高频实验指导书版.docx

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高频实验指导书版

非线性电子线路

实验指导书

自动化与电子信息学院实验中心

实验注意事项

1、本实验系统接通电源前请确保电源插座接地良好。

2、每次安装实验模块之前应确保主机箱右侧的交流开关处于断开状态。

为保险起见，建议拔下电源线后再安装实验模块。

3、安装实验模块时，模块右边的双刀双掷开关要拨上，将模板四角的螺孔和母板上的铜支柱对齐，然后用黑色接线柱固定。

确保四个接线柱要拧紧，以免造成实验模块与电源或者地接触不良。

经仔细检查后方可通电实验。

4、各实验模块上的双刀双掷开关、拨码开关、复位开关、自锁开关、手调电位器和旋转编码器均为磨损件，请不要频繁按动或旋转。

5、请勿直接用手触摸芯片、电解电容等元件，以免造成损坏。

6、各模块中的3362电位器（蓝色正方形封装）是出厂前调试使用的。

出厂后的各实验模块功能已调至最佳状态，无需另行调节这些电位器，否则将会对实验结果造成严重影响。

若已调动请尽快复原；若无法复原，请与指导老师或直接与我公司联系。

7、在关闭各模块电源之后，方可进行连线。

连线时在保证接触良好的前提下应尽量轻插轻放，检查无误后方可通电实验。

拆线时若遇到连线与孔连接过紧的情况，应用手捏住线端的金属外壳轻轻摇晃，直至连线与孔松脱，切勿旋转及用蛮力强行拔出。

8、按动开关或转动电位器时，切勿用力过猛，以免造成元件损坏。

目录

仪器介绍1

实验一三点式正弦波振荡器4

实验二模拟乘法器调幅（AM、DSB、SSB）7

实验三包络检波及同步检波实验13

实验四模拟乘法混频21

实验五模拟锁相环实验26

实验六正交鉴频及锁相鉴频实验33

仪器介绍

一、信号源

本实验箱提供的信号源由高频信号源和音频信号源两部分组成，两种信号源的参数如下：

1）高频信号源输出频率范围：

400KHz～45MHz（连续可调）；

频率稳定度：

10E-4；

输出波形：

正弦波，谐波≤－30dBc;

输出幅度：

1mVp-p～1Vp-p（连续可调）；

输出阻抗：

75Ω。

2）音频信号源：

输出频率范围：

200Hz～10KHz（连续可调，方波频率可达250KHz）

频率稳定度：

10E-4

输出波形：

正弦波、方波、三角波

输出幅度：

10mVp-p～5Vp-p（连续可调）

输出阻抗：

100Ω

信号源面板如图所示：

使用时，首先按下“POWER”开关，红灯点亮。

高频信号源频率调节有四个档位：

1KHz，10KHz，100KHz和1MHz档。

按下面板左上的频率调节旋钮可在各档位间切换，为1KHz，10KHz和100KHz档时，相对应绿灯点亮，当三灯齐亮，即为1MHz档。

调节该旋钮可改变输出高频信号的频率。

音频信号源通过“波形选择”按键切换输出波形，并用相应的指示灯指示，如选择正弦波，则“正弦波”指示灯亮。

通过“＋”“－”按键可以增大、减小信号的频率。

调节“RF幅度”旋钮可改变输出高频信号源的幅度，顺时针旋转幅度增加；调节“幅度调节”旋钮可改变输出音频信号源的幅度，

本信号源有内调制功能，“FM”开关按下，下方对应绿灯点亮，输出调频波，调制信号为信号源音频正弦波信号，载波信号为信号源高频信号；“FM”开关按上，绿灯灭，输出无调制的高频信号。

“AM”开关按下，下方对应绿灯点亮，输出调幅波，调制信号为信号源音频正弦波信号，载波信号为信号源高频信号；“AM”开关按上，绿灯灭，输出无调制的高频信号。

调节“FM频偏”旋钮可改变调频波的调制指数，调节“AM调幅度”旋钮可改变调幅波的调幅度。

面板下方为三个射频线插孔。

“RF1”和“RF2”插孔输出400KHz～45MHz的正弦波信号（在观察频率特性的实验中，可将“RF1”作为信号输入，“RF2”通过射频跳线连接到频率计观察频率）；“低频输出”插孔输出200Hz～10KHz的正弦波、三角波、方波信号。

二、频率计

本实验箱自带高频频率计和音频频率计，用于观测信号频率。

频率计面板如图所示：

频率计参数如下：

频率测量范围：

50Hz～99MHz

输入电平范围：

100mVrms～2Vrms

测量误差：

≤±20ppm（频率低端≤±1Hz）

输入阻抗：

1MΩ/10pF

使用时，按下“POWER”开关，红灯点亮。

高频频率计显示部分由八个数码管组成。

音频频率计显示部分由四个数码管组成。

高频频率计有KHz和MHz两个级别单位。

当测量的频率低于1MHz时，图中所示的高频频率计“KHz”处的数码管的小数点亮，标识此时测量频率单位是“KHz”，例如，此小数点前的数字是500，小数点后的数字是123，则所测的频率是500.123KHz，即500123Hz；同理，当测量的频率高于1MHz时，图中所示的高频频率计“MHz”处的数码管的小数点亮，标识此时测量频率单位是“MHz”，例如，此小数点前的数字是15，小数点后的数字是123456，则所测的频率是15.123456MHz，即15123456Hz。

音频频率计有KHz和Hz两个级别单位。

当测量的频率高于10KHz时，图中音频频率计“KHz”处的数码管的小数点亮，标识单位是“KHz”，读法与高频频率计的类似。

当测量频率低于10KHz时，此时的频率测量单位是“Hz”，数码管显示的读数即测量的频率。

实验一三点式正弦波振荡器

一、实验目的

1、掌握三点式正弦波振荡器电路的基本原理，起振条件，振荡电路设计及电路参数计算。

2、通过实验掌握晶体管静态工作点、反馈系数大小、负载变化对起振和振荡幅度的影响。

3、研究外界条件（温度、电源电压、负载变化）对振荡器频率稳定度的影响。

二、实验内容

1、熟悉振荡器模块各元件及其作用。

2、进行LC振荡器波段工作研究。

3、研究LC振荡器中静态工作点、反馈系数以及负载对振荡器的影响。

4、测试LC振荡器的频率稳定度。

三、实验仪器

1、模块31块

2、频率计模块1块

3、双踪示波器1台

4、万用表1块

四、基本原理

图5-1正弦波振荡器（4.5MHz）

将开关S2的1拨上2拨下，S1全部断开，由晶体管Q3和C13、C20、C10、CCI、L2构成电容反馈三点式振荡器的改进型振荡器——西勒振荡器，电容CCI可用来改变振荡频率。

振荡器的频率约为4.5MHz（计算振荡频率可调范围）

振荡电路反馈系数

F=

振荡器输出通过耦合电容C3（10P）加到由Q2组成的射极跟随器的输入端，因C3容量很小，再加上射随器的输入阻抗很高，可以减小负载对振荡器的影响。

射随器输出信号Q1调谐放大，再经变压器耦合从J1输出。

五、实验步骤

1、根据图5-1在实验板上找到振荡器各零件的位置并熟悉各元件的作用。

2、研究振荡器静态工作点对振荡幅度的影响。

1）将开关S2的拨为“10”，S1拨为“00”，构成LC振荡器。

2）改变上偏置电位器RA1，记下Q3发射极电流Ieo（=

，R10=1K）（将万用表红表笔接TP4，黑表笔接地测量VE），并用示波测量对应点TP1的振荡幅度VP-P，填于表5-1中，分析输出振荡电压和振荡管静态工作点的关系

振荡状态

Vp-p

Ieo

起振

停振

表5-1

分析思路：

静态电流ICQ会影响晶体管跨导gm，而放大倍数和gm是有关系的。

在饱和状态下（ICQ过大），管子电压增益AV会下降，一般取ICQ=（1~5mA）为宜。

3、测量振荡器输出频率范围

将频率计接于J1处，改变CCI，用示波器从TH1观察波形及输出频率的变化情况，记录最高频率和最低频率填于5-2表中。

fmax

fmin

表5-2

六、实验报告要求

1、记录实验箱序号

2、分析静态工作点、反馈系数F对振荡器起振条件和输出波形振幅的影响，并用所学理论加以分析。

3、计算实验电路的振荡频率fo，并与实测结果比较。

实验二模拟乘法器调幅（AM、DSB、SSB）

一、实验目的

1、掌握用集成模拟乘法器实现全载波调幅、抑制载波双边带调幅和音频信号单边带调幅的方法。

2、研究已调波与调制信号以及载波信号的关系。

3、掌握调幅系数的测量与计算方法。

4、通过实验对比全载波调幅、抑制载波双边带调幅和单边带调幅的波形。

5、了解模拟乘法器（MC1496）的工作原理，掌握调整与测量其特性参数的方法。

二、实验内容

1、实现全载波调幅，改变调幅度，观察波形变化并计算调幅度。

2、实现抑制载波的双边带调幅波。

3、实现单边带调幅。

三、实验仪器

1、信号源模块1块

2、频率计模块1块

3、4号板1块

4、双踪示波器1台

5、万用表1块

四、实验原理及实验电路说明

幅度调制就是载波的振幅（包络）随调制信号的参数变化而变化。

本实验中载波是由高频信号源产生的465KHz高频信号，1KHz的低频信号为调制信号。

振幅调制器即为产生调幅信号的装置。

1、集成模拟乘法器的内部结构

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。

在高频电子线路中，振幅调制、同步检波、混频、倍频、鉴频、鉴相等调制与解调的过程，均可视为两个信号相乘或包含相乘的过程。

采用集成模拟乘法器实现上述功能比采用分离器件如二极管和三极管要简单得多，而且性能优越。

所以目前无线通信、广播电视等方面应用较多。

集成模拟乘法器常见产品有BG314、F1595、F1596、MC1495、MC1496、LM1595、LM1596等。

1）MC1496的内部结构

在本实验中采用集成模拟乘法器MC1496来完成调幅作用。

MC1496是四象限模拟乘法器，其内部电路图和引脚图如图10-1所示。

其中V1、V2与V3、V4组成双差分放大器，以反极性方式相连接，而且两组差分对的恒流源V5与V6又组成一对差分电路，因此恒流源的控制电压可正可负，以此实现了四象限工作。

V7、V8为差分放大器V5与V6的恒流源。

图10-1MC1496的内部电路及引脚图

2）静态工作点的设定

（1）静态偏置电压的设置

静态偏置电压的设置应保证各个晶体管工作在放大状态，即晶体管的集-基极间的电压应大于或等于2V，小于或等于最大允许工作电压。

根据MC1496的特性参数，对于图10-1所示的内部电路，应用时，静态偏置电压（输入电压为0时）应满足下列关系，即

ν8=ν10,ν1=ν4,ν6=ν12

15V≥ν6　（ν12）－ν8　（ν10）≥2V

15V≥ν8　（ν10）－ν1　（ν4）≥2V

15V≥ν1　（ν4）－ν5≥2V

（2）静态偏置电流的确定

静态偏置电流主要由恒流源I0的值来确定。

当器件为单电源工作时，引脚14接地，5脚通过一电阻VR接正电源+VCC由于I0是I5的镜像电流，所以改变VR可以调节I0的大小，即

当器件为双电源工作时，引脚14接负电源-Vee，5脚通过一电阻VR接地，所以改变VR可以调节I0的大小，即

根据MC1496的性能参数，器件的静态电流应小于4mA，一般取

。

在本实验电路中VR用6.8K的电阻R15代替.

　　2、实验电路说明

用MC1496集成电路构成的调幅器电路图如图10-2（见P.65）所示。

图中W1用来调节引出脚1、4之间的平衡，器件采用双电源方式供电（＋12V，－8V），所以5脚偏置电阻R15接地。

电阻R1、R2、R4、R5、R6为器件提供静态偏置电压，保证器件内部的各个晶体管工作在放大状态。

载波信号加在V1－V4的输入端，即引脚8、10之间；载波信号Vc经高频耦合电容C1从10脚输入，C2为高频旁路电容，使8脚交流接地。

调制信号加在差动放大器V5、V6的输入端，即引脚1、4之间，调制信号VΩ经低频偶合电容E1从1脚输入。

2、3脚外接1KΩ电阻，以扩大调制信号动态范围。

当电阻增大，线性范围增大，但乘法器的增益随之减小。

已调制信号取自双差动放大器的两集电极（即引出脚6、12之间）输出。

五、实验步骤

1、静态工作点调测：

无输入信号的情况下调节W1，使用万用表测得U1第1、4脚的电压差接近0V。

（改变W1可以使乘法器实现AM,DSB或SSB调制。

）

2、连线框图如图10-2所示

图10-2模拟乘法器调幅连线框图

源端口

目的端口

连线说明

信号源：

RF1

（Vp-p=500mVf=465K）

4号板：

J1

载波输入

信号源：

低频输出

（Vp-p=200mVf=1K）

4号板：

J5

音频输入

抑制载波振幅调制：

1）J1端输入载波信号，调节平衡电位器W1，使输出信号VO（t）中载波输出幅度最小（此时V1与V4相等）。

2）再从J5端输入音频信号（正弦波），逐渐增加输入音频信号频率，观察TH3处最后出现如图10-3所示的抑制载波的调幅信号。

（将音频信号频率调至最大，即可测得清晰的抑制载波调幅波）

图10-3抑制载波调幅波形

全载波振幅调制：

1）先将J1端输入载波信号，调节平衡电位器W1，使输出信号VO（t）中有载波输出（此时V1与V4不相等）。

2）再从J5端输入音频信号（正弦波），逐渐增大音频信号频率，最后出现如图11-4所示的有载波调幅信号的波形，记下AM波对应Vmax和Vmin，并计算调幅度m。

图10-4普通调幅波波形

抑制载波单边带振幅调制：

1）步骤同抑制载波振幅调制，从J6处观察输出波形。

2）比较全载波调幅、抑制载波双边带调幅和抑制载波单边带调幅的波形。

六、实验报告要求

1、整理实验数据，画出实验波形。

2、画出调幅实验中m＝30％、m＝100％、m>100%的调幅波形,分析过调幅的原因。

3、画出当改变W1时能得到几种调幅波形，分析其原因。

4、画出全载波调幅波形、抑制载波双边带调幅波形及抑制载波的单边带调幅波形，比较三者区别。

图10-2AMDSBSSB（465KHz）

实验三包络检波及同步检波实验

一、实验目的

1、进一步了解调幅波的原理,掌握调幅波的解调方法。

2、掌握二极管峰值包络检波的原理。

3、掌握包络检波器的主要质量指标,检波效率及各种波形失真的现象，分析产生的原因并思考克服的方法。

4、掌握用集成电路实现同步检波的方法。

二、实验内容

1、完成普通调幅波的解调。

2、观察抑制载波的双边带调幅波的解调。

3、观察普通调幅波解调中的对角切割失真，底部切割失真以及检波器不加高频滤波时的现象。

三、实验仪器

1、信号源模块1块

2、频率计模块1块

3、4号板1块

4、双踪示波器1台

5、万用表1块

四、实验原理及实验电路说明

检波过程是一个解调过程，它与调制过程正好相反。

检波器的作用是从振幅受调制的高频信号中还原出原调制的信号。

还原所得的信号，与高频调幅信号的包络变化规律一致，故又称为包络检波器。

假如输入信号是高频等幅信号，则输出就是直流电压。

这是检波器的一种特殊情况，在测量仪器中应用比较多。

例如某些高频伏特计的探头，就是采用这种检波原理。

若输入信号是调幅波，则输出就是原调制信号。

这种情况应用最广泛，如各种连续波工作的调幅接收机的检波器即属此类。

从频谱来看，检波就是将调幅信号频谱由高频搬移到低频，如图11-1所示（此图为单音频Ω调制的情况）。

检波过程也是应用非线性器件进行频率变换，首先产生许多新频率，然后通过滤波器，滤除无用频率分量，取出所需要的原调制信号。

常用的检波方法有包络检波和同步检波两种。

全载波振幅调制信号的包络直接反映了调制信号的变化规律，可以用二极管包络检波的方法进行解调。

而抑制载波的双边带或单边带振幅调制信号的包络不能直接反映调制信号的变化规律，无法用包络检波进行解调，所以采用同步检波方法。

图11-1检波器检波前后的频谱

1、二极管包络检波的工作原理

当输入信号较大（大于0.5伏）时，利用二极管单向导电特性对振幅调制信号的解调，称为大信号检波。

大信号检波原理电路如图11-2（a）所示。

检波的物理过程如下：

在高频信号电压的正半周时，二极管正向导通并对电容器C充电，由于二极管的正向导通电阻很小，所以充电电流iD很大，使电容器上的电压VC很快就接近高频电压的峰值。

充电电流的方向如图11-2（a）图中所示。

这个电压建立后通过信号源电路，又反向地加到二极管D的两端。

这时二极管导通与否，由电容器C上的电压VC和输入信号电压Vi共同决定.当高频信号的瞬时值小于VC时，二极管处于反向偏置，管子截止，电容器就会通过负载电阻R放电。

由于放电时间常数RC远大于调频电压的周期，故放电很慢。

当电容器上的电压下降不多时，调频信号第二个正半周的电压又超过二极管上的负压，使二极管又导通。

如图11-2（b）中的tl至t2的时间为二极管导通的时间，在此时间内又对电容器充电，电容器的电压又迅速接近第二个高频电压的最大值。

在图11-2（b）中的t2至t3时间为二极管截止的时间，在此时间内电容器又通过负载电阻R放电。

这样不断地循环反复，就得到图11-2（b）中电压

的波形。

因此只要充电很快，即充电时间常数Rd·C很小（Rd为二极管导通时的内阻）：

而放电时间常数足够慢，即放电时问常数R·C很大，满足Rd·C<

的幅度接近于输入电压

的幅度，即传输系数接近l。

另外，由于正向导电时间很短，放电时间常数又远大于高频电压周期（放电时

的基本不变），所以输出电压

的起伏是很小的，可看成与高频调幅波包络基本一致。

而高频调幅波的包络又与原调制信号的形状相同，故输出电压

就是原来的调制信号，达到了解调的目的。

本实验电路如图11-3所示，主要由二极管D及RC低通滤波器组成，利用二极管的单向导电特性和检波负载RC的充放电过程实现检波，所以RC时间常数的选择很重要。

RC时间常数过大，则会产生对角切割失真又称惰性失真。

RC常数太小，高频分量会滤不干净。

综合考虑要求满足下式：

其中：

m为调幅系数，

为调制信号最高角频率。

当检波器的直流负载电阻R与交流音频负载电阻RΩ不相等，而且调幅度

又相当大时会产生负峰切割失真（又称底边切割失真），为了保证不产生负峰切割失真应满足

。

图11-3峰值包络检波（465KHz）

2、同步检波

（1）同步检波原理

同步检波器用于对载波被抑止的双边带或单边带信号进行解调。

它的特点是必须外加一个频率和相位都与被抑止的载波相同的电压。

同步检波器的名称由此而来。

外加载波信号电压加入同步检波器可以有两种方式：

图11-4同步检波器方框图

一种是将它与接收信号在检波器中相乘，经低通滤波器后检出原调制信号，如图11-4（a）所示；另一种是将它与接收信号相加，经包络检波器后取出原调制信号，如图11-4（b）所示。

本实验选用乘积型检波器。

设输入的已调波为载波分量被抑止的双边带信号υ1，即

本地载波电压

本地载波的角频率ω0准确的等于输入信号载波的角频率ω1，即ω1=ω0,但二者的相位可能不同；这里φ表示它们的相位差。

这时相乘输出（假定相乘器传输系数为1）

低通滤波器滤除2ω1附近的频率分量后，就得到频率为Ω的低频信号

由上式可见，低频信号的输出幅度与φ成正比。

当φ=0时，低频信号电压最大，随着相位差φ加大，输出电压减弱。

因此，在理想情况下，除本地载波与输入信号载波的角频率必须相等外，希望二者的相位也相同。

此时，乘积检波称为“同步检波”。

（2）实验电路说明

实验电路如图11-5（见本实验后）所示，采用MC1496集成电路构成解调器，载波信号从J8经C12，W4，W3，U3，C14加在8、10脚之间，调幅信号VAM从J11经C20加在1、4脚之间，相乘后信号由12脚输出，经低通滤波器、同相放大器输出。

五、实验步骤

一、二极管包络检波

1、连线框图如图11-5所示

图11-5峰值包络检波连线框图

2、解调全载波调幅信号

（1）m<30%的调幅波检波

从J2处输入465KHZ、峰－峰值Vp-p=0.5V~1V、m<30%的已调波（音频调制信号频率约为1K按下信号源AM按钮，调节“AM调幅度”）。

将开关S1拨为10，S2拨为00，将示波器接入TH5处，观察输出波形.

（2）加大调制信号幅度,使m=100%,观察记录检波输出波形.

3、观察对角切割失真

保持以上输出，将开关S1拨为“01”，检波负载电阻由2.2KΩ变为51KΩ，在TH5处用示波器观察波形并记录,与上述波形进行比较。

4、观察底部切割失真

将开关S2拨为“10”，S1仍为“01”，在TH5处观察波形，记录并与正常解调波形进行比较。

二、集成电路（乘法器）构成解调器

1、连线框图如图11-6所示

2、解调全载波信号

按调幅实验中实验内容获得调制度分别为30％，100％及>100％的调幅波。

将它们依次加至解调器调制信号输入端J11，并在解调器的载波输入端J8加上与调幅信号相同的载波信号,分别记录解调输出波形，并与调制信号对比。

3、解调抑制载波的双边带调幅信号

按调幅实验中实验内容的条件获得抑制载波调幅波，加至解调器调制信号输入端J11，观察记录解调输出波形，并与调制信号相比较。

图11-6同步检波连线框图

六、实验报告要求

1、通过一系列检波实验,将下列内容整理在表内:

输入的调幅波波形

M<30%

m=100%

抑制载波调幅波

二极管包络检波器输出波形

同步检波输出

2、观察对角切割失真和底部切割失真现象并分析产生原因。

3、从工作频率上限、检波线性以及电路复杂性三个方面比较二极管包络检波和同步检波。

七、实验仪器

1、高频实验箱1台

2、双踪示波器1台

3、频率特性测试仪（可选）　　　　　　　1台

图11-5同步检波

实验四模拟乘法混频

一、实验目的

1、了解集成混频器的工作原理

2、了解混频器中的寄生干扰

二、实验内容

1、研究平衡混频器的频率变换过程

2、研究平衡混频器输出中频电压Vi与输入本振电压的关系

3、研究平衡混频器输出中频电压Vi与输入信号电压的关系

三、实验仪器

1、信号源模块1块

2、频率计模块1块

3、模块31块

4、模块71块

5、双踪示波器1台

四、实验原理及实验电路说明

在高频电子电路中，常常需要将信号自某一频率变成另一个频率。

这样不仅能满足各种无线电设备的需要，而且有利于提高设备的性能。

对信号进行变频，是将信号的各分量移至新的频域，各分量的频率间隔和相对幅度保持不变。

进行这种频率变换时，新频率等于信号原来的频率与某一参考频率之和或差。

该参考频率通常称为本机振荡频率。

本机振荡频率可以是由单独的信号源供给，也可以由频率变换电路内部产生。

当本机振荡由单独的信号源供给时，这样的频率变换电路称为混频器。

混频器常用的非线性器件有二极管、三极管、场效应管和乘法器。

本振用于产生一个等幅的高频信号VL，并与输入信号VS经混频器后所产生的差频信号经带通滤波器滤出。

本实验采用集成模拟相乘器作混频电路实验。

因为模拟相乘器的输出频率包含有两个输入频率之差或和，故模拟相乘器加滤波器，滤波器滤除不需要的分量，取和频或者差频二者之一，即构成混频器。

图4-1所示为相乘混频器的方框图。

设滤波器滤除和频，则输出差频信号。

图4-2为信号经混频前后的频谱图。

我们设信号是：

载波频率为

的普通调幅波。

本机振荡频率为

。