高频实验报告

三峡大学高频实验报告院系：理学院专业：光信息科学与技术姓名：学号：完成时间：2012/12/25实验三二极管的双平衡混频器一、实验目的1、掌握二极管的双平衡混频器频率变换的物理过程。2、掌握晶体管混频器频率变换的物理过程和本振电压V0和工作电流Ie对中频转出电压大小的影响。3、掌握集成模拟乘法器实现的平衡混频器频率变换的物理过程。4、比较上述三种混频器对输入信号幅度与本振电压幅度的要求。二、实验内容1、研究二极管双平衡混频器频率变换过程和此种混频器的优缺点。2、研究这种混频器输出频谱与本振电压大小的关系。三、实验仪器1、信号源模块1块2、频率计模块1块3、3号板1块4、7号板1块5、双踪示波器1台四、实验原理与电路1、二极管双平衡混频原理图3-1二极管双平衡混频器二极管双平衡混频器的电路图示见图3-1。图中VS为输入信号电压，VL为本机振荡电压。在负载RL上产生差频和合频，还夹杂有一些其它频率的无用产物，再接上一个滤波器（图中未画出）二极管双平衡混频器的最大特点是工作频率极高，可达微波波段，由于二极管双平衡混频器工作于很高的频段。图3-1中的变压器一般为传输线变压器。二极管双平衡混频器的基本工作原理是利用二极管伏安特性的非线性。众所周知，二极管的伏安特性为指数律，用幂级数展开为nTTTSSVvnVvVvIeIiTVv)(1)(21[)1(2！！当加到二极管两端的电压v为输入信号VS和本振电压VL之和时，V2项产生差频与和频。其它项产生不需要的频率分量。由于上式中u的阶次越高，系数越小。因此，对差频与和频构成干扰最严重的是v的一次方项（因其系数比v2项大一倍）产生的输入信号频率分量和本振频率分量。用两个二极管构成双平衡混频器和用单个二极管实现混频相比，前者能有效的抑制无用产物。双平衡混频器的输出仅包含（pωL±ωS）（p为奇数）的组合频率分量，而抵消了ωL、ωC以及p为偶数（pωL±ωS）众多组合频率分量。下面我们直观的从物理方面简要说明双平衡混频器的工作原理及其对频率为ωL及ωS的抑制作用。（a）VsRsRLVLT2D3D4RoCLL1L2/2L3L4VoT1（b）图3-2双平衡混频器拆开成两个单平衡混频器在实际电路中，本振信号VL远大于输入信号VS。在VS变化范围内，二极管的导通与否，完全取决于VL。因而本振信号的极性，决定了哪一对二极管导通。当VL上端为正时，二极管D3和D4导通，D1和D2截止；当上端为负时，二极管D1和D2导通，D3和D4截止。这样，将图3-1所示的双平衡混频器拆开成图3-2（a）和（b）所示的两个单平衡混频器。图3-2（a）是VL上端为负、下端正期间工作；3-2（b）是VL上端为正、下端为负期间工作。由图3-2（a）和（b）可以看出，VL单独作用在RL上所产生的ωL分量，相互抵消，故RL上无ωL分量。由VS产生的分量在VL上正下负期间，经D3产生的分量和经D4产生的分量在RL上均是自下经上。但在VL下正上负期间，则在RL上均是自上经下。即使在VL一个周期内，也是互相抵消的。但是VL的大小变化控制二极管电流的大小，从而控制其等效电阻，因此VS在VL瞬时值不同情况下所产生的电流大小不同，正是通过这一非线性特性产生相乘效应，出现差频与和频。2、电路说明如图3-3所示是四只性能一致的二极管组成环路，具有本振信号VL输入J5和射频信号输VS输入J2，它们都通过变压器将单端输入变为平衡输入并进行阻抗变换，TP6为中频输出口，是不平衡输出。图3-3二极管双平衡混频在工作时，要求本振信号VLVS。使4只二级管按照其周期处于开关工作状态，可以证明，在负载RL的两端的输出电压（可在TP6处测量）将会有本振信号的奇次谐波（含基波）与信号频率的组合分量，即pωL±ωS（p为奇数），通过带通滤波器可以取出所需频率分量ωL+ωS（或ωL—ωS-）。由于4只二极管完全对称，所以分别处于两个对角上的本振电压VL和射频信号VS不会互相影响，有很好的隔离性；此外，这种混频器输出频谱较纯净，噪声低，工作频带宽，动态范围大，工作频率高，工作频带宽，动态范围大，缺点是高频增益小于1。C20、C21、L1：带通滤波器，取出和频分量fLO+fsQ2、C18、T4：组成调谐放大器，将混频输出的和频信号进行放大，以弥补无源混频器的损耗（R8为偏置电阻）五、测试点说明1、输入点说明J5：本振信号输入端（TH2为其测试口）J2：射频信号输入端（TH1为其测试口）2、输出点说明TP6：混频器输出测试点TP7：带通滤波器输出J3：和频信号输出（TH3为其测试口）六、实验步骤1、熟悉实验板上各元件的位置及作用；2、按下面框图所示，进行连线信号源示波器J5J3本振输入和频输出RF1正弦波振荡器（3号板）J2射频输入频率计J1RFIN双平衡混频单元（7号板）带通滤波器双平衡混频器TP6混频器输出选频放大TP7取和频输出TH3图3-4双平衡混频连线框图3、将3号板上S1拨为00，S2拨为01（拨上为1，拨下为0），调节中周T1使J1输出幅度最大，然后调节W2改变输出信号幅度，使J1输出fS=4.2MHz、VSP-P=50mV4、调节信号源板上“RF幅度”旋钮改变幅度，调节左边“频率调节”旋钮改变频率，使RF1输出fL=6.5MHz、VLP-P=300mV的本振信号。5、用示波器观察TP6波形。6、用示波器观察TH3输出波形（调节中周T4使输出最大）。7、用频率计测量混频前后波形的频率。8、调节本振信号电压与输入信号电压相近，重做步骤3~6。七、实验报告要求1、写出实验目的和任务2、计算MIXI混频增益本振信号f=6.5MHz，射频信号fs=4.2MHz，和频输出应为10.7MHz，见示波器上10.695MHz，与理论值基本一致。八、实验截图实验四模拟乘法混频一、实验目的1、了解集成混频器的工作原理2、了解混频器中的寄生干扰二、实验内容1、研究平衡混频器的频率变换过程2、研究平衡混频器输出中频电压Vi与输入本振电压的关系3、研究平衡混频器输出中频电压Vi与输入信号电压的关系三、实验仪器1、信号源模块1块2、频率计模块1块3、模块31块4、模块71块5、双踪示波器1台四、实验原理及实验电路说明在高频电子电路中，常常需要将信号自某一频率变成另一个频率。这样不仅能满足各种无线电设备的需要，而且有利于提高设备的性能。对信号进行变频，是将信号的各分量移至新的频域，各分量的频率间隔和相对幅度保持不变。进行这种频率变换时，新频率等于信号原来的频率与某一参考频率之和或差。该参考频率通常称为本机振荡频率。本机振荡频率可以是由单独的信号源供给，也可以由频率变换电路内部产生。当本机振荡由单独的信号源供给时，这样的频率变换电路称为混频器。混频器常用的非线性器件有二极管、三极管、场效应管和乘法器。本振用于产生一个等幅的高频信号VL，并与输入信号VS经混频器后所产生的差频信号经带通滤波器滤出。本实验采用集成模拟相乘器作混频电路实验。因为模拟相乘器的输出频率包含有两个输入频率之差或和，故模拟相乘器加滤波器，滤波器滤除不需要的分量，取和频或者差频二者之一，即构成混频器。图4-1所示为相乘混频器的方框图。设滤波器滤除和频，则输出差频信号。图4-2为信号经混频前后的频谱图。我们设信号是：载波频率为Sf的普通调幅波。本机振荡频率为Lf。设输入信号为tVvSSScos，本机振荡信号为tVvLLLcos由相乘混频的框图可得输出电压tVtVVKKvSLSLSLMF)cos()cos(2100式中SLMFVVKKv210定义混频增益MA为中频电压幅度0V与高频电压SV之比，就有LMFSMVKKVVA210图4-3为模拟乘法器混频电路，该电路由集成模拟乘法器MC1496完成。+12-12J7J8J9C12104C11104C7104C15104C8104R101KR11200R12820R13820R71KR14100R153.3KR163.3KR216.8KR20510R171kF24.5MD28.2VC16104TH6TH7TH8TH9TP5SIG+1GNADJ2GNADJ3SIG-4BIAS5OUT+6NC7CAR+8NC9CAR-10NC11OUT-12NC13VEE14U1MC1496图4-3MC1496构成的混频电路MC1496可以采用单电源供电，也可采用双电源供电。本实验电路中采用＋12V，－8V供电。R12（820Ω）、R13（820Ω）组成平衡电路，F2为4.5MHz选频回路。本实验中输入信号频率为Sf＝4.2MHz(由三号板晶体振荡输出)，本振频率Lf＝8.7MHz。为了实现混频功能，混频器件必须工作在非线性状态，而作用在混频器上的除了输入信号电压VS和本振电压VL外，不可避免地还存在干扰和噪声。它们之间任意两者都有可能产生组合频率，这些组合信号频率如果等于或接近中频，将与输入信号一起通过中频放大器、解调器，对输出级产生干涉，影响输入信号的接收。干扰是由于混频器不满足线性时变工作条件而形成的，因此不可避免地会产生干扰，其中影响最大的是中频干扰和镜象干扰。五、实验步骤1、打开本实验单元的电源开关，观察对应的发光二极管是否点亮，熟悉电路各部分元件的作用。2、按照下面框图进行连线信号源示波器J8J9本振输入差频输出RF1正弦波振荡器（3号板）J7射频输入频率计J1RFIN模拟乘法器混频单元（7号板）陶瓷滤波器模拟乘法器TP5乘法器输出TH9图4-4模拟乘法器混频连线框图3、将3号板上S1拨为00，S2拨为01（拨上为1，拨下为0），调节中周T1使J1输出幅度最大，然后调节W2改变输出信号幅度，使J1输出fS=4.2MHz、VSP-P=300mV。4、调节信号源板上“RF幅度”旋钮改变幅度，调节左边“频率调节”旋钮改变频率，使RF1输出fL=8.7MHz、VLP-P=600mV的本振信号。5、用示波器观察J9处中频信号的波形。6、用示波器对比观察TH8和TH9处波形。7、保持本振电压不变，改变射频信号电压幅度，用示波器观测，记录输出中频电压Vi的幅值，并填入表4-1。VSP-P（mV）100200300400500ViP-P（mV）表4-18、改变本振信号电压幅度，用示波器观测，记录输出中频电压Vi的幅值，并填入表4-2。VLp-p（mV）200300400500600700Vip-p（mV）表4-29、用视频跳线连接J9和频率计的RF-IN端口，用频率计测量混频前后波形的频率。六、实验报告要求1、整理实验数据，填写表格4-1和4-2。2、绘制步骤2、3中所观测到的波形图，并作分析。3、归纳并总结信号混频的过程。本振信号f=8.7MHz，射频信号fs=4.2MHz，和频输出应为4.5MHz，见示波器上4.507MHz，与理论值基本一致。七、实验截图实验五三点式正弦波振荡器一、实验目的1、掌握三点式正弦波振荡器电路的基本原理，起振条件，电路设计及电路参数计算。2、掌握晶体管静态工作点、反馈系数大小、负载变化对起振和振荡幅度的影响。3、研究外界条件（温度、电源电压、负载变化）对振荡器频率稳定度的影响。二、实验内容1、熟悉振荡器模块各元件及其作用。2、进行LC振荡器波段工作研究。3、研究LC振荡器中静态工作点、反馈系数以及负载对振荡器的影响。4、测试LC振荡器的频率稳定度。三、实验仪器1、模块31块2、频率计模块1块3、双踪示波器1台4、万用表1块四、基本原理+12J1J2R310KR710KR83.3KR410KR22KR101KR118.2KC5104C21104C1047pC927pC310pC15102C14104L222uHQ33DG6Q23DG6RA1100KC1104C20470pCRY14.19MCC15-25pC4104R122K+12VPOWER1+12C810pTH1TH2D1BB149LED1LEDE110UF/16VC22104+12TP2TP3TP6TP7TP1TP4TP5W120KW25kR110KR610KQ13