高频实验指导书

《高频电子线路II》实验指导书撰写人：粟建新李志军审核人：湘潭大学信息工程学院2007年11月23日前言一、实验总体目标《高频电子线路》是电子信息工程和通信工程专业的学科基础课，也是一门工程性和实践性很强的课程。实验教学的目的是：利用典型实际高频电子线路，运用高频实验仪器，验证《高频电子线路》课程中各单元电路的工作原理，综合运用各单元电路完成模块化功能的学习，达到掌握和巩固所学基本概念和提高自行研究分析设计类似电路的能力。在实验中要熟悉各典型高频线路的组成，元件及参数的选择，熟悉高频实验仪器的原理和使用方法，掌握使用高频实验仪器进行电路参数测试的方法，在实验中学会运用理论知识分析和解决各种实际问题，实现理论与实践相结合，提高工程应用能力。二、适应专业年级适应全日制本科电子信息工程、通信工程专3年级学生。三、先修课程开设本课程之前，学生必须修完电路理论、模拟电子技术基础及实验、数字电子技术基础及实验、高频电子线路相关理论课程。四、实验项目及课时分配实验项目实验要求实验类型每组人数实验学时实验一高频小信号调谐放大器实验必修验证性22实验二高频功率放大与高电平调制实验必修综合性24实验三振荡器综合实验选修综合性24实验四低电平振幅调制与解调实验选修综合性24实验五变容二极管调频与相位鉴频实验选修综合性24实验六混频器综合实验选修综合性24实验七变容二极管调频与相位鉴频器选修综合性24实验八锁相式调频与鉴频实验选修综合性24实验九数字调相与解调实验选修综合性实验十锁相式数字频率合成器设计选修设计性实验十一数字信号发生器实验实验十二实验十三实验十四实验是学习电子技术的一个重要环节。对巩固和加深课堂教学内容，提高学生实际工作技能，培养科学作风，为学习后续课程和从事实践技术工作奠定基础具有重要作用。为适应电子科学技术的迅猛发展和教学改革不断深入的需要，我们在教学实践的基础上，运用多年从事教学仪器产品研制生产的经验，研制生产了TPE-GP系列高频电路实验学习机。其中，TPE-GP2型高频电路实验学习机由试验机箱与单元电路板构成，可完成下述属于模拟电路范畴的实验，即：单、双调谐回路谐振放大(小信号选频放大电路)；丙类高频功率放大电路；LC电容反馈三点式振荡器；石英晶体振荡器；低电平振幅调制与解调电路，高电平集电极调幅与发射电路；变容二极管调频与相位鉴频电路；集成电路(压控振荡器)构成的频率调制器；集成电路(锁相环)构成的频率解调器；利用二极管函数电路实现的波形转换电路；晶体管混频电路实验；调幅、调频接受实验等。TPE-GP3型高频电路实验学习机除涵盖上述实验外，还增加了数字电路范畴的实验，即：数字信号发生实验，锁相调频与鉴频实验，数字调频与解调实验，锁相式数字频率合成器实验。电路的设计采用原理性强的典型电路，以便结合理论知识进行学习与分析。各实验单元电路板既可以完成独立的单元实验，又可通过适当连接完成系统性实验。为使理论教学和实践教学紧密结合，注重学生的能力培养，同时为了更好地使用TPE-GP系列高频学习机，我们编写了这本实验指导书。实验项目的编排和指导书的编写主要以近年来出版的以面向21世纪课程教材“电子线路非线性部分”，“通信电子电路”，“高频电路”等高校教材，同时也参考了中等专业学校电子信息类教材“高频电子线路”等资料，因此该实验指导书有较强的通用性。指导书的编写力求简明扼要，突出实验要求与过程，必要时结合工作原理对电路特点加以说明。对于通过实验应能解决的问题或应能解释的现象，均在实验报告要求中提出。随着产品的不断改进，某些实验单元电路板已经被新品所取代，如G2和G6实验板已分别被G2F和G7所取代，为了满足已有产品的用户的要求，同时也为给学生提供多种实验电路形式作参考，我们仍将G2与G6实验板的实验指导书以附录的形式收录在本实验指导书中。本书包括上述教材中的主要实验内容。不同层次不同需要的学校可根据本专业教学要求选择。也可以自行开发实验内容。自行开发部分的实验须在面包板上完成，并需另备元器件。由于编者水平所限，时间仓促，错误及欠缺之处恳请批评指正。编者2006年2月于清华大学实验要求1.实验前必须充分预习，完成指定的预习任务。预习要求如下：1）认真阅读实验指导书，分析、掌握实验电路的工作原理，并进行必要的估算。2）完成各实验“预习要求”中指定的内容。3）熟悉实验任务。4）预习实验中所用各仪器的使用方法及注意事项。2.使用仪器和学习机前必须了解其性能、操作方法及注意事项，在使用时应严格遵守。3.实验时接线要认真，相互仔细检查，确认无误才能接通电源，初学或没有把握应经指导教师同意后再接通电源。4.高频电路实验注意：1）将实验板插入主机插座后，即已接通地线，但实验板所需的正负电源则要另外使用导线进行连接。2）由于高频电路频率较高，分布参数及相互感应的影响较大。所以在接线时连接线尽可能短。接地点必须接触良好，以减少干扰。3）做放大器实验时如发现波形削顶失真甚至变成方波，应检查工作点设置是否正确，或输入信号是否过大。5.实验时应注意观察，若发现有破坏性异常现象(例如有元件冒烟、发烫或有异味)应立即关断电源，保持现场，报告指导教师。找出原因、排除故障，经指导教师同意再继续实验。6.实验过程中需要改接线时，应关断电源后才能拆、接线。7.实验过程中应仔细观察实验现象，认真记录实验结果(数据、波形、现象)。所记录的实验结果经指导教师审阅签字后再拆除实验线路。8.实验结束后，必须关断电源、拔出电源插头，并将仪器、设备、工具、导线等按规定整理。9.实验后每个同学必须按要求独立完成实验报告。目录实验一小信号调谐放大器(实验板G1)………………………………………1.单调谐回路谐振放大器2.双调谐回路谐振放大器实验二丙类高频谐振功率放大(实验板G2F)…………………………………实验三LC电容反馈式三点式振荡器(实验板G1)……………………………实验四石英晶体振荡器(实验板G1)…………………………………………实验五低电平振幅调制器(实验板G3)………………………………………实验六高电平振幅调制实验(实验板G2F)……………………………………实验七调幅波信号的解调实验(实验板G3)…………………………………实验八变容二极管调频振荡器(实验板G4)…………………………………实验九相位鉴频器实验(实验板G4)…………………………………………实验十集成电路(压控振荡器)构成的频率调制器(实验板G5)……………实验十一集成电路(锁相环)构成的频率解调器(实验板G5)………………实验十二利用二极管函数电路实现的波形转换电路(主机面板)……………实验十三晶体管混频电路实验(实验板G7)……………………………………实验十四小功率调频/调幅发射机与接收机实验(实验板G2-F、G7)…………实验十五集成乘法器混频实验(TPE-GP3试验箱)……………………………实验十六数字信号发生实验(TPE-GP3试验箱)………………………………实验十七锁相式调频与鉴频实验(TPE-GP3试验箱)…………………………实验十八数字调频与解调实验(TPE-GP3试验箱)……………………………实验十九锁相式数字频率合成器实验(TPE-GP3试验箱)……………………附录一附录二实验二丙类高频功率放大器实验特别提示：1，本电路的核心是谐振功率放大器，因此，实验前必须认真预习有关教材，熟悉谐振功率放大器的基本特性,实验中所有调整过程,无一不是以理论为基础的。2,认真阅读本实验指导书，特别是对于画有波浪线的文字，实验中要给与关注。一、实验目的1,通过实验，加深对于高频谐振功率放大器工作原理的理解。2,研究丙类高频谐振功率放大器的负载特性，观察三种状态的脉冲电流波形。3,了解基极偏置电压、集电极电压、激励电压的变化对于工作状态的影响。4,掌握丙类高频谐振放大器的计算与设计方法。二、预习要求：1,复习高频谐振功率放大器的工作原理及特点。2,熟悉并分析图3所示的实验电路，了解电路特点。三、电路特点及实验原理简介1.电路特点本电路的核发是谐振功率放大器，在此电路基础上，将音频调制信号加入集电极回路中，利用谐振功率放大电路的集电极调制特性，完成集电极调幅实验。当电路的输出负载为天线回路时，就可以完成无线电发射的任务。为了使电路稳定，易于调整，本电路设置了独立的载波振荡源。2.高频谐振功率放大器的工作原理参见图1。图1高频功放原理图图2ic与ub的关系谐振功率放大器是以选频网络为负载的功率放大器，它是在无线电发送中最为重要、最为难调的单元电路之一。根据放大器电流导通角的范围可分为甲类、乙类、丙类等类型。丙类功率放大器导通角090，集电极效率可达80％，一般用作末级放大，以获得较大的功率和较高的效率。图1中，bbV为基极偏压，ccV为集电极直流电源电压。为了得到丙类工作状态，bbV应为负值，即基极处于反向偏置。bu为基极激励电压。图2示出了晶体管的转移特性曲线，以便用折线法分析集电极电流与基极激励电压的关系。bzV是晶体管发射结的起始电压（或称转折电压）。由图可知，只有在bu的正半周，并且大于bbV和bzV绝对值之和时，才有集电极电流流通。即在一个周期内，集电极电流ci只在~时间内导通。由图可见，集电极电流是尖顶余弦脉冲，对其进行傅里叶级数分解可得到它的直流、基波和其它各次谐波分量的值，即：......221tCOSnItCOSItCOSIIiCnMMCMCcocbmbbbzUVVCOS求解方法在此不再叙述。为了获取较大功率和有较高效率，一般取0080~70左右。完整的电路图见图3。图3高频功放（调幅）及发射电路原理图图中，1V、2V构成了独立的石英晶体振荡电路，为实验提供了稳定的载波信号，大大方便了电路的调整。3V为推动级，为末级功放电路提供足够的激励电压。4V构成丙类谐振放大电路。为了能较好的演示功放电路的负载特性，较为方便的观察脉冲电流，本电路采用了独立的偏置电路，由2PR、15R、14R构成的分压器对－12V进行分压，为功放级提供适当的负偏压，确保工作在丙类状态。LR为负载电阻，在负载电阻和功放电路集电极之间采用变压器电路，以完成负载和集电极之间阻抗变换。在功放输出级电路中设置了三个跳线短路端子2J、3J和4J。3J可完成＋12V电源和＋6～9V可调电源之间的转换，以观察集电极调制特性以及完成调幅电路的实验。2J是为了观察负载而设置的，当2J断开时，在16R上可直接观察到脉冲电流波形，从而可较为直观的观察到负载特性，便于加深对于谐振功率放大电路的理解。而2J短接时，可得到稍大一些的输出电压。4J是为了在集电极回路中加入低频调制信号而设置的。3.高频功放电路的调谐与调整原则理论分析表明，当谐振功率放大器集电极回路对于信号频率处于谐振状态时（此时集电极负载为纯电阻状态），集电极直流电流COI为最小，回路电压LU最大，且同时发生。然而，由于晶体管在高频工作状态时，内部电容bcC的反馈作用明显，上述COI最小、回路电压LU最大的现象不会同时发生。因此，本实验电路，不单纯采用监视COI的方法，而采用同时监视脉冲电流ci的方法调谐电路。由理论分析可知，当谐振放大器工作在欠压状态时，ci是尖顶脉冲，工作在过压状态时，ci是凹顶脉冲，而当处于临界状态下工作时，ci是一平顶或微凹陷的脉冲。这也正是高频谐振功率放大器的设计原则，即在最佳负载条件下，使功率放大器工作于临界状态，以获取最大的输出功率和较大工作效率。本电路的最佳负载为75。因此调试时也应以此负载为调试基础。四、实验仪表设备1.双踪示波器2.直流电压表3.直流电流表4.高频电路学习机5.高频功放（调幅）及发射实验电路板（G2F）五、实验内容及步骤1.按图连接好实验电路板所需电源（V12）。［bbV接－12V］2.功放级静态工作点的调整A.用短路环将3J的1、2端和4J的2、4端短路，以使＋12V电源直接提给功放输出级的集电极回路。（注意：此时一定要使5J或1J保持开路状态，否则，静态工作点将受到本振电压的影响。）B