Published

- 17 min read

高频小信号放大电路实验

实验
Thumbnail

实验项目 高频小信号谐振放大器

I. 实验目的 (Objective - Slide 8)

  • 学习并掌握对高频小信号谐振放大器进行调整（调谐）的方法。
  • 学习并掌握测试放大器各项主要技术指标（如增益、通频带、矩形系数）的方法。
  • 具体操作一个包含单调谐回路（第一级）和双调谐回路（第二级）的两级谐振放大器。

II. 关键概念 (Key Concepts)

  • 谐振放大器: 利用LC谐振回路作为负载，只对谐振频率f₀附近一个狭窄频带内的信号进行放大，对频带外的信号有抑制作用的选择性放大器。
  • 调谐: 通过改变LC谐振回路的参数（通常是可变电容或可调电感磁芯），使其谐振频率对准所需的工作中心频率（本实验为6.5 MHz）。
  • 增益 (Av): 谐振频率点上，放大器输出信号幅度与输入信号幅度之比，通常用分贝(dB)表示。
  • 通频带 (BW): 放大器增益从谐振点下降3dB（即下降到最大值的0.707倍）时所对应的频率范围 (BW₀.₇ 或称 -3dB带宽)。
  • 矩形系数 (Kr): 衡量放大器频率响应曲线陡峭程度的指标。通常定义为增益下降幅度更大（如-20dB）时的带宽 (BW₀.₁) 与-3dB带宽 (BW₀.₇) 之比 (Kr₀.₁ = BW₀.₁ / BW₀.₇)。矩形系数越接近1，选择性越好。
  • 频谱仪与跟踪源 (TG): 主要测量仪器。频谱仪显示信号幅度随频率的变化。跟踪源提供一个频率与频谱仪扫描同步的信号源，作为放大器的输入，直接测量其频率响应。
  • 归一化 (Normalization - Slide 19): 一种校准步骤，利用频谱仪和跟踪源消除测试系统本身（包括线缆、探头）的频率响应对测量结果的影响，使得显示的曲线仅代表被测放大器自身的特性。

III. 电路简介 (Circuit Overview)

  • 实验使用预制好的实验箱，包含一个两级放大电路（参考 Slide 7 框图 & Slide 11 电路图）。
  • 第一级 (一中放): 单调谐放大器，使用NPN晶体管(3DG6)和LC谐振回路（可能涉及变压器3T1及相关电容如3C7, 3C9）。输入端为3PT1，输出通过开关3K3连接到第二级。
  • 第二级 (二中放): 双调谐（带通滤波器）放大器，也使用3DG6晶体管。采用耦合谐振回路（变压器3T2及电容3C13, 3C14, 3C15）以获得更好的选择性。输入端为3PT2，输出端为3PT3。
  • 开关: 实验板上的DIP开关（如3K1, 3K3, 3K4, KA2-电源开关）用于配置电路，以便测试单个级或级联放大器。（注意Slide 16：开关拨到ON表示连接对应数字的端点）。
  • 调谐元件:
    • 中周 (IF Transformers 3T1, 3T2): 可调磁芯，用于粗调谐振频率 (Slide 17)。
    • 微调电容 (Trimmer Capacitors 3C7, 3C9, 3C13, 3C14, 3C15): 用于精细调节谐振频率（旋转范围约180度）(Slide 17)。

IV. 所需设备 (Required Equipment)

  1. 通信电子线路实验箱 (EEHF-3)
  2. 直流稳压电源 (GPS3303C 或类似型号): 提供+12V直流电压。
  3. 带跟踪源的频谱仪 (DSA815 或类似型号)
  4. 示波器探头 (x10): 需要两支。
  5. 连接线 (BNC线缆, 直流电源线)
  6. (级联实验可能需要): 衰减器 (例如 20dB 或 30dB)

V. 安全及通用规程 (Safety & General Procedures)

  • 两人一组，按指定实验台号就座 (Slide 2)。
  • 电源操作安全 (Slide 14):
    • 连接电路前: 打开电源，设置电压为+12V，设置合适的电流限制（如0.1A或0.2A），确保输出(OUTPUT)处于关闭状态。
    • 将电源GND（黑色接线柱）连接到实验箱GND。
    • 将电源+12V（红色接线柱，CH1或CH2设为12V）连接到实验箱+12V输入端。
    • 仔细检查接线无误。
    • 打开实验箱主电源开关 (KA2 - Slide 21 显示其闭合)。
    • 最后才按下电源的输出(OUTPUT)按钮。观察电流表读数，应为一个稳定的小电流。若电流过大或为零，立即关闭输出，检查短路或开路。
  • 探头接地 (Slide 36): 务必先将探头的接地夹可靠地连接到电路的地点，然后才能用探针接触信号点。
  • 爱护仪器设备。如有疑问，请咨询指导老师。
  • 保持实验台整洁，禁止在实验室内饮食 (Slide 4)。
  • 认真记录数据，注明单位和测试条件。

VI. 实验步骤 (Experimental Procedure)

目标谐振频率: 6.5 MHz

第一部分：第二级中放 (二中放) 测试

  1. 连接与设置:

    • 按上述步骤连接好直流电源 (+12V 和 GND) 并开机 (KA2闭合, 电源OUTPUT打开)。
    • 将频谱仪的 TG Output (跟踪源输出) 连接到一支x10探头。
    • 将频谱仪的 RF Input (射频输入) 连接到另一支x10探头。确保探头档位在x10。
    • 设置开关 (参考Slide 22 二中放典型设置): 配置开关以隔离第二级中放。通常需要设置3K1, 3K4等开关来接通信号路径和电源，并确保3K3断开第一级输出与第二级输入的连接。（请根据实验指导书或老师要求确认仅测试第二级的具体开关设置）。
    • 频谱仪设置 (Slide 19 & 23):
      • 执行预设 (Preset)。
      • 中心频率 (FREQ - Center): 6.5 MHz
      • 扫频宽度 (SPAN): 10 MHz
      • 分辨率带宽 (BW/Det - RBW): 10 kHz
      • 幅度设置 (AMPT): 输入衰减设为 0 dB，或调整参考电平 (Ref Level) 到合适值 (如 Slide 23 的 -10 dBm)。
      • 跟踪源 (TG): 打开 (按键灯亮)。设置 TG 输出电平: 0 dBm。

  2. 归一化 (Normalization - Slide 19, 20, 22):

    • 将 两个探头 的探针 同时 连接到 第二级中放的输入端 (3PT2)。确保两个接地夹都连接到附近的地点。
    • 在频谱仪上，找到 归一化 (Normalize) 功能（通常在 Trace、Marker 或 TG 菜单下）。
    • 执行归一化操作（如选择 “Normalize”, “Store Ref” 等）。屏幕上应出现一条位于0dB参考电平的平坦直线。

  3. 测量与调谐 (Slide 24):

    • 断开接在3PT2上的两个探头。
    • 将来自 TG Output 的探头连接到第二级中放的 输入端 (3PT2)。
    • 将来自 RF Input 的探头连接到第二级中放的 输出端 (3PT3)。
    • 观察频谱仪上显示的频率响应曲线。初始状态可能未对准中心频率或形状不佳。
    • 调谐顺序 (从后级往前调):
      • 调节 3T2 的次级 侧调谐元件（右侧磁芯 和/或 微调电容 3C15），使响应峰值移动到 6.5 MHz。
      • 调节 3T2 的初级 侧调谐元件（左侧磁芯 和/或 微调电容 3C13）以及可能的耦合电容（3C14），以获得 最大增益 和 良好峰形（避免双峰或过宽，这是双调谐回路耦合过重/过轻的特征）。目标是在6.5MHz获得单峰、最陡峭的边沿。初级和次级可能需要反复微调。
    • 需要时重新归一化: 如果误操作关闭了TG或更改了主要设置，应在最终读数前重新进行归一化。

  4. 数据记录 (Slide 26 & 27):

    • 调谐完成后，使用频谱仪的 Marker (标记) 功能：
      • 将标记点置于曲线峰值：记录 中心频率 (f₀) 和 峰值增益 (Av) (单位dB)。
      • 使用 Marker Function (标记功能，如带宽/dB带宽测量模式)：
        • 测量峰值 下降3dB 处的带宽：记录 BW₀.₇。
        • 测量峰值 下降20dB 处的带宽：记录 BW₀.₁。
      • 计算 矩形系数 (Kr₀.₁) = BW₀.₁ / BW₀.₇。
    • 绘制或保存响应曲线的波形图。

第二部分：第一级中放 (一中放) 测试

  1. 连接与设置:

    • 保持电源连接。
    • 重新配置开关 (参考Slide 28): 调整开关以隔离第一级中放。通常需要设置 3K3 连接 2-3 端 （断开第一级输出到第二级输入的连接，以便直接测量输出），并可能需要调整3K1/3K4。（同样，请确认仅测试第一级的具体开关设置）。
    • 保持频谱仪设置 (中心6.5MHz, SPAN 10MHz, RBW 10kHz, TG 0dBm)。

  2. 归一化:

    • 将 两个探头 的探针 同时 连接到 第一级中放的输入端 (3PT1)。接地夹接好。
    • 在频谱仪上再次执行 归一化 操作。

  3. 测量与调谐 (Slide 29):

    • 将来自 TG Output 的探头连接到 3PT1 (输入)。
    • 将来自 RF Input 的探头连接到 第一级的输出端 （可通过 3K3 的开关端子测量，或查找是否有专用测试点。概念上常是下一级的输入端，具体视内部连接和3K3开关而定）。（请明确测量隔离的第一级输出的具体测试点）。
    • 观察响应曲线。
    • 调节第一级的调谐元件（3T1 的磁芯 和/或 微调电容如 3C7, 3C9），使峰值对准 6.5 MHz 并获得最大增益。单调谐回路通常调谐找峰值比较简单。

  4. 数据记录 (Slide 30 & 31):

    • 同第一部分，使用标记记录 f₀, Av (dB), BW₀.₇, BW₀.₁。
    • 计算 Kr₀.₁。
    • 绘制或保存波形图。

第三部分：级联放大器测试

  1. 连接与设置:

    • 保持电源连接。
    • 重新配置开关 (Slide 32): 设置开关将第一级的输出连接到第二级的输入。通常，3K3 应连接 1-2 端。确保其他电源/信号开关 (3K1, 3K4) 处于正常的级联工作状态。
    • 关键：频谱仪调整 (Slide 32 & 33):
      • 保持频率=6.5MHz, SPAN=10MHz, RBW=10kHz。
      • 将 TG 输出电平 更改为 -30 dBm。这非常重要，因为级联后的增益会很高（预期约60dB），0 dBm输入很可能使放大器饱和并可能损坏频谱仪输入端。
      • 如果-30dBm仍然过高，或者TG无法设置到这么低，可能需要在TG输出探头路径上串联一个物理衰减器 (例如20dB或30dB) (参考Slide 33)。

  2. 归一化 (使用-30dBm TG电平):

    • 将 两个探头 的探针 同时 连接到 整个级联放大器的输入端 (3PT1)。接地夹接好。
    • 在频谱仪上执行 归一化 （注意此时TG电平是-30dBm）。

  3. 测量与调谐 (Slide 34):

    • 将来自 TG Output 的探头（如果用了衰减器，则包括衰减器）连接到 3PT1 (级联输入)。
    • 将来自 RF Input 的探头连接到 整个级联放大器的输出端 (3PT3)。
    • 观察总的频率响应曲线。
    • 调谐 (从后级往前微调): 对级联放大器进行微调以获得最佳性能。原则是从最后一级开始往前调整，因为后级调整对前级负载影响相对较小。
      • 微调 3C15 / 3T2次级。
      • 微调 3C13 / 3T2初级 / 3C14。
      • 微调 3C7 / 3T1 / 3C9。
      • 目标是在 6.5 MHz 获得一个尖锐、清晰的单峰，增益尽可能高，且不产生自激振荡（Slide 34提到可能出现噪声/不稳定，可能需要调整耦合，如通过3K3）。

  4. 数据记录 (Slide 35 & 37):

    • 使用标记记录级联后的 f₀, Av (dB), BW₀.₇, BW₀.₁。注意：这里测得的 Av (dB) 是相对于 -30dBm 输入的。实际增益 = 标记读数(dB) + 30dB (或者 + 使用的衰减器值dB)。
    • 计算总的 Kr₀.₁。
    • 绘制或保存波形图。注意观察级联后的带宽通常比单级窄，而增益显著提高。

VII. 数据分析与报告 (Data Analysis & Reporting)

  • 将记录的各级（一中放、二中放）和级联放大器的数据整理成表格（类似 Slides 27, 31, 37）。
  • 附上每次测量的频率响应曲线图（手绘或保存的图片）。
  • 比较测量的f₀与目标值6.5 MHz。
  • 比较级联增益 (Aro) 与单级增益的乘积 (Av1 * Av2 – 注意dB与线性值转换)。理论上应大致相当。
  • 比较级联带宽 (ΣBW₀.₇) 与单级带宽。级联后带宽应变窄，分析原因。
  • 讨论各配置下的矩形系数。双调谐回路通常矩形系数更好（更接近1）。
  • 回答实验指导书或老师提出的问题。
  • 撰写实验结论，总结主要发现和观察。
  • 附上经老师签字的原始数据记录（Slide 4 要求）。

VIII. 故障排除 (Troubleshooting - Slide 38)

  • 电源无电流显示: 检查电源接线、电压设置、输出开关、实验箱主开关KA2、保险丝。
  • 谐振曲线不对/噪声大: 检查频谱仪设置（频率、带宽、RBW、TG电平、TG是否打开）、实验箱开关设置、探头接地是否良好、重新归一化、检查调谐步骤。检查是否自激振荡（不稳定的尖峰）。
  • 增益/带宽不合理: 重新归一化！ 确认探头在x10档。确认电源已打开。级联测试时，确认TG电平为-30dBm（或使用了合适的衰减器）。 仔细检查标记读数和计算。

IX. 实验后工作 (Post-Experiment)

  • 先关闭电源的OUTPUT，再关闭电源总开关。
  • 关闭频谱仪电源。
  • 小心拆除所有连线。
  • 归还探头和线缆。
  • 整理实验台 (Slide 4 要求)。