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1、高频实验二 晶体三极管混频电路实验一、实验目的1.进一步学习变频电路的相关理论、工作原理以及基本电路结构。2.掌握三极管混频电路的工作原理和调试方法。3了解熟悉其他变频方法以及电路。4学会通过仿真而了解混频电路特性以及各电路原件的作用的方法。二、实验仪器1小信号调谐放大器实验板2200MHz泰克双踪示波器(Tektronix TDS 2022B)3. 8808A FLUKE万用表4.220V市电接口5.EE1461高频信号源6.AT6011 频谱分析仪7.PC一台(附有multisim仿真软件)三、背景介绍：在通信技术中，经常需要将信号自某一频率变换为另一频率，一般用得较多的是把一个已调的高频
2、信号变成另一个较低频率的同类已调信号。例如：在超外差中波接收机中，经天线接收到的高频信号(载频位于535 kHz1605kHz中波波段各电台的普通调幅信号) 通过变频，变换成465kHz的中频信号；在调频广播接收机中, 把载频位于88 MHz108MHz的各调频台信号变换为中频为10.7MHz的调频信号。完成这种频率变换的电路称变频器，采用变频器后，接收机的性能将得到提高。图 2-1混频器的电路模型 本振信号用于产生一个等幅的高频信号UL ，并与输入信号US经混频器后所产生的差频信号经带通滤波器滤出。目前，高质量的通信接收机广泛采用二极管环形混频器和由差分对管平衡调制器构成的混频器，而在一般接
3、收机（例如广播收音机）中，为了简化电路，还是采用简单的三极管混频器。四、实验原理 高频电路中的混频器利用电路中的非线性，可以对两个输入信号进行频率加或减，产生和频信号或差频信号。本实验采用晶体三极管作混频电路,产生茶品信号，将高频信号转化成低频信号。晶体管混频电路原理图如下图2-2所示。其中，晶体管起信号的混频作用，两个输入信号分别为和；电容Cin1、Cin2、Cout为信号输入和输出的耦合电容，起到隔直流的作用，使前后级的直流电位不相互影响，保证各级工作的稳定性；电容Ce对高频交流信号相当于短路，消除偏置电阻Re对高频信号的负反馈作用，提高高频信号的增益；电阻元件Rb1、Rb2、Re决定晶体
4、管的工作点；电路中的电感L和电容C组成的谐振电路起选频作用，在产生的组合频率中选择所需要的中频输出信号。vin1VCCRb1R b2Re CeVoutLCCin1CoutCin2vin2图2-2 晶体管混频器实验原理电路公式推导：在忽略三极管内部反馈和集电极电压反作用的情况下，基极电压和集电极电流的函数关系可以写为 将上式用泰勒级数展开，鉴于很小，可以忽略二次方以及以上各项，并将各表达式代入，可得运用数学手段，化简上式，提取中频频率,那么中频电流分量为 ，其振幅为，输出的中频电流振幅与输入的高频信号电压振幅之比，称为变频跨导,并且有.实验电路：晶体三极管混频电路实验电路如图2-2所示。本电路使
5、用的是共发电路，本振电压UL(FL频率为10.7MHz)从晶体管的发射极e输入，信号电压Us(频率Fs为10.245MHz)从晶体三极管的基极输入，混频后的中频(Fi=FL-Fs)信号由晶体三极管的集电极输出。输出端的带通滤波器必须调谐在中频Fi上，本实验的中频为Fi=FL-Fs=10.7MHz-10.245MHz=455kHz。且电路中,即本振电压为大信号，输入信号电压为小信号。图2-3 晶体三极管混频电路实验电路图电容C1是隔直电容，滑动变阻器RW1和电阻R1,R2是晶体管基极的直流偏置电阻，用来决定晶体管基极的直流电压，电阻R3是射极直流负反馈电阻，决定了晶体管射极的直流电流Ie。晶体管
6、需要设置一个合适的直流工作点，才能保证混频器电路正常工作，有一定的电压增益。通常，适当的增加晶体管射极的直流电流Ie可以提高晶体管的交流放大倍数，增大混频器电路的变频增益。但Ie过大，混频电路的噪声系数会急剧增加。对于混频器电路，一般控制Ie在0.2-1mA之间。电阻R4是混频器的负载电阻。电容C3，C4是混频器直流电源的去耦电容。五、实验准备第一部分：理论计算 要产生455kHz的中频信号，那么两输入信号的频率差就应为455kHz，鉴于实验室比较容易获得10.7MHz的高频信号，那我们不妨就取本振信号为10.7MHz，于是输入信号的频率就应为10.7MHz-455kHz=10.245MHz。
7、另外为了满足本振信号是大信号，输入信号是小信号的约束条件，我们不妨就取输入信号=100mV,=500mV。下面来计算谐振回路的LC，谐振回路所起的主要作用就是选频，即选出频率是455kHz的中频信号，即,从而我们不妨取L=10uH，C=12nF,把这些参数值代入仿真电路即可第二部分：仿真 下图为仿真时的电路图：步骤一、输入信号的频率为10.245MHz，本振信号的频率为10.7MHz，两者的频率差为455kHz，仿真观察输出信号的波形及频率（波形记录如下）。频率计显示的输出信号的频率：比较密的是输入波形，稀疏的是输出波形该变频增益将Timebase调小，将图形放大了测量其幅值， 步骤二、在仿真
8、过程中增加射极电流Ie的值，观察混频器变频增益的变化，和输出波形的变化。（噪声，失真度）射极电流（mA）0.6060.7981.17452.238变频增益（倍）6.898.13710.6714.72规律总结：随着射极电流的增大，电路的变频增益也逐渐增大。但是随着射极电流的增大，混频电路的噪声系数会急剧增加，受噪声影响输出波形有很多毛刺（如下图）。毛刺很多，很不光滑。（噪声的影响）步骤三、在仿真过程中增加本振信号的幅度，保持输入信号幅度100mV不变观察混频器变频增益的变化，和输出波形的变化。（噪声，失真度）本振信号幅度（mV）3005007001000变频增益(倍)6066.897.097.4
9、4规律总结：变频增益随着本振信号电压幅度的变大而增加。步骤四、在仿真过程中保持本振信号的幅度500mV不变，增加输入信号的幅度，观察混频器变频增益的变化，和输出波形的变化。（噪声，失真度）输入信号幅度（mV）2050100200变频增益（倍）10.698.116.894.22规律总结：变频增益随着输入信号幅度的增加而减小。六、具体实验内容及步骤1.中频频率观测在实验箱主板上插上晶体三极管混频电路实验模块，接通实验箱上电源开关电源指标灯点亮。 由高频信号源产生10.7MHz的正弦信号，作为本振信号接入晶体三极管混频电路实验模块IN2端，高频信号源产生的10.245MHz输入信号接入IN1端。调整
10、两个信号的大小，本振信号幅度为500mV，输入信号的幅度为100mV，调整分压电阻RW1使晶体管的射极电流在1mA左右，用示波器观测 TP3点并用频率计测量OUT端频率，应有频率为455kHz的信号输出。调整微调电容CV，使输出信号幅值最大、失真最小。经过不断调节，我们得到的输出幅值最大、失真最小的波形如下图此时输出波形的频率示波器上显示的却是是455kHz。此时的实验条件是：输入信号幅度为111mV,频率为10.245MHz；本振信号幅度为500mV,频率为10.7MHz。输出信号赋值为207mV。为什么波形的负半周期会有那么多噪声？试解释之。原因1：本振源里面存在杂散噪声所引起的。图中为本
11、振频率，在本振信号两侧存在边带噪声，如虚线三角部分所示。是有用信号频率。与混频后，产生中频 。与为两个干扰信号。它们与混频后，产生的频率分量可能不在中频通带之内，因而不会引起干扰哨声。但或与边带噪声中的某些噪声分量混频后，可能产生正好落在中频通带内的频率分量，形成中频噪声，结果使得输出信噪比下降，从而出现如上的波形。解决方法：使用好一点的射频信号源，使得本振信号的频谱尽量纯净。原因2：为了探究其原因，我逐个的检查电路各点的信号，发现一个奇怪的现象就是输入本振信号在未连入到电路中时用示波器测量波形很完好，但连入电路中之后就发现波形的负半周已经不稳定，波形总是晃动而且还变形。有晃动的不稳定的波纹由
12、此可以联想输出波形的负半周那么多噪声正是由于这些波纹造成的，这些晃动的波纹通过混频器之后输出的波在信号负半周叠加，从而才出现了上面怪异的输出波形。而这些晃动的波纹是由于高频电路本身对电路的影响造成的（因为只有在信号源接入电路之后测得的信号源输出的信号才是这样），所以我们只要减小电路本身对信号源的影响就想了，可行的办法之一就是在射极电阻的两端并联一个电容（如右图），这样可使整个电路本身对信号源的影响大大减小。2当改变高频信号源的频率时，输出中频 TP3的波形作何变化，为什么？ 答：当改变高频信号源的输出频率时，不管是输入信号频率还是本振信号频率，输出中频波的波形基本不变，只是频率改变，这是因为变
13、频器只是改变信号频率，并不改变其波形，且中频频率为，当你改变或是时，显然会变，所以输出信号只有频率的变化，波形并不改变。3. 混频的综合观测用高频信号源产生中心频率为10.245MHz的调幅信号，接入晶体三极管混频电路实验模块IN1端，由高频信号源产生的10.7MHz本振信号接入IN2端。调整两个信号的大小和RW1，用示波器观测 TP3点波形，特别注意观察TP1和TP3两点波形的包络是否一致。上面的为输入的调幅波的包络；下面的为输出中频信号的包络此实验现象再次验证了混频器只将已调高频信号的载波频率从高频变为中频，并不改变其调制规律。4.观察静态工作点对混频器增益和输出波形的影响。逐步增加射极电
14、流Ie的值，观察混频器变频增益的变化，和输出波形的变化。（易知由于射极电阻大小不变，所以只要改变射极电压的大小就可以改变Ie，显然改变Ve实质上也就变成改变的大小了，即旋转RW1即可）Ve(V)3.284.245.065.89输出信号电压（mV）198207233254规律总结：与仿真结果一致，随着射极电流的增大，电路的变频增益也逐渐增大。原因解释：有这样的实验公式，三极管混频器的变频跨导运用数学的手段分析该式，我们可以得到在一定的范围内是随着的增大而增大的，而由前面的推导可知越大越大，所以随着的增大而增大。当然由于我们用的实验箱限制，所有器件参数都固定好了，达不到大的电流，所以观察不到仿真过
15、程中出现的“随着射极电流的增大，混频电路的噪声系数会急剧增加，受噪声影响输出波形有很多毛刺”的现象。5. 观察本振信号幅度对混频器增益和输出波形的影响。逐步增加本振信号的幅度，观察混频器变频增益的变化，和输出波形的变化。下面是实验记录结果：（输入信号的幅值一直保持111mV）本振信号幅度（mV）5006007008009001000输出信号幅度(mV)207237251265271275混频增益（倍）1.862.132.262.392.442.48规律总结：与仿真结果类似，随着本振信号幅度增加，电路的变频增益在逐渐大。原因解释：该图很形象地告诉知道，输入本振电压的幅度越大，那么也就越大，根据关系式，可知会随着本振信号幅度的增大而增大，从而也就解释了如上的规律。6.观察输入信号幅度对混频器增益和输出波形的影响。逐步增加输入信号的幅度，而保持本振信号不变，观察混频器变频增益的变化，和输出波形的变化。
