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1、第8章高频电子技术Multisim仿真实验 8 1单调谐和双调谐回路仿真实验8 2单调谐放大电路仿真实验8 3相乘器调幅电路仿真实验8 4二极管双平衡调幅电路仿真实验8 5同步检波器仿真实验8 6二极管包络检波仿真实验8 7二极管环形混频器仿真实验8 8相乘倍频器仿真实验8 9单失谐回路斜率鉴频器仿真实验8 10AFC锁相环电路仿真实验 8 1单调谐和双调谐回路仿真实验1 实验要求与目的 1 测量LC并联电路的幅频特性和相频特性 2 研究电路谐振频率与电路频率特性及Q值的关系 3 研究双调谐回路的频率特性 改变耦合系数 观察频率特性的变化 2 实验原理 1 在高频电子线路中 小信号放大器和功率
2、放大器均以并联谐振电路作为晶体管的负载 放大后的输出电压从回路两端取出 因此研究并联回路的频率特性具有重要的实际意义 2 并联谐振电路具有选频作用 3 谐振电路的谐振频率 4 电路的品质因数 Q反映了LC回路的选择性 Q值越大 幅频特性曲线越尖锐 通频带越窄 选择性越好 3 实验电路图8 1所示电路为单调谐LC谐振电路 图8 2所示电路为通过电容耦合的双调谐LC谐振电路 图8 1单调谐LC谐振电路 图8 2双调谐LC谐振电路 4 实验步骤1 单调谐LC谐振电路分析 1 按图8 1所示连接电路并设置各元件参数 2 测试频率特性 启动分析菜单中的ACAnalysis 命令 在弹出的交流分析对话框中
3、按图8 3所示进行设置 选择节点1为分析节点 运行仿真 得到图8 4所示的幅频特性曲线和相频特性曲线 图8 3交流分析对话框设置 图8 4单调谐回路的频率特性 3 观察电感和电容取值变化对频率特性的影响 采用参数扫描方法同时观察电感L1分别为0 5mH 1mH 1 5mH时的频率特性 采用参数扫描方法同时观察电容C1分别为150pF 250pF 350pF时的频率特性 启动分析菜单中的ParameterSweep 命令 在弹出的参数设置对话框中进行相应的设置 进行仿真后得到如图8 5所示的L取不同值时的频率特性曲线和如图8 6所示的C取不同值时的频率特性曲线 图8 5单调谐回路L取不同值的频率
4、特性曲线 图8 6单调谐回路C取不同值的频率特性曲线 4 观察负载电阻变化对频率特性的影响 电阻值分别取0 5kHz 1kHz 1 5kHz 进行参数扫描分析 得到如图8 7所示的频率特性曲线 图8 7负载取不同值时的频率特性曲线 由图8 7所示曲线可知 负载的改变会使频率曲线发生改变 当阻值增大时 谐振电压增大 曲线变得尖锐 通频带变窄 但回路谐振频率不变 2 双调谐LC谐振电路分析 1 按图8 2所示连接双调谐电路 电路采用电容耦合 耦合系数K C3 C 其中C C1 C3 C2 C3 用交流分析法对节点3进行分析 得到电路的频率特性曲线如图8 8所示 图8 8双调谐回路的频率特性曲线 2
5、 观察耦合电容取值变化对频率特性的影响 采用参数扫描方法同时观察耦合电容C3分别为150pF 250pF 350pF时的频率特性 启动分析菜单中的ParameterSweep 命令 在弹出的参数设置对话框中进行相应的设置 进行仿真后得到如图8 9所示的C3取不同值时的频率特性曲线 图8 9不同耦合电容时的频率特性曲线 分析图8 9可以知道 当耦合电容比较小时 即电路处于弱耦合状态时 输出电压幅值较小 曲线形状较窄且呈现单峰 当耦合电容太大时 即电路处于强耦合状态时 输出电压幅值较大 曲线形状较宽且呈现双蜂 但曲线顶部出现凹陷 所选频段幅度不均 只有当耦合电容处于临界耦合状态时 输出电压幅度达最
6、大 曲线形状较宽且呈现单峰 图中C3 15pF时 电路处于临界耦合状态 通常耦合电容的取值略超过临界耦合状态 即使得曲线顶部出现凹陷不深的双蜂 这样可以得到较宽的频带 并且频带内较平坦 图8 10所示为C3 20pF时电路的频率特性曲线 和图8 4所示单调谐频率特性曲线相比较 双调谐回路的通频带更宽 更接近于理想矩形的幅频特性 图8 10C3 20pF时的频率特性曲线 5 思考题 1 由仿真结果 见图8 5 可以看到 LC回路的通频带基本不受电感影响 为什么 2 双调谐LC谐振电路与单调谐LC谐振电路相比有何优点 8 2单调谐放大电路仿真实验1 实验要求与目的 1 构建单调谐放大电路 掌握选频
7、放大电路的结构 2 研究单调谐放大电路的特性 掌握单调谐放大电路的工作原理 2 实验原理单调谐放大电路通常用来放大高频小信号 如超外差式接收机的高放和中放电路 因此对其功能的基本要求是必须兼有放大和选频双重作用 这分别由放大电路和选频网络两部分实现 调谐放大器的基本组成如图8 11所示 图8 11调谐放大器的基本组成 3 实验电路单调谐放大电路如图8 12所示 图8 12单调谐放大电路 4 实验步骤1 研究电路的放大特性设置输入信号的频率为1MHz 双击示波器图标 打开仿真开关 可以观察到电路的输入 输出信号波形 如图8 13所示 观察图8 13可以看到 输出信号与输入信号基本上是反相的 同时
8、电路的放大倍数约为50 这说明电路工作在谐振放大状态 图8 13频率为1MHz时输入 输出信号波形 设置输入信号的频率为1kHz 再观察输入 输出信号波形 可以看到此时的输出信号很小 电路工作于失谐状态 设置输入信号的频率为10MHz 再次观察输入 输出信号波形 可以看到此时的输出信号也很小 电路同样工作于失谐状态 由此可见 只有当电路工作于谐振状态时 电路对信号才有放大作用 即电路具有选频放大的能力 2 研究电路的频率特性采用交流分析的方法得到电路的频率特性曲线 启动分析菜单中的的ACAnalysis 命令 在弹出的参数设置对话框中按图8 14所示进行设置 选择节点4进行分析 点击Simul
9、ate按钮 得到如图8 15所示的频率曲线 图8 14交流分析对话框设置 图8 15单调谐电路的频率特性曲线 观察图8 15所示曲线 上面的曲线是电路的幅频曲线 下面的曲线是电路的相频曲线 从幅频曲线可以看到 在频率为1MHz时 电路的输出是最大的 输出约为输入的50倍 同时从相频曲线可以看到 此时输出与输入的相位差基本上为180 即输出与输入反相 5 结论理论计算电路的谐振频率为 即电路的仿真结果与理论分析结果吻合 8 3相乘器调幅电路仿真实验 1 实验要求与目的 1 用相乘器实现正常调幅波电路 观察输出波形 研究其频谱分布 2 用相乘器实现平衡调幅电路 观察输出波形 研究其频谱分布 2 实
10、验原理调制就是将所传递的信号 附加 到高频载波上 根据调制时被控制的高频参数的不同 可以分为调幅 调频和调相电路 调幅就是控制高频载波信号的振幅随着低频调制信号的变化而变化 调频或调相就是控制高频载波信号的频率或相位随着低频调制信号的变化而变化 正常调幅波的表达式为 为简单起见 设初相为0 利用三角函数变换 可得到 其中 为调制指数 平衡调幅波为抑制了载波频率成分的调幅波 它的表达式为 利用三角函数变换 可得到 利用相乘器可以实现幅度调制 3 实验电路图8 16所示电路是用相乘器实现正常调幅的实验电路 电路输出 其中 V1是一个频率为20kHz 幅度为1V 初相为0 的高频载波信号 V2是一个
11、频率为1kHz 幅度为1V 初相为0 的低频调制信号 V3为2V的直流电源 改变V3的大小 可以改变调制指数 图8 16相乘器正常调幅实验电路 4 实验步骤1 用相乘器实现正常调幅实验步骤 1 按图8 16所示连接电路 设置各信号参数 电路的调幅指数等于V2的振幅与V3的比值 此时设置的调幅指数ma 1 2 0 5 2 打开示波器及仿真开关 观察输出波形 如图8 17所示 由图8 17可以看出 高频载波信号的振幅随着调制信号的变化而变化 高频载波信号振幅的包络变化与低频调制信号是一致的 将V2设置为1V 此时的调幅指数ma 1 1 1 观察到的输出波形如图8 18所示 这时电路处于临界调制状态
12、 将V2设置为0 5V 此时的调幅指数ma 1 0 5 2 观察到的输出波形如图8 19所示 观察图8 19所示波形 这时的输出信号振幅包络的变化已不能反映调制信号的变化 这种状态称为过调制 在实际调制电路中 过调制是不允许的 图8 17ma 0 5时的正常调幅输出信号 图8 18ma 1时的正常调幅输出信号 图8 19ma 2时的正常调幅输出信号 3 分析图8 17所示输出调制信号的频谱 启动分析菜单中的FourierAnalysis 命令 在弹出的对话框中按图8 20所示进行设置 点击Simulate按钮 得到如图8 21所示的频谱图 图中的表格是频谱图列表表示方式 图8 20Fourie
13、rAnalysis对话框设置 图8 21调幅电路输出信号频谱 2 用相乘器实现平衡调幅实验步骤 1 将正常调幅电路中的直流电源设置为0 实现平衡调幅 图8 22所示电路是用相乘器实现平衡调幅实验电路 电路输出为 其中 V1是一个频率为20kHz 幅度为1V 初相为0 的高频载波信号 V2是一个频率为1kHz 幅度为1V 初相为0 的低频调制信号 图8 22相乘器平衡调幅实验电路 2 打开示波器 打开仿真开关 观察输出信号波形 观察到的平衡调幅信号如图8 23所示 图8 23平衡调幅输出信号波形 3 分析平衡调幅波的频谱 启动分析菜单中的FourierAnalysis 命令 进行相应设置后仿真得
14、到如图8 24所示的频谱图 图8 24平衡调幅信号频谱 5 结论从频谱角度上看 相乘器是一个线性频率变换器件 可以实现线性的频谱变换 8 4二极管双平衡调幅电路仿真实验1 实验要求与目的 1 构建二极管双平衡相乘器电路 掌握电路的结构 2 分析仿真电路的波形 掌握电路的工作原理 2 实验原理在上一节中 我们调用了软件提供的相乘器实现了幅度调制 在高频电路中 相乘器是实现频率变换的基本组件 在通信系统及高频电子技术中应用最广泛的相乘器有 二极管双平衡相乘器及由双极型或MOS型器件构成的模拟乘法器 模拟乘法器的典型产品有集成BG314 MC1595L BB4214等产品 本实验研究二极管双平衡相乘
15、器的工作原理 电路中的二极管工作在开关状态 且大多采用平衡对称的电路形式 这样可以大大减小不必要的频率分量 3 实验电路二极管双平衡相乘器电路如图8 25所示 电路中要求各二极管的特性完全一致 电路完全对称 本仿真实验调用了四只虚拟二极管 V1是低频调制信号 V2是高频载波信号 V1的参数设置为幅值0 3V 频率500Hz V2的参数设置为幅值4 5V 频率15 9kHz 输出端接有由L1 C1组成的谐振电路 谐振电路的参数设置值使谐振频率等于载波的频率 图8 25二极管双平衡相乘器 4 实验步骤 1 按图8 25所示设置电路中各元件参数并连接电路 2 打开仿真开关 得到如图8 26所示的输出
16、波形 观察波形 可以看出电路输出信号波形是平衡调幅波 图8 26电路输出信号波形 3 对输出信号进行傅里叶分析 观察它的频谱结构 启动分析菜单中的FourierAnalysis 命令 进行相应设置后仿真得到如图8 27所示的频谱图 将图表结合起来看 可知输出信号含有两个频率成分 即上边频 6000 100 6100Hz 和下边频 6000 100 5900Hz 从频谱结构分析可知 输出信号是抑制了载波的平衡调幅信号 频域分析的结果和时域示波器的观察结果是吻合的 图8 27输出信号频谱图 5 结论二极管双平衡相乘器与选频电路的连接可以实现平衡调幅 8 5同步检波器仿真实验1 实验要求与目的 1 用乘法器构建同步检波器 2 仿真分析同步检波器的输入 输出信号波形 3 分析输入 输出信号的频谱结构 掌握电路的工作原理 2 实验原理设输入平衡调幅波为而载波信号为由于平衡调幅波中无载波分量 因此该载波信号必须由本机振荡产生 而 表示它与原载波信号之间的相位差 这两信号相乘的输出为 若滤除高频分量 可得低频分量为 当 0时 低频输出信号的幅值最大 随着相移的加大 输出信号减弱 因此理想情况下要求本
