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晶体管变频器

实验
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完成预习报告 (第2页)

我们来一起回答预习报告上的问题，这些答案主要来自PPT。

问题1：本实验电路中混频器输入信号、本振信号和输出信号的频率是多少？数值关系？

  • 混频器输入信号 (RF信号，PPT称Vs(t)或fi，指高频已调波信号)：
    • 根据PPT第8页，信号源输出的是调幅波。
    • 载波频率 (fs 或 fi_载波): 10 MHz
    • 调制信号频率 (包络频率 fm 或 fi_包络): 1 KHz
  • 本振信号 (LO信号，PPT称Vo(t)或fs)：
    • 根据PPT第4页、第11页、第15页和第20页，本振频率 (f_LO 或 fs_载波) 设计为 16.5 MHz。这是一个未调制的正弦信号。
  • 输出信号 (IF信号，PPT称Vi(t)或fo，指中频信号)：
    • 混频器的输出会产生很多频率成分，包括 f_LO + fs, |f_LO - fs|, 2f_LO + fs 等等。
    • 实验中，后续的中频放大器会选择其中一个。通常选择差频。
    • 中频频率 (f_IF 或 fo_载波) = |f_LO - fs| = |16.5 MHz - 10 MHz| = 6.5 MHz。
    • 这个输出信号仍然是调幅波，其包络频率与输入信号的包络频率相同，即 1 KHz。
  • 数值关系：
    • 输出中频信号的载波频率 fo_载波 = |fs_载波 - f_LO_载波| (或者 fs_载波 + f_LO_载波，本实验取差频)
    • 输出中频信号的包络频率与输入高频信号的包络频率相同。

问题2：本实验电路包括本机振荡器、高频调谐、混频器和中频放大器，在调试时，这几个电路的调试先后顺序？

根据PPT第11、12、13、20页的调试步骤逻辑：

  1. 本机振荡器 (Local Oscillator)：首先要确保本机振荡器正常工作并输出正确的频率 (16.5MHz) 和合适的幅度。对应PPT第11页，调2RW1使电流1.8mA，调振荡器中周使频率16.5MHz。
  2. 中频放大器 (IF Amplifier)：然后调试中频放大器，使其谐振在预期的中频频率 (6.5MHz)。对应PPT第12页和第20页，调中放电路到6.5MHz。
  3. 混频器 (Mixer) 及 高频调谐 (RF Tuning)：最后调试混频器。
    • 设置混频器静态工作点 (调1RW1使电流0.5mA，PPT第13页)。
    • 调整混频器的输入回路（高频调谐，通常与本振回路通过双联可变电容1C8/2C8联动调谐，PPT第4、13页）使其对输入信号 (10MHz) 匹配良好。
    • 调整混频器的输出回路（负载回路）使其谐振在中频频率 (6.5MHz)，并与中频放大器输入匹配。 (PPT第13页，调节混频器中周)
  • 总结顺序： 本机振荡器 -> 中频放大器 -> 混频器 (及其输入高频调谐和输出调谐)。

问题3：调幅信号经过变频器后，调制方式有无变化？

  • 根据PPT第14、15页，输入的是调幅波，经过变频器（混频和中放）后，在3PT3观察到的输出信号仍然是调幅波。
  • 理想的变频器（线性混频器）只改变信号的载波频率，不改变其调制方式和调制信息（包络）。
  • 答案： 调制方式（调幅 AM）没有变化。变化的只是载波频率和信号幅度（因为有变频增益或损耗）。

实验仪器与连接

现在，我们假设你已经进入实验室，找到了你的实验箱和仪器。

1. 实验所需仪器

  • 通信电子线路实验箱 (EEHF-3)：核心设备，上面有我们要用的电路模块 (PPT第5页)。
  • 双踪示波器 (如 NDS202U)：用来观察波形 (PPT第6、7页)。你需要两根探头。
  • 信号发生器 (如 RIGOL DG4062)：产生高频调幅信号 (PPT第8页)。需要一根BNC线。
  • 直流稳压电源 (如 GPS3303C)：给实验箱供电 (+12V) (PPT第10页)。需要两根香蕉头线。
  • 万用表：用来测量电流 (设置在DCA mA档) 和电压 (PPT第7页)。需要两根表笔。
  • 连接线若干：实验箱上模块之间连接用的短导线 (PPT第5页右下角提示)。
  • BNC转接头/T型头 (可能需要)：如果示波器要同时观察两个信号而只有一个输入时，或者信号源输出要分路时。

2. 仪器初始设置

非常重要：在连接任何线路之前，确保所有仪器的电源开关都处于关闭状态！

  • 直流稳压电源 (PPT第10页)：
    • 找到电源上的一组输出（比如CH1）。
    • 电压调节旋钮调到 +12V。
    • 电流限制旋钮先调小一点（比如0.1A或0.2A），开机后再根据实际工作电流微调，防止电流过大烧坏电路。PPT第10页显示工作时电流大约0.03A，所以限流0.1A是安全的。
  • 信号发生器 (PPT第8页)：
    • 选择输出通道 (如CH1)。
    • 设置输出为 调幅 (AM) 波。
    • 载波 (Carrier) 设置：
      • 频率 (Frequency): 10 MHz
      • 幅度 (Amplitude): 0.03 Vpp (Vpp = Peak-to-Peak voltage，峰峰值)
    • 调制 (Modulation) 设置：
      • 调制类型 (Type): AM
      • 调制源 (Source): 内部 (Internal)
      • 调制波形 (Shape): 正弦波 (Sine)
      • 调制频率 (AM Freq): 1 KHz
      • 调制度 (AM Depth): 30%
    • 确保输出是关闭的 (Output OFF)，等线路连好后再打开。
  • 示波器 (PPT第6、7页)：
    • 通道1 (CH1) 和 通道2 (CH2) 设置：
      • 耦合方式 (Coupling): AC (交流)
      • 带宽限制 (Bandwidth): 全带宽 (Full) 或 20MHz (如果担心高频噪声)
      • 探头衰减 (Probe): 设置为 10X (如果用的是10X探头，这是常用的)。
      • 垂直灵敏度 (Volts/Div): 先调到一个大概的范围，比如 50mV/div 或 100mV/div，之后再根据实际波形调整。
      • 水平时基 (Time/Div): 先调到比如 10us/div (观察10MHz载波) 或 200us/div (观察1KHz包络)，之后再调整。PPT第14页建议观察包络时用 500us/div。
      • 触发源 (Trigger Source): CH1 (如果你主要用CH1观察)
      • 触发方式 (Trigger Mode): Auto (自动) 或 Normal (常规，配合调节触发电平)
      • 触发电平 (Trigger Level): 先调到中间位置。
  • 万用表 (PPT第7页)：
    • 如果测电流：功能旋钮打到 DCA (直流电流) 的 mA 量程。红表笔插入 mA 插孔，黑表笔插入 COM 插孔。
    • 如果测电压：功能旋钮打到 DCV (直流电压) 或 ACV (交流电压) 合适的量程。红表笔插入 VΩHz 插孔，黑表笔插入 COM 插孔。

3. 电路连接 (参照PPT第5、9、10、11、12、13页)

再次确认所有电源关闭！

  1. 电源连接 (PPT第10页)：

    • 直流稳压电源的 正极 (+) 输出端用红色香蕉头线连接到实验箱面板上标有 +E1 或 +12V 的红色接线柱。
    • 直流稳压电源的 负极 (-) 或 GND 输出端用黑色香蕉头线连接到实验箱面板上标有 GND 的黑色接线柱。
    • PPT第5页右上角显示了+E1和GND。

  2. 信号源连接 (PPT第8、9页)：

    • 信号发生器的 输出端口 (Output) 用BNC线连接到实验箱上 “RF Signal 1” (混频输入，10MHz) 的BNC输入口 (PPT第5页左上角)。

  3. 实验箱内部跳线及开关设置：

    • 开关设置 (PPT第20页，KA2, KA3)：确保实验箱上的总电源开关 (通常标为POWER或类似) 是关闭的。PPT提到KA2、KA3电源开关，这些可能是实验箱上模块的独立供电开关，确保它们在初始状态是关闭的，或者按照指导书图示连接。根据PPT第5页的图，KA2, KA3是拨码开关，将KA2和KA3拨到ON (通常是向上拨)。
    • 3K2 开关 (PPT第12、13页)：找到开关3K2，将其拨到 2-3 位置。
    • 短接线：按照PPT第11、12、13页的图示，用短导线连接实验模块上的各个测试点和连接点。特别注意图中红圈标出的连线。
      • PPT第11页的 “短接线” 是用来测振荡器电流的，测完后要接上。
      • PPT第12页的 “1-2” 或 “2-3” 指的是开关3K2的选择。
      • PPT第13页显示了混频部分的完整连接。

实验步骤、观察与数据记录

现在可以开始动手操作了！每一步都要小心，仔细观察。

打开电源：

  1. 检查所有连接是否正确、牢固。
  2. 打开直流稳压电源的开关。观察电流表读数，正常应该比较小 (PPT第10页显示0.03A左右)。如果电流过大，立刻关闭电源检查线路！
  3. 打开实验箱上的总电源开关 (如果有)。
  4. 打开信号发生器的输出 (Output ON)。
  5. 打开示波器。

第一部分：基本功能调试与波形观察

这部分的目标是让振荡器、混频器、中放都工作在正确的状态，并观察关键点的波形。 我们会用到示波器的两个通道，CH1和CH2。

1. 本机振荡器调试 (参考PPT第11页，目标：2PT2输出16.5MHz)

  • 测电流1.8mA：
    • 找到PPT第11页图中 “短接线” 的位置。先断开这条短接线。
    • 将万用表设置为 DCA mA档。
    • 万用表的红表笔接到短接线的一端，黑表笔接到短接线的另一端，相当于把万用表串入电路中。
    • 调节电位器 2RW1 (振荡器电流调整)，使万用表读数为 1.8mA 左右。
    • 调好后，移开万用表表笔，并用短接线重新连接好该处。这一步非常重要！否则振荡器不工作。
  • 测频率16.5MHz：
    • 将示波器的一个探头 (比如CH2) 连接到测试点 2PT2 (本机振荡信号输出，在“振荡器”模块附近，见PPT第4页)。
    • 调节示波器的CH2垂直灵敏度和水平时基，直到能清晰看到一个正弦波。
    • 观察波形频率。大多数示波器有自动测量频率功能 (Measure -> Frequency)。
    • 仔细调节振荡器模块的 “中周” (通常是一个可调磁芯电感，需要用无感螺丝刀伸进去慢慢旋转，见PPT第11页图示位置)，直到示波器显示的频率为 16.5MHz。
    • 同时观察幅度，PPT第13页提到2PT2输出420mVp-p，但这里是初步调整，幅度可以通过2RW2后续调整。

2. 中频放大器调谐 (参考PPT第12、20页，目标：中放回路谐振在6.5MHz)

  • 这一步的目的是让中频放大器（一中放、二中放）的选频回路准确谐振在6.5MHz。
  • 确保开关3K2在2-3位置 (PPT第12页)。
  • 通常中放的调谐需要配合扫频仪，或者在有中频信号输入时，调节中放的调谐元件 (比如中周磁芯) 使输出信号幅度最大。
  • 在这个实验中，PPT第13页会统一调整。可以理解为，我们会先让混频器产生一个6.5MHz左右的信号，然后细调中放的“中周”，使最终在3PT3的输出最强、波形最好。

3. 混频器调试 (参考PPT第13页，目标：3PT3输出清晰的6.5MHz调幅波)

  • 测电流0.5mA (混频管静态工作点)：
    • 找到电位器 1RW1 (混频器偏置电流调整)。
    • 找到混频管的集电极。你需要断开集电极到负载（比如混频器中周初级）的连线，将万用表 (DCA mA档) 串联进去。红表笔接电源侧，黑表笔接集电极侧。
    • 调节 1RW1，使万用表读数为 0.5mA。
    • 调好后，移开万用表，并恢复原来的连接。
  • 调整本振注入幅度 (2PT2输出420mVp-p)：
    • 示波器探头CH2仍然接在 2PT2。
    • 调节电位器 2RW2 (本振输出幅度调整)，使2PT2输出的正弦波峰峰值 (Vpp) 为 420mVp-p。可以使用示波器的Measure -> Vpp功能。
  • 联调与输出观察 (核心步骤)：
    • 将示波器的另一个探头 (比如CH1) 连接到测试点 3PT3 (最终中频输出，在“二中放”模块之后，见PPT第4页)。
    • 现在你需要同时调节几个地方，目标是在3PT3处得到一个清晰、幅度较大的、载波为6.5MHz、包络为1KHz的调幅波。
      • 双联调电容 (1C8/2C8, PPT第4、5、13页)：慢慢旋转这个大旋钮。它同时改变本振回路和输入回路的电容。观察3PT3的输出幅度变化，找到幅度最大的位置。此时，也应再次确认2PT2的频率仍在16.5MHz附近，如有偏差，微调振荡器中周。
      • 混频器中周 (PPT第13页图示位置)：用无感螺丝刀调节混频器输出端的中周磁芯。
      • 中放电路中周 (一中放和二中放的中周，PPT第13页图示位置)：依次调节这两个中周的磁芯。
      • 调节原则：边调边观察3PT3的输出波形。目标是幅度最大，波形不失真。这几个调谐点可能会相互影响，需要反复细调几次。
      • 示波器设置 (观察3PT3)：
        • 要观察6.5MHz载波：水平时基调到 0.1us/div 或 0.2us/div 左右。
        • 要观察1KHz包络：水平时基调到 500us/div (PPT第14页建议)。触发电平调到包络线的顶端或底端，使包络稳定。

4. 观察与记录波形 (填写第3页上半部分，对应PPT第15、16页)

当3PT3输出波形稳定且满意后，开始记录数据。

  • 在实验报告第3页 “调幅波信号与本振信号混频” 部分：

    • 图形 Vi (应为输入信号Vs(t)或RF信号)：

      • 将示波器CH1探头移到 1PT1 (高频输入信号测试点，一般在混频管基极或输入匹配网络后)。
      • 调节示波器，观察清晰的10MHz载波被1KHz信号调制的波形。
      • 记录 fi 载波 = 10 MHz
      • 记录 fi 包络 = 1 KHz
      • 在Vi下方的坐标轴上，手绘出你观察到的这个调幅波形。要能看出载波和包络。
      • 记录其峰峰值 Vpp (例如 Vpp = 30mV，根据信号源设置)。

    • 图形 Vs (应为本振信号Vo(t)或LO信号)：

      • 示波器CH2探头仍在 2PT2。
      • 观察清晰的16.5MHz未调制正弦波。
      • 记录 fs 载波 = 16.5 MHz
      • 记录 fs 包络 = N/A (或填“无”)
      • 在Vs下方的坐标轴上，手绘出这个正弦波形。
      • 记录其峰峰值 Vpp (例如 Vpp = 420mV，根据2RW2的调整)。

    • 图形 Vo (应为输出中频信号Vi(t)或IF信号)：

      • 将示波器CH1探头移回到 3PT3。
      • 观察清晰的6.5MHz载波被1KHz信号调制的波形。
      • 记录 fo = 6.5 MHz (这个fo指的是中频载波频率)
      • 在Vo下方的坐标轴上，手绘出这个调幅波形。
      • 记录其峰峰值 Vpp (例如 Vpp = XXX mV，实际测量值)。

    • 小提示：手绘波形时，注意横轴t的相对比例，以及纵轴V的相对幅度。

第二部分：研究变频增益与本振电压Vo的关系 (填写第3页下半部分表格，对应PPT第17、18页)

这部分的目标是研究本振信号的幅度 (Vo，即2PT2的电压) 如何影响最终中频输出信号的幅度 (Vi，即3PT3的电压)。变频增益大致可以认为是 Vi / Vs_input (其中Vs_input是1PT1处的信号幅度，但这里简化为只看Vi随Vo的变化)。

  • 保持1PT1输入信号不变 (即信号发生器设置不变，0.03Vpp, 10MHz AM)。
  • 示波器CH2探头接 2PT2 (测量本振电压Vo)。
  • 示波器CH1探头接 3PT3 (测量中频输出电压Vi)。
  • 步骤 (参考PPT第17页)：
    1. 调节电位器 2RW2，使 2PT2 的输出电压 (Vo，峰峰值) 为 50mVpp。
    2. 观察并记录此时 3PT3 的输出电压 (Vi，峰峰值)。注意3PT3是调幅波，记录其包络的峰峰值。
    3. 在实验报告第3页的表格 “变频增益与本振电压的关系” 中，第一列填入Vo (2PT2) 的值 (50mV)，第二列填入对应的Vi (3PT3) 的值。
    4. 继续调节 2RW2，使Vo (2PT2) 以100mVpp的间隔从50mVpp增加到750mVpp (即 50, 150, 250, 350, 450, 550, 650, 750 mVpp)。每改变一次Vo，就记录一次对应的Vi (3PT3) 的值。
    5. 然后，使Vo (2PT2) 以150mVpp的间隔从750mVpp增加到1200mVpp (即 750, 900, 1050, 1200 mVpp)。每改变一次Vo，就记录一次对应的Vi (3PT3) 的值。
    6. 重要：在改变Vo的过程中，密切关注3PT3输出波形的变化。是否出现失真？幅度如何变化？这些都是分析的依据。

数据整理、分析与结论 (填写第4、5页)

实验操作和原始数据记录完成后，就可以整理数据并进行分析了。

1. 数据整理 (第4页)

  • 调幅波信号与本振信号混频：
    • 这部分主要是把第3页手绘的波形图再整理一下，确保清晰。
    • 把之前记录的 fi_载波, fi_包络, fs_载波, fo_载波 值也写在对应位置。
  • 分析与结论 (针对第一部分波形观察)：
    • 总结观察到的现象：输入10MHz的AM波和16.5MHz的本振信号，在混频器输出端经过中放选频后，确实得到了载波为6.5MHz的AM波。
    • 确认频率关系：fo = |fs - fi_本振|，包络频率不变。
    • 描述各个波形的特征。

2. 变频增益与本振电压的关系 (第5页)

  • 表格：将第3页记录的Vo和Vi数据誊写到第5页的表格中 (如果第3页表格不够大的话)。
  • 图形：
    • 在第5页下方的坐标纸上 (如果没有坐标纸，就自己画坐标轴)，绘制 Vi (中频输出幅度) vs Vo (本振注入幅度) 的关系曲线。
    • 横轴为 Vo (mVpp)，纵轴为 Vi (mVpp)。
    • 根据表格中的数据点在坐标系中描点，然后用平滑的曲线连接这些点。
  • 分析与结论 (针对第二部分)：
    • 描述曲线特征：
      • 当Vo较小时，Vi如何随Vo变化？(通常是随Vo增大而Vi增大)
      • 当Vo增大到一定程度后，Vi如何变化？(可能达到一个饱和值，甚至可能下降)
      • 是否存在一个最佳的Vo值，使得Vi最大且波形不失真？
    • 解释原因 (参考PPT第17页下方的文字)：
      • 当Vo较小时，混频管的跨导基波分量小，变频增益小。
      • Vo增大，跨导基波分量增大，变频增益增大。
      • Vo过大时，混频管可能进入开关状态或非线性区域变化，导致增益不再增加或下降，甚至波形失真。
    • 得出结论：为了获得较好的变频效果（较大的增益和较小的失真），本振电压需要选择在一个合适的范围内。过小则增益不足，过大可能导致失真或增益下降。

3. 实验总结与思考 (可以在实验报告最后的空白处补充)

  • 本次实验学到了什么？
  • 调试过程中遇到了哪些问题？如何解决的？
  • 有哪些可以改进的地方？

实验结束工作

  1. 关闭电源：先关闭信号发生器的输出，然后关闭实验箱电源，再关闭直流稳压电源，最后关闭示波器。
  2. 整理仪器：拆除连接线，将探头、导线等放回原位。
  3. 打扫卫生：保持实验台整洁。
  4. 报告检查：再次检查实验报告是否有遗漏，数据是否合理，图表是否清晰。

重点注意事项回顾 (PPT第20页)

  • 频率确认：本振16.5MHz，信号源10MHz，中频6.5MHz。
  • 示波器设置：通道耦合、探头衰减要正确。观察包络时，时间轴500us/格。
  • 开关正确：KA2, KA3 ON。3K2 在2-3。
  • 调谐要仔细：各级中周的调谐要耐心，以输出波形最佳为准。
  • 安全第一：连接电路时务必断电。电源电压极性不要接反。电流异常立即断电检查。