《高頻電子技術(shù)》課件第5章

第五章發(fā)射機(jī)電路5.1發(fā)射機(jī)的整體認(rèn)識(shí)5.2無(wú)線發(fā)射機(jī)的一些背景知識(shí)5.3調(diào)頻電路5.4調(diào)幅電路5.5高頻功率放大電路 5.1發(fā)射機(jī)的整體認(rèn)識(shí)

在前面幾章中，我們觀察、調(diào)試了與無(wú)線電接收機(jī)有關(guān)的單元或整機(jī)電路。接收機(jī)所接收的信號(hào)是由無(wú)線電發(fā)射機(jī)發(fā)送到自由空間或電纜上的。發(fā)射機(jī)的功能就是發(fā)送符合要求的無(wú)線電信號(hào)。一臺(tái)完整的發(fā)射機(jī)至少要包括如圖5－1所示的三部分：基帶信號(hào)處理電路、調(diào)制電路和高頻功率放大電路。圖5－1無(wú)線電發(fā)射機(jī)的組成基帶信號(hào)處理電路將基帶信號(hào)（如話音信號(hào)）處理成具有特定帶寬和幅度的信號(hào)，再經(jīng)調(diào)制電路對(duì)高頻載波信號(hào)調(diào)制，產(chǎn)生我們熟悉的調(diào)幅或調(diào)頻信號(hào)。發(fā)射機(jī)再將高頻信號(hào)放大到具有足夠的功率以滿足傳輸距離的要求。

我們首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)從整體上認(rèn)識(shí)發(fā)射機(jī)。實(shí)驗(yàn)中的發(fā)射機(jī)是一臺(tái)具有外調(diào)制功能的高頻信號(hào)發(fā)生器。

實(shí)驗(yàn)十高頻信號(hào)的發(fā)射與接收

一、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟

步驟1：發(fā)射與接收等幅信號(hào)

（1）接通高頻信號(hào)發(fā)生器電源。將信號(hào)發(fā)生器調(diào)節(jié)到88～108MHz之間某一頻率，輸出電平調(diào)節(jié)到120dBμ或20dBm，不加調(diào)制信號(hào)。

（2）如圖5－2所示，將帶射頻輸入接頭的75Ω拉桿天線接至高頻信號(hào)發(fā)生器的射頻（RF）輸出端，天線長(zhǎng)度拉至最長(zhǎng)。圖5－2示波器與發(fā)射機(jī)的耦合（3）將環(huán)形天線用同軸電纜接至示波器的Y通道輸入端。調(diào)整示波器的掃描時(shí)間（20ns/div）和輸入靈敏度，使示波器顯示高頻信號(hào)，讀出信號(hào)頻率。調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的輸出電平，觀察示波器顯示的信號(hào)幅度有何變化。

（4）改變環(huán)形天線與拉桿天線之間的距離，觀察示波器顯示的信號(hào)幅度有何變化。

（5）固定環(huán)形天線與拉桿天線之間的距離，改變拉桿天線的長(zhǎng)度，觀察示波器顯示的信號(hào)幅度有何變化，最后將拉桿天線長(zhǎng)度拉至最長(zhǎng)。步驟2：發(fā)射與接收內(nèi)調(diào)制高頻信號(hào)

（1）將高頻信號(hào)發(fā)生器的調(diào)制方式設(shè)為調(diào)頻，調(diào)制信號(hào)來(lái)源為內(nèi)調(diào)制，調(diào)制信號(hào)為1kHz正弦波，頻偏設(shè)為30kHz。

（2）將數(shù)字調(diào)諧收音機(jī)的接收波段設(shè)置為FM，調(diào)諧至沒(méi)有電臺(tái)的某一頻率處。在該頻率值附近調(diào)節(jié)高頻信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率，直到從收音機(jī)聽(tīng)到1kHz單音。

（3）將內(nèi)調(diào)制頻率在1kHz與400Hz之間切換，觀測(cè)聽(tīng)到的聲音音調(diào)的變化。

（4）將高頻信號(hào)發(fā)生器的調(diào)制方式設(shè)為調(diào)幅，調(diào)制指數(shù)為30%，其它設(shè)置不變。切換調(diào)制方式，試聽(tīng)收音效果。實(shí)驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)收音機(jī)的頻率與高頻信號(hào)發(fā)生器的頻率一致時(shí)，收音機(jī)能正常發(fā)聲。改變調(diào)制頻率，聲音的音調(diào)跟著變化。當(dāng)高頻信號(hào)發(fā)生器至AM（調(diào)幅）位置時(shí)，調(diào)頻接收機(jī)無(wú)法正常接收調(diào)幅信號(hào)。步驟3：發(fā)射與接收外調(diào)制信號(hào)

（1）將音頻放大電路或磁帶錄音機(jī)的線路輸出接至高頻信號(hào)發(fā)生器的外調(diào)制輸入端。高頻信號(hào)發(fā)生器的調(diào)制信號(hào)來(lái)源改為外調(diào)制，對(duì)著音頻放大電路的話筒講話或讓磁帶錄音機(jī)放音。調(diào)節(jié)音量和信號(hào)發(fā)生器的調(diào)制指數(shù)使頻偏為30kHz。注意收音機(jī)揚(yáng)聲器是否發(fā)出話音或磁帶錄音機(jī)播放的節(jié)目。（2）攜收音機(jī)緩慢離開(kāi)信號(hào)發(fā)生器，注意收音機(jī)揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音音質(zhì)有何變化。在有效的通信距離內(nèi)，收音機(jī)揚(yáng)聲器應(yīng)能發(fā)出清晰的聲音。若聽(tīng)到明顯的噪聲，則表示收音機(jī)與信號(hào)發(fā)生器之間已到了極限通信距離。步驟4：測(cè)量信號(hào)頻譜

若有頻譜分析儀，可將其接到高頻信號(hào)發(fā)生器的射頻輸出端。頻譜分析儀的頻率分辨率設(shè)為10kHz/div。對(duì)著音頻放大電路的話筒講話或讓磁帶錄音機(jī)放音，觀察頻譜形狀隨音頻音量如何變化。頻譜分析儀的頻率分辨率設(shè)為30MHz/div，觀察譜線位置及條數(shù)。二、實(shí)驗(yàn)分析

(1)實(shí)驗(yàn)七旨在給讀者一個(gè)關(guān)于無(wú)線發(fā)射機(jī)的總體印象。就功能而言，發(fā)射機(jī)的核心在于調(diào)制電路。通常，高頻信號(hào)發(fā)生器可實(shí)現(xiàn)調(diào)幅和調(diào)頻，因此，本實(shí)驗(yàn)中用它作發(fā)射機(jī)。本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)在于觀察調(diào)制功能。實(shí)驗(yàn)證明，發(fā)射機(jī)輸出信號(hào)確實(shí)攜帶了待傳輸?shù)囊纛l（基帶）信息。實(shí)驗(yàn)所應(yīng)用的調(diào)頻和調(diào)幅方式分別將基帶信號(hào)的幅度變化變換成高頻載波信號(hào)的頻率和振幅變化，如圖5－3所示。本實(shí)驗(yàn)展示了基帶信號(hào)調(diào)制到高頻載波后即可通過(guò)天線發(fā)送到空間。接收機(jī)不需通過(guò)導(dǎo)體與發(fā)射機(jī)連接即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的無(wú)線傳輸。圖5－3調(diào)頻信號(hào)與調(diào)幅信號(hào)

（a）基帶信號(hào)；（b）調(diào)頻信號(hào)；（c）調(diào)幅信號(hào)（2）實(shí)驗(yàn)步驟1用示波器接環(huán)形天線使我們可直接看到接收到的高頻載波信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中示波器顯示的信號(hào)幅度隨天線間的距離變化：距離越長(zhǎng)，接收信號(hào)越小。實(shí)驗(yàn)中我們還觀測(cè)到示波器顯示的信號(hào)幅度隨天線長(zhǎng)度變化。這說(shuō)明天線的長(zhǎng)度影響天線的輻射能力。根據(jù)天線理論，鞭狀天線（本實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的拉桿天線是一種鞭狀天線）長(zhǎng)度為輻射信號(hào)波長(zhǎng)λ的1/4時(shí)，其阻抗為一個(gè)反映輻射能力的純電阻。當(dāng)天線長(zhǎng)度小于λ/4時(shí)，天線阻抗等效于一個(gè)電阻與一個(gè)電容串聯(lián)。天線長(zhǎng)度（相對(duì)于λ/4）越短，等效電阻越小，等效容抗越大，天線的輻射能力越弱。在移動(dòng)通信常用的高頻與甚高頻(3～300MHz)波段，λ/4為0.25～25m。本實(shí)驗(yàn)的調(diào)頻部分中λ/4約為0.75m。很多情況下，移動(dòng)臺(tái)的天線很難做到λ/4的長(zhǎng)度。此時(shí)必須在天線回路中串入一個(gè)感抗以抵消天線的容抗。實(shí)際工程中，串入電感的值往往由實(shí)驗(yàn)確定。實(shí)驗(yàn)步驟2與3說(shuō)明在高頻載波中確實(shí)攜帶了待傳輸?shù)幕鶐畔?。?shí)驗(yàn)步驟2中收音機(jī)揚(yáng)聲器將發(fā)出的聲音頻率隨高頻信號(hào)發(fā)生器的調(diào)制頻率變化而變化。實(shí)驗(yàn)步驟3中收音機(jī)揚(yáng)聲器發(fā)出話音或磁帶錄音機(jī)播放的節(jié)目。調(diào)制信號(hào)都是基帶信號(hào)，而環(huán)形天線接收到的信號(hào)只是高頻信號(hào)，因此基帶信號(hào)是包含在高頻信號(hào)中的，這就證明信號(hào)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)了調(diào)制功能。

實(shí)驗(yàn)步驟3還試驗(yàn)了無(wú)線通信距離。天線輻射的功率決定了通信距離。輻射功率越大，通信距離越遠(yuǎn)。

實(shí)驗(yàn)步驟4觀察發(fā)射信號(hào)的功率譜，即發(fā)射功率在各頻率上的分布。實(shí)用發(fā)射機(jī)中很多指標(biāo)的測(cè)量都需要通過(guò)測(cè)量功率譜實(shí)現(xiàn)。5.2無(wú)線發(fā)射機(jī)的一些背景知識(shí)

1．載波輸出功率

載波輸出功率定義為發(fā)射機(jī)在無(wú)調(diào)制狀態(tài)下傳遞到50Ω標(biāo)準(zhǔn)輸出負(fù)載的平均功率。這種規(guī)定是為測(cè)試而設(shè)的。當(dāng)天線阻抗為50Ω純電阻時(shí)，發(fā)射機(jī)在正常工作狀態(tài)下（負(fù)載為天線且信號(hào)被調(diào)制）所能輸出的功率可以近似看做載波輸出功率。載波輸出功率由功放電路的結(jié)構(gòu)與元件參數(shù)所決定。

2．載頻偏差

載頻偏差是指實(shí)測(cè)發(fā)射機(jī)在無(wú)調(diào)制狀態(tài)下輸出信號(hào)頻率與其標(biāo)稱值之差。載頻偏差應(yīng)盡量小，以免發(fā)射信號(hào)功率譜落入相鄰頻道。我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，頻率偏差不得超過(guò)表5－1所列數(shù)值。其中用ppm表示的數(shù)據(jù)為相對(duì)值，1ppm=10-6。表5－1頻率偏差額定值為得到較小的頻率偏差，一般采用高穩(wěn)定度的晶體振蕩電路作頻率源，再用頻率合成器得到所需要的工作頻率。頻率偏差決定于晶體的穩(wěn)定度以及振蕩電路的性能。在要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合，要采用溫度補(bǔ)償式晶體振蕩電路作頻率源。

3．頻偏

頻偏是指已調(diào)射頻信號(hào)與載頻的最大差值。頻偏是影響已調(diào)信號(hào)帶寬的重要因素之一。頻偏額定值見(jiàn)表5－2。表5－2最大允許頻偏額定值

4．寄生調(diào)幅

寄生調(diào)幅是指調(diào)頻發(fā)射機(jī)已調(diào)射頻信號(hào)上呈現(xiàn)的寄生幅度調(diào)制。它是發(fā)射機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試音調(diào)制下工作時(shí)，輸出信號(hào)的調(diào)幅系數(shù)，通常用百分比表示。發(fā)射機(jī)寄生調(diào)幅不應(yīng)超過(guò)3%，寄生調(diào)幅太大會(huì)影響功放的效率。

5．輻射帶寬

輻射帶寬是指已調(diào)信號(hào)占有總能量99%的頻帶寬度，如圖5－4所示，這是發(fā)射機(jī)的一個(gè)非常重要的指標(biāo)。對(duì)給定信道間隔的條件下，為使通信效果較好，應(yīng)盡量讓發(fā)射信號(hào)頻偏較大一些。這樣，信號(hào)帶寬就會(huì)變寬。但信號(hào)帶寬太寬可能會(huì)使落入相鄰頻道的干擾增大。因此，有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限定發(fā)射機(jī)的輻射帶寬，如對(duì)25kHz信道間隔，規(guī)定輻射帶寬不能超過(guò)20kHz。

6．鄰道干擾

鄰道干擾是指發(fā)射機(jī)工作時(shí)輻射信號(hào)落入相鄰頻道內(nèi)的功率，如圖5－4所示。

我國(guó)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，鄰道干擾應(yīng)低于載波功率70dB或不超過(guò)10μW。

鄰道干擾和輻射帶寬是兩個(gè)密切相關(guān)的指標(biāo)，也是較關(guān)鍵且難調(diào)試的兩個(gè)指標(biāo)，在數(shù)字通信系統(tǒng)中尤其如此。大部分新的數(shù)字調(diào)制體制就是為了降低鄰道干擾和輻射帶寬而提出來(lái)的。一般而言，輻射帶寬太寬，鄰道干擾就會(huì)比較大。在調(diào)頻體制中，這兩個(gè)指標(biāo)都取決于頻偏和基帶信號(hào)帶寬。為了在用足輻射帶寬指標(biāo)的條件下盡量降低鄰道干擾，應(yīng)使基帶信號(hào)帶寬盡量窄些。圖5－4輻射帶寬與鄰道干擾

7．雜散輻射

雜散輻射是發(fā)射機(jī)的另一個(gè)較關(guān)鍵且難調(diào)試的指標(biāo)。它是發(fā)射機(jī)工作時(shí)，在允許占用的帶寬以外的一些離散頻率點(diǎn)上的輻射，但不包括鄰道干擾。它主要包括諧波成分、噪聲和寄生成分，如圖5－5所示。圖5－5雜散輻射雜散輻射和鄰道干擾都會(huì)對(duì)其它頻道的通信造成干擾，但產(chǎn)生原因完全不同，因此減小這兩種干擾的思路也完全不同。前者是由于射頻濾波不良、PCB板布線不當(dāng)或射頻電路結(jié)構(gòu)與元件參數(shù)設(shè)計(jì)不當(dāng)造成的，減小這種干擾應(yīng)從射頻電路著手。后者產(chǎn)生的原因是頻偏太大或基帶信號(hào)帶寬太寬,減小這種干擾需要降低頻偏或基帶信號(hào)帶寬。

發(fā)射機(jī)的雜散輻射指標(biāo)應(yīng)視發(fā)射機(jī)功率等級(jí)和使用條件不同而定。通常當(dāng)載波功率大于等于25W時(shí)，雜散輻射應(yīng)低于載波功率60～70dB或不超過(guò)2.5μW。 5.3調(diào)頻電路

通過(guò)前兩節(jié)的實(shí)驗(yàn)與討論，大家對(duì)調(diào)頻發(fā)射機(jī)有了一個(gè)初步的總體認(rèn)識(shí)。本節(jié)我們深入到發(fā)射機(jī)內(nèi)部，實(shí)驗(yàn)并分析一下其中一個(gè)單元電路——調(diào)頻電路。希望讀者通過(guò)本節(jié)實(shí)驗(yàn)?zāi)艿玫揭韵聨讉€(gè)方面的體驗(yàn)：壓控晶體振蕩電路的原理、組成及調(diào)試方法；調(diào)頻波的功率譜與帶寬；調(diào)頻電路基本的技術(shù)指標(biāo)要求及其實(shí)現(xiàn)方法。

實(shí)驗(yàn)十一調(diào)頻電路的安裝與檢測(cè)

一、實(shí)驗(yàn)步驟

步驟1：電路安裝

按圖5－6所示的電原理圖在PCB板或萬(wàn)能板上將電路焊接好。元件引腳要盡量剪短。振蕩電路核心部分T1、VD1、C3、C4、C5、C6、VT1應(yīng)盡量靠近。各接地點(diǎn)應(yīng)盡量靠近。各測(cè)試點(diǎn)TP1、TP2、TP3、TP4處應(yīng)焊出引線同時(shí)留出一定空間以便夾儀器探頭。圖5－6調(diào)頻電路實(shí)驗(yàn)電原理圖步驟2：振蕩電路調(diào)試

（1）直流穩(wěn)壓電源調(diào)至9V（用萬(wàn)用表測(cè)量），斷電后接到電路板電源輸入端+9V。

（2）給電路加電。調(diào)整電位器VR1使TP1處電壓為+5V。

（3）將示波器和頻率計(jì)的探頭接至TP4。調(diào)節(jié)中周T1的磁芯使TP3上出現(xiàn)振蕩波形（用示波器觀察）且頻率計(jì)上讀數(shù)約為10MHz。

（4）逐步調(diào)節(jié)電位器VR1使TP1處電壓由0V增至最大值。觀察示波器上的波形與頻率計(jì)上的讀數(shù)有何變化。按表5－3所給各電壓值記錄所對(duì)應(yīng)的頻率計(jì)讀數(shù)。表5－3壓控振蕩電路的電壓—頻率關(guān)系

實(shí)驗(yàn)中用示波器在TP4處能夠觀測(cè)到正弦波，振蕩的頻率與TP1處的電壓密切相關(guān)，如果實(shí)驗(yàn)正確，從表5－3中可以看出，TP1處的電壓越高，振蕩頻率也越高。步驟3：調(diào)頻觀測(cè)

（1）調(diào)節(jié)電位器VR1使TP1處電壓為5.0V。示波器通道1探頭接TP4，通道2探頭接TP3，同步觸發(fā)信號(hào)取自通道2，掃描時(shí)間為5μs/div。音頻信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)頻率100kHz，接至TP2。調(diào)節(jié)音頻信號(hào)發(fā)生器的輸出電壓幅度（0～4Up－p）。觀察示波器波形有何變化。

（2）音頻信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)頻率調(diào)至1kHz。標(biāo)準(zhǔn)解調(diào)表的RF輸入端接TP4。解調(diào)表內(nèi)部濾波器接通。解調(diào)器輸出接至示波器顯示波形同時(shí)接至失真儀測(cè)量失真。調(diào)節(jié)音頻信號(hào)發(fā)生器的輸出電壓幅度（0～4Up－p），觀察失真儀上讀數(shù)的變化。記錄失真達(dá)2%時(shí)解調(diào)表的讀數(shù)。（3）調(diào)節(jié)音頻信號(hào)發(fā)生器的輸出電壓幅度，使解調(diào)表的讀數(shù)（頻偏）為5kHz。頻譜分析儀接TP4。頻譜分析儀顯示的中心頻率調(diào)節(jié)到10.000MHz，頻率分辨率調(diào)到1kHz/div。調(diào)節(jié)頻譜分析儀，使屏幕上所有譜線在垂直方向都能在屏幕上顯示出來(lái)。記錄下較強(qiáng)譜線的功率譜讀數(shù)和頻率。較強(qiáng)譜線指的是那些譜線高度和最強(qiáng)的譜線相比，高度相差小于20dB的譜線。將上述數(shù)據(jù)填寫到表5－4。頻率精確到1kHz，譜線高度精確到0.1dB。（4）音頻信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)頻率調(diào)至5kHz。逐步調(diào)節(jié)音頻信號(hào)發(fā)生器的輸出電壓幅度，使解調(diào)表的讀數(shù)（頻偏）由5kHz增至50kHz。觀察頻譜分析儀上譜線的變化。記錄如下各頻偏所對(duì)應(yīng)的射頻帶寬：5kHz、10kHz、15kHz、20kHz、25kHz、30kHz、35kHz、40kHz、45kHz、50kHz。將記錄數(shù)據(jù)繪成曲線于圖5－7左邊。圖5-7

射頻帶寬與頻偏、基帶帶寬的關(guān)系

（5）調(diào)節(jié)音頻信號(hào)發(fā)生器的輸出電壓幅度，使解調(diào)表的讀數(shù)（頻偏）固定為25kHz。調(diào)節(jié)音頻信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)頻率，觀察頻譜分析儀上譜線的變化。記錄各音頻信號(hào)頻率所對(duì)應(yīng)的射頻帶寬：如3kHz、6kHz、9kHz、12kHz、15kHz、18kHz、21kHz、24kHz、27kHz。將記錄數(shù)據(jù)繪成曲線于圖5－7右邊。由于實(shí)驗(yàn)中的基帶信號(hào)是正弦信號(hào)，基帶信號(hào)帶寬就是它的頻率。

（6）斷開(kāi)直流穩(wěn)壓電源。將L1兩端短路（用短路線焊好）。用10MHz的晶體代替C4。重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟2（4）與3（2），觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果與電路改動(dòng)前有什么區(qū)別。二、實(shí)驗(yàn)分析

(1)圖5－6所示電路是一個(gè)壓控振蕩電路(VCO)。在高頻到特高頻（3～500MHz）范圍內(nèi)，這種電路結(jié)構(gòu)是VCO的主要結(jié)構(gòu)形式之一。若將電路中的變?nèi)荻O管換成一個(gè)固定電容，則本電路就是一個(gè)固定頻率振蕩電路，稱為考比茲（CoLpitts）振蕩電路。這種振蕩電路的特點(diǎn)是容易起振，同時(shí)由于采用了共集電極組態(tài)，振蕩頻率可得到較高，頻率穩(wěn)定度也較好。我們已經(jīng)知道，一個(gè)LC振蕩電路一旦滿足振蕩條件，其振蕩頻率是(5.1)式中：L、C分別為諧振回路的總電感、電容。本電路中L就是T1的電感，而C則為VD1、C3、C4、C5、C6串聯(lián)后的等效電容。本電路中，C3、C4、C5、C6的數(shù)值較大，VD1

的值約為30pF，故等效電容主要由VD1決定。由(5.1)式，若L一定，則頻率的變化主要由VD1決定。VD1稱為變?nèi)荻O管或簡(jiǎn)稱變?nèi)莨?。其電容量隨加到其兩端的反向電壓變化而變化。因此，VCO的振蕩頻率受VD1兩端的反向電壓控制?？刂脐P(guān)系如圖5－8所示。圖5－8壓控振蕩電路的工作原理這就是壓控振蕩電路的工作原理。

本電路中，R2、R3、VD1、C3、C4、C5、C6、L1、VT1

、R6組成振蕩電路的核心部分，VR1、C2、C3、R1、R5組成VD1的交直流偏置電路，它決定未加調(diào)制時(shí)的振蕩頻率。VR1調(diào)節(jié)VD1的直流偏置，TP2處所加的信號(hào)作為VD1的交流偏置電壓而控制VCO的振蕩頻率按交流信號(hào)的變化規(guī)律高低變化。VT2及其周邊電路是輸出隔離電路，以減小測(cè)試儀器對(duì)振蕩電路工作狀態(tài)的影響。R10、C9、C10是電源退耦電路，這在高頻電路中防止各單元電路通過(guò)電源線耦合而相互影響是非常必要的。圖5－9

VCO的控制特性

(2)實(shí)驗(yàn)步驟2中，隨著TP1處電壓增加，加在VD1兩端的反向電壓增加，TP4處所測(cè)得的振蕩頻率應(yīng)跟隨TP1處電壓同步增加。若將表5－3的壓控振蕩電路的電壓—頻率關(guān)系繪制成曲線，則可得到如圖5－9所示的控制特性。圖中，縱坐標(biāo)f為TP4處所測(cè)得的振蕩頻率，橫坐標(biāo)Ui為加在VD1兩端的反向電壓。實(shí)際調(diào)頻系統(tǒng)對(duì)控制特性的技術(shù)指標(biāo)要求主要是動(dòng)態(tài)范圍與線性。線性是指控制特性應(yīng)為一條直線，動(dòng)態(tài)范圍是指控制特性中線性較好的部分的振蕩頻率范圍。在控制特性的頻率范圍內(nèi)，單位控制電壓變化所產(chǎn)生的頻率變化被稱為VCO的調(diào)制靈敏度KF。在圖5－9中，動(dòng)態(tài)范圍是f2～f1，調(diào)制靈敏度為讀者可根據(jù)上式計(jì)算本實(shí)驗(yàn)電路的調(diào)制靈敏度。

(3)實(shí)驗(yàn)步驟3仍觀察VCO的控制特性。但此時(shí)輸入控制電壓與輸出振蕩頻率都是交流變化的。實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，調(diào)制信號(hào)通常都是交流信號(hào)。若調(diào)試正常，讀者可在示波器上觀察到第四章中觀測(cè)過(guò)的調(diào)頻波形。實(shí)際波形如圖5－10所示。圖（a）中，中心線電壓UQ為VD1上的靜態(tài)偏置電壓，即TP1處測(cè)得的電壓，UM為VD1上的交流電壓振幅，可在TP3處測(cè)得。圖5－10調(diào)頻波形

（a）通道2——基帶信號(hào)；（b）通道1——已調(diào)信號(hào)已調(diào)信號(hào)瞬時(shí)頻偏的交流部分叫瞬時(shí)頻偏Δf（T）。圖中振蕩頻率范圍可如下估算：已調(diào)信號(hào)頻率高端對(duì)應(yīng)調(diào)制電壓的高電平UQ+UM，具體頻率值fH可在步驟2中測(cè)得的控制特性上查到，已調(diào)信號(hào)頻率低端對(duì)應(yīng)調(diào)制信號(hào)的低電平UQ-UM，具體頻率值fL也可在測(cè)得的控制特性上查到。則已調(diào)信號(hào)頻率范圍為fL～fH，頻偏信號(hào)的峰－峰值為fH-fL。（5.3）式中：KF為調(diào)制靈敏度；Ui(t)為調(diào)制信號(hào)電壓。若Ui(t)幅度過(guò)大，則Δf（t）中除了隨Ui(t)成正比變化的部分外，還存在不成正比的部分。這一部分被稱為非線性失真。失真儀測(cè)量結(jié)果是非線性失真部分有效值與被測(cè)信號(hào)有效值之比。在實(shí)際應(yīng)用中都要求調(diào)制器失真較小。具體的指標(biāo)要求視實(shí)際系統(tǒng)中失真指標(biāo)分配而定。作為調(diào)制器，失真超過(guò)2%一般是不可接受的。

(5)如5.2節(jié)所述，實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)輸出射頻信號(hào)的輻射帶寬與鄰道干擾有嚴(yán)格的要求。如無(wú)線通信我國(guó)規(guī)定頻道間隔25kHz，調(diào)頻廣播150kHz。在25kHz帶寬的通信系統(tǒng)中，要求信號(hào)帶寬不超過(guò)20kHz，落入相鄰頻道的信號(hào)功率要小于輸出功率70dB。因此在實(shí)際無(wú)線系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、調(diào)試中，為保證帶寬不超過(guò)規(guī)定而同時(shí)又用足規(guī)定的指標(biāo)（帶寬較寬抗干擾能力較強(qiáng)），必須要計(jì)算、測(cè)試已調(diào)信號(hào)的頻譜。調(diào)頻信號(hào)的頻帶主要由基帶信號(hào)頻帶和已調(diào)信號(hào)頻偏決定，如下式：（5.4）式中：B為已調(diào)信號(hào)帶寬；ΔfM為瞬時(shí)頻偏最大值；FM為調(diào)制信號(hào)最高頻率。圖5－11調(diào)頻波的功率譜實(shí)驗(yàn)步驟4還測(cè)量了已調(diào)信號(hào)的頻譜和帶寬。對(duì)基帶信號(hào)為正弦波的調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行頻譜的理論分析得到這種調(diào)頻信號(hào)的頻譜如圖5－11所示。此時(shí)，頻譜由有些離散的譜線組成。譜線間隔為基帶信號(hào)的頻率，各譜線的高度取決于頻偏的大小。若基帶信號(hào)頻率（帶寬）不變而幅度增加（已調(diào)信號(hào)頻偏增加），則圖5－11中兩側(cè)的譜線高度增加，從而造成已調(diào)信號(hào)帶寬增加。若基帶信號(hào)幅度不變（已調(diào)信號(hào)頻偏不變）頻率增加，則譜線高度不變而間隔加大，也造成已調(diào)信號(hào)帶寬增加。

鑒于調(diào)頻體制的廣泛應(yīng)用，以及調(diào)頻信號(hào)頻譜理論分析的困難，再次強(qiáng)調(diào)上述實(shí)驗(yàn)分析是值得的。讀者若能詳細(xì)記錄上述實(shí)驗(yàn)步驟中觀察到的譜線形狀與變化規(guī)律，將在以后原理部分的學(xué)習(xí)中大受裨益。

(6)如5.2節(jié)所述，實(shí)際系統(tǒng)對(duì)調(diào)頻電路的頻率穩(wěn)定度有嚴(yán)格要求，未加調(diào)制信號(hào)時(shí)，振蕩頻率應(yīng)保持穩(wěn)定。本實(shí)驗(yàn)電路（見(jiàn)圖5－6）所能達(dá)到的頻率穩(wěn)定度是很低的。按實(shí)驗(yàn)步驟3（6）用晶體代替LC回路后，頻率穩(wěn)定度會(huì)有所提高。但讀者將發(fā)現(xiàn)，電路的調(diào)制靈敏度及頻偏動(dòng)態(tài)范圍將大幅度減小。因此，實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，為徹底解決頻率穩(wěn)定度與頻偏動(dòng)態(tài)范圍的矛盾，常采用鎖相調(diào)頻的方案。有關(guān)內(nèi)容見(jiàn)第十章。 5.4調(diào)幅電路

調(diào)幅電路實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)制，即將基帶信號(hào)的瞬時(shí)幅度變化調(diào)制成高頻信號(hào)的瞬時(shí)振幅變化。本節(jié)實(shí)驗(yàn)中，讀者將觀察調(diào)幅波的特性并調(diào)試調(diào)制電路。

實(shí)驗(yàn)十二調(diào)幅電路的安裝與測(cè)試

一、實(shí)驗(yàn)步驟

步驟1：電路安裝

按圖5－12所示原理圖在PCB板或萬(wàn)能板上將電路焊接好。圖5－12調(diào)幅電路實(shí)驗(yàn)電原理圖給出的電路由兩個(gè)較獨(dú)立的功能單元組成。R3、R4、C3、VT3、R5、R6、R7、ZD1為音頻部分；其它為465kHz左右的高頻部分。各單元部分應(yīng)盡量緊湊，接地線應(yīng)盡量短。測(cè)試過(guò)程中，音頻信號(hào)發(fā)生器的地線接電路音頻部分的地。示波器、頻率計(jì)和直流穩(wěn)壓電源的地線接電路高頻部分的地。U1（集成電路40106）的7腳接地，14腳接UDD。圖中電容器C1的給出值是參考值，調(diào)試時(shí)可能要變動(dòng)。步驟2：調(diào)試振蕩電路

（1）將直流穩(wěn)壓電源調(diào)至12V，接至UDD處，給電路加電。示波器與頻率計(jì)的輸入探頭接TP2。如果電路連接正確，器件完好，此時(shí)可觀察到方波波形。調(diào)整VR1使頻率計(jì)的讀數(shù)為465kHz。

若調(diào)整VR1不能使振蕩頻率達(dá)到465kHz，則應(yīng)根據(jù)振蕩頻率和C1的現(xiàn)值更換C1。C1的新值由下式?jīng)Q定：（5.5）（2）示波器通道2接TP3。調(diào)節(jié)中周T1的磁芯，使示波器顯示的信號(hào)幅度最大。步驟3：調(diào)幅觀測(cè)

（1）示波器通道1和音頻信號(hào)發(fā)生器接TP1。示波器的同步觸發(fā)信號(hào)取自通道1，掃描時(shí)間為200μs/div。依次調(diào)節(jié)音頻信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)幅度和頻率，幅度0～4UP－P，頻率變化范圍為500Hz～5kHz。分別觀察信號(hào)幅度與頻率變化時(shí)示波器顯示波形的變化。

（2）頻譜分析儀接TP3，頻率分辨率調(diào)到1kHz/div。調(diào)節(jié)頻譜分析儀的插入衰減，使譜線不超出屏幕的顯示范圍。調(diào)節(jié)音頻信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)幅度和頻率，幅度0～4UP－P，頻率變化范圍為500Hz～5kHz。觀察頻譜分析儀屏幕上譜線的變化。二、實(shí)驗(yàn)分析

(1)在信號(hào)分析中，把高頻振蕩信號(hào)波形每一周期的峰值連成的一條光滑曲線叫包絡(luò)，而把高頻振蕩信號(hào)本身叫載波，如圖5－13所示。由包絡(luò)的意義可知，調(diào)幅信號(hào)是以其包絡(luò)代表基帶信號(hào)的。可表示為(5.6)式中：mf為調(diào)制指數(shù)，表示調(diào)幅信號(hào)的調(diào)制深度；f0為載波頻率；A為調(diào)制信號(hào)的平均振幅。調(diào)制指數(shù)mf定義為(5.7)圖5－13調(diào)幅信號(hào)（2）調(diào)幅電路的實(shí)現(xiàn)是比較簡(jiǎn)單的。本實(shí)驗(yàn)電路中，由施密特觸發(fā)器U1（CD40106）和C1、R1、VR1組成一個(gè)465kHz的載波振蕩電路。振蕩電路輸出信號(hào)的幅度是恒定不變的。晶體管VT1、VT2、VT3構(gòu)成一個(gè)乘法器實(shí)現(xiàn)調(diào)制功能。本電路中，包絡(luò)的形狀取決于晶體管VT3的集電極電流iCT3。iCT3正比于加在VT3基極上的電壓UBT3。UBT3由兩部分組成：第一部分是由齊納管ZD1上提供的直流偏置；第二部分是音頻信號(hào)發(fā)生器提供的交流電壓。因此，iCT3也包括直流和交流兩部分。直流部分決定了調(diào)幅信號(hào)的平均振幅；交流部分決定了調(diào)幅信號(hào)的包絡(luò)變化。調(diào)節(jié)音頻信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)幅度也就調(diào)節(jié)了調(diào)幅信號(hào)的調(diào)制指數(shù)mf。調(diào)幅信號(hào)的頻譜取決于基帶信號(hào)的頻譜、載波頻率f0以及調(diào)制指數(shù)mf，如圖5－14和圖5－15所示。后者為本實(shí)驗(yàn)的情形?？梢?jiàn)，幅度調(diào)制實(shí)現(xiàn)了頻譜搬移的功能。實(shí)驗(yàn)步驟3（1）中，若音頻信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)幅度不變而頻率改變，則頻譜分析儀上顯示為邊帶譜線高度不變而位置移動(dòng)；若音頻信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)頻率不變而幅度改變，則頻譜分析儀上顯示為邊帶譜線位置不變而高度變化。圖5－14基帶信號(hào)為一般信號(hào)時(shí)調(diào)幅信號(hào)的頻譜

（a）基帶信號(hào)譜； （b）已調(diào)信號(hào)譜圖5－15基帶信號(hào)為正弦信號(hào)時(shí)調(diào)幅信號(hào)的頻譜

（a）基帶信號(hào)譜； （b）已調(diào)信號(hào)譜需要說(shuō)明的是，本實(shí)驗(yàn)中載波振蕩電路采用CD40106完全是為了電路調(diào)試簡(jiǎn)單，其頻率穩(wěn)定度完全達(dá)不到廣播電視與通信系統(tǒng)中的要求，實(shí)際應(yīng)用中一般要采用晶體振蕩電路。但由于沒(méi)有頻率調(diào)制，其頻率穩(wěn)定度的解決方案要比調(diào)頻體制簡(jiǎn)單一些。同時(shí)還要指出，本實(shí)驗(yàn)的調(diào)制方案是一種線性調(diào)制方案。其優(yōu)點(diǎn)是利用乘法電路實(shí)現(xiàn)調(diào)制，概念清晰，調(diào)試簡(jiǎn)單?？捎糜贏M體制的調(diào)制，也可用于解調(diào)。稍加改進(jìn)還可用于具有幅度調(diào)制的其它調(diào)制體制，如雙邊帶(DSB)、單邊帶(SSB)、殘留邊帶(USB)和正交調(diào)幅(QAM)等。但這種調(diào)制方案用于發(fā)射機(jī)時(shí)需要使用效率很低的線性功放。因此在簡(jiǎn)單AM體制的發(fā)射機(jī)中常在功放級(jí)直接調(diào)幅，稱為高電平調(diào)幅。有關(guān)原理見(jiàn)下一節(jié)。 5.5高頻功率放大電路

高頻功率放大電路是無(wú)線發(fā)射機(jī)中最關(guān)鍵、最難調(diào)試的單元電路之一。發(fā)射機(jī)的雜散輻射主要取決于它，它也是決定發(fā)射機(jī)可靠性的關(guān)鍵因素之一。本實(shí)驗(yàn)中讀者將調(diào)試一個(gè)小功率的高頻功率放大電路，并簡(jiǎn)單測(cè)試一些基本技術(shù)指標(biāo)。

實(shí)驗(yàn)十三功放電路的安裝與調(diào)試

一、實(shí)驗(yàn)步驟

步驟1：電路連接

將功放電路零件按圖5－16所示電路原理圖在萬(wàn)用板上連接好。本實(shí)驗(yàn)電路可分為如下幾個(gè)單元電路：圖5－16功放電路原理圖圖中，各測(cè)試點(diǎn)的信號(hào)如下：

TP1振蕩電路輸出

TP2驅(qū)動(dòng)管集電極直流電壓采樣點(diǎn)

TP3功放管基極電壓采樣點(diǎn)

TP4功放管集電極直流電壓采樣點(diǎn)

TP5功放管集電極電壓采樣點(diǎn)

TP6

功放輸出連接時(shí)要注意保持各單元電路元件位置分布的緊湊。各測(cè)試點(diǎn)TP1～TP5周圍要留出一定空間以便于夾放測(cè)試探頭和夾具。它們可安排在單元電路之間。各單元電路內(nèi)接地元件要盡量集中以使地線盡量短。電源地線接在功放單元部分地線區(qū)。整個(gè)電路的地線要盡量粗，如圖5－17所示。圖5－17實(shí)驗(yàn)電路地線安排

C11的取值需在實(shí)驗(yàn)中調(diào)整確定，圖中示出的是參考值。實(shí)驗(yàn)中C11可由2～3個(gè)較小的電容并聯(lián)而成，實(shí)驗(yàn)前先將C11取為43pF，在實(shí)驗(yàn)調(diào)整中逐步增加到適當(dāng)值。在電路板上應(yīng)為它們留出足夠的空間。步驟2：振蕩與激勵(lì)電路調(diào)試

（1）將直流穩(wěn)壓電源調(diào)至12V。電路板連好電源線。給電路板供電。

（2）檢查VT1發(fā)射極TP1對(duì)地直流電壓應(yīng)為3～4V。若該電壓低于3V，則適當(dāng)減小R1；若大于4V，則適當(dāng)加大R1。調(diào)節(jié)VC1，用示波器（探頭衰減10倍，下同）觀察TP1處是否有振蕩。若無(wú)振蕩，應(yīng)檢查振蕩單元各元件焊點(diǎn)，確保無(wú)虛焊、短路。（3）調(diào)節(jié)VR1使TP2對(duì)地直流電壓為6V。用示波器觀察TP3處是否有振蕩信號(hào)。若無(wú)信號(hào)，應(yīng)檢查驅(qū)動(dòng)單元各元件焊點(diǎn)，確保無(wú)虛焊、短路。

（4）用頻率計(jì)測(cè)量TP3處振蕩信號(hào)的頻率。調(diào)節(jié)VC1使頻率為30MHz。調(diào)節(jié)VC2，使TP3處振蕩電壓最大。調(diào)節(jié)VR1使TP3處射頻信號(hào)的峰－峰值為0.5V左右。步驟3：觀測(cè)激勵(lì)電路與功放偏置對(duì)功放電路導(dǎo)通角的影響

（1）S1置于A位置。用示波器通道1觀察TP5處信號(hào)，耦合方式為DC。分別調(diào)整VR1和VR2（調(diào)節(jié)一個(gè)時(shí)，另一個(gè)固定），使TP5處出現(xiàn)如圖5－18所示的脈沖電壓。記錄參數(shù)T和τ。按下式計(jì)算導(dǎo)通角θ。

觀察脈沖形狀的變化規(guī)律?？词欠窨烧{(diào)出120°～180°的導(dǎo)通角和較大變化范圍的脈沖高度。最后將導(dǎo)通角調(diào)到120°，脈沖高度調(diào)到1.3V。圖5－18

S1置于A位置時(shí)TP5處電壓（2）S1置于B位置。用示波器通道1和通道2分別測(cè)TP5和TP6處信號(hào)，示波器輸入方式均為DC。調(diào)節(jié)VC2、VC3使示波器顯示的兩個(gè)振幅最大，并記錄下振幅值。

４．調(diào)試與測(cè)量阻抗變換電路

（1）在C11上并聯(lián)一個(gè)5p的小電容，調(diào)節(jié)VC3使示波器顯示的振幅最大，并記錄下最大振幅。重復(fù)本步驟，直到增加C11不能再增加TP5和TP6處的記錄振幅。最后在增加一個(gè)5p的小電容將C11固定下來(lái)。

（2）S1置于A位置。調(diào)節(jié)VR1、VR2使TP5處脈沖高度增加0.2V但保持導(dǎo)通角為120O。切換S1到B位置。觀察TP5和TP6處的振幅是否增加，并記錄下振幅。重復(fù)本步驟直到記錄振幅增加不顯著。此時(shí)TP5處最低電壓小于0.5V，如圖5-18。再增加一次脈沖高度。此時(shí)測(cè)量并記錄TP5、TP6處振蕩信號(hào)峰峰值電壓UTP5P-P、UTP6P-P及TP4處與R11兩端的直流電壓UTP4、UR11。將結(jié)果填入表5-5。圖5－19

S1置于B位置時(shí)TP5處電壓（3）S1置于A位置。調(diào)節(jié)VR1、VR2使TP5處脈沖導(dǎo)通角為150°，脈沖高度調(diào)到1.3V。在導(dǎo)通角為150°的條件下重復(fù)步驟9。再在導(dǎo)通角為180°的條件下重復(fù)上述步驟。

（4）S1置于A位置。調(diào)節(jié)VR1、VR2、VC3使TP5處信號(hào)為較純凈的正弦波，峰－峰值為1V。注意調(diào)節(jié)VR1、VR2時(shí)保持TP4處直流電壓最大。切換S1到B位置。記錄此時(shí)TP5處信號(hào)峰－峰值UTP5P－P=(V)。二、實(shí)驗(yàn)分析

(1)本實(shí)驗(yàn)電路包含射頻振蕩電路、驅(qū)動(dòng)放大電路和功率放大電路等部分。振蕩電路產(chǎn)生射頻信號(hào)；驅(qū)動(dòng)放大電路將振蕩信號(hào)放大。并可通過(guò)調(diào)整VR1調(diào)整其偏置電流，從而調(diào)整其輸出電壓幅度。驅(qū)動(dòng)放大電路也稱為激勵(lì)放大電路，其輸出電壓激勵(lì)功率放大電路，稱為激勵(lì)電壓。VR2用于調(diào)整功放管VT3的偏置電壓。從圖5－16實(shí)驗(yàn)電路中獨(dú)立出來(lái)的功放電路如圖5－20所示。這是高頻諧振功率放大電路的一種實(shí)用形式。實(shí)際應(yīng)用中R11要用電感代替，以使電源電壓完全加到功放管。這里它的作用是限制功放管集電極的直流電流，以免讀者初