高频C实验指导书

高频电子实验指导电子系电子实验室1高频电子实验箱总体介绍一、概述本高频电子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〉〉一书而设计的（作者为张肃文）。在本实验箱中设置了十个实验，它们是：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，主要帮助学生理解和加深课堂所学的内容。后两个实验是系统实验，是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。整机介绍二、整机介绍整机元件分布图如图0-1所示，整机测试点和各调试点分布图如图0-2所示，在图0-2中所列出的是测试点、调试点、电源开关及电源指示等。在实验板的右侧为为实验所需而配备的高低频信号源和频率计。它们不作为实验内容，属于实验工具。高低频信号源和频率计的使用说明如下。频率计的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。参看电原理图G11和整机分布图（原理图中的CG10用于校正显示频率的准确度，WG1用于调节测量的阈门时间，这两个元件均在PCB板的另一面）。使用的方法是：KG1是频率计的开关，在使用时首先要按下该开关；当测低于100KHz的信号时连接JG3、JG4（此时JG2应为断开状态）。当测高于100KHz的信号时连接JG2（此时JG3、JG4应为断开状态，一般情况下都接JG2）。将需要测量的信号（信号输出端）用实验箱中附带的连线与频率计的输入端（ING1）相连，则从频率计单元的数码管上能读出信号的频率大小。数码管为8个，其中前6个显示有效数字，第8个显示10的幂，单位为Hz（如显示10.7000-6时，则频率为10.7MHz）。本频率计的精度为：若信号为MHz级，显示精度为百赫兹。若信号为KHz和Hz级则显示精度为赫兹。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。它包括两2部分：第一部分500Hz~2KHz信号；此信号可以以方波的形式输出，也可以以正弦波的形式输出。它用于变容二极管调频单元，集成模拟乘法应用中的平衡调幅单元，集电极调幅单元和高频信号源调频输出单元。第二部分20KHz~100KHz信号；此信号以正弦波的形式输出。它用于锁相频率合成单元。低频信号源在整机中的位置见整机分布图，电原理图见附图G8。低频信号源的使用方法如下：电原理图中的可调电阻WD5用于调节输出方波信号的占空比；WD3、WD4的作用是：在输出正弦波信号时，通过调节WD3、WD4使输出信号失真最小。这三个电位器在实验箱出厂时均已调到最佳位置且此三个电位器在PCB板的另一面。电原理图中的可调电阻WD6用来调节输出频率的大小；WD1用于调节输出方波信号的大小；WD2用于调节输出正弦波信号大小。在使用时，首先要按下开关KD1。当需输出500Hz~2KHz的信号时，参照电原理图G8连接好JD1、JD4（此时JD2、JD3应断开），则从TTD1处输出500Hz~2KHz的正弦波；断开JD4，连上JD3，则从TTD2处输出500Hz~2KHz的方波。根据实验的需要用示波器观察，通过调节WD1、WD2获得需要信号的大小，WD1调节方波的大小，WD2调节正弦波的大小；用频率计测量，通过调节WD6获得需要信号的频率。当需输出20KHz~100KHz的信号时，参照电原理图G8连接好JD2、JD4（此时JD1、JD3应断开）。从TTD1处输出20KHz~100KHz的正弦波。根据实验的需要用示波器观察，通过调节WD2获得需要信号的大小；用频率计测量，通过调节WD6获得需要信号的频率。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（调频信号的调制频偏可以调节）。载波主要用于小信号调谐放大单元、高频谐振功率放大器单元、集电极调幅单元、模拟乘法器部分的平衡调幅及混频单元和二极管开关混频单元。调频信号主要用于模拟乘法器部分的鉴频单元和FM锁相解调单元。参看附原理图G10和整机分布图。高频信号源的使用方法如下：使用时，首先要按下开关KF1。当需要输出载波信号时，连接JF1（此时JF2、JF3、JF4断开），则10.7MHz的信号由TTF1处输出，WF1用于调节输出信号的大小。当需要输出10.7MHz的调频信号时，连接JF2、JF3、JF4（此时JF1断开，同时使低频信号源处于输出1KHz正弦波的状态，改变低频信号源的幅度就是改变调频信号的频偏，在没有特别要求时，一般低频信号源幅度调为2V，参看低频信号源的使用），则10.7MHz的调制信号由TTF1处输出，WF1用于调节输出信号的大小；低频信号源处的WD2用于调节调制频偏的大小。在具体使用中，通过示波器观察输出信号的大小和形状。3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4输入导纳ebebbbebebiejwcgrjwcgy'''''1（1-1）输出导纳ebebebbbebbbmoejwcjwcgrjwcrgy''''''1（1-2）正向传输导纳ebebbbmfejwcgrgy'''1（1-3）反向传输导纳ebebbbebrejwcgrjwcy''''1（1-4）图1-2放大器的高频等效回路式中，gm——晶体管的跨导，与发射极电流的关系为SmAIgEm26（1-5）gb’e——发射结电导，与晶体管的电流放大系数β及IE有关，其关系为SmAIrgEebeb261''（1-6）rb’b——基极体电阻，一般为几十欧姆；Cb’c——集电极电容，一般为几皮法；Cb’e——发射结电容，一般为几十皮法至几百皮法。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IE，电流放大系数β有关外，还与工作频率ω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f0=30MHz，IE=2mA，UCE=8V条件下测得3DG6C的y参数为：mSrgieie21pFCie12mSrgoeoe25015pFCoe4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，p1为晶体管的集电极接入系数，即211/NNP（1-7）式中，N2为电感L线圈的总匝数。P2为输出变压器T的副边与原边的匝数比，即232/NNP（1-8）式中，N3为副边（次级）的总匝数。gL为调谐放大器输出负载的电导，gL=1/RL。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gL将是下一级晶体管的输入导纳gie2。由图1-2可见，并联谐振回路的总电导g的表达式为GjwLjwcgpgpgieoe122221GjwLjwcgpgpLoe12221（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。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f0，谐振电压放大倍数Av0，放大器的通频带BW及选择性（通常用矩形系数Kr0.1来表示）等。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f0称为放大器的谐振频率，对于图1-1所示电路（也是以下各项指标所对应电路），f0的表达式为LCf210（1-10）式中，L为调谐回路电感线圈的电感量；C为调谐回路的总电容，C的表达式为ieoeCPCPCC2221（1-11）6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f0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f0。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AV0称为调谐放大器的电压放大倍数。AV0的表达式为GgpgpyppgyppuuAieoefefeiV2221212100（1-12）式中，gΣ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的并联电抗为无限大，因此可以忽略其电导。但要注意的是yfe本身也是一个复数，所以谐振时输出电压u0与输入电压ui相位差为（180o+Φfe）。AV0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u0及输入信号ui的大小，则电压放大倍数AV0由下式计算：AV0=u0/ui或AV0=20lg(u0/ui)dB(1-13)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AV下降到谐振电压放大倍数AV0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BW=2△f0.7=fo/QL(1-14)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AV0与通频带BW的关系为CyBWAfeV20(1-15)上式说明，当晶体管选定即yfe确定，且回路总电容CΣ为定值时，谐振电压放大倍数AV0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f0及电压放大倍数AV0然后改变高频信号发生器的频率（保持其输出电压uS不变），并测出对应的电压放大倍数AV0。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。由式（1-14）可得7.02fffBWLH(1-16)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0VAAv0.7BW0.1Lf0fHf2△f0.1图1-3谐振曲线7提高放大器的电压增益，由式（1-15）可知，除了选用yfe较大的晶体管外，还应尽量减小调谐回路的总电容量CΣ。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Kv0.1时来表示，如图（1-3）所示的谐振曲线，矩形系数Kv0.1为电压放大倍数下降到0.1AV0时对应的频率偏移与电压放大倍数下降到0.707AV0时对应的频率偏移之比，即Kv0.1=2△f0.1/2△f0.7=2△f0.1/BW（1-17）上式表明，矩形系数Kv0.1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Kv0.1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Kv0.1