哈工程高频讲义.docx
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哈工程高频讲义
高频电子线路
实验讲义
宫芳高敬鹏编
哈尔滨工程大学电工电子教学中心高频课程组
2011年10月
目录
实验一小信号调谐放大器1
一、实验目的1
二、实验原理与电路1
三、调谐放大器的调整与测试2
四、实验内容及要求4
五、实验仪器5
六、思考题5
实验二LC正弦波振荡器与晶体振荡器5
一、实验目的5
二、实验原理与电路5
三、LC振荡器的设计方法8
四、实验电路及调试方法9
五、实验内容及要求10
六、实验仪器11
七、思考题11
实验三模拟乘法器调幅电路11
一、实验目的11
二、实验原理与电路11
三、实验内容13
四、实验仪器14
实验四调幅信号的解调14
一、实验目的14
二、实验原理14
三、检波器电路的设计方法16
四、实验电路17
五、实验内容及要求17
六、实验仪器18
七、思考题18
实验五锁相环在通信系统中的应用18
一、实验目的18
二、实验原理19
三、实验电路20
四、实验内容22
五、实验仪器22
六、思考题22
参考文献24
实验一小信号调谐放大器
一、实验目的
1、通过实验熟悉小信号调谐放大器的工作原理及工程估算的方法。
2、掌握调谐放大器的电压增益、选择性、通频带及动态范围的测试方法。
3、掌握使用频率特性测试仪调整小信号谐振放大器特性的方法。
二、实验原理与电路
小信号谐振放大器主要用于高频小信号或微弱信号的线性放大，其主要特点是晶体管的集电极负载不是纯电阻，而是由LC组成的并联谐振回路。
小信号调谐放大器由晶体管及其偏置电路组成，如图1-1所示，它不仅对高频小信号进行放大，而且还有选频滤波作用。
由于LC并联谐振回路的阻抗是随频
率而变的，在谐振频率
处其阻抗是纯电阻，达到最大值。
因
此，用并联谐振回路作集电极负载的调谐放大器在回路的谐振频率上具有最大的放大电压增益。
稍离开此频率，电压增益迅速减小。
我们用这种放大器可以放大所需要的某一频率范围的信号，而抑制不需要的信号或外界干扰信号。
因此，调谐放大器在无线电通信系统中被广泛用作高频和中频放大器。
高频小信号调谐放大器的主要性能指标有谐振频率
，谐振电压增益
，放大器的通频带
及选择性（通常用矩形系数
来表示）等。
图1-1小信号调谐放大器
三、调谐放大器的调整与测试
首先应调整电路的直流工作点。
电路中基极偏置电阻和发射极电阻决定晶体管的静态工作状态。
改变基极偏值电阻可以改变晶体管的静态工作点，使晶体管工作在线性放大状态。
其调试方法与阻容耦合放大器相同。
对于调谐放大器的频率特性、增益及动态范围的调整与测试，一般有两种方法，一种是逐点法；一种是扫频法。
后者比较简单、直观。
但由于其频标较粗，对于窄带调谐放大器难以精确测试。
1、逐点法
所谓逐点法，就是以高频信号发生器为信号源，用示波器或电压表接在放大器的输出端，观察和测量输出电压。
（1）谐振频率的调试
为了使小信号谐振放大器处于谐振状态，必须进行调谐。
调谐时，首先将高频信号发生器的输出频率置于fi=10MHz，输出电压Ui=10mV，Vcc=+12V，调可变电容器使回路谐振，即高频毫伏表的指示值达到最大，或示波器显示输出信号幅度达到最大，此时回路处于谐振状态。
在调整过程中，应注意几点：
第一，信号源输出幅度不能过大而使放大器进入非线性状态，将使调谐不准。
第二，当信号源输出端接到输入端时，应有隔直电容，否则信号源的接入会影响放大器的直流工作点。
第三，在调谐回路的电感或电容时，最好使用“无感螺丝刀”。
（2）幅频特性的调试：
当中心频率调整好后，就可测试放大器的频率特性了。
在输出幅度不超过放大器线性动态范围的条件下，保持输入电压幅度不变，在谐振频率f0两旁逐点改变信号频率，用示波器或高频毫伏表测出相应的输出电压U0，计算出个点的放大倍数Au，就可描出放大器的谐振曲线Au-f，如图1-2所示。
从曲线上即可求出
和
。
图1-2谐振曲线
若这些指标的测量值与设计值相差较远，应根据它们的表达式分析。
例如放大倍数Au0较小，可以通过调整静态工作点
，接入系数p1或更换β较大的晶体管，使
增加。
如果
窄了，可以通过调整阻尼电阻R使之变小，从而增加插入损耗使
变宽。
由于分布参数的影响，放大器的各项技术指标满足要求后的原件参数与设计计算值有一定偏差。
采用逐点法测量，调整起来比较麻烦，花费的时间也比较多。
因此目前采用最多的方法是扫频法，用BT-3频率特性测试仪测量回路的谐振曲线。
2、扫频法
（1）放大器的中心频率调试
利用BT-3频率特性测试仪（扫频仪）测量放大器技术指标，首先要进行扫频仪零频标的识别和0dB标准的校正。
零频标的识别：
将“频标方式”置“外接”或“10.1”方式，旋动“中心频率”旋钮找到零频标。
0dB标准的校正：
未接被测电路时，把RF输出和Y输入两根电缆线连在一起。
“衰减指示”显示为0dB，调节“Y轴增益”旋钮，使屏幕上显示的方框占有一定的高度（一般为5格）。
这个高度称为0dB的校正线。
接入被测电路后，要保持“Y轴增益”旋钮不变。
将焊接完成的放大器电路板接直流电源，调节电位器调整晶体管的静态工作点，并用万用表进行测量。
将BT-3频率特性测试仪提供的扫频信号用终端接有75Ω电阻的电缆加到单级放大器的输入端，检波探头接到末级的输出负载上，如图1-3所示，然后调节中心频率旋钮，屏幕上就可显示出放大器的谐振特性曲线如图1-2。
这时调节回路电容或回路电感，使谐振特性曲线在规定的中心频率上出现最大值。
图1-3电路板与扫频仪的连接
（2）放大器各项技术指标的测试
电路板连接完成后，荧光屏上显示出放大器的频率特性曲线，其幅度比0dB时大得多。
调整输出粗、细衰减，使其幅度减小，反复调整，直到其频率特性的幅度也为5格（因0dB标准校正为5格）。
此时衰减指示显示的分贝数即为被测电路的电压增益
；谐振曲线最高点所对应的频率为谐振频率
；放大倍数下降到最高点的0.707倍时所对应的频率范围为通频带
。
放大倍数下降到最高点的0.1倍时所对应的频率范围为通频带
，从而计算出矩形系数
。
四、实验内容及要求
1、实验电路技术指标要求：
，
，
。
2、在印制电路板上焊接电路，制作一个高频小信号放大器，要求布局合理
美观，并便于调试。
焊接完毕检查无误后方可进行通电调试。
3、调整并测试三极管的静态工作点。
4、用频率特性测试仪测试并调整放大器的各项技术指：
中心频率
、电压增益
、通频带
，矩形系数
。
使其符合技术指标要求。
5、研究电路参数对放大器技术指标
和
的影响。
6、输入高频小信号进行放大（等幅波或调幅波），观察并测试输入和输出波形。
计算出电压增益。
五、实验仪器
高频信号产生器QF-1-561台
双踪示波器DOS-645B1台
频率特性测试仪BT-31台
超高频毫伏表DA-361台
直流稳压电源1台
万用表1块
六、思考题
1、为什么提高电压增益时，通频带会减小？
可采用哪些措施提高电压增益？
2、在调试放大器的过程中，若出现自激现象，应采取什么措施解决？
3、若不使用频率特性测试仪，使用高频信号源，如何判断谐振回路处于谐振状态？
怎样测量谐振频率？
4、谐振回路的接入系数对放大器的性能指标有哪些影响？
实验二LC正弦波振荡器与晶体振荡器
一、实验目的
1、通过本实验，加深对LC三点式正弦波振荡器和晶体振荡器工作原理的理解，进一步了解正弦波振荡器的基本起振条件。
2、熟悉和掌握克拉泼振荡器、西勒振荡器和晶体振荡器的工作原理及电路组成特点。
3、掌握振荡器的设计、安装、调试方法及主要性能参数的测试方法。
二、实验原理与电路
正弦波振荡电路是高频电路中最常用的功能电路，振荡器是一种不需要输入信号控制，能自动将直流电源的能量转换为一定波形、一定频率的交变能量的电路。
在品种众多的振荡电路中，LC三点式正弦波振荡器是目前应用最广泛的振荡电路。
振荡电路由调谐放大器和正反馈网络构成.，LC振荡器振荡应满足起振条件和平衡条件。
振荡的建立与振荡器的起振条件：
A0F＞1 （2-1）
+
=2nπ（n=0，1，2，…，n） （2-2）
其中，A0为当电源接通时的电压增益。
式（2-1）是起振的振幅条件，其物理意义是振荡为增幅振荡。
即振荡从弱小电压能够经过多次反馈后增大，说明自激振荡能够建立起来。
式（2-2）是起振的相位条件。
其物理意义是振荡器闭环相位差为零，即为正反馈。
正反馈加增幅振荡就能保证振荡能建立起来。
振荡的建立与振荡器的起振条件：
AF=1 （2-3）
+
=2nπ（n=0，1，2，…，n） （2-4）
式（2-3）称为振幅平衡条件，其物理意义是振荡为等幅振荡。
（2-4）称为相位平衡条件，其物理意义是振荡器闭环相位差为零，即为正反馈。
振荡器有一个LC并联谐振回路，由于其选频作用，所以使振荡器只有在某一频率时才能满足振荡条件，于是得到单一频率的振荡信号。
在三点式振荡电路中，LC选频网络应和晶体管的三个极分别相连，根据电路结构不同分为电容三点式和电感三点式。
目前电容三点式振荡器应用比较广泛，其中应用较多的是改进型的电容三点式振荡器，即“克拉泼振荡器”和“西勒振荡器”。
若用石英晶体作为振荡回路元件，则构成晶体振荡器。
1、克拉泼振荡电路原理
如图2-1所示为克拉泼振荡电路，与普通电容三点式振荡器的最明显的区别是在LC谐振回路中串入了电容C5，由于C5较小,所以它可以有效地减小振荡管极间电容的变化而引起的振荡频率的变化，能有效地提高振荡器的频率稳定度。
由于，则回路的谐振频率主要C5决定，即振荡器的振荡频率为：
2、西勒振荡电路原理
图2-2为西勒振荡器原理图，西勒振荡电路与克拉泼振荡电路的形式与频率稳定度基本相同，只是在回路的电感两端并联一个可变电容CW。
因此工作频率主要由C5、CW和L的并联谐振频率决定，振荡频率为：
，调节可变电容CW就可调节振荡频率。
图2-1克拉泼振荡器原理图
图2-2西勒振荡器原理图
3、晶体振荡电路原理
图2-3所示为一种典型的晶体振荡器电路,;晶体连接在集电极与基极之间，构成并联型晶体振荡器。
当振荡器的振荡频率在晶体的串联谐振频率和并联谐振频率之间时，晶体呈感性,该电路满足三点式振荡器的组成原则,为电容三点式振荡器。
需要注意的是石英晶体谐振器的标称频率都是在出厂前,在石英晶体谐振器上并接一定负载电容条件下测定的,实际使用时外加负载电容要与晶体的负载电容相匹配,因此在实际电路中可以在晶体的支路上串接一个可变电容，经微调后才能获得标称频率。
图2-3晶体振荡器原理图
三、LC振荡器的设计方法
1、电路形式的选择
振荡器电路形式的选择主要根据工作频率和频率稳定度的要求来选择，电容三点式振荡器电路简单，输出波形好，一般工作在几百千赫至几百兆赫，改进型电容三点式振荡器（克拉泼振荡器）频率稳定度可达到10-3~10-4量级。
根据实验项目所给的设计指标本选择振荡器的电路形式。
2、晶体管的选择
从稳频的角度出发，应选择特征频率fT较高的晶体管，通常选择fT>（5～10）f0同时希望电流放大系数
大些，有利于起振。
管子的最大功耗PCM应大于所需输出功率的5～20倍。
3、晶体管直流偏置电路的设计
对于振荡器的设计，首先要考虑振荡管的起始工作点与工作状态的选择，起始工作点是保证满足起振条件，由静态偏置设计确定，稳定工作点（工作状态）是为了满足振荡器的平衡条件，由晶体管的外部条件如反馈系数确定，同时又与偏置电路有关。
从稳频的目的出发，不希望晶体管工作在饱和区，工作电流Ic过大或过小都会影响振荡器的性能，一般Ic在1mA～4mA。
4、振荡回路参数的选择
振荡回路的参数主要是在满足振荡频率的同时还要满足振荡条件，一般反馈系数F取0.1～0.5，对于克拉泼振荡器（如图2-1）和西勒振荡器（如图2-2），要满足C5>>C2,C5>>C4的条件，若电容C5为几十皮法，则C2和C4可以取几百皮法至几千皮法。
四、实验电路及调试方法
实验电路如图2-4所示。
为克拉泼振荡器，振荡频率
。
图2-4LC振荡器实验电路
1、振荡器静态工作点的调试
按照所设计的振荡电路焊接电路板，接通直流电源后，首先调试三极管的可以通过调节电位器RW来调整电路的静态工作点，使晶体管工作在合适的工作状态，以满足振荡器动态特特性的要求，此时用示波器在输出端可观察到有不失真的正弦波输出电压波形。
2、振荡频率的调整与测试
振荡频率调整的主要方法是调节振荡回路中的L或C，在调试的过程中应注意过大的调节L或C时会引起反馈系数F的变化，使输出电压的波形和幅度发生变化，因此在调试的过程中要始终观察示波器上的震荡波形。
振荡频率的测量使用数字频率计进行。
3、振荡幅度的调整与测试
振荡电路加上直流电源后，在输出端的示波器上可观察到输出波形，若无振荡波形则说明电路没有起振，这时应首先检查直流工作点是否合适，反馈极性是否正确，反馈系数是否合适。
若输出幅度不符合设计要求，则可通过改变静态工作点和反馈系数来调整。
幅度的测量可使用示波器或高频毫伏表进行。
4、振荡器频率稳定度的测试
振荡电路经过以上调整后，波形、频率和幅度均达到设计要求后，即可测量振荡器的频率稳定度，一般测量其短期稳定渡，例如测量半小时的稳定渡，用数字频率计每3分钟测量一次，共测量10次，用10次的平均值作为f0求出相对
变化量，然后计算出振荡器30分钟的频率稳定度
。
五、实验内容及要求
1、技术指标要求：
振荡频率
，
频率稳定度
（半小时）
振荡幅度
。
2、在印制电路板上焊接电路，制作一个克拉泼振荡器，进行静态工作点调
试和动态调试，使振荡频率、频率稳定度和振荡幅度符合设计要求。
3、改变反馈电容的大小，研究反馈系数对振荡波形的影响
4、在克拉泼振荡电路的基础上进行电路修改，制作一个西勒振荡器，并测出其调频范围。
5、在克拉泼振荡电路的基础上进行电路修改，制作一个晶体振荡器，并测出其振荡调频和振荡幅度。
六、实验仪器
数字频率计数器NFC-1000C1台
双综示波器MOS-6401台
直流稳压电源1台
万用表1块
七、思考题
1、如果电路不起振，是什么原因？
应怎样调试？
2、为了提高振荡器的输出幅度，除了增加振荡管的工作电流外，还可以调试那些元件？
实验三模拟乘法器调幅电路
一、实验目的
1、熟悉集成模拟乘法器MC1496的电路组成和基本工作原理。
2、掌握模拟乘法器实现普通调幅和平衡调幅的方法与过程。
3、掌握调幅指数的测试方法。
4、研究已调波与二个输入信号的关系。
二、实验原理与电路
1、集成模拟乘法器MC1496芯片介绍
集成模拟乘法器是完成两个模拟量（电压或电流）相乘的电子器件,它是一个多用途的器件,不仅用于模拟信号的运算,而且已经应用到频谱变换的各种电路中。
MC1496是双平衡四象限模拟乘法器，其内部电路如图3-1所示。
T1、T2与T3、T4组成双差分放大器，T5、T6组成单差分放大器用于激励T1~T4，T7、T8及其偏置电路构成恒流源电路。
引脚8和10接输入电压ux，引脚1和4接另一输入电压uy,输出电压从引脚6和12输出。
引脚2和3外接电阻可调节乘法器的信号增益，扩展输入电压的动态范围。
引脚5外接电阻，用来调节恒流源电流。
引脚14在双电源供电时为负电源端，在单电源供电时为接地端。
图3-1MC1496内部电路图
2、实验原理与电路
由MC1496构成的振幅调制实验电路如图3-2所示，载波信号由芯片的引脚8和10输入，调制信号由引脚1和4输入，引脚6接带通滤波器，带通滤波器的中心频率应与载波的频率相同。
（1）平衡调幅输出（DSB调幅波）
实验中通过调节RW使引脚1、4两端的直流电位差为零，那么1、4两端输入的调制信号为
；引脚8、10两端输入的载波信号为
，载波信号和调制信号相乘的结果为平衡调幅信号：
图3-2MC1496实验电路图
（2）普通调幅输出（AM调幅波）
实验中通过调节RW使引脚1、4两端的直流电位差不为零，那么相当于1、4两端输入的调制信号为
；引脚8、10两端输入的载波信号为
，载波信号和调制信号相乘的结果为普通调幅波信号：
三、实验内容
1、用模拟乘法器实现普通调幅
（1）改变载波信号幅度、改变调制信号幅度，观察并记录波形，并测量出一组调制指数ma。
（2）观察并记录ma=100%，和ma＞100%两种调制度的波形情况。
2、用模拟乘法器实现抑制载波的双边带调幅（平衡调幅）
（1）调节RW使电路输出双边带波形；并且改变输入信号的幅度，观察并记录输出波形。
（2）比较双边带调幅与调幅指数ma=100%调幅波波形，比较二者的区别。
四、实验仪器
高频信号产生器QF-10561台
双综示波器MOS-6401台
直流稳压电源1台
万用表1块
实验四调幅信号的解调
一、实验目的
1、通过实验熟悉大信号检波的工作原理
2、掌握包络检波器的设计和各项技术指标的调试方法。
3、研究电路参数对检波特性的影响。
二、实验原理
调幅波的解调即是从调幅信号中取出调制信号的过程，通常称之为检波。
调幅波解调方法有二极管包络检波器、同步检波器，此实验任务主要研究大信号包络检波器。
图4-1所示为大信号二极管峰值包络检波器电路，它是由信号源、二极管和RC低通滤波器和负载组成。
适用于解调普通调幅波，输入信号振幅大于0.5V,利用二极管正向导通时对电容C充电，反向截止时，电容C上电压对电阻R放电这一特性实现检波。
图4-1包络检波器原理图
1、性能指标
（1）检波效率（电压传输系数）
检波效率或电压传输系数Kd等于输出低频电压的振幅与输入高频电压包络线的振幅之比。
当输入为高频等幅波时，即
时，检波输出为直流电压U0,
则电压传输系数
当输入为单音频普通调幅波，即
时，则电压传输
系数
。
式中，UΩm为检波器输出的低频信号振幅，maUim为输入普通调幅波包络的振幅。
（2）输入电阻Ri
对于高频输入信号源ui来说，检波器相当于一个负载，此负载就是检波器的等效输入阻抗，一般可用电阻和电容表示。
通常把电容部分都计入到前级高频谐振回路电容内，因此只考虑等输入电阻Ri。
如果二极管的耗损可以忽略不计，则
可近似认为检波器的输入电阻
。
2、检波失真
（1）惰性失真
检波器的低通滤波器RC的数值对检波器的特性有较大影响。
电阻R越大，检波器的电压传输系数Kd越大，等效输入电阻Ri越大，但是随着负载电阻R的增大，RC电路的时间常数将增大，就有可能产生惰性失真。
为了克服这种失真
就要满足
。
（2）负峰切割失真
为了将调制信号传送到负载RL上，采用了隔直电容Cc来实现，由于交直流负载电阻的不同，有可能产生负峰切割失真。
为了避免负峰切割失真，应满足
式中
。
三、检波器电路的设计方法
1、检波二极管的选择
作为检波用的二极管要求正向内阻较小，反向内阻较大。
锗管的正向特性在电压为（0.2~0.3）V左右曲线已陡峭，而硅管则要到（0.5~0.7）V，但锗管反向特性不如硅管。
一般情况下主要考虑正向特性，故选锗管。
此外，还应考虑到二极管PN结的结电容应很小，因为结电容影响二极管的检波作用。
常用的2AP系列锗二极管结电容约在1pF以下，最高工作频率可达150MHz。
2、低通滤波器的设计
（1）电容C的作用主要是滤除调幅波中的载波分量，对于输入信号的载频近似于短路，对于调制信号频率近似于开路。
但是C不能取得过大，否则会产生
失真，为此应满足:
；
。
（2）R增大可提高等效输入电阻和检波器的电压传输系数kd,但如果R取的过大，会产生惰性失真和负峰切割失真。
因此低通滤波器的R和C的参数选择应综合考虑。
应满足不产生惰性失真的条件和不产生负峰切割失真的条件。
3、耦合电容CC的选择
耦合电容CC的容抗将影响检波器下限频率
的输出电压，为了不引起频率失真，应使下限频率
的电压降很小。
因此CC的选择应满足
。
四、实验电路
图4-2包络检波器实验电路图
图4-2为二极管大信号包络检波器实验电路。
因信号源、二极管D与负载电
阻R串联故称为串联检波器。
主要的技术指标：
载波频率fc=1MHz，调制频率F=1KHz，调幅度ma=0.5。
电路主要元件参数：
晶体管2AP9，导通电阻
，及电容Cd约为1pF，负载电阻
。
电路中直流负载电阻
交流负载电阻
从上式可以看出R1越大，交、直流电阻差别就越小，负峰切割失真就不易产生。
但是R1与R2的分压作用，使输出电压减小，因此兼顾二者，R1=（0.1~0.2）R2。
为了提高检波器的高频率波能力，在电路中的R2上并接了电容C3=C2=0.01μF。
为了避免对输出低频信号产生分压，Cc取10μF。
五、实验内容及要求
1、技术指标：
调幅信号载频
调制信号频率
调幅指数
检波器负载
2、实验内容
（1）根据设计指标设计检波器实验电路并进行电路板的焊接与调试。
（2）分别测试检波器在输入等幅波和AM波时的电压传输系数并画出检波器的输出波形。
（3）改变电路参数使输出波形产生惰性失真，画出波形，并分析产生失真的原因。
（4）改变电路参数使输出波形产生负峰切割失真，画出波形，并分析产生失真的原因。
六、实验仪器
高频信号产生器QF-10561台
双综示波器MOS-6401台
直流稳压电源1台
万用表1块
七、思考题
1、当输入信号为高频等幅波时，在电路的什么位置测量输出，使用什么仪器？
当输入信号为普通调幅波时，在电路的什么位置测量输出，使用什么仪器？
2、不改变电路参数，只改变输入的AM波形能否产生惰性失真和负峰切割失真，分析原因。
实验五锁相环在通信系统中的应用
一、实验目的
1、熟悉锁相环的内部电路构成及各单元电路的作用。
2、掌握锁相环路的工作原理、电路组成和基本应用。
3、掌握用集成锁相环NE654构成的FM调制与解调电路的工作原理和特性。
二、实验原理
1、锁相调频工作原理
利用锁相环路构成的直接调频电路框图如图5-1所示。
图中晶体振荡器提供稳定的输入信号频率，使压控振荡器的中心频率稳定在晶体振荡频率上。
当调制信号
加到VCO的输入端，VCO的振荡频率将受到调制信号和环路滤波器输出电压的双重控制，这时输出的信号就是频率随调制信号变化的调频信号，而调频信号的中心频率的稳定度受晶体振荡器控制。
因此采用锁相环路调频，能够得到中心频率高度稳定的调频信号。
图5-1锁相调频电路框图
2、锁相鉴频工作原理
利用锁相环路构成的鉴频电路框图如图5-2所示。
调频信号输入给鉴相器，而解调输
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