電子電路與綜合第二次實驗

1、實驗三正弦波壓控振蕩器1. 實驗?zāi)康?.通過實驗，進一步加深理解LC振蕩電路的基本工作原理，熟悉振蕩電路的起振條件及影響頻率穩(wěn)定度的因素。2.理解壓控振蕩電路的工作原理，加深對壓控特性的理解。2.實驗儀器與器材雙蹤示波器（大于40MHZ） 1臺萬用表1只ISTB智能信號測試儀 1臺高頻信號發(fā)生器 1臺3.實驗原理及電路壓控振蕩器（VCO）的一般特性如下圖3.1所示，當(dāng)不加控制電壓時，其輸出頻率為自由振蕩頻率；當(dāng)控制電壓uC增加時，輸出振蕩頻率升高；當(dāng)控制電壓uC減小時，輸出振蕩頻率降低。圖3.1 VCO的壓控特性曲線圖因此，控制電壓與輸出頻率的關(guān)系可表示為(這里認為是線性器件)： (3.1)式

2、3.1中，0為自由振蕩頻率，K0為壓控靈敏度，Vc(t)為控制電壓。壓控靈敏度定義為單位控制電壓引起VCO振蕩頻率的調(diào)控增量，用Ko表示，單位Hz/V。1 / 23 (3.2)通常，采用變?nèi)荻O管作為VCO器件。變?nèi)荻O管是利用PN結(jié)的結(jié)電容隨反向電壓而變化這一特性而設(shè)計制作成的一種壓控電抗元件。變?nèi)荻O管的符號和結(jié)電容變化的曲線如圖3.2中所示。圖3.2 變?nèi)荻O管符號和特性曲線由于變?nèi)荻O管的結(jié)電容較小，通常為幾十pF，所以變?nèi)莨軜?gòu)成的VCO一般振蕩頻率在高頻段。以變?nèi)莨転閂CO的原理圖如圖3.3所示。將變?nèi)荻O管接入LC振蕩器的振蕩回路中，讓變?nèi)莨艿目烧{(diào)電容參與振蕩頻率，就構(gòu)成了變?nèi)荻O

3、管VCO。圖3.3(b)和(a)分別為振蕩交流通路和變?nèi)荻O管電壓控制電路。由圖中可知該振蕩器為Clapp振蕩器，變?nèi)荻O管與2.2H電感并接以后參與LC回路，調(diào)變振蕩頻率。必須注意的是變?nèi)荻O管必須處于反偏工作狀態(tài)，因此圖中控制電壓uC為正的調(diào)變電壓加在變?nèi)荻O管負極，而變?nèi)荻O管的正極通過2.2H接地，如圖3.3(c)所示的變?nèi)荻O管控制電路。該VCO的輸出頻率范圍為100MHz110MHz。圖3.3 變?nèi)荻O管VCO在本實驗中，所采用VCO電路圖如圖3.4所示。圖中BG7為振蕩管，D4、D5為變?nèi)荻O管，T3為振蕩線圈。這樣，由BG7和這三個元件就構(gòu)成了改進型共基極電容三點式電路。只要改

4、變D4、D5 PN結(jié)的結(jié)電容，就可以改變振蕩器的振蕩頻率。調(diào)節(jié)電位器W4可以改變壓控振蕩器的基極偏置，從而調(diào)節(jié)其靜態(tài)工作點。工作點趨低，反饋減小，振蕩趨弱，波形趨好；工作點趨高，反饋加強，振蕩趨強，但波形趨差。圖中R49、R50為偏置電阻，R51為阻尼電阻，其作用是消除寄生振蕩。振蕩信號從BG7發(fā)射極輸出，BG8、BG9構(gòu)成共集組態(tài)電路，為隔離緩沖、濾波電路，一方面減小輸出電路對振蕩回路的影響，另一方面使信號波形在一定程度上得到改善。 圖中P21改變BG7靜態(tài)工作點，P23為壓控控制端，調(diào)節(jié)W5可改變此電壓，改變振蕩頻率，P24為振蕩器輸出端。圖3.4 壓控振蕩器電路4實驗內(nèi)容與步驟1.將撥動

5、開關(guān)JP13置于12之間，接通“正弦波壓控振蕩器與調(diào)頻信號的產(chǎn)生電路”的直流電壓；2.用數(shù)字萬用表測量P21點的直流電壓，調(diào)節(jié)電位器W4，使該點電壓為3.5V；3.分別用示波器和頻譜儀觀察P24點的波形，調(diào)節(jié)電位器W5，觀察輸出波形頻率變化的情況；4.測量壓控振蕩器的壓控特性。按下表給出的P23點的壓控電壓，調(diào)整W5（用萬用表測控），用ISTB的“頻率測量”（11號）功能測量所對應(yīng)電壓的P24點的頻率值，并用ISTB的“交流電壓測量”（15號）功能（或使用毫伏表）測量P24點相應(yīng)的幅值，填寫在下表中。P23壓控電壓（V）-9V-8V-7V-6V-5V-4V-3V-2V-1V-0.5VP24腳輸

6、出頻率f (MHZ)輸出電壓幅度 ( mv)5.選壓控電壓為5V，調(diào)節(jié)W4，觀察P24點信號波形的變化；75實驗報告1.整理實驗數(shù)據(jù)，觀測壓控振蕩器的壓控特性。并填寫記錄表，畫出VCO控制特性曲線。2. 根據(jù)式3.1，利用特性曲線，求出該壓控振蕩器的壓控靈敏度K0。實驗四調(diào)頻電路實驗1.實驗?zāi)康耐ㄟ^實驗加深理解調(diào)頻信號的概念，調(diào)頻信號產(chǎn)生的基本方法和基本原理； 2.實驗儀器示波器（帶寬大于40MHz）1臺萬用表1只雙路直流穩(wěn)壓電源1臺信號發(fā)生器1臺調(diào)頻信號發(fā)生器 1臺頻譜儀1臺 智能信號儀 1臺3.實驗原理3.1 調(diào)頻原理調(diào)頻是使載波信號的頻率按基帶調(diào)制信號的規(guī)律變化，而幅度保持不變的一種調(diào)制

7、。FM波是基帶調(diào)制信號去調(diào)變載波的角頻率。這時，載波的瞬時角頻率可表示為 (4.1)式中kf是和調(diào)頻電路有關(guān)的比例常數(shù)，單位為rad/V。已調(diào)的瞬時相角為 (4.2)FM已調(diào)波表達為 (4.3)對于v(t)=Vmcost的單音信號進行頻率調(diào)制，則FM波表達式為 (4.4)其中，為調(diào)頻指數(shù)，其值與成正比而與成反比，且其值可以大于1。圖一 單音調(diào)頻波波形即(4.5)調(diào)頻波的產(chǎn)生如圖4.1所示，圖4.1FM波時域圖3.2 調(diào)頻波所占頻寬FM調(diào)變波所占有的頻帶寬會隨著調(diào)變指數(shù)(f/F)的增大而擴寬。FM調(diào)變波的頻譜分布范圍很廣，而只對于存在有98%以上的能量的頻帶稱之為Carson頻帶寬。在此，對于占

8、有頻帶寬BW可以概略計算如下 BW 2（Mf+1）F = 2(fm+F) (4.6)式中，f是最大頻率偏移，F(xiàn)為調(diào)制信號最高頻率。根據(jù)FM最大調(diào)制角頻偏的 fm 不同,FM可分為寬帶調(diào)頻與窄帶調(diào)頻。寬帶調(diào)頻：當(dāng) fmF, BW 2fm窄帶調(diào)頻：當(dāng) fmF, BW 2F 3.3 調(diào)頻方法 調(diào)頻波的產(chǎn)生有兩種方法：直接調(diào)頻法和間接調(diào)頻法，這里只介紹直接調(diào)頻法。 直接調(diào)頻：將調(diào)制信號去直接調(diào)變載頻振蕩器的振蕩頻率，使其不失真的反映調(diào)制信號的變化規(guī)律。直接調(diào)頻電路就是一個振蕩器，其振蕩頻率取決于電路中電抗元件L和C的值，用調(diào)制信號電壓控制可變電抗的值就可以控制振蕩器的頻率，這就是直接調(diào)頻的工作原理。受

9、控的電抗元件可以是電感或電容，但最常用的是變?nèi)荻O管。l LC正弦振蕩器直接調(diào)頻圖二 變?nèi)莨茏鳛榛芈房偟耆葜苯诱{(diào)頻電路 如圖3.2所示，C2, C3, C4對載頻視為短路；L1對載頻視為開路；C1對V (t) 視為短路；變?nèi)莨蹹的電容Cj與L2構(gòu)成振蕩回路，當(dāng)調(diào)制信號加在變?nèi)莨艿腣dq處改變電容值，從而在電阻R上輸出調(diào)頻波。圖4.2變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路在實驗三高頻振蕩器圖3.4中，如果在變?nèi)荻O管D4和D5中間加入了基帶音頻信號，那么在其輸出端P24就是一個調(diào)頻信號，讓這個基帶信號的變化去控制振蕩器的輸出頻率，由此達到調(diào)頻的目的。P22點輸入端相當(dāng)于隔直輸入，只讓基帶信號交流變化控制壓控振蕩

10、器的振蕩頻率。4. 實驗步驟1.調(diào)頻信號產(chǎn)生實驗：按實驗三要求，接通VCO電路電源。調(diào)節(jié)電位器W5，使VCO輸出頻率為6.5MHZ，作為載波信號。2. 用信號源（或ISTB多功能測試儀）產(chǎn)生頻率為1KHZ，幅度約200mV的正弦波，作為基帶信號。3. 把基帶信號加到壓控振蕩器的P22點處，觀察壓控振蕩器P24點輸出波形。4. 用示波器測量此時已調(diào)FM波最高頻率fmax和最低頻率fmin。5. 分別改變基帶信號的幅度和頻率，分別用頻譜儀和示波器觀察FM輸出波形。6. 利用信號源產(chǎn)生一個FM信號，參數(shù)為：載波頻率fc = 10MHz，調(diào)制頻偏Freq DIV=1MHz，調(diào)制信號頻率f = 10KH

11、z。再利用頻譜儀和示波器觀察此波形，注意在信號源產(chǎn)生的FM信號中，無基帶信號幅度調(diào)節(jié)選項。5. 實驗報告1. 分別畫出在實驗步驟1和2中所產(chǎn)生的FM波的時域波形和頻譜圖，在時域波形中標明幅度與周期，在頻譜圖中標出功率與FM波所占帶寬；2. 在實驗步聚4中，利用式4.5可求出此時調(diào)制指數(shù)Mf = (fmax - fmin) / F。說明：由于測試誤差，可能fmax和fmin各位同學(xué)測試時差異較大，但這是一種求出調(diào)制指數(shù)的方法。3. 利用式4.6計算Carson FM波帶寬，并與測試結(jié)果進行對比說明。為什么在單音調(diào)制時，F(xiàn)M波也會占有較寬的帶寬。4. 思考，若一調(diào)頻信號的調(diào)制信號為 ，調(diào)頻波表達式

12、為，（1） 此信號載頻和調(diào)制信號頻率各是多少？（2） 若調(diào)制信號幅度增大一倍，調(diào)制信號頻率不變，調(diào)制系數(shù)和帶寬各有何變化？5.說明調(diào)制頻偏和調(diào)頻信號所占帶寬的關(guān)系。實驗五調(diào)頻解調(diào)電路實驗1.實驗?zāi)康耐ㄟ^實驗加深理調(diào)頻解調(diào)電路的工作原理和解調(diào)方法。2.實驗儀器示波器（帶寬大于40MHz）1臺萬用表1只雙路直流穩(wěn)壓電源1臺信號發(fā)生器1臺調(diào)頻信號發(fā)生器 1臺頻譜儀1臺 智能信號儀 1臺3.實驗原理3.1 移相乘積FM解調(diào)常用的調(diào)頻波解調(diào)方法有斜率鑒頻、移相乘積鑒頻和鎖相環(huán)鑒頻三種方法，這里只介紹移相乘積鑒頻電路的工作原理，框圖如圖5.1所示。它的工作原理就是將調(diào)頻波延時t0，當(dāng)t0 滿足一定條件時，

13、可以得到相位變化規(guī)律與調(diào)制信號變化規(guī)律基本相同的調(diào)相波。檢測出這個相位變化就可獲得解調(diào)信號，這種方案多用于集成電路鑒頻器中。圖5.1 移相乘積鑒頻電路框圖若調(diào)頻波為單頻余弦信號調(diào)制的信號，表示為 (5.1)延時t0后的調(diào)頻波可表示為 (5.2)若to 0.2/，將調(diào)頻信號與其延時后的信號相乘得式（5.3）經(jīng)低通濾波器輸出為 (5.4)假定ct0 /2，這個假定可以在具體電路中實現(xiàn)，并假定 mf ct0 0.2，則上式可近似為： (5.5)由此，實現(xiàn)了調(diào)頻波的解調(diào)?？梢钥闯觯绻訒r（或相移）網(wǎng)絡(luò)只要能把FM波的載波信號延時90度，就可實現(xiàn)用乘積解調(diào)的方法實現(xiàn)解調(diào)。3.2 延時網(wǎng)絡(luò)我們知道，一個

14、簡單的RC電阻網(wǎng)絡(luò)可以構(gòu)成移相（或延時）網(wǎng)絡(luò)，如圖5.2所示?？梢钥闯觯患塕C積分網(wǎng)絡(luò)最大相移為90度。圖5.2 RC積分移相網(wǎng)絡(luò)通常在FM解調(diào)電路的移相器中，使用LC并聯(lián)諧振回路的特性實現(xiàn)90度的相移達到乘積鑒相的目的。3.3 FM集成電路芯片DG1353是一種將電視伴音中放、鑒頻及音頻功放電路集成一體的雙極型單片模擬集成電路，它是為電視接收機的伴音中放和音頻部分設(shè)計的。1.引腳功能及內(nèi)部電路框圖該集成電路采用了雙列直插14腳封裝結(jié)構(gòu)，其上有散熱片。其內(nèi)部包括伴音中頻放大器、調(diào)頻檢波器、直流音量控制電路、2.4W音頻輸出放大器和穩(wěn)壓器，其引腳功能如表5-1所示。表51引腳功能表引腳號功能引

15、腳號功能1、2接調(diào)頻檢波調(diào)諧回路8功放輸出3接去加重電容器9接自舉電容器4音頻衰減輸出10功放電源（B2）5穩(wěn)壓輸入（電源B1）11接反饋電容器6接去耦電容器12、13中頻輸入7功放音頻信號輸入14音量控制調(diào)節(jié)圖5.3 FM解調(diào)電路圖5.3中的FM解調(diào)部分中，F(xiàn)M信號由1腳和2腳間的正交線圈（LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)）移相90度后，在乘法器中相乘，由8腳輸出解調(diào)信號。4 實驗步驟1.將撥動開關(guān)JP8置于12之間，接通“調(diào)頻信號的解調(diào)電路”的直流電壓；2.用信號源產(chǎn)生一個FM信號，參數(shù)為：載波頻率fc = 6.5MHz，調(diào)制頻偏Freq DIV=0.5MHz，調(diào)制信號頻率f = 10KHz。3.將FM信號加

16、到P18端，將撥動開關(guān)JP3置于1-2之間（把音頻輸出與功放輸入相連接），撥動開關(guān)JP9置于12之間，用示波器觀察P19點的波形；4調(diào)節(jié)FM信號的各個參數(shù)，觀察P19波形的變化。實驗六混頻器實驗（選做）（對于未選通信電子線路學(xué)生不做要求）一實驗?zāi)康耐ㄟ^實驗加深理解混頻器的基本原理、混頻概念；二實驗儀器示波器（帶寬大于40MHz）1臺萬用表1只雙路直流穩(wěn)壓電源1臺信號發(fā)生器2臺(或調(diào)幅信號發(fā)生器1臺）頻譜儀1臺三實驗原理3.1 混頻器在超外差接收機的作用單次變頻超外差接收機典型框圖如圖3.1所示。低噪放用于對天線接收到的微弱信號放大；混頻器把接收頻率變到所需的固定中頻，由解調(diào)電路恢復(fù)出基帶信號，

17、最后由功放電路推動負載輸出。圖6.1典型超外差接收機框圖3.2 混頻的種類及混頻器的應(yīng)用混頻有上、下混頻兩種類型：l 上變頻（上混，up-conversion），如GSM發(fā)射系統(tǒng)。 （6.1）l 下變頻（下混，down-conversion），如超外差接收機。 （6.2）混頻器是通信機中的重要組成部件。在發(fā)射機中一般用上混頻，它將已調(diào)制的中頻信號搬移到射頻段。接收機一般為下混頻，它將接收到的射頻信號搬移到中頻上。接收機的混頻器位于LNA之后，將LNA輸出的射頻信號通過與本振信號的相乘變換為中頻信號?；祛l器在輸入端口接收兩個信號并在輸出端口產(chǎn)生多個頻率分量。顯然，線性系統(tǒng)是不能實現(xiàn)這個任務(wù)的，而

18、必須由二極管、場效應(yīng)管或雙結(jié)型晶體管等非線性器件來完成。3.2.1 混頻原理3.2.1.1 混頻原理（頻域） 從頻域角度來看，混頻是一種頻譜的線性搬移，輸出中頻信號與輸入射頻信號的頻譜結(jié)構(gòu)相同，唯一不同的是載頻。下面用頻譜來說明混頻的過程。首先說明一點，負頻率在物理上是不存在的，就像虛數(shù)一樣，為了數(shù)學(xué)計算的需要而引的。更數(shù)學(xué)地看問題，混頻就是頻譜的線性搬移，單音信號f(t) 的Fourier變換為： (6.3)圖6.2 信號乘以正弦函數(shù)的頻譜變化 圖6.3 （a）載頻為的射頻信號頻譜 圖6.3 （b）本振信號頻譜圖6.3 （c）混頻后信號頻譜理想的帶通濾波器濾波器頻率幅度響應(yīng)特性分別如圖6.4

19、（a）和圖6.4（b）所示：圖6.4 （a） 中心頻率為的理想帶通濾波器圖6.4 （b）中心頻率為的理想帶通濾波器當(dāng)圖3.5（c）中的混頻后信號分別通過如圖6.5（a）和6.5（b）的帶通濾波器后的頻譜如下：圖6.5 (a) 上混頻頻譜圖6.5 (b) 下混頻頻譜用高通濾波器取出和頻，則實現(xiàn)了上混頻；若用低通濾波器取出差頻，則實現(xiàn)了下混頻。3.2.2 混頻原理（時域）從時域上來看，混頻就是基于三角函數(shù)相乘關(guān)系來實現(xiàn)的： (6.3)若接收射頻信號為：，本振信號為：，則： (6.4)由此可見，實現(xiàn)了混頻。3.2.3 混頻電路的行為級仿真用ADS2003可以進行混頻器的行為級仿真，射頻輸入源Freq

20、=14.090MHz, P=polar(dbmtow(-40),0)；本振信號源Freq=14.545MHz, P=polar(dbmtow(-40),0)，混頻器輸出采用Butterwoth濾波器，在50歐Term(終端)上得到中頻電壓IF_OUT(Intermediate Frequency)，如圖3.8所示?；祛l器輸出頻譜如圖3.9所示，下混頻中頻電壓頻譜如圖3.10所示。 圖6.6 諧波平衡法混頻器的行為級仿真 圖6.7 混頻器輸出頻譜(兩個混頻信號m1,m2的功率基本相等)圖6.8 經(jīng)過濾波器后混頻器輸出下變頻頻譜(混頻信號m4的功率經(jīng)過濾波器大大衰減)四、實驗電路圖6.9中T1、T2、T3和二極管D1、D2、D3、D4構(gòu)成一個經(jīng)典的雙平衡混頻器，