第6章電路的頻率特性測(cè)試實(shí)訓(xùn)6.1RLC串聯(lián)交流電路的幅頻特性測(cè)試6.1電路的頻率特性介紹6.2掃頻儀及其應(yīng)用實(shí)訓(xùn)6.2調(diào)頻高頻放大器選頻電路的幅頻特性測(cè)試本章小結(jié)

實(shí)訓(xùn)6.1RLC串聯(lián)交流電路的幅頻特性測(cè)試

1.實(shí)訓(xùn)目的(1)了解RLC串聯(lián)交流電路幅頻特性曲線(xiàn)的含義及理論分析。(2)初步學(xué)會(huì)高頻掃頻儀的原理及應(yīng)用。

2.實(shí)訓(xùn)設(shè)備與器件

(1)實(shí)訓(xùn)設(shè)備:BT-3C型高頻掃頻儀1臺(tái)。

(2)實(shí)訓(xùn)器件:焊接板1塊(已焊接好RLC串聯(lián)交流電路)。

3.實(shí)訓(xùn)電路與說(shuō)明

實(shí)訓(xùn)電路如圖6.1所示。圖6.1RLC串聯(lián)交流電路

4.實(shí)訓(xùn)內(nèi)容與步驟

1)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容

(1)進(jìn)行RLC串聯(lián)交流電路幅頻特性的實(shí)際測(cè)試。

(2)理解電路幅頻特性的含義。

(3)掌握電路幅頻特性測(cè)試的基本方法。

(4)加深對(duì)RLC串聯(lián)交流電路諧振概念的理解。

2)實(shí)訓(xùn)步驟

(1)如圖6.1所示,在萬(wàn)能板上焊接好RLC串聯(lián)交流電路,R取100Ω,C取100pF,L為自繞的一段線(xiàn)圈,其大小經(jīng)Q表測(cè)試后約為1.2μH。

(2)在掃頻儀上調(diào)節(jié)好“電源、輝度”旋鈕。

(3)將“輸出衰減”旋鈕的粗調(diào)和細(xì)調(diào)都旋至0dB處。

(4)將“掃描電壓輸出”探頭接電路的輸入端,“Y軸輸入”探頭接電路的輸出端。

(5)調(diào)節(jié)“頻標(biāo)幅度”旋鈕,使頻標(biāo)大小和間隔寬度適中。

(6)改變“中心頻率”旋鈕,觀察實(shí)際的幅頻特性曲線(xiàn)。

5.實(shí)訓(xùn)總結(jié)與分析

我們可在顯示屏上直接讀出諧振頻率fo的數(shù)值。當(dāng)RLC分別取上述參數(shù)時(shí),諧振頻率fo

的理論計(jì)算值為14MHz,而在掃頻儀上讀取的諧振頻率數(shù)值為15MHz左右。當(dāng)然,由于受一些其他因數(shù)的影響,這兩者之間有一定的誤差,但這種誤差仍屬正常范圍。

用手指輕輕壓縮線(xiàn)圈,這時(shí)電感L增大,根據(jù)諧振頻率計(jì)算公式,fo將變小,掃頻儀上諧振點(diǎn)曲線(xiàn)將左移,這種變化將在掃頻儀上很直觀且明顯地反映出來(lái),這和理論上的分析是一致的。

6.1電路的頻率特性介紹6.1.1電路的頻率特性概述我們知道,當(dāng)正弦信號(hào)輸入到線(xiàn)性電路后所產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)也是正弦信號(hào),并且具有與輸入的正弦信號(hào)相同的頻率,所不同的是振幅和相位。振幅和相位均是頻率的函數(shù),分別稱(chēng)之為振幅頻率特性和相位頻率特性,簡(jiǎn)稱(chēng)為幅頻特性和相頻特性,它們均屬于線(xiàn)性電路或線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性。討論線(xiàn)性電路的頻率特性具有十分重要的意義,比如說(shuō),在電子測(cè)量中需進(jìn)行線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)的阻抗特性的測(cè)量,而阻抗特性和傳輸特性一樣,都屬于頻率特性。

最早對(duì)頻率特性的測(cè)試是這樣進(jìn)行的:保持輸入信號(hào)的幅度不變,逐點(diǎn)改變輸入信號(hào)的頻率(稱(chēng)為人工點(diǎn)頻信號(hào)),逐次測(cè)量出相應(yīng)輸出的數(shù)據(jù)(如輸出振幅或輸出相位),匯總后在坐標(biāo)紙上描繪出該網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性或相頻特性曲線(xiàn)。顯然,這種操作方法繁瑣費(fèi)時(shí),而且有可能因測(cè)量頻率間隔不夠密而漏掉被測(cè)曲線(xiàn)的某些細(xì)節(jié),因此其結(jié)果不夠精確,現(xiàn)已被掃頻測(cè)量技術(shù)或其他新測(cè)試技術(shù)所取代。所謂“掃頻”,就是利用某種方法使正弦信號(hào)的頻率隨時(shí)間按一定規(guī)律、在一定范圍內(nèi)反復(fù)掃動(dòng)。這種頻率掃動(dòng)的正弦信號(hào)稱(chēng)為“掃頻信號(hào)”。用掃頻信號(hào)代替人工點(diǎn)頻信號(hào),借助于示波器可以實(shí)時(shí)顯示出被測(cè)電路的頻率特性曲線(xiàn)。

6.1.2放大電路的頻率特性總體描述

1.放大電路的頻率特性總體描述

由于在放大電路中一般都有電容元件,如耦合電容、發(fā)射極電阻交流旁路電容、晶體管的極間電容和連線(xiàn)分布電容等,它們對(duì)不同頻率的信號(hào)所呈現(xiàn)的容抗值是不相同的,因此放大電路對(duì)不同頻率的信號(hào)在幅度上和相位上放大的效果不完全相同,它們表現(xiàn)出了不同的頻率特性。頻率特性又分為幅頻特性和相頻特性。前者表示電壓放大倍數(shù)的模|Au|與

頻率f的關(guān)系;后者表示輸出電壓相對(duì)于輸入電壓的相位差φ與頻率f的關(guān)系。

圖6.2是某單管共發(fā)射極放大電路的頻率特性,它說(shuō)明在放大電路的某一段頻率范圍內(nèi),電壓放大倍數(shù)|Au|=|Auo|,與頻率無(wú)關(guān),輸出電壓相對(duì)于輸入電壓的相位差為180°。隨著頻率的升高或降低,電壓放大倍數(shù)都要減小,相位差也要發(fā)生變化。當(dāng)放大倍數(shù)下降為0.707|Auo|時(shí)所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)頻率分別為下限頻率f1和上限頻率f2。在這兩個(gè)頻率之間的頻率范圍稱(chēng)為放大電路的通頻帶,它是表明放大電路頻率特性的一個(gè)重要指標(biāo)。對(duì)放大電路而言,我們希望通頻帶寬一些,以便讓非正弦信號(hào)中幅值較大的各次諧波頻率都在通頻帶的范圍內(nèi),盡量減小頻率失真。圖6.2放大電路的頻率特性

2.放大電路的幅頻特性簡(jiǎn)單說(shuō)明

在分析放大電路的頻率特性時(shí),將頻率范圍分為低、中、高三個(gè)頻段。

在中頻段,由于耦合電容和發(fā)射極電阻旁路電容的容量較大,故對(duì)中頻段信號(hào)來(lái)講其容抗很小,可視作短路。此外,由于晶體管的極間電容和連線(xiàn)分布電容等電容值都很小,約為幾到幾百皮法,可認(rèn)為它們的等效電容Co并聯(lián)在輸出端上,Co的容量很小,它對(duì)中頻段信號(hào)的容抗很大,可視作開(kāi)路。因此,在中頻段,可認(rèn)為電容不影響交流信號(hào)的傳送,放大電路的放大倍數(shù)與信號(hào)頻率無(wú)關(guān)。

在低頻段,由于信號(hào)頻率較低,耦合電容的容抗較大,其分壓作用不能忽略,以致實(shí)際送到晶體管輸入端的電壓ube比輸入信號(hào)ui要小,故放大倍數(shù)要降低。同樣,發(fā)射極電阻旁路電容的容抗不能忽略,因此就有交流負(fù)反饋,也使放大倍數(shù)降低。在低頻段,Co的容抗比中頻段更大,仍可視作開(kāi)路。

在高頻段,由于信號(hào)頻率較高,耦合電容和發(fā)射極電阻旁路電容的容抗比中頻段更小,皆可視作短路。但Co的容抗將減小,它與輸出端的電阻并聯(lián)后使總阻抗減小,因而使輸出電壓減小,電壓放大倍數(shù)降低。此外,還有另外一個(gè)原因造成在高頻段電壓放大倍數(shù)降低,這就是高頻時(shí)電流放大系數(shù)β也會(huì)下降。這主要是因?yàn)檩d流子從發(fā)射區(qū)到集電區(qū)需要一定時(shí)間,如果頻率高,在正半周時(shí)載流子尚未全部到達(dá)集電區(qū)而輸入信號(hào)就已改變極性,這就使集電極電流的變化幅度下降,因而β值降低。

6.2掃頻儀及其應(yīng)用

6.2.1BT-3C型高頻掃頻儀的原理介紹1.掃頻儀概述我們知道,測(cè)量線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)幅頻特性的儀器稱(chēng)為頻率特性測(cè)試儀,通常又稱(chēng)為掃頻儀,其核心部件是掃頻信號(hào)源。

掃頻測(cè)量與點(diǎn)頻測(cè)量相比,有如下優(yōu)點(diǎn):

(1)可實(shí)現(xiàn)頻率特性曲線(xiàn)的自動(dòng)或半自動(dòng)測(cè)試。

(2)逐點(diǎn)測(cè)量只能得到被測(cè)電路的靜態(tài)特性,而掃頻測(cè)試得到的是被測(cè)電路的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)特性曲線(xiàn)。

(3)快速、直觀、準(zhǔn)確、方便。

2.光點(diǎn)掃描圖示法的工作原理

按顯示原理分,掃頻方法有光點(diǎn)掃描法和光柵增輝法。

圖6.3和圖6.4是利用光點(diǎn)掃描顯示方法測(cè)量動(dòng)態(tài)幅頻特性曲線(xiàn)的原理圖及波形圖。圖中,掃描信號(hào)發(fā)生器(又稱(chēng)射頻振蕩器)是關(guān)鍵環(huán)節(jié),它的輸出信號(hào)的瞬時(shí)振蕩頻率受掃描發(fā)生器所產(chǎn)生的掃描電壓US所調(diào)制。圖6.3測(cè)量動(dòng)態(tài)幅頻特性曲線(xiàn)的原理方框圖圖6.4測(cè)量動(dòng)態(tài)幅頻特性曲線(xiàn)的各點(diǎn)波形圖

3.獲得掃頻信號(hào)的方法和電路

掃頻儀主要由四大部分組成:掃頻信號(hào)發(fā)生器、頻率標(biāo)尺、放大顯示電路及電源。其中顯示部分的工作原理與示波器類(lèi)似,討論從略。掃頻信號(hào)發(fā)生器是掃頻儀的核心部分,它可以作為獨(dú)立的測(cè)量用信號(hào)發(fā)生器,也可以作為頻率特性測(cè)試儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀或頻譜分析儀的組成部分。實(shí)際上,它就是頻率可控的正弦振蕩器,但它的掃頻寬度(常叫“頻偏”)遠(yuǎn)大于正弦振蕩器的頻率變化范圍,其中心頻率變動(dòng)范圍也比正弦振蕩器大得多。掃頻信號(hào)發(fā)生器除具有一般正弦振蕩器所具有的工作特性外,還需滿(mǎn)足如下要求:

(1)中心頻率范圍寬,且可連續(xù)調(diào)節(jié)。中心頻率是指從低頻到高頻之間中心位置的掃頻信號(hào)頻率。不同測(cè)試對(duì)象對(duì)中心頻率有不同的所在頻段要求,如高頻段、中頻段、視頻段和音頻段。

(2)掃頻寬度要寬,并可任意調(diào)節(jié)。頻偏是指調(diào)頻波中的瞬時(shí)頻率和中心頻率之間的差值。

(3)寄生調(diào)幅要小(一般應(yīng)小于1%)

(4)良好的掃頻線(xiàn)性度(一般應(yīng)優(yōu)于5%)。

4.頻率標(biāo)記及顯示部分

為了對(duì)掃頻測(cè)量所得到的頻率特性曲線(xiàn)進(jìn)行分析,必須對(duì)其水平頻率軸(零線(xiàn))分格定標(biāo)才能準(zhǔn)確指出該特性曲線(xiàn)上任何一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率值。頻率標(biāo)記簡(jiǎn)稱(chēng)頻標(biāo)。

產(chǎn)生頻標(biāo)的方法主要有下述四種:差頻法、電壓比較法、吸收法、選拼法。這四種方法都是用模擬的方法產(chǎn)生頻標(biāo)的,這樣獲得的頻標(biāo)稱(chēng)為模擬頻標(biāo)。此外,還有數(shù)字頻標(biāo)。

顯示部分包括掃描發(fā)生器、垂直放大器和示波管等。其中,掃描發(fā)生器是對(duì)于采用市電作調(diào)制信號(hào)的,實(shí)際上是采用了電源變壓器的次級(jí)繞組代替的。掃頻信號(hào)就是從該繞組取出的交流電壓,將其送至示波管水平偏轉(zhuǎn)板,作為進(jìn)行水平掃描的信號(hào),同時(shí)送到掃頻信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行調(diào)制,保證掃描信號(hào)與掃頻信號(hào)同步。

6.2.2BT-3C型高頻掃頻儀的使用

1.面板各主要部分的作用

圖6.5是BT-3C型高頻掃頻儀的面板實(shí)物圖,其基本結(jié)構(gòu)和工作原理如前所述,現(xiàn)在說(shuō)明其面板各主要部分的作用。

面板上的控制裝置可分為顯示部分((1)~(8))、頻標(biāo)調(diào)節(jié)部分((9)~(11))、掃頻調(diào)節(jié)部分((12)~(14))、掃頻輸出及衰減部分((15)~(17))等,各部分控制裝置的作用按圖中標(biāo)號(hào)介紹如下:

(1)熒光屏:用于顯示幅頻特性曲線(xiàn)。

(2)電源、輝度旋鈕:該控制裝置是一只帶開(kāi)關(guān)的電位器,兼電源開(kāi)關(guān)和輝度旋鈕兩種用途。順時(shí)針旋動(dòng)此旋鈕即可接通電源,繼續(xù)順時(shí)針旋動(dòng),熒光屏上顯示的光點(diǎn)或圖形亮度增加。使用時(shí)亮度應(yīng)適中。

(3)聚焦旋鈕:調(diào)節(jié)它使屏幕上掃描基線(xiàn)清晰明亮,以保證顯示波形的清晰度。

(4)“Y位移”旋鈕:調(diào)節(jié)熒光屏上光點(diǎn)或圖形在垂直方向的位置。

(5)“Y增幅”旋鈕:調(diào)節(jié)顯示在熒光屏上圖形垂直方向幅度的大小。

(6)Y軸衰減開(kāi)關(guān):有1、10、100三個(gè)衰減擋級(jí)。根據(jù)輸入電壓的大小選擇適當(dāng)?shù)乃p擋級(jí)。

(7)影像極向開(kāi)關(guān):用來(lái)改變屏幕上所顯示的波形的正負(fù)極性。當(dāng)開(kāi)關(guān)在“+”位置時(shí),波形曲線(xiàn)向上方向變化(正極性波形);當(dāng)開(kāi)關(guān)在“-”位置時(shí),波形曲線(xiàn)向下方向變化(負(fù)極性波形);當(dāng)曲線(xiàn)波形需要正負(fù)方向同時(shí)顯示時(shí),只能將開(kāi)關(guān)在“十”和“-”位置往復(fù)變動(dòng)才能觀察曲線(xiàn)波形的全貌。

(8)Y軸輸入插座:由被測(cè)電路的輸出端用電纜探頭引接此插座,其輸入信號(hào)經(jīng)垂直放大器便可顯示出該信號(hào)的曲線(xiàn)波形。

(9)頻標(biāo)選擇開(kāi)關(guān):有1MHz、10MHz、50MHz和外接四擋。當(dāng)開(kāi)關(guān)置于1MHz時(shí),掃描線(xiàn)上顯示1MHz的菱形頻標(biāo);置于10MHz和50MHz擋時(shí),掃描線(xiàn)上顯示10MHz和50MHz的菱形頻標(biāo);顯示外接時(shí),掃描線(xiàn)上顯示外接信號(hào)頻率的頻標(biāo)。

(10)外接頻標(biāo)輸入:當(dāng)頻標(biāo)選擇開(kāi)關(guān)置于外接頻標(biāo)擋時(shí),外來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)由此接線(xiàn)柱引入,此時(shí)在掃描線(xiàn)上顯示外頻標(biāo)信號(hào)的標(biāo)記。

(11)頻標(biāo)幅度旋鈕:用來(lái)調(diào)節(jié)頻標(biāo)幅度大小。一般幅度不宜太大,以觀察清楚為準(zhǔn)。

(12)點(diǎn)頻、掃頻轉(zhuǎn)換旋鈕:測(cè)試時(shí)置于掃頻位置。

(13)掃頻寬度旋鈕:用于調(diào)節(jié)掃頻寬度。

(14)中心頻率度盤(pán):能連續(xù)地改變中心頻率,度盤(pán)上所標(biāo)定的中心頻率不是十分準(zhǔn)確的,一般是采用邊調(diào)節(jié)度盤(pán)邊看頻標(biāo)移動(dòng)的數(shù)值來(lái)確定中心頻率位置。

(15)掃頻電壓輸出插座:掃頻信號(hào)由此插座輸出,可用75Ω的匹配電纜探頭或開(kāi)路電纜來(lái)連接,引送到被測(cè)電路的輸入端,以便進(jìn)行測(cè)試。

(16)輸出衰減(dB)開(kāi)關(guān)粗調(diào)旋鈕:根據(jù)測(cè)試的需要,選擇掃頻信號(hào)的輸出幅度大小。按開(kāi)關(guān)的衰減量來(lái)劃分,可分粗調(diào)、細(xì)調(diào)兩種。粗調(diào)擋級(jí)有0dB、10dB、20dB、30dB、

40dB、50dB、60dB、70dB八個(gè)擋級(jí)。

(17)輸出衰減(dB)開(kāi)關(guān)細(xì)調(diào)旋鈕:細(xì)調(diào)擋級(jí)有0dB、1dB、2dB、3dB、4dB、5dB、6dB、7dB、8dB、9dB、10dB。粗調(diào)和細(xì)調(diào)衰減的總衰減量為80dB。圖6.5BT-3C型高頻掃頻儀的面板實(shí)物圖

2.掃頻儀的探頭

本儀器配有檢波輸入、開(kāi)路輸入、匹配輸出、開(kāi)路輸出等四根測(cè)量電纜探頭。前面兩種輸入電纜用來(lái)連接被測(cè)電路輸出端與示波器輸入端,實(shí)現(xiàn)掃頻特性顯示,后面兩種輸出電纜用來(lái)連接掃頻儀信號(hào)輸出端與被測(cè)電路輸入端。電纜線(xiàn)的阻抗為75Ω,它們的一端有插頭接到掃頻儀的“Y軸輸入”或“掃頻電壓輸出”插座上;另一端不盡相同,開(kāi)路輸入(輸出)電纜探頭通過(guò)夾子或探針直接和被測(cè)電路相接。

(1)輸入電纜探頭的選擇。

(2)輸出電纜探頭的選擇。

3.利用掃頻儀進(jìn)行電路幅頻特性測(cè)試的基本方法

(1)測(cè)試準(zhǔn)備。

(2)頻標(biāo)的檢查。

(3)輸出掃頻信號(hào)頻率范圍的檢查。

(4)根據(jù)被測(cè)電路指標(biāo)規(guī)定的中心頻率值,選擇適當(dāng)?shù)牟ǘ伍_(kāi)關(guān)擋級(jí),調(diào)節(jié)中心頻率度盤(pán)。

(5)按圖6.6所示電路,連接被測(cè)電路。

(6)選擇適當(dāng)?shù)妮敵鏊p開(kāi)關(guān)和Y軸增益旋鈕。

(7)選擇測(cè)試所需的頻標(biāo)選擇開(kāi)關(guān)擋級(jí)和適當(dāng)調(diào)節(jié)頻標(biāo)幅度旋鈕。

(8)根據(jù)掃頻儀屏幕上所顯示的幅頻特性曲線(xiàn)和控制面板上相應(yīng)裝置位置,進(jìn)行定量讀數(shù)。圖6.6電路幅頻特性測(cè)試方框圖

注意事項(xiàng):

(1)當(dāng)掃頻儀與被測(cè)電路相連接時(shí),必須考慮阻抗匹配問(wèn)題。

(2)在顯示幅頻特性時(shí),如發(fā)現(xiàn)圖形有異常的曲折,則表示被測(cè)電路有寄生振蕩,在測(cè)試前應(yīng)予以排除。

(3)被測(cè)電路的輸入和輸出端不應(yīng)加接較長(zhǎng)的過(guò)渡導(dǎo)線(xiàn),否則導(dǎo)線(xiàn)間的電容寄生耦合會(huì)使幅頻特性曲線(xiàn)發(fā)生變化甚至引起自激。

實(shí)訓(xùn)6.2調(diào)頻高頻放大器選頻電路的幅頻特性測(cè)試

1.實(shí)訓(xùn)目的(1)學(xué)會(huì)調(diào)頻高頻放大器選頻電路幅頻特性曲線(xiàn)的測(cè)量方法。(2)進(jìn)一步學(xué)會(huì)掃頻儀的原理及應(yīng)用。

2.實(shí)訓(xùn)設(shè)備與器件

(1)實(shí)訓(xùn)設(shè)備:BT-3C型高頻掃頻儀1臺(tái)。

(2)實(shí)訓(xùn)器件:萬(wàn)能焊接板1塊(已焊接好調(diào)頻高頻放大器選頻電路)。

3.實(shí)訓(xùn)電路與說(shuō)明

(1)實(shí)訓(xùn)電路。圖6.7為某調(diào)頻立體聲收音機(jī)的調(diào)頻高頻頭的輸入回路、高頻放大器及其調(diào)諧回路的電路圖,為簡(jiǎn)化起見(jiàn),天線(xiàn)及二極管輸入信號(hào)保護(hù)電路在圖中未畫(huà)出。

(2)原理說(shuō)明。圖6.7調(diào)頻高頻放大器選頻電路

4.實(shí)訓(xùn)內(nèi)容與步驟

1)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容

(1)進(jìn)行調(diào)頻高頻放大器選頻電路幅頻特性的實(shí)際測(cè)試。

(2)了解帶通濾波器及可變調(diào)諧回路的結(jié)構(gòu)和工作原理。

(3)觀察和說(shuō)明調(diào)頻高頻放大器選頻電路的幅頻特性曲線(xiàn)。

2)實(shí)訓(xùn)步驟

(1)按圖6.7所示在萬(wàn)能板上焊接好調(diào)頻高頻放大器選頻電路。

(2)調(diào)節(jié)掃頻儀的“電源、輝度”旋鈕。順時(shí)針旋動(dòng)此旋鈕即可接通電源,繼續(xù)順時(shí)針旋動(dòng),使熒光屏上出現(xiàn)亮度適中的掃頻基線(xiàn)。

(3)將“輸出衰減”旋鈕的粗調(diào)和細(xì)調(diào)都旋至0dB處。

(4)將“Y軸衰減”旋鈕置于“10”位。

(5)將“掃描電壓輸出”探頭與“Y軸輸入”探頭短接,調(diào)節(jié)“Y軸增益”,使屏幕上顯示的矩形有一定的高度(例如為5格),這個(gè)高度稱(chēng)為0dB校正線(xiàn)。

(6)將“掃描電壓輸出”探頭接入調(diào)頻高頻放大器選頻電路的輸入端;“Y軸輸入”探頭接調(diào)頻高頻放大器選頻電路的輸出端。

(7)調(diào)節(jié)“頻標(biāo)幅度”旋鈕,使頻標(biāo)大小和間隔寬度適中。

(8)改變“輸出衰減”旋鈕的粗調(diào)和細(xì)調(diào),使顯示的