高頻電子線路實驗實驗指導書(2012年5月)含實驗數(shù)據(jù)

1、目 錄前 言1實驗一：LC與晶體振蕩器實驗2實驗二：變?nèi)荻O管調(diào)頻器6實驗三：幅度調(diào)制與解調(diào)8實驗四：鎖相環(huán)頻率合成器實驗1114第 頁前 言高頻電子線路是通信和無線電技術的重要專業(yè)基礎課，它涉及到許多專業(yè)理論知識和實踐知識。伴隨著無線電通訊的進程，高頻電子技術的發(fā)展，已有百余年的歷史，傳統(tǒng)的高頻技術主要由信號發(fā)生(正弦信號發(fā)生，非正弦信號發(fā)生，波形變換、載波發(fā)生)、信號調(diào)制(調(diào)幅、調(diào)頻)、信號發(fā)送和接收(選頻、變頻、中頻選頻放大、檢波、鑒頻)等組成，近二、三十年來，由于視頻傳輸技術和數(shù)字電路技術的發(fā)展，高頻技術衍生出許多新型電路和器件，如：單邊帶發(fā)送與接收、殘留單邊帶發(fā)送與接收、聲表面波濾波

2、器與陶瓷濾波器的應用，數(shù)字調(diào)頻技術、鎖相環(huán)與鎖相式頻率合成技術、移相鍵控技術等等。為了配合現(xiàn)代“高頻電子技術”教學的需要，設計了十四項實驗。其中九項屬模擬電路范疇，即LC與晶體振蕩器，調(diào)幅與解調(diào)，非線性波形變換，函數(shù)信號發(fā)生，小信號選頻放大，集成乘法器混頻，通頻帶展寬、鎖相調(diào)頻與鑒頻和變?nèi)荻O管調(diào)頻與相位鑒頻：屬數(shù)字電路范疇的有三項，即數(shù)字信號發(fā)生，數(shù)字鎖相環(huán)與數(shù)字鎖相式頻率合成器，數(shù)字調(diào)頻與解調(diào)；其它二項實驗分別是采用專用集成電路的電視圖象中放檢波和采用專用集成電路的電視伴音中放鑒頻。在電路的設計和選擇上，具有以下特點：一、盡量采用原理性突出的典型電路，便于結合理論知識、進行學習和分析。二、

3、載波工作頻率采用幾兆赫到幾十兆赫，易于制作工藝和調(diào)試。三、采用分列元件，集成電路及專用集成電路相結合的原則，既便于學生深入掌握電路的基本工作原理，又能及時了解現(xiàn)代無線電通訊技術的新技術。四、電路中采用了變?nèi)荻O管調(diào)頻和聲表面波濾波器以及陶瓷濾波器等固態(tài)器件，便于學生了解新型器件的性能和調(diào)測方法。五、各個實驗單元電路既自成完整系統(tǒng)，又便于互聯(lián)成一個較大的系統(tǒng)進行聯(lián)試、聯(lián)調(diào)，以增加學習的綜合性、系統(tǒng)性和趣味性。六、為了使學生較全面地掌握一些基本電路。我們在實驗電路編排上盡量介紹一些具有相同功能的不同電路。例如采用65MHz調(diào)頻解調(diào)的相位鑒頻器和斜率鑒頻器：采用集成電路的幅度同步檢波器和二極管檢波器

4、等。七、采用單板整體構成形式：三路直流電源采用內(nèi)置式的開關電源：電路的聯(lián)結或改接采用按鍵切換。實驗需要外置的儀器有： 1)、0-50MHz掃頻儀(如BT5-A型) 2)、40MHz(或20MHz)雙蹤示波器(如protek6504型) 3)、10MHz調(diào)頻、調(diào)幅高頻信號發(fā)生器(如ASl051S型) 4)、10MHz頻率計函數(shù)信號發(fā)生器(如EEl642B型)在編寫“高頻電子線路實驗指導書”過程中。我們盡量采用重點突出、簡明扼要的表達方法，突出基本原理和實驗過程。由于水平有限，難免有許多不足和錯誤之處，請使用本指導書的師生指正。實驗一：LC與晶體振蕩器實驗一、實驗目的1、 了解電容三點式振蕩器和晶

5、體振蕩器的基本電路及其工作原理。2、 比較靜態(tài)工作點和動態(tài)工作點，了解工作點對振蕩波形的影響。3、 測量振蕩器的反饋系數(shù)、波段覆蓋系數(shù)、頻率穩(wěn)定度等參數(shù)。4、 比較LC與晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度。二、實驗儀器設備高頻電子線路實驗箱60M雙蹤示波器頻率計三、實驗原理三點式振蕩器包括電感三點式振蕩器(哈脫萊振蕩器)和電容三點式振蕩器(考畢茲振蕩器)，其交流等效電路如圖1-1：圖1-1三點式振蕩器1、起振條件（1）、相位平衡條件：Xce和Xbe必需為同性質(zhì)的電抗，Xcb必需為異性質(zhì)的電抗，且它們之間滿足下列關系：（2）、幅度起振條件：式中：qm晶體管的跨導，Pu反饋系數(shù)，Au放大器的增益qie晶體管的

6、輸入電導qoe晶體管的輸出電導qL晶體管的等效負載電導Fu一般在0.10.5之間取值2、電容三點式振蕩器(1)、電容反饋三點式電路考畢茲振蕩器圖1-2是基本的三點式電路，其缺點是晶體管的輸入電容Ci和輸出電容Co對頻率穩(wěn)定度的影響較大，且頻率不可調(diào)。(a)、考畢茲振蕩器(b)、交流等效電路圖1-2考畢茲振蕩器（2）、串聯(lián)改進型電容反饋三點式電路克拉潑振蕩器電路如圖1-3所示，其特點是在L支路中串入個可調(diào)的小電容C3，并加大Cl和C2的容量，振蕩頻率主要由C3和L決定。C1和C2主要起電容分壓反饋作用，從而大大減小了Ci和Co對頻率穩(wěn)定度的影響，且使頻率可調(diào)。(a)、克拉潑振蕩器 (b)、交流等

7、效電路圖1-3、克拉潑振蕩器（3）、并聯(lián)改進型電容反饋三點式電路西勒振蕩器(a)、西勒振蕩器(b)、交流等效電路圖1-4、西勒振蕩器電路如圖1-4所示，它是在串聯(lián)改進型的基礎上，在L1兩端并聯(lián)一個小電容C4，調(diào)節(jié)C4可改變振蕩頻率。西勒電路的優(yōu)點是進一步提高電路的穩(wěn)定性，振蕩頻率可以做得較高，該電路在短波、超短波通信機、電視接收機等高頻設備中得到非常廣泛的應用。本實驗箱所提供的LC振蕩器就是西勒振蕩器。3、晶體振蕩器本實驗箱提供的晶體振蕩器電路為并聯(lián)晶振b-c型電路，又稱皮爾斯電路，其交流等效電路如圖1-5所示。圖1-5皮爾斯振蕩器四、實驗內(nèi)容指導開啟實驗箱，在實驗板上找到與本次實驗內(nèi)容相關的

8、單元電路，并對照實驗原理圖，認清各個元器件的位置與作用，特別是要學會如何使用“短路帽”來切換電路的結構形式。 作為第一次接觸本實驗箱，特對本次實驗的具體線路作如下分析； 電阻R101R106為三極管BG101提供直流偏置工作點，電感L101既為集電極提供直流通路，又可防止交流輸出對地短路，在電阻R105上可生成交、直流負反饋，以穩(wěn)定交、直流工作點。用“短路帽”短接切換開關K101、K102、K103的1和2接點（以后簡稱“短接Kxxx -”）便成為LC西勒振蕩電路，改變C107可改變反饋系數(shù)，短接 K101、K102、K103 2-3，并去除電容C107后，便成為晶體振蕩電路，電容C106起耦

9、合作用，R111為阻尼電阻，用于降低晶體等效電感的Q值，以改善振蕩波形。在調(diào)整 LC振蕩電路靜態(tài)工作點時，應短接電感L102（即短接K104 2-3）。三極管BG102等組成射極跟隨電路，提供低阻抗輸出。本實驗中LC振蕩器的輸出頻率約為1.5MHz，晶體振蕩器的輸出頻率為6MHz，調(diào)節(jié)電阻R110，可調(diào)節(jié)輸出的幅度。經(jīng)過以上的分析后，可進入實驗操作。接通交流電源，然后按下實驗板上的+12V總電源開關K1和實驗單元的電源開關K100，電源指示發(fā)光二極管D4和D101點亮。（一）、調(diào)整和測量西勒振蕩器的靜態(tài)工作點：1、組成LC西勒振蕩器：短接K1011-2、K1021-2、K103 1-2、K10

10、41-2，并在C107處插入1000p的電容器，這樣就組成了LC西勒振蕩器電路。用示波器在測試點TP102觀測LC振蕩器的輸出波形。2、調(diào)整靜態(tài)工作點：短接K104 2-3（即短接電感L102），使振蕩器停振，然后調(diào)整精密可調(diào)電阻R101使三極管BG101的發(fā)射極對地直流電壓Ueq=0.5V（此處用DC檔測量）。3、測量發(fā)射極電壓：短接K104 1-2，使西勒振蕩器恢復工作，測量BG102的發(fā)射極電壓Ue并記錄。 1.85V4、調(diào)整振蕩器的輸出：調(diào)節(jié)精密可調(diào)電阻R110值，使LC振蕩器的輸出（TP102）幅度VLo為1.2VP-P；調(diào)節(jié)電容C110，使LC振蕩器的輸出（TP102）頻率f0為1

11、.5MHz。（二）、觀察反饋系數(shù)Kfu對振蕩電壓的影響：根據(jù)振蕩器原理可知，反饋系數(shù)Kfu=C106/C107。按下表改變電容C107的值，在TP102處測量振蕩器的輸出幅度VL（保持Ueq=0.5V），記錄相應的數(shù)據(jù)，并繪制VL=f（C）曲線。C107(pf)220330560100020003300VL(p-p)0.520.781.161.20.800.44（三）、測量振蕩電壓VL與振蕩頻率f之間的關系曲線，計算振蕩器波段覆蓋f max/ f min： 在C107處插入任意一個電容，改變C110值，在測試點TP102觀察VL隨f的變化規(guī)律，并找出振蕩器的最高頻率fmax和最低頻率fmin

12、，并計算覆蓋系數(shù)，數(shù)據(jù)均填入下表并繪制相應的曲線。fmin按順序任意取值fmaxf (KHz)142614731500151015301616VL(p-p)1.201.221.221.201.261.26C107= 1000pf f max = 1616 和fmin= 1426 ，f max/ f min= 五、實驗報告要求1、給出實驗目的、實驗原理、實驗步驟和實驗數(shù)據(jù)；2、畫出振蕩波形；3、根據(jù)實驗數(shù)據(jù)在坐標紙上繪制Vf曲線；實驗二：變?nèi)荻O管調(diào)頻器一、實驗目的1、了解變?nèi)荻O管調(diào)頻器的電路結構與電路工作原理。2、掌握調(diào)頻器的調(diào)制特性及其測量方法。二、實驗儀器設備高頻電子線路實驗箱60M雙蹤

13、示波器頻率計三、實驗原理變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路：變?nèi)荻O管實際上是一個電壓控制的可變電容元件。當外加反向偏置電壓變化時，變?nèi)荻O管PN結的結電容會隨之改變，其變化規(guī)律如圖2-1所示。圖1變?nèi)荻O管的Cju曲線變?nèi)荻O管的結電容Q與電容二極管加的反向偏置電壓之間的關系可以用下式來表示：式中，U為PN結的勢壘電位差(硅管約07V，鍺管約為0203V)：Co為未加外電壓時的耗盡層電容值；u為變?nèi)荻O管兩端所加的反向偏置電壓；為變?nèi)荻O管結電容變化指數(shù)，它與PN結滲雜情況有關，通常=1213。采用特殊工藝制成的變?nèi)荻O管值可達15。直接調(diào)頻的基本原理是用調(diào)制信號直接控制振蕩回路的參數(shù)，使振蕩器的輸出頻

14、率隨調(diào)制信號的變化規(guī)律呈線性改變，以生成調(diào)頻信號的目的。若載波信號是由LC自激振蕩器產(chǎn)生，則振蕩頻率主要由振蕩回路的電感和電容元件決定。因而，只要用調(diào)制信號去控制振蕩電容，就能達到控制振蕩頻率的目的。若在LC振蕩回路上并聯(lián)一個變?nèi)荻O管，如圖2-2所示，并用調(diào)制信號電壓來控制變?nèi)荻O管的電容值，則振蕩器的輸出頻率將隨調(diào)制信號的變化而改變，從而實現(xiàn)了直接調(diào)頻的目的。圖2 直接調(diào)頻示意圖四、實驗內(nèi)容指導1、電路的調(diào)整（1）將切換開關K401的1、2接點短接（左邊），調(diào)節(jié)精密可調(diào)電位器W401使變?nèi)荻O管D401的負極（左邊引腳）對地電壓直流電壓為+2V（用示波器DC檔測量）； （2）用示波器觀察振

15、蕩器輸出（TP402）的波形；（3）用示波器測量R407上端對地的電壓（此處為脈動直流，注意用示波器DC檔測量其直流分量），調(diào)節(jié)精密可調(diào)電位器R404使R407上端對地的直流分量電壓為1.7V；然后將示波器連接到振蕩器輸出TP402，調(diào)節(jié)L402使振蕩器輸出頻率（TP402）為6.5MHz；5.89MHz（4）調(diào)節(jié)精密可調(diào)電位器W402使振蕩器輸出（TP402）波形峰-峰值V p-p大于1V。2、變?nèi)荻O管靜態(tài)調(diào)制特性的測量（1）在輸入端J401無信號輸入時，調(diào)節(jié)精密可調(diào)電位器W401使變?nèi)荻O管D401的負極對地電壓在0.55V范圍內(nèi)變化，用頻率計測量在電容C404（100p）并接與不并接兩

16、種狀態(tài)下輸出的頻率（TP402）值并填入下表：（K 401接1-2為不并接，K 401接2-3為并接）表一：偏置電壓（V）0.511.522.533.544.55f0（MHz）不并C4045.655.745.815.895.966.066.186.366.436.44并C4045.765.886.026.136.246.376.566.756.826.83（2）在同一坐標系中畫出兩條特性曲線，并說明曲線斜率受哪些因素影響。變?nèi)荻O管調(diào)制特性曲線曲線斜率受哪些因素影響？五、實驗報告要求1、給出實驗目的、實驗原理、實驗步驟和實驗數(shù)據(jù)；2、畫出振蕩波形；3、根據(jù)實驗數(shù)據(jù)在坐標紙上繪制Vf曲線；實驗三

17、：幅度調(diào)制與解調(diào)一、實驗目的1、加深理解幅度調(diào)制與檢波原理。2、掌握用集成模擬乘法器構成調(diào)幅與檢波電路的方法。3、了解二極管包絡檢波的主要指標、檢波效率及波形失真。二、實驗預習要求1、復習高頻電子線路中有關調(diào)幅與檢波的內(nèi)容；2、閱讀本實驗的內(nèi)容，熟悉實驗的步驟；三、實驗原理和電路說明1、調(diào)幅與檢波原理簡述：調(diào)幅就是用低頻調(diào)制信號去控制高頻振蕩(載波)的幅度，使高頻振蕩的振幅呈調(diào)制信號的規(guī)律變化：而檢波則是從調(diào)幅波中取出低頻信號。振幅調(diào)制信號按其不同頻譜結構分為普通調(diào)幅(AM)信號，抑制載波的雙邊帶調(diào)制(DSB)信號，抑制載波和一個邊帶的單邊帶調(diào)制信號。把調(diào)制信號和載波同時加到一個非線性元件上(

18、例如晶體二極管和晶體三極管)，經(jīng)過非線性變換電路，就可以產(chǎn)生新的頻率成分，再利用一定帶寬的諧振回路選出所需的頻率成分就可實現(xiàn)調(diào)幅。2、集成四象限模擬乘法器MCl496簡介：本器件的典型應用包括乘、除、平方、開方、倍頻、調(diào)制、混頻、檢波、鑒相、鑒頻動態(tài)增益控制等。它有兩個輸入端Vx、Vy和一個輸出端Vo。一個理想乘法器的輸出為Vo=KVxVy，而實際輸出存在著各種誤差，其輸出的關系為：Vo=K(Vx+Vxos)(Vy+Vyos) + Vzox。為了得到好的精度，必須消除Vxos、Vyos與Vzox三項失調(diào)電壓。集成模擬乘法器MC1496是目前常用的平衡調(diào)制解調(diào)器，內(nèi)部電路含有8個有源晶體管。本實

19、驗箱MCl496的內(nèi)部原理圖和管腳功能如圖3-1所示：圖3-1集成模擬乘法器MC1496電路原理圖MCl496各引腳功能如下：（1）、SIG+ 信號輸入正端（2）、GADJ增益調(diào)節(jié)端（3）、GADJ增益調(diào)節(jié)端（4）、SIG- 信號輸入負端（5）、BIAS偏置端（6）、OUT+正電流輸出端（7）、空腳（8）、CAR+載波信號輸入正端（9）、空腳（10）、CAR- 載波信號輸入負端（11）、空腳（12）、OUT- 負電流輸出端（13）、空腳（14）、V- 負電源3、實際線路分析 U501是幅度調(diào)制乘法器，音頻信號和載波分別從J50l和J502輸入到乘法器的兩個輸入端，K501和K503可分別將兩路

20、輸入對地短路，以便對乘法器進行輸入失調(diào)凋零。W501可控制調(diào)幅波的調(diào)制度，K502斷開時，可觀察平衡調(diào)幅波，R502為增益調(diào)節(jié)電阻，R509和R504分別為乘法器的負載電阻，C509對輸出負端進行交流旁路。C504為調(diào)幅波輸出耦合電容，BG50l接成低阻抗輸出的射級跟隨器。U502是幅度解調(diào)乘法器，調(diào)幅波和載波分別從J504和J505輸入，K504和K505可分別將兩路輸入對地短路，以便對乘法器進行輸入失調(diào)調(diào)零。R511、R517、R513和C512作用與上圖相同。D503是檢波二極管，R522和C521、C522濾去殘余的高頻分量，R523和R524是可調(diào)檢波直流負載，C523、R525、R

21、526是可調(diào)檢波交流負載，改變R524和R526可試驗負載對檢波效率和波形的影響。U503對輸入的調(diào)幅波進行幅度放大。四、實驗儀器1、TKGP-1高頻電子線路實驗箱；2、高頻信號發(fā)生器；3、雙蹤示波器。五、實驗內(nèi)容與步驟1、在實驗箱上找到本次實驗所用的單元電路，熟悉元器件的位置和實際電路的布局，然后按下+12V，-12V總電源開關K1，K3，函數(shù)信號發(fā)生實驗單元電源開關K700，本實驗單元電源開關K500，與此相對應的發(fā)光二極管點亮。2、幅度調(diào)制實驗需要加音頻信號VL和高頻信號VH。VL由實驗箱上的“函數(shù)信號發(fā)生實驗”模塊產(chǎn)生，調(diào)節(jié)輸出為02Vp-p、1KHz的正弦波信號；VH由外接的信號發(fā)生

22、器產(chǎn)生，調(diào)節(jié)輸出為04Vp-p、100KHz的正弦波信號。 高頻載波信號音頻信號波形3、幅度調(diào)制：將音頻信號和載波信號輸入到乘法器的兩個輸入端：音頻信號通過短線輸入到J501(J701-J501)，載波信號通過信號線連接到TP502；在TP503觀察調(diào)幅波輸出（注意：請仔細調(diào)節(jié)示波器），并記錄波形。（若調(diào)幅波不能正常輸出：請首先檢查音頻信號和載波信號的頻率和幅度，然后調(diào)節(jié)相關的電位器W501和W502）。當短接K5021-2是，在輸出端觀測調(diào)頻波Vo，。此外，在短接K5022-3時，可觀測平衡調(diào)幅波Vo'，記錄Vo'的波形。 調(diào)幅波波形平衡調(diào)幅波波形4、解調(diào)：將調(diào)幅波和載波分別

23、輸入到解調(diào)器的“調(diào)幅波輸入”和“載波輸入”（J503-J504，J502-J505），用雙蹤示波器同時觀察音頻輸入和解調(diào)器的輸出，比較音頻信號和經(jīng)過調(diào)制、解調(diào)輸出的波形，并在同一坐標記錄波形。輸入波形和解調(diào)輸出波形六、實驗注意事項1、為了得到準確的結果，乘法器的失調(diào)調(diào)零至關重要細致的工作，必須要認真完成這一實驗步驟。2、其它同前。七、實驗報告1、整理實驗數(shù)據(jù)，畫出相應的曲線和波形。2、實驗心得與體會。實驗四：鎖相環(huán)頻率合成器實驗一、實驗目的1、加深對基本鎖相環(huán)工作原理的理解。2、熟悉鎖相式數(shù)字頻率合成器的電路組成與工作原理。二、實驗儀器設備高頻電子線路實驗箱60M雙蹤示波器頻率計三、實驗原理鎖

24、相式數(shù)字頻率合成器電路原理框圖如圖1所示：圖1鎖相式數(shù)字頻率合成器電路框圖1、鎖相式數(shù)字頻率合成器的組成與基本工作原理圖1中的相位比較器與壓控振蕩器VCO由鎖相環(huán)LM4046組成。1N分頻電路是一個三級可預置數(shù)分頻器，各級都采用可預置數(shù)BCD碼同步1N制計數(shù)器MCl4522，每級的分頻比可由單片機去控制，也可用4位小型撥動開關以8421BCD碼形式對該級計數(shù)器進行預置數(shù)，分頻比可選擇的范圍為0999，總共可生成999個頻率點，它是構成鎖相式數(shù)字頻率合成器的主要單元電路之一，稱之為程序分頻器TN。按所需的分頻比N，預先輸入百位、十位和個位的數(shù)據(jù)后，給4046鎖相環(huán)相位比較器II(第14引腳PDl

25、l)，輸入頻率為fR的方波信號UR；壓控振蕩器產(chǎn)生頻率為fo的輸出信號U。，經(jīng)程序分頻器TN后，得到頻率為fV的比較信號Uv，送至相位比較器II(第3引腳PD12)。這兩個信號在相位比較器II中進行比較，當鎖相環(huán)鎖定后，可得到： fR二fv其中： fv = foN代入得： fR = foN 即： fo=N*fR由此可知，當fR固定不變時，改變?nèi)壋绦蚍诸l器的分頻比N，VCO的輸出振蕩頻率(也就是頻率合成器的輸出頻率)f。就會得到相應地改變。這樣，只要輸入個固定信號頻率fR，即可得到一系列所需要的頻率，其頻率間隔等于fR，對于選擇不同的fR，則可以獲得不同的fR頻率間隔。例如：設輸入的fR = 1024KHz，N取為132，則Fo = N*fR = 132*1024KHz=135168KHZ。2、實際使用的相位比較器與環(huán)路低通濾波器4046鎖相環(huán)集成電路內(nèi)部含有兩個相位比較器，其中相位比較器I為異或門(即模二和結構)比較器，為使鎖相范圍最大，通常要求兩個輸入信號PD11，和PDl2的占空比必須為50的方波，而相位比較器II為過沿控制式比較器，它只由兩個信號的上升沿作用，因此不要求波形占空比為50。由于本實驗系統(tǒng)電路基本鎖相環(huán)實驗電路與鎖相式數(shù)字頻率合成器實驗電路二者均組合在一起，基于相位比較器的比較信號來自程序分頻器電路，占空比非50，因而本實驗電路選用相位比較器II。該