通信電路與系統(tǒng)實驗指導(dǎo)書(學(xué)生用)

1、高頻電子線路 D 型實驗箱總體介紹實驗一諧振功率放大器實驗二正弦波振蕩器實驗三集電極調(diào)幅與大信號檢波實驗四變?nèi)荻O管調(diào)頻附實驗原理圖132129高頻 D 型電子實驗箱總體介紹一、概述本高頻 D 型電子實驗箱的實驗內(nèi)容及實驗順序是根據(jù)高等教育出版社出版 的高頻電子線路 一書而設(shè)計的（作者為張肅文） 。在本實驗箱中設(shè)置了十 個實驗，它們是：高頻小信號調(diào)諧放大器實驗、二極管開關(guān)混頻器實驗、高頻諧 振功率放大器實驗、正弦波振蕩器實驗、 集電極調(diào)幅及大信號檢波實驗、 變?nèi)荻?極管調(diào)頻實驗、集成模擬乘法器應(yīng)用實驗、 模擬鎖相環(huán)應(yīng)用實驗、 小功率調(diào)頻發(fā) 射機(jī)設(shè)計和調(diào)頻接收機(jī)設(shè)計。 其中前八個實驗是為配合課程

2、而設(shè)計的， 主要幫助 學(xué)生理解和加深課堂所學(xué)的內(nèi)容。 后兩個實驗是系統(tǒng)實驗， 是讓學(xué)生了解每個復(fù) 雜的無線收發(fā)系統(tǒng)都是由一個個單元電路組成的。本實驗裝置采用“積木式”結(jié)構(gòu)，將高頻實驗所需的直流電源、頻率計、低 頻信號源和高頻信號源設(shè)計成一個公共平臺。 它的具體實驗?zāi)K以插卡形式插在 主實驗板上上， 以便各學(xué)校根據(jù)自己的教學(xué)安排做任意擴(kuò)展。 所有模塊與公共平 臺之間連接采用香蕉頭自鎖緊插件。 模塊之間采用帶彈簧片式連接線， 可靠性好， 性能穩(wěn)定，測試結(jié)果準(zhǔn)確，可讓學(xué)生自主實驗，為開放實驗室，提供良好的硬件 基礎(chǔ)。另外，將發(fā)射模塊和接收模塊同時使用還可以完成收發(fā)系統(tǒng)實驗。使用前 請仔細(xì)閱讀主實驗板

3、上的使用注意事項。二、主機(jī)介紹主機(jī)上提供實驗所需而配備的專用開關(guān)電源，包括三路直流電源：+12V、+5V、-12V，共直流地；直流電源下方是頻率計和高低頻信號源。它們不作為實 驗內(nèi)容，屬于實驗工具。高低頻信號源和頻率計的使用說明如下。頻率計的使用方法 本實驗箱提供的頻率計是基于本實驗箱實驗的需要而設(shè)計的。 它只適用于頻 率低于15MHz，信號幅度Vp-p =100mV5V的信號。參看電路原理圖 G9 （原理 圖中的 CC201 用于校正顯示頻率的準(zhǔn)確度， W201 用于調(diào)節(jié)測量的閾門時間， 這 兩個元件均在 PCB 板的另一面）。使用的方法是： K201 是頻率計的開關(guān)，在使用時首先要按下該開

4、關(guān)；當(dāng)測 低于100KHZ的信號時連接JG1、JG（此時JG2應(yīng)為斷開狀態(tài)）。當(dāng)測高于100KHz 的信號時連接JG2 （此時JG1、JG4應(yīng)為斷開狀態(tài)，一般情況下都接 JG2）。將需要測量的信號 （信號輸出端） 用實驗箱中附帶的帶彈片的連接線與頻率 計的輸入端（ING1）相連，則從頻率計單元的數(shù)碼管上能讀出信號的頻率大小。 數(shù)碼管為8個，其中前6個顯示有效數(shù)字，第8個顯示10的幕，單位為Hz （如 顯示 10.7000-6時，則頻率為 10.7MHz）。本頻率計的精度為：若信號為 MHz 級，顯示精度為百赫茲。若信號為 KHz 和Hz級則顯示精度為赫茲。低頻信號源的使用方法本實驗箱提供的低頻

5、信號源是基于本實驗箱實驗的需要而設(shè)計的。 它包括兩 部分：第一部分：輸出 500Hz2KHz 信號（實際輸出信號范圍較寬） ；此信號可以 以正弦波的形式輸出，也可以方波、 三角波的形式輸出。 它用于變?nèi)荻O管調(diào)頻 單元，集成模擬乘法應(yīng)用中的平衡調(diào)幅單元， 集電極調(diào)幅單元和高頻信號源調(diào)頻 輸出。第二部分：輸出 20KHz100KHz 信號（實際輸出信號范圍較寬） ；此信號可 以正弦波的形式輸出。它用于鎖相頻率合成單元。低頻信號源的使用方法如下：可調(diào)電阻 W305 用于調(diào)節(jié)輸出方波信號的占空比； W303、 W304 的作用是： 在輸出正弦波信號時，通過調(diào)節(jié) W303、 W304 使輸出信號失真最

6、小。這三個電 位器在實驗箱出廠時均已調(diào)到最佳位置且此三個電位器在 PCB 板的另一面。原理圖上的 W306 用來調(diào)節(jié)輸出信號頻率的大??； W301 用于調(diào)節(jié)方波或者 三角波的幅度； W302 用于調(diào)節(jié)正弦波信號的幅度。在使用時，首先要按下開關(guān) K301 。當(dāng)需輸出 500Hz2KHz 的信號時，參照 原理圖G7,連接好JD1、“正弦波”跳線（此時JD2和“正弦波”跳線、“三角 波”跳線應(yīng)斷開），貝從“可調(diào)正弦波輸出”處輸出正弦波；斷開“正弦波”跳 線，連接“方波”跳線，貝從“波形選擇輸出”處輸出方波；同理，斷開“方波” 跳線連接“三角波”跳線，貝從“波形選擇輸出”處輸出三角波。當(dāng)需輸出20KH

7、z100KHz的信號時，參考原理圖G7,連接好JD2和“正弦 波”跳線（此時 JD1 和“正弦波”跳線、“三角波”跳線應(yīng)斷開） ，貝在“可調(diào)正 弦波輸出”處輸出 20KHz100KHz 的正弦波；根據(jù)實驗的需要用示波器觀察， 通過調(diào)節(jié)W302獲得需要信號的大??；用頻率計測量，通過調(diào)節(jié)W306獲得需要 信號的頻率。高頻信號源的使用方法本實驗箱提供的高頻信號源是基于本實驗箱實驗的需要而設(shè)計的。 它只提供 10.7MHz 的載波信號和約 10.7MHz 的調(diào)頻信號（調(diào)頻信號的調(diào)制頻偏可以調(diào)節(jié)） 。 載波主要用于小信號調(diào)諧放大單元、 高頻諧振功率放大器單元、 集電極調(diào)幅單元、 模擬乘法器部分的平衡調(diào)幅

8、及混頻單元和二極管開關(guān)混頻單元。 調(diào)頻信號主要用 于模擬乘法器部分的鑒頻單元和 FM 鎖相解調(diào)單元。參看附原理圖 G8。晶體振蕩輸出載波峰峰值不低于1.5V。LC振蕩輸出載波峰峰值不低于1V。 高頻信號源的使用方法如下：使用時，首先要按下開關(guān) K401。當(dāng)需要輸出載波信號時，連接 J401 （此時 J402、J403、J404應(yīng)斷開），貝U 10.7MHz的信號由TTF1處輸出，W401用于調(diào) 節(jié)輸出信號的大小。當(dāng)需要輸出10.7MHz的調(diào)頻信號時，連接J402、J403、J404 （此時J401斷 開；若信號偏離了 10.7MHz，則可調(diào)節(jié)可調(diào)電容CC401使之為10.7MHz ），同時 使

9、低頻信號源處于輸出 1KHz 正弦波的狀態(tài)， 改變低頻信號源的幅度就是改變調(diào) 頻信號的頻偏，在沒有特別要求時，一般低頻信號源幅度調(diào)為2V，參看低頻信號源的使用），貝 10.7MHz 的調(diào)制信號由 TTF1 處輸出， W401 用于調(diào)節(jié)輸出信 號的大小；低頻信號源處的 W302 用于調(diào)節(jié)調(diào)制頻偏的大小。在具體使用中，通 過示波器觀察輸出信號的大小和形狀。在具體使用中，通過示波器觀察輸出信號的大小和形狀。三、模塊介紹接收模塊：1）實驗一2）實驗十高頻小信號調(diào)諧放大器調(diào)頻接收機(jī)設(shè)計（調(diào)諧放大、中頻放大、鑒頻解調(diào)，可與接收模塊組成發(fā)射接收系統(tǒng)）環(huán)形混頻器 正弦波振蕩器環(huán)形混頻器模塊：1）實驗二 2）實

10、驗四 集電極調(diào)幅與大信號檢波模塊：1）實驗五 集電極調(diào)幅與大信號檢波 發(fā)射模塊：（1）實驗三 高頻功率放大器（2）實驗六 變?nèi)荻O管調(diào)頻（3）實驗九 小功率調(diào)頻發(fā)射機(jī)設(shè)計 鎖相環(huán)應(yīng)用模塊：（1實驗八模擬鎖相環(huán)的應(yīng)用（PLL倍頻、PLL解調(diào)） 乘法器模塊：集成電路模擬乘法器的應(yīng)用（調(diào)幅、檢波、鑒頻、混頻）（ 1）實驗七 注：用戶可對各模塊進(jìn)行不同組合，開發(fā)出新的實驗；也可掛接自己開發(fā)的 模塊并與現(xiàn)有模塊一起使用； 做實驗時必須把具有相應(yīng)實驗內(nèi)容的的模塊插 在主板上。實驗諧振功率放大器一、實驗?zāi)康?、進(jìn)一步理解諧振功率放大器的工作原理及負(fù)載阻抗和激勵信號電壓變化 對其工作狀態(tài)的影響。2、掌握諧振功

11、率放大器的調(diào)諧特性和負(fù)載特性。二、電路的基本原理利用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路的功率放大器稱為諧振功率放大器，這是無線電發(fā)射機(jī)中的重要組成部分。根據(jù)放大器電流導(dǎo)通角0的范圍可分為甲類、乙類、 丙類及丁類等不同類型的功率放大器。電流導(dǎo)通角0愈小，放大器的效率n愈高。 如甲類功放的0 =180,效率n最高也只能達(dá)到50%，而丙類功放的0 < 900,效 率n可達(dá)到80%,甲類功率放大器適合作為中間級或輸出功率較小的末級功率放 大器。丙類功率放大器通常作為末級功放以獲得較大的輸出功率和較高的效率。RB1T1T2+12V丄 C3 L2C2C1GUDQ1He.Rei 1CADCeiCTO<4甲類功

12、率放大器丙類功率放大器”圖3-1高頻功率放大器圖3-1為由兩級功率放大器組成的高頻功率放大器電路，其中晶體管Qi組成甲類功率放大器，晶體管 Q2組成丙類諧振功率放大器，這兩種功率放大器的 應(yīng)用十分廣泛，下面介紹它們的工作原理及基本關(guān)系式。1、甲類功率放大器1）靜態(tài)工作點如圖3-1所示，晶體管Q1組成甲類功率放大器，工作在線性放大狀態(tài)。其中Rbi、RB2為基極偏置電阻；Rei為直流負(fù)反饋電阻，以穩(wěn)定電路的靜態(tài)工作點。 Rfi為交流負(fù)反饋電阻，可以提高放大器的輸入阻抗，穩(wěn)定增益。電路的靜態(tài)工 作點由下列關(guān)系式確定：(3-1)UEQ=|EQ ( Rf1 + Re1) ICQReI式中，Rfi 一般為

13、幾歐至幾十歐。(3-2)(3-3)(3-4)Icq= P IbqUBQ=UEQ+0.7V ucEQ=Ucc - Icq ( Rfi+Rei)2)負(fù)載特性如圖3-1所示，甲類功率放大器的輸出負(fù)載由丙類功放的輸入阻抗決定，兩級間通過變壓器進(jìn)行耦合，因此甲類功放的交流輸出功率Po可表示為：Po = Ph / n b(3-5)式中，Ph'為輸出負(fù)載上的實際功率，n b為變壓器的傳輸效率，一般為 n b=0.750.85。Ucc圖3-2甲類功放的負(fù)載特性圖3-2為甲類功放的負(fù)載特性。為獲得最大不失真輸出功率，靜態(tài)工作點Q應(yīng)選在交流負(fù)載線AB的中點，此時集電極的負(fù)載電阻 Rh稱為最佳負(fù)載電阻。 集

14、電極的輸出功率Pc的表達(dá)式為：PC2 UCm 1 Cm1 uCm2 rH(3-6)式中，Ucm為集電極輸出的交流電壓振幅，Icm為交流電流的振幅，它們的表 達(dá)式分別為(3-7)Ucm = Ucc - ICQRE1 - UCES式中，UCES稱為飽和壓降，約IV(3-8)|cm Icq如果變壓器的初級線圈匝數(shù)為 N1，次級線圈匝數(shù)為N2，則(3-9)N1I B RHn7式中，Rh '為變壓器次級接入的負(fù)載電阻，即下級丙類功放的輸入阻抗。3) 功率增益與電壓放大器不同的是功率放大器應(yīng)有一定的功率增益，對于圖 路，甲類功率放大器不僅要為下一級功放提供一定的激勵功率， 輸入的信號，進(jìn)行功率放大

15、，功率增益 Ap的表達(dá)式為Ap = Po/PiP為放大器的輸入功率，3.1所示電而且還要將前級(3-10)Uim及輸入電阻Ri的其中,關(guān)系為j2RiPiRi又可以表示為(3-11)Uim式中，(3-12)Ri e hie+ ( 1+hfe) Rf1式中，hie為共發(fā)接法晶體 管的輸入電阻，高頻工作時，可 認(rèn)為它近似等于晶體管的基極體 電阻rbb。hfe為晶體管共發(fā)接 法電流放大系數(shù)，在高頻情況下它是復(fù)數(shù)，為方便起見可取晶它與放大器的輸入電壓tttt體管直流放大系數(shù)P。2、丙類功率放大器1)基本關(guān)系式如圖3-1所示，丙類功率放大器的基極偏置電壓UBE是利用發(fā)射 極電流的直流分量Ieo (e I

16、co)在 射極電阻Re2上產(chǎn)生的壓降來提供 的，故稱為自給偏壓電路。當(dāng)放大 器的輸入信號Ui為正弦波時，則 集電極的輸出電流ic為余弦脈沖 波。利用諧振回路L2C3的選頻作 用可輸出基波諧振電壓Uc1,電流ic1。 圖3-3畫出了丙類功率放大器的基 極與集電極間的電流、電壓波形關(guān) 系。分析可得下列基本關(guān)系式：Uc1m = |c1mRo(3-13)圖3-3丙類功放的基極、集電極電流和電壓波形式中，Uc1m為集電極輸出的諧振電壓即基波電壓的振幅； |c1m為集電極基波電流振幅；Ro為集電極回路的諧振阻抗。Pc如Mm駅赧裳(3-14)式中，Pc為集電極輸出功率(3-15)P D=ucc|co 式中，

17、Pd為電源Ucc供給的直流功率；ICO為集電極電流脈沖ic的直流分量。電流脈沖ic經(jīng)傅立葉級數(shù)分解，可得峰值Icm與分解系數(shù)an()的關(guān)系式0.6分解系數(shù)an與0的關(guān)系0.50.4如圖3-4所示。0.30.2放大器集電極的耗散功率 Pc'為0.1Pc ' =Pd - Pc(3-17)-放大器的效率n為(3-16)PDPd1 cm 1 cm ? a1 ()1 c0 1 cm ?a0()00an80°120° 160°0 電流脈沖的分解系數(shù)1.00.90.80.70.60.50.4圖3-41 ?Uc1m2 Ucc1 c1m1 c0(3-18)式中： U

18、 c1m /U cc稱為電壓利用系數(shù)。圖3-5輸入電壓Ube與集電極電流ic波形圖3-5為功放管特性曲線折線化后的輸入電壓ube與集電極電流脈沖ic的波形關(guān)系。由圖可得:cosUj UbUbm(3-19)式中：U為晶體管導(dǎo)通電壓（硅管約為 0.6V，鍺管約為0.3V） Ubm為輸入電壓（或激勵電壓）的振幅。UB為基極直流偏壓。UB = - IcoRe2當(dāng)輸入電壓Ube大于導(dǎo)通電壓Uj時，晶體管導(dǎo)通，工作在放大狀態(tài), 電流脈沖Ibm與集電極電流脈沖Icm成線性關(guān)系，即滿足Icm = hfeIbmB Ibm因此基極電流脈沖的基波幅度Ib1m及直流分量Ibo也可以表示為基極基波輸入功率Pi為（3-2

19、0）則基極(3-21)I b1mI b0I bma1 ()I bm a0 ()(3-22)Pi Ub1m I b1 m2(3-23)放大器的功率增益Ap為Ap或 Ap 10lgdBRPi(3-24)丙類功率放大器的輸出回路采用了變壓器耦合方式，其等效電路如圖3-6所示，集電極諧振回路為部分接入, 諧振頻率為+UccWo-7 或 f0VLC12 TlC(3-25)諧振阻抗與變壓器線圈匝數(shù)比為N2N3N1J2P0RL匹U c1mI R0(3-26)N1N2N3WoLV Rl ?Ql式中，N1為集電極接入初級匝數(shù)。N2為初級線圈總匝數(shù)。N3為次級線圈總匝數(shù)。Ql為初級回路有載品質(zhì)因數(shù)，一般取圖3-6

20、2-10。變壓器耦合電路兩類功率放大器的輸入回路亦采用變壓器耦合方式,出阻抗匹配。分析表明，這種耦合方式的輸入阻抗以使輸入阻抗與前級輸ZiZirbb(1 cos )a1()(3-27)式中，rbb為晶體管基極體電阻rbb <25Q。丿 b bb b2）負(fù)載特性當(dāng)功率放大器的電源電壓+UCC,基極偏壓ub,輸入電壓C或稱激勵電壓usm 確定后，如果電流導(dǎo)通角選定，則放大器的工作狀態(tài)只取決于集電極回路的等效 負(fù)載電阻Rq。諧振功率放大器的交流負(fù)載特性如圖3-7所示，由圖可見，當(dāng)交流負(fù)載線正好穿過靜態(tài)特性曲線的轉(zhuǎn)折點A時，管子的集電極電壓正好等于管子的飽和壓降UCES，集電極電流脈沖接近最大值

21、Icm。ic（欠壓）（過壓）UCESo（臨界）CAfZ/J All-ll1 ll-l- ' kUcc Ue->0BCAicwt.0C*圖3-7諧振功放的負(fù)載特性此時，集電極輸出的功率Pc和效率n都較高，此時放大器處于臨界工作狀態(tài)。Rq所對應(yīng)的值稱為最佳負(fù)載電阻值，用R0表示，即_（uCC UCES）02Po(3-28)當(dāng)Rqv R0放大器處于欠壓工作狀態(tài)，如 C點所示，集電極輸出電流雖然較 大，但集電極電壓較小，因此輸出功率和效率都較小。當(dāng)Rq > R0時，放大器處于過壓狀態(tài)，如B點所示，集電極電壓雖然較大，但集電極電流波形有凹陷， 因此輸出功率較低，但效率較高。為了兼顧輸

22、出功率和效率的要求，諧振功率放 大器通常選擇在臨界工作狀態(tài)。判斷放大器是否為臨界工作狀態(tài)的條件是：Ucc - Ucm = UCES(3-29)式中，Ucm集電極輸出電壓幅度。UCES晶體管飽和壓降。三、主要技術(shù)指標(biāo)及測試方法1、輸出功率高頻功率放大器的輸出功率是指放大器的負(fù)載Rl上得到的最大不失真功率。對于圖3-1所示的電路中，由于負(fù)載 Rl與丙類功率放大器的諧振回路之間 采用變壓器耦合方式，實現(xiàn)了阻抗匹配，則集電極回路的諧振阻抗Ro上的功率等于負(fù)載Rl上的功率，所以將集電極的輸出功率視為高頻放大器的輸出功率， 即IC1m Ro21 UC1m2右1Pc Uc1ml C1m2測量功率放大器的主要

23、技術(shù)指標(biāo)的連接電路如圖 3-8所示，其中高頻信號發(fā) 生器提供激勵信號電壓與諧振頻率， 示波器監(jiān)測波形失真，直流毫安表mA測量 集電極的直流電流，高頻電壓表 V測量負(fù)載Rl的端電壓。只有在集電極回路處 于諧振狀態(tài)時才能進(jìn)行各項技術(shù)指標(biāo)的測量?？梢酝ㄟ^高頻電壓表V及直流毫安表mA的指針來判斷集電極回路是否諧振，即電壓表 V的指示為最大，毫安 表mA的指示為最小時集電極回路處于諧振。當(dāng)然用掃頻儀測量回路的幅頻特性 曲線，使中心頻率處的幅值最大也可以。頻號生 高信發(fā)器圖3-8高頻功放的測試電路放大的輸出功率可以由下式計算：(3-30)Po2 UlRl式中，UL為高頻電壓表V的測量值。2、效率高頻功率放

24、大器的總效率由晶體管集電極的效率和輸出網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率決 定。而輸出網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率通常是由電感、 電容在高頻工作時產(chǎn)生一定損耗而引 起的。放大器的能量轉(zhuǎn)換效率主要由集電極的效率所決定。所以常將集電極的效PCPd率視為高頻功率放大器的效率，用n表示，即(3-31)利用圖3-8所示電路，可以通過測量來計算功率放大器的效率，集電極回路 諧振時，n的值由下式計算：FCP式中，UL為高頻電壓表的測量值；3、功率增益放大器的輸出功率Po與輸入功率 表示，見式（3-10）。u/RlI C0UCC(3-32)ICO為直流毫安表的測量值。P之比稱為功率增益，用Ap （單位：dB）四、電路的確定1、本實驗由兩級組成

25、：激勵級由甲類功放組成，功放級由丙類功放組成， 電源供電為12V，功放管使用3DG12C。本實驗主要技術(shù)指標(biāo)：輸出功率Po > 125mw,工作中心頻率fo = 10.7MHz, 負(fù)載 Rl=50Q。2、確定電路和參數(shù)激勵級QE1采用甲類放大，因此基極偏壓采用固定偏壓形式，靜態(tài)工作點 lcQ=7mA。直流負(fù)反饋電阻為300Q，交直流負(fù)反饋電阻為10Q，集電極輸出由 變壓器耦合輸出到下一級。諧振電容取120P,根據(jù)前面的理論推導(dǎo)，變壓器TE1 的參數(shù)為N初級:N次級=2.56，初級取18匝，次級取7匝。功放級QE2采用丙類放大。導(dǎo)通角為700,基極偏壓采用發(fā)射極電流的直流 分量Ieo在發(fā)射

26、極偏置電阻Re上產(chǎn)生所需要的Vbb，其中直流反饋電阻為30Q, 交直流反饋電阻為10Q，集電極諧振回路電容為120P,負(fù)載為50Q，輸出由變 壓器耦合輸出，采用中間抽頭，以利于阻抗匹配。它們的匝數(shù)分別為N3=6 匝N1=9 匝N2=23 匝最終電路如附圖G1所示。五、實驗內(nèi)容參看附圖G1,在主箱上正確插好發(fā)射模塊，對照發(fā)射模塊中的高頻諧振功 放部分，正確連接電路電源線，+ 12V孔接+12V, GND接GND （從電源部分 + 12V和GND插孔用連接線接入），接上電源通電（若正確連接了 ,擴(kuò)展板上的電 源指示燈將會亮）。1、開關(guān)K2向右撥，調(diào)節(jié) WE1，使QE1的發(fā)射極電壓Ve=2.2V （

27、即用萬用 表測量QE1的發(fā)射極對地的電壓）。2、連接 JE3、JE6。3、使用BT3型頻率特性測試儀，調(diào)整TE1、TE2,使得TE1初級與CE7, TE2初級與CE4諧振均在10.7MHz，同時測試整個功放單元的幅頻特性曲線，使峰值在10.7MHz處（如果沒有BT-3型頻率特性測試儀，則這一步不作要求）。4、從INE1處輸入10.7MHz的載波信號（此信號由高頻信號源提供，參考 高頻信號源的使用），信號大小為Vp-p=250mV左右。用示波器探頭在TTE1處觀 察輸出波形，調(diào)節(jié)TE1、TE2,使輸出波形不失真且最大。5、觀察放大特性：從 INE1 處輸入 10.7MHz 載波信號，信號大小從

28、V P-P=0mV 開始增加，用示波器探頭觀察QE2的發(fā)射極電壓波形，直至觀察到有下凹的電流 波形為止，此時說明 QE2 進(jìn)入過壓狀態(tài)（如果下凹的電流波形左右不對稱，則 微調(diào) TE1 可使其非對稱性得到適當(dāng)?shù)馗纳疲?。如果再繼續(xù)增加輸入信號的大小， 則可以觀測到下凹的電壓波形的下凹深度增加。（20Mhz示波器探頭，如果用X1檔看下凹不明顯，則用 X0檔看。）6、觀察負(fù)載特性：輸入信號為Vp-p=250mV左右（由高頻信號源提供10.7MHz的載波）。調(diào) 中周TE1、TE2（此時負(fù)載應(yīng)為50Q, JE3、JE6均連上）,使電路諧振在10.7MHz 上（此時從 TTE1 處用示波器觀察，波形應(yīng)不失

29、真，且最大） 。微調(diào)輸入信號大 小，在QE2的發(fā)射極處觀察，使放大器處于臨界工作狀態(tài)。改變負(fù)載（組合JE3、 JE4、JE5的連接）使負(fù)載電阻依次變?yōu)?25Q（51 Q |51Q）51Q 100Q。用 示波器在 QE2 的發(fā)射極處能觀察到不同負(fù)載時的電流波形（由欠壓、臨界至過 壓）。在改變負(fù)載時，應(yīng)保證輸入信號大小不變（即在最小負(fù)載50Q時處于臨界狀態(tài)）。同時在不同負(fù)載下，電路應(yīng)處于最佳諧振（即在 TTE1 處觀察到的波形 應(yīng)最大且不失真。 20Mhz 示波器探頭，如果用 X1 檔看下凹不明顯，則用 X10 檔 看。）7、測量負(fù)載特性（選做）用高頻電壓表測量負(fù)載電阻上的電壓，改變負(fù)載電阻RL

30、（參照步驟 4），記下相應(yīng)的電流ICO和電壓VL，并且計算當(dāng)Rl=50Q時的功率和效率。六、實驗報告內(nèi)容1、畫出放大器三種工作狀態(tài)的電流波形。2、繪出負(fù)載特性曲線。一臺一臺一臺一塊一套七、實驗儀器1、BT-3 頻率特性測試儀（選項）2、高頻電壓表（選項）3、20MHz 雙蹤模擬示波器4、萬用表5、調(diào)試工具實驗正弦波振蕩器這是應(yīng)用非常廣泛的RC、LCLC三端式振蕩器及晶Tfpsk11k1YfY0X3圖4-1三端式振蕩器的交流等效電路實驗?zāi)康?、掌握晶體管(振蕩管)工作狀態(tài)、反饋大小對振蕩幅度與波形的影響。2、掌握改進(jìn)型電容三點式正弦波振蕩器的工作原理及振蕩性能的測量方法。3、研究外界條件變化對振

31、蕩頻率穩(wěn)定度的影響。4、比較LC振蕩器和晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度，加深對晶體振蕩器頻率穩(wěn)定 度高的原因理解。二、實驗原理與線路正弦波振蕩器是指振蕩波形接近理想正弦波的振蕩器， 一類電路，產(chǎn)生正弦信號的振蕩電路形式很多，但歸納起來，不外是 和晶體振蕩器三種形式。在本實驗中，我們研究的主要是 體振蕩器。LC三端式振蕩器的基本電路如圖(4-1)所示：根據(jù)相位 平衡條件， 圖中構(gòu)成 振蕩電路的三個電抗中間，X1、X2必 須為同性質(zhì)的電抗，X3必須為異性質(zhì) 的電抗，且它們之間應(yīng)滿足下列關(guān)系 式：X3 = (X1+X2)(4-1)這就是LC三端式振蕩器相位平衡條 件的判斷準(zhǔn)則。若X1和X2均為容抗，X3為感抗

32、，則 為電容三端式振蕩電路；若 X1和X2 均為感抗，X3為容抗，則為電感三端 式振蕩器。下面以電容三端式振蕩器為例分析其原理。1、電容三端式振蕩器共基電容三端式振蕩器的基本電路如圖 4-2所示。圖中C3為耦合電容。由圖可見：與發(fā)射極連接的兩個電抗元件為同性質(zhì)的容抗元件C1和C2;與基極連接的為兩個異性質(zhì)的電抗元件 C2和L,根據(jù)前面所述的判別準(zhǔn)則，該電路滿足 相位條件。若要它產(chǎn)生正弦波，還須滿足振幅，起振條件，即：HlaHI*ctRE土口Ao F> 1(4-2)式中Ao為電路剛起振時， 振蕩管工作狀態(tài)為小信號時的 電壓增益；F是反饋系數(shù)，只要 求出Ao和F值，便可知道電路 有關(guān)參數(shù)與它

33、的關(guān)系。為此，我 們畫出圖4-2的簡化，y參數(shù)等 效電路如圖4-3所示，其中設(shè) yrb 0 yob 0，圖中G。為振蕩 回路的損耗電導(dǎo)，Gl為負(fù)載電 導(dǎo)。ViC2圖4-2共基組態(tài)的“考華茲”振蕩器i141(占嚴(yán)Vi)L GO1歸 tfb ?VO圖4-3簡化Y參數(shù)等效電路由圖可求出小信號電壓增益 Ao和反饋系數(shù)F分別為VoViyfbYVfVo乙jXi式中:GpZ211gib7JX2wLjX3XiZ2 JX11wGX21IWC2GLC2C C2經(jīng)運算整理得To代？Fyfb ? Z2V-Z2 jX1-yfbMjNX,式中：M q gib q當(dāng)忽略yfb的相移時，根據(jù)自激條件應(yīng)有yfbJm 2N=0

34、及-gb,X3ToN gbGp?x -X3X2X3N2yfbM(4-3)由N=O，可求出起振時的振蕩頻率，即_ _ 1 gibG p?x1-XiX2X3X2X3則 X1X2X3gibG p=X1+X2+X3將X1X2X3的表示式代入上式，解出：f 1 門gibG p2 V LC CQ2當(dāng)晶體管參數(shù)的影響可以忽略時，可得到振蕩頻率近似為12 JlCfg(4-4)式中:C1C2C1 C2是振蕩回路的總電容。由式(4-3)求M，當(dāng)gibwC2時Z2g ib1jX21IgibjwC2則反饋系數(shù)可近似表示為:VoZ2Z1jX11IjwC21 1jwC2 jwC1C1C1 C2CC2(4-5)M GpXi

35、 c X1gibGpgibX2X3Xlgib(12)GP(1 二)Cl C2X2C1 C2C1 GPF?gib 右Gp由式（4-3）可得到滿足起振振幅條件的電路參數(shù)為：(4-6)Yfb F?gb 右 Gp此式給出了滿足起振條件所需要的晶體管最小正向傳輸導(dǎo)納值。式（4-6）也可以改寫為YfbF2gibF 1 Gp不等式左端的YfbF g ib G pA是共基電壓增益，顯然F增大時，固然可以使To增加，但F過大時，由于gb的影響將使增益降低，反而使 To減小，導(dǎo)致振蕩器 不易起振，若F取得較小，要保證To> 1,則要求Yfb很大，可見，反饋系數(shù)的 取值有一合適的范圍，一般取 F=1/81/2

36、。2、振蕩管工作狀態(tài)對振蕩器性能的影響（振幅大小，波形好壞）有著直接的影對于一個振蕩器，當(dāng)其負(fù)載阻抗及反饋系數(shù)F已經(jīng)確定的情況，靜態(tài)工作點 的位置對振蕩器的起振以及穩(wěn)定平衡狀態(tài) 響，如圖4-4中心）和（b）所示。工作點偏高（b）工作點偏低圖4-4振蕩管工作態(tài)對性能的影響圖4-4( a)工作點偏高，振蕩管工作范圍易進(jìn)入飽和區(qū)，輸出阻抗的降低將 會使振蕩波形嚴(yán)重失真，嚴(yán)重時，甚至使振蕩器停振。圖4-4 (b)中工作點偏低，避免了晶體管工作范圍進(jìn)入飽和區(qū)，對于小功 率振蕩器，一般都取在靠近截止區(qū)，但是不能取得太低，否則不易起振。一個實際的振蕩電路，在F確定之后，其振幅的增加主要是靠提高振蕩管的 靜態(tài)

37、電流值。在實際中，我們將會看到輸出幅度隨著靜態(tài)電流值的增加而增大。 但是如靜態(tài)電流取得太大，不僅會出現(xiàn)圖 4-4 (a)所示的現(xiàn)象，而且由于晶體管 的輸入電阻變小同樣會使振蕩幅度變小。 所以在實用中，靜態(tài)電流值一般取Ic。= 0.5mA 5mA。為了使小功率振蕩器的效率高，振幅穩(wěn)定性好，一般都采用自給偏壓電路， 我們以圖4-2所示的電容三端式振蕩器電路為例，簡述自偏壓的產(chǎn)生。圖中，固 定偏壓Vb由Ri和R2所組成的偏置電路來決定，在忽略IB對偏置電壓影響的情 況下，可以認(rèn)為振蕩管的偏置電壓 Ube是固定電壓Vb和Re上的直流電壓降共同 決定的，即VBEVBVEJVCC Ie?Re由于Re上的直

38、流壓降是由發(fā)射極電流Ie建立的，而且隨Ie的變化而變化, 故稱自偏壓。在振蕩器起振之前，直流自偏壓取決于靜態(tài)電流IEO和Re的乘積，即Vbeq=Vb-Ieq - Re一般振蕩器工作點都選得很低，故起始自偏壓也較小，這時起始偏壓VbeqUf對基極為 ic增大，于是電流通過Ce充電的時間常數(shù)T充=Rd Ce，為正偏置，因而易于起振，如圖 4-5 (a)所示，圖中Cb上的電壓是在電源接通 的瞬間Vb對電容Cb充電在上建立的電壓；Rb是R1與R2的并聯(lián)值。電流向根據(jù)自激振蕩原理，在起振之初，振幅迅速增大，當(dāng)反饋電壓 正半周時，基極上的瞬時偏壓 UBE=UBEQ + Uf變得更正， 振蕩管向Ce充電，如

39、圖4-5 (b)所示。VeeqRbReIeGtCcCc(b)自給編壓形成Rd是振蕩管BE結(jié)導(dǎo)通時的電阻，一般較小(幾十到幾百歐)，所以T充較小, Ce上的電壓接近Uf的峰值。當(dāng)Uf負(fù)半周，偏置電壓減小，甚至成為截止偏壓，這時, 過Re放電，放電的時間常數(shù)為 積累電荷比釋放的多，所以隨著起振過程的不斷增強(qiáng)，即在 幅強(qiáng)度變化的自偏壓，經(jīng)若干周期后達(dá)到動態(tài)平衡，在 平均電壓Ieo Re,這時振蕩管BE之間的電壓：Vbeo=Vb IEO Re因為Ieo>lEQ，所以有UBEO<Ubeq，可見振蕩管 的工作點向截止方向移動。這種自偏壓的建立過程如圖Ce上的電荷將通T放=Re - Ce，顯然T

40、放T充，在Vf的一周期內(nèi)， Re上建立起緊跟振Ce上建立了一個穩(wěn)定的BE間的偏壓減小，振蕩管4-6所示。由圖看出，起 振之初，（0ti之間），振幅較小，振蕩管工作在甲類狀態(tài)，自偏壓變化不大，隨 著正反饋作用，振幅迅速增大，進(jìn)入非線性工作狀態(tài)，自偏壓急劇增大，使Ube變?yōu)榻刂蛊珘骸Ｕ袷幑艿姆蔷€性工作狀態(tài)，反過來又限制了振幅的增大?？梢?， 這種自偏壓電路起振時，存在著振幅與偏壓之間相互制約、互為因果的關(guān)系。在一般情況下，若ReCe的數(shù)值選得適當(dāng)，自偏壓就能適時地緊跟振幅的大小而變 化。正是由于這兩種作用相互依存、又相互制約的結(jié)果。如圖4-6所示，在某一時刻t2達(dá)到平衡。這種平衡狀態(tài)，對于自偏壓來說

41、，意味著在反饋電壓的作用下， Ce在一周期內(nèi)其充電與放電的電量相等。 因此，b、e兩端的偏壓Ube保持不變， 穩(wěn)定在UBEZ。對于振幅來說，也意味著在此偏壓的作用下，振幅平衡條件正好 滿足輸出振幅為Ufz的等幅正弦波。3、振蕩器的頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度是振蕩器的一項十分重要的技術(shù)指標(biāo)， 這表示在一定的時間范圍 內(nèi)或一定的溫度、濕度、電源、電壓等變化范圍內(nèi)振蕩頻率的相對變化程度、振 蕩頻率的相對變化量越小，則表明振蕩器的頻率穩(wěn)定度越高。改善振蕩頻率穩(wěn)定度，從根本上來說就是力求減小振蕩頻率受溫度、負(fù)載、 電源等外界因素影響的程度，振蕩回路是決定振蕩頻率的主要部件。 因此改善振 蕩頻率穩(wěn)定度的最重要措

42、施是提高振蕩回路在外界因素變化時保持頻率不變的 能力，這就是所謂的提高振蕩回路的標(biāo)準(zhǔn)性。提高振蕩回路標(biāo)準(zhǔn)性除了采用穩(wěn)定性好和高 Q的回路電容和電感外，還可 以采用與正溫度系數(shù)電感作相反變化的具有負(fù)溫度系數(shù)的電容，以實現(xiàn)溫度補(bǔ)償作用，或采用部分接入的方法以減小不穩(wěn)定的晶體管極間電容和分布電容對振蕩 頻率的影響。石英晶體具有十分穩(wěn)定的物理和化學(xué)特性， 在諧振頻率附近，晶體的等效參 量Lq很大，Cq很小，Rq也不大，因此晶體Q值可達(dá)百萬數(shù)量級，所以晶體振 蕩器的頻率穩(wěn)定度比LC振蕩器高很多。4、實驗線路見附圖G410.245MHz。電源供電為12V，振蕩管Q1為3DG12C。隔離級晶體管Q2也為3D

43、G12C， LC振工作頻率為10.7MHz，晶體振為P =601）靜態(tài)工作電流的確定 選 I CQ=2mAVceq=6V若 r r U cc U ceq 貝y有 R3+R4=I CQ取 R4=1K Q 貝U R3=2K Q為提高電路的穩(wěn)定性Re值適當(dāng)增大,貝U UEQ=ICQ Re=2X 1=2V|BQ=IcQ/ p =1/30mA取流過R2的電流為10Ibq則 R2= (VeVbe,=7.8KI BQ(取 Vbe(on)=o.6V)取 R2=5.1K，則取 Ri=10K，2）確定主振回路元器件R1+W1 = Ucc10Ibq R2=30.9KW1為47K的可調(diào)電阻。當(dāng)為LC振蕩時,fo=1O

44、.7MHz設(shè)L =2.2卩H(2 fo) L100 PFC=C6+C5|C4|C1+CC2取C5為24P, C6為68P, CC2為525P的可調(diào)電容。而 C4/ （C1+C4） =1/21/8則取 C1=100P而對于晶體振蕩，只并聯(lián)一可調(diào)電容進(jìn)行微調(diào)即可。實驗內(nèi)容參照附圖G4,在主箱上正確插好環(huán)形混頻模塊，對照環(huán)形混頻模塊中的正 弦波振蕩器部分，正確連接電路電源線，+ 12V孔接+12V， GND接GND （從 電源部分 +12V 和 GND 插孔用連接線接入） ，接上電源通電 （若正確連接了 ,擴(kuò)展 板上的電源指示燈將會亮 ）。1、 開關(guān)K2向下?lián)埽{(diào)整靜態(tài)工作點：斷開 J52、J53,

45、調(diào)W1使VE=2V（即 測 R4 兩端的電壓 ） 。2、（ 1）連接好J54、J52,調(diào)節(jié)可調(diào)電容CC2,通過示波器和頻率計在 TT1 處觀察振蕩波形，并使振蕩頻率為10.7MHz ;然后調(diào)節(jié)W2，使輸出信號最大且 不失真。（2）斷開J52、J54,連接J53、J55,微調(diào)CC1，使振蕩頻率為10.245MHz。3、觀察振蕩狀態(tài)與晶體管工作狀態(tài)的關(guān)系。W1，觀察多測幾個斷開J53,連好J52、J55,用示波器在TT1觀察振蕩波形，調(diào)節(jié) TT1 處波形的變化情況， 并測量波形變化過程中振蕩管的發(fā)射極電壓 點）且計算對應(yīng)的 lE。LC 振蕩）。4、觀察反饋系數(shù)對振蕩器性能的影響（只作用示波器在 T

46、T1 處觀察波形。1/2、1/3、1/4、1/100分別連接 J54、 J55、 J56 或組合連接使反饋系數(shù)等于 時，觀察幅度的變化并實測，反饋系數(shù)是否與計算值相符，同時，分析反饋大小 對振蕩幅度的影響。5、比較 LC 振蕩器和晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度。分別接通J53、J52,在TT1處用頻率計觀察頻率變化情況。6、觀察溫度變化對振蕩頻率的影響。分別接通J53、J52,用電吹風(fēng)在距電路15cm處對著電路吹熱風(fēng)，用頻率計 在 TT1 處觀察頻率變化情況。四、實驗報告內(nèi)容1、2、3、五、實驗儀器1 、雙蹤示波器2、萬用表3、調(diào)試工具一臺 一塊 一套整理實驗所測得的數(shù)據(jù)，并用所學(xué)理論加以分析。比較 L

47、C 振蕩器與晶體振蕩器的優(yōu)缺點。分析為什么靜態(tài)電流leo增大，輸出振幅增加，而leo過大反而會使振蕩 器輸出幅度下降？實驗三集電極調(diào)幅與大信號檢波實驗?zāi)康?、2、3、4、進(jìn)一步加深對集電極調(diào)幅和二極管大信號檢波工作原理的理解; 掌握動態(tài)調(diào)幅特性的測試方法；掌握利用示波器測量調(diào)幅系數(shù) ma的方法；觀察檢波器電路參數(shù)對輸出信號失真的影響。實驗原理與線路原理(1)集電極調(diào)幅的工作原理集電極調(diào)幅是利用低頻調(diào)制電壓去控制晶體管的集電極電壓, 壓的變化，使集電極高頻電流的基波分量隨調(diào)制電壓的規(guī)律變化， 實際上，它是一個集電極電源受調(diào)制信號控制的諧振功率放大器， 調(diào)幅管處于丙類工作狀態(tài)。集電極調(diào)幅的基本原理

48、電路如圖 5 1所示：1、通過集電極電 從而實現(xiàn)調(diào)幅。 屬咼電平調(diào)幅。Bl裁波詢ClVc卄C*調(diào)帳液輸出Bz爲(wèi)制信號WIE圖5- 1集電極調(diào)幅原理電路圖中，設(shè)基極激勵信號電壓(即載波電壓)為：Uo = VoCOS3 ot則加在基射極間的瞬時電壓為U B = VbE + VoCOSw ot調(diào)制信號電壓U Q加在集電極電路中，與集電極直流電壓 VCC串聯(lián)，因此，集電極有效電源電壓為 Vc = Vcc + U Q= Vcc + VQcos Q t = Vc(1+macos Q t)式中，Vcc為集電極固定電源電壓；ma = Vq/ Vcc 為調(diào)幅指數(shù)。由式可見，集電極的有效電源電壓 Vc隨調(diào)制信號壓

49、變化而變化。由圖 52 所示，圖5-2同集電極電壓相對應(yīng)的集電極電流脈沖的變化情形因此動態(tài)特性曲 沿U c平行移動。 時，集電極電流 因而回路上的輸圖中，由于-V BB與U b不變，故U Bmax為常數(shù)，又Rp不變， 線的斜率也不變。若電源電壓變化，則動態(tài)線隨VCC值的不同， 由圖可以看出，在欠壓區(qū)內(nèi)，當(dāng) VcC由VCC1變至VCC2 （臨界） 脈沖的振幅與通角變化很小，因此分解出的Icm1的變化也很小， 出電壓U c的變化也很小。這就是說在欠壓區(qū)內(nèi)不能產(chǎn)生有效的調(diào)幅作用。當(dāng)動態(tài)特性曲線進(jìn)入過壓區(qū)后，VcC等于VCC3、VCC4等，集電極電流脈沖的 振幅下降，出現(xiàn)凹陷，甚至可能使脈沖分裂為兩半

50、。在這種情況下，分解出的Icm1 隨集電極電壓Vcc的變化而變化，集電極回路兩端的高頻電壓也隨Vcc而變化。輸出咼頻電壓的振幅 Vc=|cm1 Rp，Rp不變，Icm1隨Vc而變化，而VcC是受U Q 控制的，回路兩端輸出的高頻電壓也隨UQ變化，因而實現(xiàn)了集電極調(diào)幅。其波形如圖5 3所示。.k*Vo(t)I I I I I HI'IhIn;!11!:i|lii!ilH Mii!iil|IjIiIIII ilMH!l0h.: j 1.Nr.rz-r 圖5-3集電極調(diào)幅波形圖當(dāng)沒有加入低頻調(diào)制電壓 U Q （即U Q=0）時，逐步 改變集電極直流電壓 VCC的大 小，同樣可使ic電流脈沖發(fā)

51、生 變化，分解出的IcO或Icm1也 會發(fā)生變化。我們稱集電極咼 頻電流Icm1 （或Ico）隨VcC 變化的關(guān)系線為靜態(tài)調(diào)制特性 曲線。根據(jù)分析結(jié)果可作出靜 態(tài)調(diào)制特性曲線如圖54所示。圖5-4集電極調(diào)幅的靜態(tài)調(diào)制特性靜態(tài)調(diào)制特性曲線不能完全反映實際的調(diào)制過程，因為沒有加入調(diào)制信號， 輸出電壓中沒有邊頻存在，只有載波頻率， 不是調(diào)幅波。通常調(diào)制信號角頻率Q 要比載波角頻率3 o低得多，因此對載波來說，調(diào)制信號的變化是很緩慢的，可 以認(rèn)為在載波電壓交變的一周內(nèi)，調(diào)制信號電壓基本上不變。這樣，靜態(tài)調(diào)制特性曲線仍然能正確反映調(diào)制過程。我們可以利用它來確定已調(diào)波包絡(luò)的非線性失 真的大小。由圖54可知

52、，為了減小非線性失真，當(dāng)加上調(diào)制信號電壓時，保 證整個調(diào)制過程都工作在過壓狀態(tài)，所以工作點Q應(yīng)選在調(diào)制特性曲線直線段的中央，即Vccq=1/2Vcco處，Vcco為臨界工作狀態(tài)時的集電極直流電壓。 否則, 工作點Q偏高或偏低，都會使已調(diào)波的包絡(luò)產(chǎn)生失真。在本實驗中會得到證實。（2） 二極管大信號檢波的工作原理當(dāng)輸入信號較大（大于0.5伏）時，利用二極管單向?qū)щ娞匦詫φ穹{(diào)制信 號的解調(diào)，稱為大信號檢波。IdYiV:大信號檢波原理電路如圖 5-5-a所示。檢波的物理過程如 下：在高頻信號電壓的正半周時， 二極管正向?qū)ú﹄娙萜?C充 電，由于二極管的正向?qū)娮?很小，所以充電電流iD很大，使 電容器上的電壓U c很快就接近 高頻電壓的峰值。充電電流的方向如圖55a圖中所示。(a)圖5-5二極管檢波器的原理圖和波形圖這個電壓建立后通過信號源電路，又反向地加到二極管D的兩端。這時二極管導(dǎo)通與否，由電容器C上的電壓U c和輸入信號電壓U i共同決定。當(dāng)高頻信號 的瞬時值小于U c時，二極管處于反向偏置，管子截止，電容器就會通過負(fù)載電 阻R放電。由于放電時間常數(shù) RC遠(yuǎn)大于調(diào)頻電壓的周期，故放電很慢。 當(dāng)電容 器上的電壓下降不多時，調(diào)頻信號第二個正半周的電壓又超過二極管上的負(fù)壓， 使二極管又導(dǎo)通。如圖55b中的ti至t2的時間為