TPEGP系列高频电路实验学习机 实验指导书1023.docx
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TPEGP系列高频电路实验学习机实验指导书1023
TPE-GP系列高频电路实验学习机
实验指导书
清华大学科教仪器厂
2006年2月
前言
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实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、双调谐振回路谐振放大(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、调频接收实验等。
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。
电路的设计多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,为了满足已有该产品的用户的要求,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。
本书包括了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,确定无误才能接通电源,初
学或没有把握应经指导教师审查同意后再接通电源。
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要尽可能短。
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
实验一小信号调谐放大器(实验板G1)………………………………………………1
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)………………………………………5
实验三LC电容反馈式三点式振荡器(实验板G1)…………………………………11
实验四石英晶体振荡器(实验板G1)………………………………………………14
实验五低电平振幅调制器(实验板G3)……………………………………………16
实验六高电平振幅调制器实验(实验板G2F)……………………………………19
实验七调幅波信号的解调实验(实验板G3)………………………………………22
实验八变容二极管调频振荡器(实验板G4)………………………………………25
实验九相位鉴频器实验(实验板G4)………………………………………………27
实验十集成电路(压控振荡器)构成的频率调制器(实验板G5)…………………30
实验十一集成电路(锁相环)构成的频率解调器(实验板G5)……………………33
实验十二利用二极管函数电路实现波形转换(主机面板)………………………35
实验十三晶体管混频电路(实验板G7)…………………………………………36
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)……………39实验十五集成乘法器混频实验(TPE-GP3实验箱)………………………………43
实验十六数字信号发生实验(TPE-GP3实验箱)………………………………45
实验十七锁相式调频与鉴频实验(TPE-GP3实验箱)……………………………48
实验十八数字调频与解调实验(TPE-GP3实验箱)………………………………55
实验十九锁相式数字频率合成器实验(TPE-GP3实验箱)……………………59
附录一
附录二
实验一调谐放大器
一、实验目的
1.熟悉电子元器件和高频电路实验箱。
2.熟悉谐振回路的幅频特性分析--通频带与选择性。
3.熟悉信号源内阻及负载对谐振回路的影响,从而了解频带扩展。
4.熟悉和了解放大器的动态范围及其测试方法。
三、预习要求
1.复习谐振回路的工作原理。
2.了解谐振放大器的电压放大倍数、动态范围、通频带及选择性相互之间关系。
3.实验电路中,若电感量L=1μH,回路总电容C=220pf(分布电容包括在内),计算回路中心频率f。
。
二、实验仪器设备
1.双踪示波器
2.扫频仪
3.高频信号发生器
4.毫伏表
5.万用表
6.实验板G1
四、实验内容及步骤
(一)单调谐回路谐振放大器。
1.实验电路见图1-1
(1).按图1-1所示连接电路
(注意接线前先测量+12V图1-1单调谐回路谐振放大器原理图
电源电压,无误后,关断
电源再接线)。
(2).接线后仔细检查,确认无误后接通电源。
2.静态测量
实验电路中选Re=1K
测量各静态工作点,计算并填表1.1
表1.1
实测
实测计算
根据VCE
判断V是否工作在放大区
原因
VB
VE
IC
VCE
是
否
*VB,VE是三极管的基极和发射极对地电压。
3.动态研究
(1).测放大器的动态范围Vi~V0(在谐振点)
选R=10K,Re=1K。
把高频信号发生器接到电路输入端,电路输出端接高频毫伏表,选择正常放大区的输入电压Vi,调节频率f使其为10.7MHz,调节CT使回路谐振,使输出电压幅度为最大。
此时调节Vi由0.02伏变到0.8伏,逐点记录V0电压,并填入表1.2。
Vi的各点测量值可根据(各自)实测情况来确定。
表1.2
Vi(V)
0.02
0.8
V0(V)
Re=1k
Re=500Ω
Re=2K
(2).当Re分别为500Ω、2K时,重复上述过程,将结果填入表1.2。
在同一坐标纸上画出IC不同时的动态范围曲线,并进行比较和分析。
(3).用扫频仪调回路谐振曲线。
仍选R=10K,Re=1K。
将扫频仪射频输出送入电路输入端,电路输出接至扫频仪检波器输入端。
观察回路谐振曲线(扫频仪输出衰减档位应根据实际情况来选择适当位置),调回路电容CT,使f0=10.7MHz。
注意:
当扫频仪的检波探头为高阻时,电路的输出端必须接入RL,而当扫频仪的检波探头为低阻探头时,则不要接入RL(下同)。
(4).测量放大器的频率特性
当回路电阻R=10K时,选择正常放大区的输入电压Vi,将高频信号发生器输出端接至电路输入端,调节频率f使其为10.7MHz,调节CT使回路谐振(输出电压幅度为最大),此时的回路谐振频率f0=10.7MHz为中心频率,然后保持输入电压Vi不变,改变频率f由中心频率向两边逐点偏离,测得在不同频率f时对应的输出电压V0,将测得的数据填入表1.3。
频率偏离范围可根据(各自)实测情况来确定。
表1.3
f(MHz)
10.7
V0
R=10KΩ
R=2KΩ
R=470Ω
计算f0=10.7MHz时的电压放大倍数及回路的通频带和Q值。
(5).改变谐振回路电阻,即R分别为2KΩ,470Ω时,重复上述测试,并填入表1.3。
比较通频带情况。
(二)双调谐回路谐振放大器
1.实验线路见图1-2
图1-2双调谐回路谐振放大器原理图
(1).用扫频仪调双回路谐振曲线
接线方法同上3(3)。
观察双回路谐振曲线,选C=3pf,反复调整CT1、CT2使两回路谐振在10.7MHz。
(2).测双回路放大器的频率特性
按图1-2所示连接电路,将高频信号发生器输出端接至电路输入端,选C=3pf,置高频信号发生器频率为10.7MHz,反复调整CT1、CT2使两回路谐振,使输出电压幅度为最大,此时的频率为中心频率,然后保持高频信号发生器输出电压不变,改变频率,由中心频率向两边逐点偏离,测得对应的输出频率f和电压值,并填入表1.3。
表1.3
f(MHz)
10.7
V0
C=3pf
C=9pf
C=12pf
2.改变耦合电容C为9Pf、12Pf,重复上述测试,并填入表1.3。
五、实验报告要求
1.写明实验目的。
2.画出实验电路的直流和交流等效电路,计算直流工作点,与实验实测结果比较。
3.写明实验所用仪器、设备及名称、型号。
4.整理实验数据,并画出幅频特性。
(1).单调谐回路接不同回路电阻时的幅频特性和通频带,整理并分析原因。
(2).双调谐回路耦合电容C对幅频特性,通频带的影响。
从实验结果找出单调谐回路和双调谐回路的优缺点。
5.本放大器的动态范围是多少(放大倍数下降1dB的折弯点V0定义为放大器动态范围),讨论IC对动态范围的影响。
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.掌握丙类高频谐振功率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
本电路的核心是谐振功率放大器,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
图1高频功放原理图
图2ic与ub的关系
ωt
参见图1。
ωt
θ
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θ<900,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,Vbb为基极偏压,Vcc为集电极直流电源电压。
为了得到丙类工作状态,Vbb应为负值,即基极处于反向偏置。
ub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。
Vbz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ub的正半周,并且大于Vbb和Vbz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ic只在-θ~+θ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:
ic=IC0+IC1mCOSωt+IC2MCOS2ωt+…+ICnMCOSnωt+…
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θ=700~800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,V1、V2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。
V3为推动级,为末级功放电路提供足够的激励电压。
V4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RP2、R15、R14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。
RL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J2、J3和J4。
J3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。
J2是为了观察负载特性而设置的,当J2断开时,在R16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J2短接时,可得到稍大一些的输出电压。
J4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IC0为最小,回路电压UL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Cbc的反馈作用明显,上述IC0最小、回路电压UL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IC0的方法,而采用同时监视脉冲电流iC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,iC是尖顶脉冲,工作在过压状态时,iC是凹顶脉冲,而当处于临界状态下工作时,iC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75Ω。
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(±12V)。
[-Vbb接-12V]
2.功放级静态工作点的调整
A.用短路环将J3的1、2端和J4的2、4端短路,以使+12V电源直接提供给功放输出级的集电极回路。
(注意:
此时一定要使J5或J1保持开路状态,否则,静态工作点将受到本振电压的影响。
)
B.用万用表测试V4的基极电压。
调整RP2,使V4B=-0.3V左右。
3.调整载波振荡源
接通J5,以给载波振荡电路加电。
J1仍保持开路状态,然后在测试点M1处接入示波器,以观察振荡波形。
调整Rp1,使载波振荡源输出UO=1V左右。
4.推动级的调整
用短路环短接J1,使载波振荡信号[f0=6.5MHz,UO≈1V(p-p)]通过C9接至晶体管V3的基极。
在M2端用示波器观察推动级的输出波形,由于功放级输入端阻抗元件的影响,波形为一失真的正弦波,此时不必做很多调整工作,只要证实推动级已经工作即可。
5.脉冲电流及放大特性的观察
♦保持前面的电路连接不变,将J2的短路环取下,使C16开路。
将负载电阻接至75Ω。
♦将示波器1通道测试探头(衰减10倍,下同)连接至V4的发射极电阻上(即J2的1端),灵敏度置于20mV/DIV档(由于探头有10倍衰减,故实际相当于200mV/DIV),用以监测脉冲电流。
将示波器2通道测试探头(衰减10倍,下同)连接至测试点M3处,灵敏度置于0.2V/DIV档(由于探头有10倍衰减,故实际相当于2V/DIV),用以监测功放级的输出波形。
A.负载特性的观察
i.仔细调整CT4,使输出回路谐振,且实现负载到集电极间的阻抗转换。
观察M3处的波形,应能得到失真最小的正弦波形。
同时观察V4的发射极(取样)电阻上的波形,是否得到了一个临界状态的脉冲电流波形(略有凹陷的波形)。
若未能观察到临界状态的脉冲电流,则需要仔细调整CT2、CT3,使功放级的输入达到较好的匹配状态,必要时还需适当地调整载波信号源的输出幅度。
正常情况下,在M3处观察到的输出波形幅度应不低于9.4V。
ii.保持信号源频率和幅度不变,将负载分别接至120Ω和39Ω,应能观察到过压和欠压状态的脉冲电流形状。
若不能,则电路还需做细心调整,直至在保持信号源频率和幅度不变得情况下,随着负载的改变可出现过压、临界、和欠压的三种状态的脉冲电流波形。
三种状态的脉冲电流波形大致如图所示。
RL=120ΩRL=75ΩRL=39Ω
图4不同负载下的脉冲电流波形
上述脉冲波形,描绘了放大器的负载特性,即随着Rc的增大,Ic随之减小。
放大状态由欠压状态向过压状态过渡。
iii.当观察到负载特性后,记录三种负载条件下的负载上获得的输出电压UL(P-P),电源提供给功放管集电极的电压UC,为了避免电压表输入阻抗对于输出回路的影响,测量UC应当在J4的2端测试。
测试三种状态下的集电极直流电流时,既可以采用在J4的2、4两点间接入直流电流表(200mA档)直接读数,也可以采用测量发射极(取样)电阻上的压降再换算成电流的方法。
但电流表接入回路中后,会对输出及脉冲电流波形产生一定影响,所以推荐采用第二种方法测试集电极直流电流。
换算方法:
IC0=VE/RE(已知RE=1Ω)。
最后将测试结果填入表中。
表1高频功放实验数据记录表
RL(Ω)
实测数据
计算结果
ICO(A)
VL(P-P)(V)
VC(V)
PS(mW)
PL(mW)
η(%)
39
75
120
B.集电极调制特性的观察
将负载置于39Ω档,输入信号电压及Eb保持不变,用短路环将J3的2、3端短接,用6~9V可调电源给功放管的集电极供电。
调整RP3,观察发射极脉冲电流波形的变化,这些变化描述了丙类功放电路的集电极调制特性,即随着Vcc增大,脉冲电流将会由过压状态向临界再向欠压状态变化。
EC=10VEC=6V
图5EC不同时的脉冲电流波形(RL=39Ω)
C.基极调制特性的观察
将负载置于75Ω,电源电压Vcc=12V,输入信号幅度保持不变,调整RP2,仔细观察脉冲电流的形状与幅值的变化,它描述了谐振功率放大器的基极调制特性。
D.放大特性的观察
保持Vcc、Eb、RL不变,改变输入电压的幅值,可以看出随着信号幅度由小到大变化,脉冲电流将由欠压状态向临界状态再向过压状态变化的现象。
六.问题思考
1.若谐振放大器工作在过压状态,为了使其工作在临界状态,可以改变哪些因素?
2.设计一自给偏压工作方式的丙类谐振放大器。
七.附录
1.效率的计算与计算公式说明
利用下面提供的公式和前述表中的测试结果计算三种负载条件下的效率,并将结果填入表中。
电源提供给功放级的总功率:
PS=ICO×VD
负载上得到的功率:
PL=VOP-P2/8RL
功率放大级的总效率:
η=PL/PS
本电路的总效率一般可达到65%左右,实际上集电极效率可达80%左右。
实验三LC电容反馈式三点式振荡器
一、实验目的
1.掌握LC三点式振荡电路的基本原理,掌握LC电容反馈式三点振荡电路设计及电参数计算。
2.掌握振荡回路Q值对频率稳定度的影响。
3.掌握振荡器反馈系数不同时,静态工作电流IEQ对振荡器起振及振幅的影响。
二、预习要求
1.复习LC振荡器的工作原理。
2.分析图3-1电路的工作原理,及各元件的作用,并计算晶体管静态工作电流IC的最大值(设晶体管的β值为50)。
2.实验电路中,L1=10μh,若C=120pf,C’=680pf,计算当CT=50pf和CT=150pf时振荡频率各为多少?
三、实验仪器设备
1.双踪示波器
2.频率计
3.万用表
4.实验板G1
四、实验内容及步骤
实验电路见图3-1。
实验前根据图3-1所示
原理图在实验板上找到相应器件及插孔并了解
其作用。
图3-1LC电容反馈式三点式振荡器原理图
1.检查静态工作点
(1).在实验板+12V扦孔上接入+12V直流电源,注意电源极性不能接反。
(2).反馈电容C不接,C’接入(C’=680pf),用示波器观察振荡器停振时的情况。
注意:
连接C’的接线要尽量短。
(3).改变电位器RP测得晶体管V的发射极电压VE,VE可连续变化,记下VE的最大值,计算IE值
设:
Re=1KΩ
3.振荡频率与振荡幅度的测试
实验条件:
Ie=2mA、C=120pf、C’=680pf、R=110K
(1).改变CT电容,当分别接为C9、C10、C11时,记录相应的频率值,并填入表3.1。
(2).改变CT电容,当分别接为C9、C10、C11时,用示波器测量相应振荡电压的峰峰值VP-P,并填入表3.1。
表3.1
CT
f(MHz)
VP-P
50pf
100pf
150pf
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