LEDA1 点亮。2）调整晶体管的静态工作点： 在不加输入信号（即ui=0），将测试点TTA1 接地，用万用表直流电压档（20V档）测量电阻RA4 的电压，调整可调电阻WA1，使uEQ=2.25V（即使IE=1.5mA），记下此时的uBQ，uCEQ，uEQ 及IEQ 值。3）调谐放大器的谐振回路使它谐振在10.7MHz 方法是用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TTA1 及测试端TTA2，通过调节y 轴，放大器的“增益”旋纽和“输出衰减”旋纽于合适位置，调节中心频率度盘，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f0=10.7MHz 所对应的幅值最大。 如果没有频率特性测试仪，也可用示波器来观察调谐过程，方法是：在TTA1 处用高频信号发生器注入频率为10.7MHz（参考高频信号源的使用），大小为Vp-p=20100mV的信号，用示波器探头在TTA2 处测试（在示波器上看到的是正弦波），调节变压器磁芯使示波器波形最大（即调好后，磁芯不论往上或往下，波形幅度都减小）。4）测量电压增益AV0 在有BT-3频率特性测试仪的情况下用频率特性测试仪测AV0测量方法如下： 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“旋纽，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”旋纽，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 =（N2-N1）dB若用示波器测，则为输出信号的大小比输入信号的大小之比。如果AV0 较小，可以通过调静态工作点来解决（即IE 增大）。在无BT-3频率特性测试仪的情况下，可以由示波器直接测量。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Uo。则小信号放大的电压放大倍数为Uo/Ui。5) 测量通频带BW 用扫频仪测量BW 先调节“频率偏移”（扫频宽度）旋纽，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，根据内频标就可以近似算出放大器的通频带 BW=B0.7=100KHz ×（宽度）6) 测量放大器的选择性 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5）中同样的方法测出B0.1 即可得：由于处于高频区，分布参数的影响存在，放大器的各项技术指标满足设计要求后的文件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、实验报告要求1、整理好实验数据，用方格纸画出幅特性曲线。 答：1、预调工作：如附图G2所示，对照实验箱中接收模块的高频小信号调谐放大器部分，正确连接电路电源线，+12V孔接主实验板上的+12V，5V孔接5V，GND孔接GND（从主板中的电源部分用连接线接入），接上电源通电。（1）连接跳线JA1;（2）按下开关K401，K1向右拨 (若正确连接了,板上的电源指示灯LEDA1将会亮) ；（3）调节电位器WA1 使三极管QA1的 ，即调好三极管QA1的静态工作点；2、接输入信号：从测试孔INA1脚输入频率10.7MHz载波, 的高频小信号，信号从高频信号源部分引入（参考高频信号源使用），信号源的幅度可以通过调节W401来调节。3、实验现象：调可调电容CCA2及中周TA1，使输出波形最大且不失真，此时CA3和TA1的初级谐振在10.7Mhz，用示波器观测，输出信号(TTA2处)的峰峰值应不小于输入信号的7倍。4、用BT3扫频仪观察幅频特性曲线，使峰峰值对应的频点为10.7Mhz。INA1输入：TTA2输出：图12、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？在高频调谐放大器中，由于晶体体管集电结电容的内部反馈，形成了放大器的输出电路与输入电路之间的相互影响。它使高频调谐放大器存在工作不稳定的问题.克服自激的方法:由于晶体管由反向传输导纳存在，实际上晶体管为双向器件。为了抵消或减少反向传输导纳的作用，应使晶体管单向化。 单向化的方法有两种：一种是消除反向传输导纳的反馈作用，称为中和法；另一种是使负载电导gL或信号源电导的数值加大，使得输人或输出回路与晶体管失去匹配，称为失配法。七、实验仪器1、 BT-3G 型频率特性测试仪一台（选项）2、 示波器（双踪20MHz）一台3、 数字万用表一块4、 调试工具一套福建农林大学计算机与信息学院信息工程类实验报告系： 信息与机电工程系 专业： 电子信息工程 年级： 2011级 姓名： z 学号： 1 实验课程： 高频电子线路 实验室号：田家炳3 406_实验设备号： 实验时间： 2013年06月25日指导教师签字： 成绩： 实验四 正弦波振荡实验一、 实验目的1、掌握晶体管工作状态、反馈大小对振荡宇波形的影响。2、掌握改进型电容三点式正弦振荡器的工作原理及振荡性能的测量方法。3.、研究外界条件变化对振荡频率稳定度的影响。4、比较LC振荡器和晶体振荡器的频率稳定度，加深对晶体振荡器频率稳定度高原因的理解。二、实验内容1、调试LC振荡电路特性，观察各点波形并测量其频率。2、观察振荡状态与晶体管工作状态的关系。3、观察反馈系数对振荡器性能的影响。4、比较LC振荡器和晶体振荡器频率稳定度。5、观察温度变化对振荡频率的影响。三、实验原理正弦波振荡器是指电感反馈式三端振荡器、电容反馈式三端振荡器以及其改进电路。这其中电容反馈式三端振荡器以及其改进电路本质上面没有什么很大的区别。如下图，即为改进的电容反馈式三端振荡器。主要是反馈回路加上这个可变电容，使振荡器的频率稳定度有所提高。而且越小，则频率稳定度越好，但起振也越困难。从结构上看，正弦波振荡器是没有输入信号的，带选频网络的正反馈放大器。若用R、C元件组成选频网络，就称为RC 振荡器， 一般用来产生1Hz1MHz的低频信号。 4-1 三端式正弦振荡器的交流等效电路1、电容三端式振荡器 共基电容三端式振荡器的基本电路如图4-2所示，C3为耦合电容，由图可知，与发射机连接的两个电抗元件为同性质的容抗元件C1和C2，宇基极相接的两个异性性质的电抗元件C2和 L该电路满足相位条件。 2、振荡管工作状态对振荡器性能的影响 对于一个振荡器，当其负载阻抗以及反馈系数F已经确定的情况，静态工作点的位置对振荡器的起振以及稳定平衡状态有着直接的影响。一个实际的振荡电路，在F确定的滞后，其振幅的 增加主要是靠提高振荡管的静态电流值。在实际中，我们将会看到输出幅度随着静态电流值的增加而增大。但是如果静态电流值取得太大，不仅会出现上述的琐事的现象，而且由于晶体管的输入电阻变小同样会使振荡幅度变小，所以在使用中，静态电流值一般取Ico=0.5mA5mA。 为了使小功率振荡器的效率高，振幅稳定性好，一般都采用自给偏压电路，如图4-2，固定偏压Vb由R1和R2所组成的偏执电路来决定，在忽略Ib对偏置电压的影响的情况下，可以认为振荡管的偏置电压Ube是固定电压Vb和Re上的直流电压降共同决定的。 由于Re上的直流压降是由发射极电流电流IE建立的，而且随IE的变化而变化，故称自偏压。在振荡器起振之前，直留自偏压取决于静态电流IEQ和Re的乘积，一般振荡器工作点都选的很低，故起始自偏压也较小，这时起始偏压VBEQ为正偏置，因而利于起振，根据自己振荡原理。在起振之初，振幅迅速增大，当反馈电压Uf对基极为正半周时，鸡鸡上的瞬时偏压为正，ic增大，于是电流通过振荡管想Ce充电。当Uf负半周，偏置电压减小，甚至成为截止电压，Ce上的电荷通过Re放电放电时间常数为Re*Ce,在Vf一周期内，积累电荷比释放得多，随着起振不断增强即在Re上建立起紧跟振幅强度变化的自偏压，经过若干周期后达到动态平衡。在Ce上建立一个稳定的平均电压IEO*Re，这是振荡管BE间的电压：VBEO=VB-IEO*Re四、实验报告内容1、 整理实验所测得的数据，并用所学理论加以分析。答：如附图G4所示，对照实验箱中环形混频器模块的正弦波振荡部分，正确连接电路电源线，+12V孔接主实验板上的+12V， GND孔接GND（从主板中的电源部分用连接线接入），接上电源通电。1、晶体振荡器的频率为10.245MHz（允许有±0.001%的误差）时（1）预调工作：a、接好连接器J53，J55（J52断开）；b、K2向下拨(若正确连接了,板上的电源指示灯LED2将会亮)；c、调节电位器W1使三极管Q1的；（可用万用表测量电阻R4临近三极管Q1的管脚的电压值。）d、调节W2使TT1的输出信号最大不失真；（2）实验现象：在测试钩TT1脚测得频率为10.245MHz大小为峰峰值为300mV左右的信号 (调电容CC1可微调频率) 。 f=10.245MHZ 图42、当为L-C振荡时（1）预调工作：a、接好连接器J52，J54（J53断开）；b、K2向下拨；c、调节电位器W1使三极管Q1的；（可用万用表测量电阻R4临近三极管Q1的管脚的电压值。）（2）实验现象：在测试钩TT1脚测得峰峰值为450mV左右的信号，调节可调电容CC2，用频率计测得其频率满足10.245MHZ，10.7MHZ和11.155MHZ，并且波形不失真（实际频率范围要更宽）。（3）反馈实验改变J54、J55、J56，则从TT1处观察到的信号波形由大变小直至停振。注：本实验的10.245MHz作为该实验箱的高频信号源使用。2比较LC振荡器与晶体振荡器的优缺点。答：LC震荡可用的频率范围宽，电路简单灵活，成本低，容易做到正弦波输出和可调频率输出。但它的频率稳定度低，温漂时漂都比较大。晶体稳频振荡器的频率单一不可调，输出频率精度高，温漂时漂都很小，一般射频通讯或遥控载频振荡器、智能系统时基等等都采用晶体振荡器3分析为什么静态电流Ieo增大，输出振幅增加，而Ieo过大反而会使振荡器输出幅度下降？答: 这是三极管的自身特性决定的。三极管IC过大时，HFE值会减小，使振荡器的放大器环节倍数降低，所以会降低输出幅度，而且会造成输出波形失真。如果过大，还会造成振荡器停振。福建农林大学计算机与信息学院信息工程类实验报告系： 信息与机电工程系 专业： 电子信息工程 年级： 2011级 姓名： z 学号： 1 实验课程： 高频电子线路 实验室号：田家炳3 406_实验设备号： 实验时间：2013年06月25日指导教师签字： 成绩： 实验六 变容二极管调频一、实验目的掌握变容二极管调频的工作原理；学会测量变容二极管的CjV特性曲线；学会车辆调频信号的频偏及调制灵敏度。二、实验内容调节电路，观察调频信号输出波形。观察并测量LC调频电路输出波形。观察频偏与接入系数的关系。测量变容二极管的CjV特性曲线；测量调频信号的频偏及调制灵敏度。三、实验仪器1、双踪示波器 一台2、频率特性扫频仪 一台四、实验原理1实验原理变容二极管调频原理所谓调频，就是要传送的信息作为调制信号去控制载波的瞬时频率，使其按调制信号的规律变化。设调制信号：，载波振荡电压为根据定义，调频载波的瞬时频率（t）随成线性变化，即则调频波的数字表达式如下：式中是调频波瞬时频率的最大偏移，简称频偏，它与调制信号的振幅成正比。比例常数亦称为调制灵敏度，代表单位调制电压的频偏。式中：称为调频指数，是调频瞬时相位的最大偏移，它的大小反应了调制深度。由上公式可见，调频波是一等幅度的疏密波，可以用示波器观察波形。如何产生调频信号？最简便、最常用的方法是利用二极管的特性直接产生调频波，其原理电路图如6-1所示。6-1变容二极管Cj通过耦合电容并接在L贿赂的两端，形成振荡回路的总电容C为：振荡频率为：加在变容二极管的反向偏压为：变容二极管上利用PN结的结电容制成，在反偏电压作用下呈现一定的结电容，为而且这个结电容能灵敏地跟随者反偏电压在一定范围内变化，其关系曲线称Cj曲线，如图6-2所示。由图可见，未加调制电压时，直流含片所对应的结电容为 ，当反偏增加时，Cj减小，反偏减小时，Cj增大，其变化具有一定的非线性，当调制电压较小时，近似为工作在Cj曲线的线性段，Cj将随调制电压线性变化，当调制电压较大时，曲线的非线性不可忽略，它将给调频带来一定的非线性失真。为达到最大频偏fm的要求，调制信号的幅度Vm，可由下列关系式求出。由Cj-v 曲线得变容管 2CC1C 在VQ= 4V 处的斜率PF/V,得调制信号的幅度Vm=Cj / kc= 0.92V。调制灵敏度Sf 为KHz/V频率稳定度：f0/f05×10-4/小时。=1/2时，f0/f0=KA05×10-4/小时m0.7可以达到要求。单位调制电压所引起的最大频偏称为调制灵敏度，以Sf表示，单位为 kHz/V，即Vm为调制信号的幅度；fm为变容管的结电容变化Cj时引起的最大频偏。回路总电容的变化量为在频偏较小时，fm与C的关系可采用下面近似公式，即 pà f ，Cjà f 。 调制灵敏度 式中，C为回路总电容的变化量；CQ为静态时谐振回路的总电容， 即 C1àSfà f调制灵敏度Sf可以由变容二极管Cj-v 特性曲线上VQ处的斜率kc计算。Sf越大，说明调制信号的控制作用越强，产生的频偏越大。 改变CC的值可以使变容二极管的工作点调节到最佳状态。五、实验数据（1） 断开变容二极管，用频率计在TT82处测量频率。（2） 断开Cj，接上已知，在TT82处测量，计算出值，填入下表。fN 6CK7fK 8CN9（3） 断开，接上变容二极管，调节W81，册来那个不同反偏值时，对应的频率值，代入式计算值，填入下表。VRX(伏)0.511.522.53 fX(MHz)6.526.546.586.636.716.74Cjx(PF)1015203035六、实验报告1、整理LC调频所测的数据，绘出观察到的波形。2、绘出曲线，和LC调频电路的曲线。3、从曲线上求出对应的值，宇直接测量值进行比较。答：=3.1，直接测量可得=2.9 ,以上两个数据可以得出实验测量值与计算值数值相差不大，符合实验要求。