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实验四中频放大及振幅调制

实验四、中频放大器及振幅调制

陈建151180013

（1）中频放大器

一、实验目的

1．通过实验了解中频放大器的工作原理。

2．学会使用点测法绘制幅频特性曲线。

3．理解工作点对晶体管正常工作的重要性。

二、实验原理

中频放大器位于混频之后，检波之前，是专门对固定中频信号进行放大的，中放和高放都是谐振放大器，它们有许多共同点，由于中频放大器的工作频率是固定的，而且频率一般都较低，因而有其特殊之处。

对于中频放大器,不仅需要得到高的增益、好的选择性,还要有足够宽的通频带和良好的频率响应、大的动态范围等，不允许出现自激。

由于中频信号为单一的固定频率,其通频带可最大限度地做得很小,以提高相邻信道选择性。

在实际工程上,一般采用多级放大器,并使每级实现某一技术要求，就电路形式而言,第一级中频放大器多采用共发射极电路,多级晶体管单调谐回路级联的方式实现应有的增益。

中频放大器（IFA）是超外差接收机中的一个重要部分,它具有放大中频信号、抑制噪声和相邻通道的干扰以及自动增益控制（AGC）等功能。

中频放大器按照负载回路的构成可分为单调谐中频放大器和双调谐中频放大器，按照三极管的接法可分为共发射极、共基极和共集电极等中频放大器。

中频放大器的工作过程与高频放大器相同，它们都是小信号放大器，工作在甲类（A类）状态，它们都采用谐振回路作负载，不再重复。

三、实验仿真

总体电路图如下：

第一级为差分输入端，采用带有缘负载的射极耦合差分放大电路，通过调节R7来调节镜像电流源参考电流大小，通过调节R8、R9比值来调节差分电路恒流源部分恒流电流，从而改变放大倍数。

C5为耦合电容，由于该电路单电源供电，所以需要旁路电容去掉直流分量。

单端输出电压增益为

由于

，

受恒流大小影响，所以改变R8或R9便可改变增益。

第二级为中间级，采用了共射-共基放大电路，该电路特点是高频特性好，可以一定意义上补偿第一级的高频带宽不够的情况，但是没有电流放大作用，该部分的分立电路图和分立频率特性如下，可以看到其具有很好的高频特性。

共射-共基电路的增益为

幅频特性曲线为：

示波器显示输入输出为（此时输入信号频率为1KHz）：

最后一级采用高频共射放大电路，共射电路可以进一步放大信号，并且具有不错的输入输出特性，同时能放大电流和电压，且易于在集电极构成谐振回路。

为了使放大器工作在800KHz附近，取C=200p，L=105uH，此时频率特性如下图所示。

4、实验电路

1.455KHZ中频放大器

下图是455KHZ中频放大器实验电路。

从图中可看出，本实验电路采用两级放大，而且都是共发射极放大，这样可以获得较大的增益。

图中电位器4W1用来调整第一级放大器工作点，4W2用来调整中频放大器输出幅度。

4L01、4C3和4L02、4C8分别为第一级和第二级的谐振回路，其谐振频率为455KHZ左右。

图中4P01为中频信号输入口，4TP01为输入信号测试点，4P02为中频输出口，4TP02为输出测量点。

2.10.7MHZ中频放大器

下图是10.7MHZ中频放大器实验电路。

本实验电路同样采用两级放大。

3W1用来调整第一级放大器工作点，3W2用来调整中频放大器输出幅度。

3W3用来调整变容管3D1的偏压，从而改变其容量。

3L5、3L6和变容管3D1构成第一级的谐振回路，3L7、3L8和3C11组成第二级谐振回路，调整3W3可调整中频放大器的谐振频率。

3P01为中频信号输入口，3TP01为输入信号测量点，3P02为中频输出口，3TP02为输出测量点。

5、实验过程与结果

1.实验准备

将中频放大器模块插入实验箱主板上，按下电源开关.电源指示灯点亮即可开始实验。

2.中频放大器输入输出波形观察及放大倍数测量

（1）455KHZ中频放大器观测

将高频信号源设置为455KHZ,峰-峰值Vp-p=150mv,其输出送入中频放大器的输入端（4P01），用示波器测量中放输出4TP02点的波形，微调电位器4W1使中放输出幅度最大。

调整4W2使中放输出幅度最大且不失真，并记下此时的幅度大小，然后再测量中放此时的输入幅度，即可算出中放的电压放大倍数。

下表是不同工作点下中频放大器的中心频率：

工作点（VE/V）

1.3

2.5

2.6

4.0

4.7

中心频率（kHz）

495

503

471

455

440

画出图像如下：

可见改变工作点会影响晶体管的参数，进而影响回路的工作频率，由图中可以看出，这种影响并不是线性的。

当选择合适的工作点，使得中心频率为455kHz时，输入为150mV，输出为11.6V，因而放大倍数为77.3倍。

（2）10.7MHZ中频放大器观测

将高频信号源频率设置为10.7MHZ，峰-峰值Vp-p=200V，其输出送入中频放大器的输入端（3P01），用示波器测量中放输出3TP02点的波形，微调3W3使中放输出幅度最大，调整3W1和3W2使中放输出幅度最大且不失真，并记下此时的输出幅度大小，然后再测量中放此时的输入幅度，即可算出中放的电压放大倍数。

输入为200mv，输出为1.20V，因而放大倍数为6倍。

3.测量455KHZ中频放大器的谐振曲线（（幅频特性））

保持上述455KHZ中频放大器观测状态不变，按照表4-1改变高频信号源的频率，保持高频信号源输出幅度为150mv，从示波器上读出与频率相对应的幅值，并把数据填入表，然后以横轴为频率，纵轴为幅度，按照表4-1，画出中频放大器的幅频特性曲线。

并从曲线上算出中频放大器的通频带（幅度最大值下降到0.707时所对应的频率范围为通频带）。

频率（kHz）

300

320

340

360

380

400

420

440

460

幅度（V）

3.8

2.2

2.0

3.0

4.0

4.7

7.9

15.2

6.8

频率（kHz）

480

500

520

540

560

580

600

620

幅度（V）

4.8

4.1

3.0

2.0

2.0

2.0

2.0

2.2

做成图像如下：

由图中可估计出带宽为：

40.7kHz

（2）振幅调制

一、实验目的

1.通过实验了解振幅调制的工作原理。

2.掌握用MC1496来实现AM和DSB的方法，并研究已调波与调制信号，载波之间的关系。

3.掌握用示波器测量调幅系数的方法。

二、实验原理

传递信息是人类的重要活动之一当代各种无线电技术，如广播、雷达、导航等等。

为了传递信息，都是将传递的信息“记载”到高频振荡上去。

这一“记载”过程称为调制。

调制后的高频振荡称为已调波，未调制的高频振荡称为载波。

需要“记载”的信息称为调制信号。

根据电磁波理论知道，为什么要将信号调制，是基于以下几点原因。

1）天线要将低频信号有效地辐射出去，它的尺寸就必须很大。

例如，频率为1000Hz的电磁波，其波长为300000m，即300km。

如果采用1／4波长的天线，则天线的长度应为75000m。

不用说，实际上这是难于办到的。

2）为了使发射与接收效率高，在发射机与接收机方面都必须采用天线和谐振回路。

但语言、音乐、图像信号等的频率变化范围很大，因此天线和谐振回路的参数应该在很宽范围内变化。

显然，这又是难于做到的。

3）如果直接发射音频信号，则发射机将工作于同一频率范围。

这样，接收机将同时收到许多不同电台的节目，无法加以选择。

为了克服以上的困难，必须利用高频振荡，将低频信号“附加”在高频振荡上。

这样，就使天线的辐射效率提高，尺寸缩小；同时，每个电台都工作于不同的载波频率，接收机可以调谐于不同频率选择不同的电台，这就解除了上述的种种困难。

但是调制过程是用被传递的低频信号去控制高频振荡信号，使高频输出信号的参数（幅度、频率、相位）相于低频信号变化而变化，从而实现低频信号搬移到高频段，被高频信号携带传播的目的。

完成调制过程的装置叫调制器。

实现调幅的方法分为低电平调幅（调制过程在低电平级进行，需要的调制功率小），属于这种类型的有平方律调幅（运用电子器件搭成电路伏安特性曲线的平方律部分完成调幅）和斩波调幅（方波斩波后通过带通滤波器得到）；和高电平调幅（调制过程在高电平级进行，通常为丙类放大器），属于这一类的调制方法有集电极调幅和基极调幅。

1.振幅调制和调幅波

振幅调制就是用低频调制信号去控制高频载波信号的振幅，使载波的振幅随调制信号成正比地变化。

经过振幅调制的高频载波称为振幅调制波（简称调幅波）。

调幅波按频谱特性分为普通调幅波（AM）、抑制载波的双边带调幅波（DSB）和抑制载波的单边带调幅波（SSB）三种。

①普通调幅波（AM）

由于实现振幅调制后载波频率保持不变，因此已调波的表示式为

其中，

称为调幅指数或调幅度，它表示载波振幅受调制信号控制程度，

为由调制电路决定的比例常数。

可见，调幅波也是一个高频振荡，而它的振幅变化规律（即包络变化）是与调制信号完全一致的，因此调幅波携带着原调制信号的信息。

由于调幅指数与调制电压的振幅成正比，即

越大，

越大，调幅波幅度变化越大，

小于或等于1。

如果

>1，调幅波产生失真，这种情况称为过调幅，在实际工作中应该避免产生过调幅。

调幅波的波形如图所示。

调幅波的频谱：

可见，用单音频信号调制后的已调波，由三个高频分量组成，除角频率为Wc的载波以外，还有Wc+Ω和Wc−Ω两个新角频率分量。

其中一个比Wc高，称为上边频分量；一个比Wc低，称为下边频分量。

载波频率分量的振幅仍为

而两个边频分量的振幅均为

。

因为

的最大值只能等于1，所以边频振幅的最大值不能超过0.5

，将这三个频率分量用图画出，便可得到图所示的频谱图。

在这个图上，调幅波的每一个正弦分量用一个线段表示，线段的长度代表其幅度，线段在横轴上的位置代表其频率。

以上分析表明，调幅的过程就是在频谱上将低频调制信号搬移到高频载波分量两侧的过程。

显然，在调幅波中，载波并不含有任何有用信息，要传送的信息只包含于边频分量中。

边频的振幅反映了调制信号幅度的大小，边频的频谱虽属于高频范畴，但反映了调制信号频率的高低。

如实际的话音信号就很复杂），在多频调制时如由若干个不同频率的信号所调制，相应地，其调幅波含有一个载频分量及一系列的高低边频分量等等。

多频调制调幅波的频谱图如下图所示。

由此可以看出，一个调幅波实际上是占有某一个频率范围，这个范围称为频带。

总的频带宽度为最高调制频率的两倍，即

，这个结论很重要。

因为在接收和发送调幅波的通信设备中，所有选频网络应当不但能通过载频，而且还要能通过边频成分。

如果选频网络的通频带太窄，将导致调幅波的失真。

②抑制载波双边带调幅（DSB）

由于载波不携带信息，因此，为了节省发射功率，可以只发射含有信息的上、下两个边带，而不发射载波，这种调制方式称为抑制载波的双边带调幅，简称双边带调幅，用DSB表示。

可将调制信号𝑈Ω和载波信号𝑢𝑐。

直接加到乘法器或平衡调幅器电路得到。

双边带调幅信号写为

式中，A为由调幅电路决定的系数；

是双边带高频信号的振幅，它与调制信号成正比。

高频信号的振幅按调制信号的规律变化，不是在𝑈𝑐𝑚的基础上，而是在零值的基础上变化，可正可负。

因此，当调制信号从正半周进入负半周的瞬间（即调幅包络线过零点时），相应高频振荡的相位发生180°的突变。

双边带调幅的调制信号、调幅波如图所示。

由图可见，双边带调幅波的包络已不再反映调制信号的变化规律。

而且，信号仍集中在载频Wc附近，所占频带为

。

③.抑制载波单边带调幅（SSB）

进一步观察双边带调幅波的频谱结构发现，上边带和下边带都反映了调制信号的频谱结构，因而它们都含有调制信号的全部信息。

从传输信息的观点看，可以进一步把其中的一个边带抑制掉，只保留一个边带（上边带或下边带）。

无疑这不仅可以进一步节省发射功率，

而且频带的宽度也缩小了一半，这对于波道特别拥挤的短波通信是很有利的。

这种既抑制载波又只传送一个边带的调制方式，称为单边带调幅，用SSB表示。

获得单边带信号常用的方法有滤波法和移相法，现简述采用滤波法实现SSB信号。

调制信号UΩ和Uc经乘法器（或平衡调幅器）获得抑制载波的DSB信号，再通过带通滤波器滤除DSB信号中的一个边带（上边带或下边带），便可获得SSB信号。

当边带滤波器的通带位于载频以上时，提取上边带，否则提取下边带。

由此可见，滤波法的关键是高频带通滤波器，它必须具备这样的特性：

对于要求滤除的边带信号应有很强的抑制能力，而对于要求保留的边带信号应使其不失真地通过。

这就要求滤波器在载频处具有非常陡峭的滤

波特性。

用这种方法实现单边带调幅的数学模型如右图所示。

通过边带滤波器后，就可得到上边带或下边带：

从上两式看出，SSB信号的振幅与调制信号振幅𝑈Ω成正比。

它的频率随调制信号的频率不同而不同。

三、实验仿真及分析

1.晶体管调幅波产生电路

普通调幅波的产生多用高电平调制电路。

它的优点是不需要采用效率低的线性放大器，有利于提高整机效率。

但它必须兼顾输出功率、效率和调制线性的要求。

低电平调制电路的优点是调幅器的功率小，电路简单。

由于它输出功率小，常用在双边带调制和低电平输出系统。

低电平调幅电路可采用集成高频放大器产生调幅波，也可利用模拟乘法器产生调幅波。

下面介绍一种高电平调幅电路。

高电平调幅电路是以调谐功率放大器为基础构成的，实际上它是一个输出电压振幅受调制信号控制的调谐功率放大器，根据调制信号注入调幅器方式的不同，分为基极调幅、发射极调幅和集电极调幅三种，下面我们仅介绍和仿真基极调幅。

目标为设计一载波为1MHz，音频信号为10kHz的基极调幅电路

基极调幅电路如下图所示。

由图可见，高频载波信号通过高频变压器直接加到晶体管基极回路，低频调制信号V2和直流信号V3直接相串联，C2为高频旁路电容，用来为高频载波信号提供通路。

基极调幅过程中，为了获得很好的调幅效果，由丙类功放的知识可知，电路工作在欠压状态。

因为进入过压状态后，电流脉冲出现凹顶，随着

的增加，凹陷程度增大，

增长缓慢，接近于恒定，无法获得很好的调幅效果。

丙类功放的动态特性曲线为

，其中

，

可近似看作集电极总电导。

为了使电路工作在欠压状态，因使集电极总电阻减小，即减小并联电阻R1。

同时，增大

，即增大

、

，减小

。

，则

在调制过程中，调制信号V2相当于一个缓慢变化的偏压，使放大器的集电极脉冲电流的最大值

和导通角θ按调制信号的大小而变化。

在V2往正向增大时，

和θ增大；在V2往反向减小时，

和θ减少，故输出电压幅值正好反映调制信号波形。

晶体管的集电极电流

波形和调谐回路输出的电压波形，如图所示，将集电极谐振回路调谐在载频fc上，那么放大器的输出端便获得调幅波。

仿真图如下：

由以上仿真图可知，上述基极调幅确实能起到调效果

但是谐振回路的频率选择性不够好，导致调幅波有一定的失真。

有图可看出电路的频谱特性，在1MHz左右有很多频谱分量，这些分量导致了输出波形的失真，可以通过增加谐振回路阶数来改变这一问题。

4、实验过程及结果

1．实验准备

（1）在实验箱主板上插上幅度调制与混频无线发射模块。

接通实验箱上电源开关，按下模块上白色开关，此时电源指标灯点亮。

（2）调制信号源：

采用低频信号源，其参数调节如下（示波器监测）：

频率范围：

2KHZ

波形选择：

正弦波

输出峰-峰值：

300mV

（3）载波源：

采用高频信号源：

工作频率：

1MHz用频率计测量（也可采用其它频率）；

输出幅度（峰-峰值）：

200mV，用示波器观测。

2．输入失调电压的调整（交流馈通电压的调整）

集成模拟相乘器在使用之前必须进行输入失调调零，也就是要进行交流馈通电的

调整，其目的是使相乘器调整为平衡状态。

因此在调整前必须将开关3K01置“off”，以切断其直流电压。

交流馈通电压指的是相乘器的一个输入端加上信号电压，而另一个输入端不加信号时的输出电压，这个电压越小越好。

（1）载波输入端输入失调电压调节

把调制信号源输出的音频调制信号加到音频输入端（3P02），而载波输入端不加

信号。

用示波器监测相乘器输出端（3TP03）的输出波形，调节电位器3W03，使此时输出端（3TP03）的输出信号（称为调制输入端馈通误差）最小。

（2）调制输入端输入失调电压调节

把载波源输出的载波信号加到载波输入端（3P01），而音频输入端不加信号。

用

示波器监测相乘器输出端（3TP03）的输出波形。

调节电位器3W02使此时输出（3TP03）的输出信号（称为载波输入端馈通误差）最小。

（3）调制线性范围的观测

保持载波幅度为200mV不变，改变调制信号幅度，观测输出信号的变化规律。

测得数据如下：

被调制幅度mV

50

100

150

200

250

300

350

400

输出幅度V

1.3

1.46

1.62

1.78

1.92

2.08

2.22

2.36

绘制成图表：

然后保持被调制信号幅度300mV不变，改变载波信号幅度，观察输出幅度的变化规律。

测得数据如下：

载波幅度mV

50

100

150

200

250

300

350

400

输出幅度V

1.28

2.32

3.12

3.64

4.00

4.00

4.00

4.00

制成图表：

由上面两组数据可以看到，被调制信号相对于载波来说有更大的线性范围。

另外我们也看到，当载波幅度过大时，输出幅度达到饱和，这样会带来失真，应该避免出现这种情况。

5、实验思考

1．DSB－SC波形的包络是由调制信号与其相位差别180度的波形合成而成的，双边带调幅信号不仅其包络已不再反映调制时波形的变化，而且在调制信号波形过零点处已调波的调频相位有180度的突变。

而载波只提供抬高调制信号的频谱的作用，不能再通过检波电流还原想要的音频信号。

2.因为对于MC1496来说，仅当上输入满足v1≤VT（26mV）时，方有：

化简为：

此时才是真正的模拟相乘器。

因此，若用调制信号源接到上输入端时，V1便大于VT，便会使得1496不能真正模拟相乘器，便不能达到调制信号的目的。

此外上输入的幅度变化范围受到限制，使得其不可能有较大的幅度变化；而下输入端的幅度变化范围则较大，适合调制信号源作为输入端。

3.实验中发现信号源产生的调幅度一定的信号，改变幅值时频域载波幅度和边带幅度是同比例增加的，而使用乘法调制器时，同比例改变输入幅度输出频带中，载波会受到抑制，边带得到加强。

原因分析如下：

信号源和乘法产生调幅波的本质是不同的，信号源使用的是DDS，即数字频率合成技术，而乘法器是模拟信号乘法器。

信号源改变输出幅度靠的是输出端的DA转换器，因而能够实现线性的幅度变换，自然三个分量的幅度是等比例变化的。

而对于模拟乘法器，理论上模拟乘法器输出是没有载波的，即载波被抑制，但是由于内部结构的不完全对称会使得载波存在，但是载波分量比较小，所以在改变输入波形幅度时，输出的频谱中边带会明显变化而载波变化不会很明显。

通过本次振幅调制器实验，在熟悉了示波器以及信号发生器的使用后，掌握了用集成模拟乘法器实现了全载波调幅调幅的方法与过程。

而且能勾通过示波器变换波形和分析波形，不仅锻炼了实验操作能力还复习了调幅波的理论知识，记忆更加巩固。

在实验中难免会的不到理想波形，此时需要我们能耐心调试直到出现理想波形。