實(shí)驗(yàn)二 壓控振蕩器和放大器測(cè)量實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)二 放大器和壓控振蕩器測(cè)量實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)設(shè)置的意義寬帶放大器是工作頻率上限與下限之比甚大于1的放大電路。習(xí)慣上也常把相對(duì)頻帶寬度大于2030的放大器列入此類(lèi)。這類(lèi)電路主要用于對(duì)視頻信號(hào)、脈沖信號(hào)或射頻信號(hào)的放大。為了擴(kuò)展帶寬，除了使其增益較低以外，通常還需要采用高頻和低頻補(bǔ)償措施，以使放大器的增益-頻率特性曲線的平坦部分向兩端延展。可以歸入寬帶放大器的還有用于時(shí)分多路通信、示波器、數(shù)字電路等方面的基帶放大器或脈沖放大器（帶寬從幾赫到幾十或幾百兆赫），用于測(cè)量?jī)x器的直流放大器（帶寬從直流到幾千赫或更高），以及音響設(shè)備中的高保真度音頻放大器（帶寬從幾十赫到幾十千赫）等。用于射頻信號(hào)放大的寬帶放大

2、器（大多屬于帶通型），如雷達(dá)或通信接收機(jī)中的中頻放大器，其中心頻率為幾十兆赫或幾百兆赫，通帶寬度可達(dá)中心頻率的百分之幾十。微波放大器的種類(lèi)很多，有行波管放大器、參量放大器、隧道二極管放大器等。衡量放大器性能的主要參數(shù)有增益、噪聲、寄生振蕩和失真等。測(cè)量這些參數(shù)的方法也很多，但是，對(duì)于放大器的微小失真和寄生振蕩的測(cè)量，一般實(shí)驗(yàn)技術(shù)就很難解決。由于頻譜儀具有高靈敏度，高分辨力、寬動(dòng)態(tài)范圍，所以能很好的解決這些參數(shù)測(cè)量的問(wèn)題。壓控振蕩器(簡(jiǎn)稱(chēng)VCO)，是輸出信號(hào)頻率隨輸入控制電壓變化的振蕩器，也可以看作是一種電壓頻率變換器。它可以用作頻率掃描信號(hào)發(fā)生器，F(xiàn)M調(diào)制器等，也是鎖相技術(shù)的重要組成部分。因此

3、在現(xiàn)代通信、導(dǎo)航、雷達(dá)、廣播電視、工業(yè)控制以及儀表測(cè)量等技術(shù)領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用，在航空、航天電子工程設(shè)備中的應(yīng)用更是隨處可見(jiàn)，因此對(duì)壓控振蕩器的學(xué)習(xí)和研究十分重要。振蕩器作為一種電路元件，其輸出量是對(duì)應(yīng)于一定頻率或頻率范圍的電壓或功率。利用頻譜儀，這些頻響數(shù)據(jù)能在示波管屏幕上準(zhǔn)確直觀地顯示出來(lái)。此外，頻譜儀比起示波器來(lái)講對(duì)低電平的失真具有更高的靈敏性，可以準(zhǔn)確直觀地顯示諧波失真。高的靈敏度和寬的動(dòng)態(tài)范圍也使頻譜儀得以測(cè)量低電平調(diào)制。可測(cè)量調(diào)幅，調(diào)頻和脈沖調(diào)制的射頻信號(hào)。頻譜儀可以測(cè)量載波頻率，調(diào)制頻率，調(diào)制電平，和調(diào)制失真。也可測(cè)量變頻器件的特性，如變頻損耗、隔離度和失真度，從顯示上即可讀出。

4、頻譜儀還可用來(lái)測(cè)量長(zhǎng)期和短期頻率穩(wěn)定度。諸如，振蕩器的噪聲邊帶，剩余調(diào)頻和預(yù)熱時(shí)間內(nèi)的頻率漂移都可通過(guò)頻譜儀的已校準(zhǔn)頻寬被測(cè)得。由此可見(jiàn)，以壓控振蕩器為代表，學(xué)習(xí)和掌握用頻譜儀對(duì)振蕩器相關(guān)的各種電路和模塊的性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試的方法和技能，是十分有意義的。本實(shí)驗(yàn)的設(shè)置使學(xué)生掌握壓控振蕩器和放大器的工作原理和主要特性，學(xué)習(xí)利用頻譜儀對(duì)其性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)開(kāi)拓學(xué)生分析問(wèn)題與解決問(wèn)題的能力及增強(qiáng)學(xué)生利用現(xiàn)代儀表測(cè)試系統(tǒng)性能方面的能力等方面也有重要意義。2、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）掌握射頻放大器的基本原理和設(shè)計(jì)方法（2）利用實(shí)驗(yàn)?zāi)K實(shí)際測(cè)量，了解放大器的特性（3）學(xué)會(huì)用頻譜儀的測(cè)試結(jié)果提取放大器的主要參數(shù)（4）掌

5、握壓控振蕩器的工作原理，了解其性能指標(biāo)。（5）學(xué)會(huì)用頻譜儀對(duì)壓控振蕩器的性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。3、實(shí)驗(yàn)原理射頻頻帶放大器可分為寬帶放大器和窄帶放大器，其主要的技術(shù)指標(biāo)有：中心頻率：中心頻率就是放大器的工作頻率，一般在幾百千赫到幾百兆赫。它是放大器的主要指標(biāo)，是根據(jù)設(shè)備的整體指標(biāo)確定的。增益：增益是表示放大電路對(duì)有用信號(hào)的放大能力。通常用在中心頻率上電壓增益和功率增益兩種方法表示：電壓增益 功率增益 式中，、分別為放大電路中心頻率上的輸出、輸入電壓幅度，、分別為放大電路中心頻率上的輸出、輸入功率。通常增益用分貝表示。通頻帶：為保證頻帶信號(hào)無(wú)失真地通過(guò)放大電路，要求放大器的增益頻率響應(yīng)特性必須有與信號(hào)

6、帶寬相適應(yīng)的平坦寬度。放大電路電壓增益頻率響應(yīng)特性中增益由最大值下降3dB時(shí)對(duì)應(yīng)的頻帶寬度，稱(chēng)為放大器的通頻帶。通常以B或表示。選擇性：是指對(duì)通頻帶之外干擾信號(hào)的衰減能力，有兩種描述方法：一是用矩形系數(shù)來(lái)說(shuō)明臨近波道選擇性的好壞；二是用抑制比來(lái)說(shuō)明對(duì)帶外某一特定干擾頻率信號(hào)抑制能力的大小，其定義為，式中是中心頻率上的功率增益；是某特定干擾頻率上的功率增益。抑制比用分貝表示則為工作穩(wěn)定性：是指當(dāng)放大電路的工作狀態(tài)、元件參數(shù)等發(fā)生可能的變化時(shí)，放大器的主要性能的穩(wěn)定程度。不穩(wěn)定現(xiàn)象表現(xiàn)在增益變化、中心頻率偏移、通頻帶變窄、諧振曲線變形等。不穩(wěn)定狀態(tài)的極端情況是放大器自激振蕩，以致使放大器完全不能工

7、作。引起不穩(wěn)定的原因，主要是寄生反饋?zhàn)饔谩榱讼驕p少不穩(wěn)定現(xiàn)象，必須盡力找出寄生反饋的途徑，力圖消除一切可能產(chǎn)生反饋的因素。噪聲系數(shù)：噪聲系數(shù)是用來(lái)描述放大器本身產(chǎn)生噪聲電平大小的一個(gè)參數(shù)。放大器本身產(chǎn)生噪聲電平的大小對(duì)所傳輸?shù)男盘?hào)，特別是對(duì)微弱信號(hào)的影響是極其不利的。圖16-1增益平坦度工作頻率范圍：指放大器滿(mǎn)足各級(jí)指標(biāo)的工作頻率范圍。放大器實(shí)際的工作頻率范圍可能會(huì)大于定義的工作頻率范圍。增益平坦度()：指在一定溫度下，在整個(gè)工作頻率范圍內(nèi)，放大器增益變化的范圍。 增益平坦度由下式表示。 dB其中 ：增益平坦度Gmax：增益頻率掃頻曲線的幅度最大值Gmin：增益頻率掃頻曲線的幅度最小值上

8、述指標(biāo)相互之間，既有聯(lián)系又有矛盾。例如增益和穩(wěn)定性、通頻帶和選擇性等。需要根據(jù)實(shí)際決定主次，進(jìn)行合理設(shè)計(jì)與調(diào)整。壓控振蕩器是振蕩頻率受控制電壓控制的振蕩器，即是一種頻率電壓變換器。輸出頻率, K是壓控振蕩器控制靈敏度或者增益系數(shù)，單位為（弧度/秒）/伏。VCO作為一個(gè)振蕩器，它的頻率由電壓來(lái)控制。壓控振蕩器實(shí)現(xiàn)壓控的方法主要有如下兩種:(1) 直接改變決定振蕩頻率的振蕩回路元件(如R, L, C)的數(shù)值;(2) 控制多諧振蕩器中定時(shí)元件的充放電電流或電壓。利用上述方法，原則上各種振蕩器都可能改造成為一個(gè)壓控振蕩器。VCO首先是一個(gè)振蕩器，只是多了一個(gè)控制端，可以用電壓去控制振蕩器的振蕩頻率。壓

9、控振蕩器主要有如下幾種類(lèi)型:(1) LC壓控振蕩器(2) RC壓控振蕩器(3) 負(fù)阻壓控振蕩器(4) 晶體壓控振蕩器在應(yīng)用中究竟采用那種形式的壓控振蕩器，必須視場(chǎng)合和要求而定。如果只是為了簡(jiǎn)便和有很寬的調(diào)諧范圍(即頻率覆蓋)，而對(duì)相位噪聲沒(méi)什么要求，那么可以選用由RC振蕩器所構(gòu)成的VCO；如果要求有較寬的調(diào)諧范圍和較低的相位噪聲，可以選用由LC振蕩器構(gòu)成的VCO;如果對(duì)相位噪聲指標(biāo)要求較高，而調(diào)諧范圍并不要求那么寬，那么可以選用由晶體振蕩器所構(gòu)成的VCO。壓控振蕩器的主要技術(shù)指標(biāo)(1)中心頻率及頻率變化范圍，要求頻率覆蓋范圍大(2)頻率穩(wěn)定度高(短期和長(zhǎng)期)壓控振蕩器的頻率相對(duì)穩(wěn)定度一般低于用

10、同樣電路構(gòu)成的固定頻率振蕩器。一般LC壓控振蕩器和負(fù)阻壓控振蕩器穩(wěn)定度可達(dá)10-4-10-6/月，晶體壓控振蕩器可達(dá)10-6-10-10/月。一般希望VCO的頻率穩(wěn)定度在長(zhǎng)期和短期范圍內(nèi)比較高。(3)相位噪聲，要求盡可能低，這是VCO最重要的質(zhì)量指標(biāo)。(4)壓控線性 一般壓控振蕩器在頻率覆蓋范圍內(nèi)并不一定能保證很好的壓控線性，使用上一般則希望壓控振蕩器在一定的頻率范圍內(nèi)控制線性度越高越好。(5)壓控增益（或稱(chēng)壓控靈敏度）要求有一定的壓控靈敏度K。K的大小根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求和實(shí)際可能性來(lái)確定。從同步帶的角度希望K越大越好，從邊帶抑制的角度希望K越小越好。因此在滿(mǎn)足同步范圍的前提下盡可能選取較小的K

11、。(6)其他如壓控方便，電路宜于集成化、抗機(jī)械振動(dòng)及抗電磁干擾等。4、實(shí)驗(yàn)設(shè)備AT6030D頻譜儀，壓控振蕩器模塊，直流電源，1-20V直流可調(diào)電源，衰減器，射頻放大器。5、測(cè)量?jī)?nèi)容對(duì)放大器和壓控振蕩器進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)實(shí)際觀測(cè)和測(cè)量，增強(qiáng)對(duì)射頻/微波實(shí)際電路的理解。包括：（1）測(cè)量射頻放大器的頻響曲線,放大增益。（2）測(cè)量VCO的頻率，頻率覆蓋范圍，輸出功率，諧波分量。6、實(shí)驗(yàn)步驟放大器1、先將AT6030D頻譜儀的輸入端和輸出端短接，在AT6030D頻譜儀上顯示輸入功率與頻率的關(guān)系曲線P1f。2、AT6030D頻譜儀工作調(diào)在中心頻率fc=1500MHz，SPEN為3000MHz，為保證放大器處于小信號(hào)放大，AT6030D頻譜儀輸出端加接一個(gè)10dB-20dB的衰減器，按下圖16連接，再用電纜相接放大器輸入端，放大器輸出端和頻譜儀輸入端相接。3、將放大器接入，AT6030D頻譜儀上顯示輸入功率與頻率的關(guān)系曲線P2f，放大器的增益G=P2-P1。放大器AT6030DOUT IN電源衰減器圖16壓控振蕩器1、將壓控振蕩器模塊按下圖1連接AT6030DVCO+12V1-20V圖12、開(kāi)啟AT6030D頻譜儀電源和DC電源，調(diào)節(jié)VCO的調(diào)諧電壓Vtune至最小，觀察AT6030D頻譜儀上所顯示頻率和功率雜散，并記錄。3、調(diào)節(jié)VCO的調(diào)諧電壓Vtune至最大（20V