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高校“RIGOL高频电子线路实验”

高校“RIGOL高频电子线路实验”

“高频电子线路实验”是我国高等学校电子与信息类专业和其他相关专业普遍要做的实验,主要以无线通信系统中的基本单元电路实验为主要内容,包括单元电路和综合系统电路实验。

记得我当年上学的时候,普遍使用面包板搭电路做实验,而这些年来,为配合各种教学实验而诞生的形形**的“实验箱”已成为我国“一道风景线”。少了自己动手的环节,也许带来的是简单高效,“高频电子线路实验箱”也不例外,设计生产厂家较多,随意找到两个,分别如图1和图2所示,可以看出,采用的电路方案和参数大同小异,做工工艺“有俭有奢”。

1:高频电子线路实验箱1

2:高频电子线路实验箱2

对于正在上学的一部分学生来讲,初做这些实验的时候可能只是忙于把实验做出来,得出结果即可。对于已经在此方面具有一定的工作经验的技术人员来讲,对这些经典电路的理解肯定就又大不一样了。尽管芯片越做越集成,电子设计大赛通常也要求采用分立器件搭建电路。对于搞硬件研发的工程师,想成为模电设计高手,还必须要深入掌握那些管子,那些分立器件的相关知识,当然,布线也非常重要。

下面,我就利用一些当代电子测试测量仪器,也来对这些用分立器件搭起来的实验板上的这些经典的“高频电子线路按我的兴趣做一做实验。既然是高频,讲的又多是频域的概念,那就理应要多使用当代流行的频谱分析仪来进行相关的测试,这样可以更好地帮助学生来理解这些实验课的目的,更直观地达到实验效果。

实验1单调谐回路谐振放大器

一. 实验目的

  • 熟悉电子元器件和高频电子线路实验系统;

  • 掌握单调谐回路谐振放大器的基本工作原理;

  • 熟悉放大器静态工作点和集电极负载对单调谐放大器幅频特性(包括电压增益、通频带、Q值)的影响;

  • 掌握测量放大器幅频特性的方法。

二. 实验用到的仪器设备

  • 单调谐回路谐振放大器模块(某实验箱)

  • 数字示波器 (MSO2302A)

  • 数字万用表DM3058

  • 直流电源 (DP832A)

  • 频谱分析仪 (DSA815-TG)

  • 高频信号源 (DG1062Z)

  • 电缆及附件

    整套设置如图3所示。

3:整套实验设置

三.主要实验内容

  • DSA815-TG测量单调谐放大器的幅频特性;

  • DSA815-TG观察集电极负载对单调谐放大器幅频特性的影响。

  • DSA815-TG观察发射极负载对单调谐放大器幅频特性的影响。


四、单调谐回路谐振放大器实验电路

我先使用图1所示的那个实验箱做实验。这个实验要用到的电路如图4所示。

4:单调谐回路谐振放大器实验电路

图中,R1R2Re用以保证晶体管工作于放大区域,从而放大器工作于甲类。C2Re的旁路电容,C1C3是输入、输出耦合电容,CtCL是谐振回路,可变电容Ct用来调谐。R(10k)是可连接的集电极电阻,以观察集电极负载变化对谐振回路(包括电压增益、带宽、Q值)的影响。3个不同阻值的Re用以观察对谐振回路(包括电压增益、带宽、Q值)的影响。

五.单调谐回路谐振放大器幅频特性测量

测量幅频特性通常有两种方法:扫频法和点测法。自动扫频法简单直观,可直接观察到单调谐放大特性曲线,过去常用的扫频仪已经很过时,为与时代同步,应该采用带跟踪源的频谱分析仪,比如DSA815-TG,由内置的跟踪源产生可设置频率范围的扫频信号,由频谱仪的测量谐振放大器的输出信号,在屏幕上自动显示出放大器的幅频特性曲线。

点测法可看成是手动的扫频法,通过一台信号源产生幅度不变,但可改变频率的信号,通过数字示波器或频谱分析仪测出与频率相对应的单调谐回路揩振放大器的输出的电压值或功率值,然后画出频率与幅度的关系曲线,该曲线即为单调谐回路谐振放大器的幅频特性。

1. 通过扫频法获得单调谐回路谐振放大器的幅频特性

我先采用带内置跟踪源的频谱分析仪DSA815-TG直接测量放大器的幅频特性曲线。

1)实验准备

  • DP832设置为12V/1A,接到实验箱上电源输入端子上。

  • DSA815-TG的跟踪源TG输出端接到实验板上的测试点IN,将DSA815-TG的信号输入端RF INPUT接到实验板的测试点OUT上,如图5所示。

  • 接通电源,此时电源指示灯亮。

5:测量设置

2)实验步骤

  • 根据电路的谐振频率范围设置频谱仪的扫描范围,比如,假设谐振频率范围是10MHz11MHz,则可设置DSA815-TG的起始频率为5MHz, 终止频率为16MHz左右。

  • DSA815-TG的跟踪源的输出功率设置为-20dBm, 并打开跟踪源。

  • 此时,DSA815-TG开始对电路进行扫描测量,并在屏幕上显示出实验板在当前设置下的谐振的频响曲线,如图6所示,通过标尺测得峰值处的频率为10.9MHz,功率为-51.3dBm

6:使用DSA815-TG测得的幅频特性

  • 观察这个实验板上的单调谐谐振放大器电路的调谐频率范围:顺时针调整

    可变电容Ct,使电容值逐步变小,频率逐步升高,利用DSA815-TG的轨迹大保持功能将整个变化过程记录下来,在屏幕上显示出整个过程的频响曲线,如图7中的黄色轨迹所示。

    通过标尺可以测得从左到右整个频率变化范围大概有800KHz

7:整个电路的频率调谐范围

  • 除了图6所示的10.9 MHz频率谐振点的幅频特性曲线,还通过标尺可以这些谐振频点的带宽,比如-3dB带宽,测得的带宽为283.3KHz,如图8所示。

8:使用DSA815-TG测得的带宽

2.观察集电极负载对单调谐放大器幅频特性的影响

  • 不接Rc时的频响曲线,如图9所示。测得的峰值功率为-51.3dBm-3dB带宽为283.3KHz

9:不接Rc时的频响曲线

  • 连接Rc=10K时的频响曲线,如图10中黄色轨迹所示。峰值功率变为-54.43dBm-3dB带宽变为400KHz

10:连接Rc=10K时的频响曲线

  • 连接Rc=2K时的频响曲线,如图11中黄色轨迹所示。峰值功率变为-63.14dBm-3dB带宽变为1.08MHz

11:连接Rc=2K时的频响曲线

  • 连接Rc=470时的频响曲线,如图12中黄色轨迹所示。峰值功率变为-72.41dBm-3dB带宽变为3.75MHz

12:连接Rc=470时的频响曲线

通过观察图12中的3条不同颜色的测量轨迹,可以发现:不接Rc时,幅频特性的幅值大,曲线Q值高,带宽小;而当Rc阻值逐步变小时,幅频特性的幅值也逐步减小,曲线逐步变Q值逐步降低,带宽逐步加大。

3.观察发射极负载对单调谐放大器幅频特性的影响

  • RC=10K,不接Re时的频响曲线,如图13所示。峰值功率为-55.07dBm-3dB带宽为416.7KHz

13RC=10K,不接Re时的频响曲线

  • RC=10K, Re=2K时的频响曲线,如图14中的黄色轨迹所示。峰值功率为-8.88dBm-3dB带宽为450KHz

14RC=10K, Re=2K时的频响曲线

  • RC=10K, Re=1K时的频响曲线,如图15中的黄色轨迹所示。峰值功率为-3.56dBm-3dB带宽为400KHz

15RC=10K, Re=1K时的频响曲线

  • RC=10K, Re=500时的频响曲线,如图16中的黄色轨迹所示,信号出现了严重饱和失真。

16RC=10K, Re=500时的频响曲线

通过以上的测试,可以看到:借助带内置跟踪源的频谱分析仪可以清楚地观察和测量电路的特性,可以直观地帮助理解电路的各种参数变化对单调谐放大器幅频特性(包括电压增益、通频带、Q值)的影响。

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