2系高频实验

高频电子线路实验北京航空航天大学电子工程系208教研室.1实验一LC电容反馈正弦波振荡器一实验目的：1.了解LC三点式振荡电路的基本原理，掌握克拉泼振荡器电路的测试及电路参数的计算；2.研究振荡器的振荡频率及振荡幅度的关系；3.研究振荡器反馈系数不同时，静态工作电流EQI对振荡器起振及振幅的影响；4.当回路LC参数确定后，研究振荡频率受回路Q值和晶体管工作电流EQI的影响；5.掌握数字式频率计及示波器的正确使用方法。二.预习要求：1.复习LC振荡器的工作原理；2.分析图1所示的实验电路，说明各元件的作用；并计算晶体管静态工作电流I的最大值（注：假设晶体管的β值为80）；3.实验电路图中，若L=13μH，C1=120pF，C2=680pF，可变电容minC=20pF时，最高振荡频率maxf为多少？若可变电容maxC=160pF时，最低振荡频率minf为多少？4.若电感线圈L工作频率在6.5MHz时，电感量为13μH的Q值为100，请计算在L两端分别顺序并联接上电阻110KΩ、33KΩ、10KΩ、4.7KΩ时，电感的Q值相应的值变为多少？5.认真阅读实验指示书，并根据实验内容设计记录表格。三.实验仪器及设备：1．示波器20MHz参考型号BS-6011台2．数字式频率计100MHz参考型号GUC-20101台3．直流稳压垫源0～12V参考型号DH17181台4．万用表参考型号MF-301台5．实验电路板1块2四实验电路及说明：实验电路图1LC电容反馈正弦波振荡器反馈式振荡器电路中，互感耦合振荡器，适于较低波段工作，而在无线电设备中更为广泛采用的振荡电路是三点式LC振荡器，特别电容反馈的三点式电路，由于输出端均接有电容，因此对高次谐波的滤波能力强，振荡波形更接近于正弦波，而且可以直接利用晶体管的输出和输入电容作为回路电容。所以电容反馈LC振荡器具有较好的振荡波形和稳定性、电路形式简单，适合较高波段工作。基本的LC三点式电路如图2所示图2三点式振荡电路的一般形式3根据相位平衡条件，图中构成振荡电路的三个电抗中间，1X、2X必须为同性质的电抗，3X与1X、2X必须是异性质的电抗，且它们之间满足下列关系式：3X=－（1X+2X）反馈的大小由1X、2X确定，当1X、2X为电容时，则为电容反馈的LC三点式电路。根据幅度的起振条件，三极管跨导g必须满足不等式)'(10LimggFFggF=1X/（1X+2X）式中ig为三极管b-e间输入电导，0g为三极管c-e间输出电导，'Lg为等效三极管输出端（c-e间）的负载电导和回路损耗电导之和。从式中可以看出，振荡器起振所需跨导mg与F、ig、0g、'Lg等有关。当晶体管参数与负载确定后，F应有一个确定的值，太小不易起振，太大振荡幅度太小。实验电路为一改进型电容反馈三点线路，如图1所示：3C选得较大，对交流短路，而1C、2C与1L、7C组成振荡回路，1C、2C有四种组合，分别代表不同的反馈，电感1L可并联电阻来改变其等效的Q值，可变电容7C可从20pF到160pF连续变化，从而改变振荡频率。1R、2R、wR、4R构成偏置电路，与3R共同决定了静态工作点，调节wR可改变静态工作电流，4C是隔直电容，5C、6C、2L构成型滤波器。图3为其交流等效电路，可以看出它把电容反馈三点线路中，集电极-基极支路中电感改用LC串联回路代替，因而称为串联型电容反馈三点线路，又叫克拉泼电路。克拉泼电路适当地解决了频率稳定的问题，改进的思路是把决定振荡频率的主要元件L、C与晶体管的输入、输出阻抗参数隔开，主要是与电容iC、oC隔开，也可以说晶体管与谐振回路是松耦合。图3交流等效电路由等效电路可以写出振荡频率4LCfo21其中C由下式决定oiCCCCCC121111可以看出iC和oC对f的影响已不明显，如果在电路中C比较小，1C、2C比较大，则晶体管的输出电容oC及输入电容iC对f的影响将进一步减少。振荡器的频率稳定度是一项十分重要的技术指标，获得高稳定度的振荡频率，常常是制作振荡器的主要矛盾，影响振荡器频率的因素很多，我们知道振荡频率决定于相位平衡条件，在一个振荡电路中，若回路的相位是01，而其它部分引入的相移总和为h，当满足相位平衡条件时01+h=0，如图4所示，由0曲线与一h的交点可以确定出振荡频率01f，一般由于h很小，而且0曲线较陡，所以振荡频率近似等于回路的谐振频率0f。振荡频率的变动过程实质上是相位平衡与稳定的过程。这种变动可以从两方面引起：谐振回路参数如Q值变化引起振荡频率由01f变到02f；另一方面晶体管参数、反馈电路参数等不稳定会引起h的变化，使相位平衡点移动，导致振荡频率改变，当然这两种变动是互相牵连的，例如晶体管参数变化，也会引起谐振回路参数变动。+20Q2Q101f02f0f△0ff－h-2图4回路Q值变动引起振荡频率变动五实验内容实验前应根据实验电路图，在实验板上找到相应元件位置，及其各扦孔的作用。1.静态工作点检查：（1）将实验板电源插孔送入+12V直流电压，注意电源极性不要接反；Q1﹥Q25（2）将反馈电容1C断开，2C接上，并将示波器接到输出端，观察振荡器停振；注：连接2C的线要用最短的线。（3）改变电路板上电位器W，并用万用表测试输出端（T1的发射极）V，直流电压eV能连续变化，并记下最大maxeV，换算成eI值：注：eeeRVI/eR为1K2.振荡频率与振荡幅度的测试eI=2mA1C/2C=120pF/680pFKRL110实验条件：（1）振荡范围：改变可变电容器从最大到最小，记下相应的maxf及minf值。（2）测试振荡频率与幅度的关系：改变可变电容器使振荡频率分别顺序为7.0MHz、8.0MHz、9.0MHz、10.0MHz时用示波器测出振荡电压的峰值ppV。3.测试1C/2C不同时，起振点、振幅与工作电流EQI的关系：实验条件：EQI=4mA，振荡频率f近似为6.5MHz，回路电阻KRL110（1）取1C=100pF，2C=2200pF调节电位器W，使EQI（静态值）为0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0mA，用示波器测量输出端振荡幅度ppV（峰-峰值）。（2）取1C=110pF，2C=1000pF1C=120pF，2C=680pF1C=680pF，2C=120pF分别重复（1）的内容。4．回路LC参数固定时，改变L的并联电阻使等效Q值变化时，对振荡频率值的影响。实验条件：f=6.5MHz1C/2C=120pF/680pFEQI=2m改变L的并联电阻分别为110K，33K，10K，4.7K时，分别记下振荡频率值（要求有效数字为4～5位）。5．回路LC参数及Q值都固定不变时，改变晶体管EQI时测试振荡器的振荡频率值。实验条件：KRL1101C/2C=120pF/680pFf=6.5MHz（EQI=2mA）改变晶体管EQI分别为1.0、2.0、3.0、4.0时测出振荡器的频率值（要求有效数字为4～5位）。6．研究电源变化对频率稳定度的影响6实验条件：1C/2C=120pF/680pFEQI=2mA电源电压为12V时f=6.5MHzKRL110改变电源电压为12V、11V、10V、9V时，分别记下振荡频率值。六.实验报告要求：实验报告应包括下列内容，但不要照抄实验指示书，根据预习、实验过程中自己总结写出：1.实验目的；2.实验电路图；3.实验指示书上规定的预习任务；4.实验所用的仪器、设备的名称；5.实验数据整理、分析，得到什么结论；6.实验方法及实验仪器使用方法总结；7.以EQI为横轴，输出为纵轴，将不同1C/2C值下测的四组数据，在同一方格纸上绘制成曲线。8.回答思考题。七.思考题：9.为什么反馈太小会造成起振困难，太大会造成振幅减小？10.回路Q值不同时，为什么会改变振荡频率，为什么提高振荡回路的Q值，可以提高振荡频率的稳定度？11.为什么晶体管工作电流EQI的变化会引起振荡频率的变化，采取什么措施能使EQI比较稳定？12.为什么静态（停振）电流与振荡后的工作电流不同？13.为什么调C改变振荡频率时，输出端output的振荡幅度随频率的升高而7实验二幅度调制器一.实验目的1.了解用集成模拟相乘器实现全载波调幅和抑制载波双边带调幅的方法与过程，并且研究已调波与两输入信号之间的关系。2.观察全载波调幅波形尤其是m=100％的调幅波形与抑制载波双边带调幅波形之区别。3.学习测量调幅系数的方法。4.通过观察实验中波形的变换，学会分析并解释实验现象。二.预习要求1.复习幅度调制有关知识，画出实现调幅的两种以上框图或简单电路图。2.认真阅读实验指示书，弄清实验原理，熟悉实验内容，画出由相乘器1496内部电路与外部元件连接在一起的幅度调制器电路图，并分析计算各引出脚的直流电压值。3.写出全载波调幅及抑制载波调幅信号的数学表示式，并画出其频谱图。4.复习调幅波调制系数m的计算方法，分别算出下述条件下所需要的调制信号幅度SV。已知：载波信号)(102sin10)(5mVttVC，V①④=0.1V。调制信号：)(102sin)(3mVtVtVSS，求m=30％时的SV及m=100％时的SV值。三.实验用仪器设备1.双踪示波器一台2.双路直流稳压电源（+12，－8）一台3.函数信号发生器（可产生方波，三角波和正弦波）一台4.高频信号发生器一台5.数字万用表一台6.幅度调制与解调实验电路板一块8四实验电路及说明幅度调制是使高频信号的振幅正比于一个低频信号的瞬时值的过程，通常称高频信号为载波信号，低频信号为调制信号，调幅器即为产生调幅信号的装置。本实验采用集成模拟相乘器1496来构成调幅器，图一为1496集成片的内部电路图，它是一个四象限模拟相乘器的基本电路，由差动放大器5T、6T、驱动双差放大器1T～4T组成，7T、8T和9T为差动放大器5T、6T的恒流源，进行调幅时，载波信号加在双差动放大器1T～4T的输入端引脚⑧、⑩之间，调制信号加在差动放大器5T、6T的输入端即①和④脚之间，5T、6T的两发射极之间（即引出脚②、③之间）外接1K电阻，以扩大调制信号的动态范围，已调信号取自双差动放大器的两集电极之间（即引出脚⑥、⑿之间）输出。用1496集成片构成的调幅器电路如图二所示，图中1W用来调节引出脚①、④之间的平衡，2W是用来调节⑧、⑩脚之间的平衡三极管3DG6为射极跟随器，以提高调幅器带负载的能力。9根据相乘器的原理，当载波信号为：tVtVCCCsin)(（1）调制信号为：tVtVSSsin)(（2）并假定两信号的输入端均处于平衡状态，那么其输出信号为：ttVkVtVtkVtVCCSSCOsinsin)()()(=])cos()[cos(21ttVkVCCCS（3）式中k为相乘器的乘法因子，可用实验测得，从（3）式不难看出，该输出信号中只含有两边频分量而不含载频分量，因此它是一个抑制载波的双边带调幅信号。如果调制信号输入端不平衡，即V①④≠0，那么加在引出脚①、④之间的信号为：)('tVSV①④+)(tVS=V①④+tVSsin（4）于是输出信号就为：)(')()(tVtkVtVSCOtkVCCsin·（V①④+tVSsin）=CkVV①④（1+mtsin）·tCsin（5）式中：SVmV①④（6）为调幅系数。由（5）式可以看出，这是一个全载波调幅信号，它含有三个频率分量，即载频及两个旁频分量。由此可见，当相乘器的调制信号输入端不平衡时，相当于在平衡的调制信号输入端垫一个直流电压，此时若在载波信号输入端加上一个高频信号，即可实现全载波调幅，其调幅系数由调制信号的振幅SV及直流电压V①④的大小决定，改变SV或V①④均可达到改变调幅系数的目的。调幅波调幅系数m的大小可由（6）式来计算，也可用示波器来测量，如图三所示，若测得调幅波的峰峰值为1E，其谷谷值为2E则：m=2121EEEE×100