实验二 压控振荡器和放大器测量实验.doc

实验二 放大器和压控振荡器测量实验
1、实验设置的意义
宽带放大器是工作频率上限与下限之比甚大于1的放大电路。习惯上也常把相对频带宽度大于20％～30％的放大器列入此类。这类电路主要用于对视频信号、脉冲信号或射频信号的放大。为了扩展带宽，除了使其增益较低以外，通常还需要采用高频和低频补偿措施，以使放大器的增益-频率特性曲线的平坦部分向两端延展。可以归入宽带放大器的还有用于时分多路通信、示波器、数字电路等方面的基带放大器或脉冲放大器（带宽从几赫到几十或几百兆赫），用于测量仪器的直流放大器（带宽从直流到几千赫或更高），以及音响设备中的高保真度音频放大器（带宽从几十赫到几十千赫）等。用于射频信号放大的宽带放大器（大多属于带通型），如雷达或通信接收机中的中频放大器，其中心频率为几十兆赫或几百兆赫，通带宽度可达中心频率的百分之几十。
微波放大器的种类很多，有行波管放大器、参量放大器、隧道二极管放大器等。衡量放大器性能的主要参数有增益、噪声、寄生振荡和失真等。测量这些参数的方法也很多，但是，对于放大器的微小失真和寄生振荡的测量，一般实验技术就很难解决。由于频谱仪具有高灵敏度，高分辨力、宽动态范围，所以能很好的解决这些参数测量的问题。
压控振荡器(简称VCO)，是输出信号频率随输入控制电压变化的振荡器，也可以看作是一种电压频率变换器。它可以用作频率扫描信号发生器，FM调制器等，也是锁相技术的重要组成部分。因此在现代通信、导航、雷达、广播电视、工业控制以及仪表测量等技术领域中有广泛的应用，在航空、航天电子工程设备中的应用更是随处可见，因此对压控振荡器的学习和研究十分重要。
振荡器作为一种电路元件，其输出量是对应于一定频率或频率范围的电压或功率。利用频谱仪，这些频响数据能在示波管屏幕上准确直观地显示出来。此外，频谱仪比起示波器来讲对低电平的失真具有更高的灵敏性，可以准确直观地显示谐波失真。高的灵敏度和宽的动态范围也使频谱仪得以测量低电平调制。可测量调幅，调频和脉冲调制的射频信号。频谱仪可以测量载波频率，调制频率，调制电平，和调制失真。也可测量变频器件的特性，如变频损耗、隔离度和失真度，从显示上即可读出。频谱仪还可用来测量长期和短期频率稳定度。诸如，振荡器的噪声边带，剩余调频和预热时间内的频率漂移都可通过频谱仪的已校准频宽被测得。由此可见，以压控振荡器为代表，学习和掌握用频谱仪对振荡器相关的各种电路和模块的性能指标进行测试的方法和技能，是十分有意义的。
本实验的设置使学生掌握压控振荡器和放大器的工作原理和主要特性，学习利用频谱仪对其性能指标进行测试，对开拓学生分析问题与解决问题的能力及增强学生利用现代仪表测试系统性能方面的能力等方面也有重要意义。
2、实验目的
（1）掌握射频放大器的基本原理和设计方法
（2）利用实验模块实际测量，了解放大器的特性
（3）学会用频谱仪的测试结果提取放大器的主要参数
（4）掌握压控振荡器的工作原理，了解其性能指标。
（5）学会用频谱仪对压控振荡器的性能指标进行测试。
3、实验原理
射频频带放大器可分为宽带放大器和窄带放大器，其主要的技术指标有：中心频率：中心频率就是放大器的工作频率，一般在几百千赫到几百兆赫。它是放大器的主要指标，是根据设备的整体指标确定的。
增益：增益是表示放大电路对有用信号的放大能力。通常用在中心频率上电压增益和功率增益两种方法表示：
电压增益 功率增益 式中，、分别为放大电路中心频率上的输出、输入电压幅度，、分别为放大电路中心频率上的输出、输入功率。通常增益用分贝表示。
通频带：为保证频带信号无失真地通过放大电路，要求放大器的增益频率响应特性必须有与信号带宽相适应的平坦宽度。放大电路电压增益频率响应特性中增益由最大值下降3dB时对应的频带宽度，称为放大器的通频带。通常以B或表示。
选择性：是指对通频带之外干扰信号的衰减能力，有两种描述方法：一是用矩形系数来说明临近波道选择性的好坏；二是用抑制比来说明对带外某一特定干扰频率信号抑制能力的大小，其定义为，式中是中心频率上的功率增益；是某特定干扰频率上的功率增益。抑制比用分贝表示则为
工作稳定性：是指当放大电路的工作状态、元件参数等发生可能的变化时，放大器的主要性能的稳定程度。不稳定现象表现在增益变化、中心频率偏移、通频带变窄、谐振曲线变形等。不稳定状态的极端情况是放大器自激振荡，以致使放大器完全不能工作。
引起不稳定的原因，主要是寄生反馈作用。为了消除或减少不稳定现象，必须尽力找出寄生反馈的途径，力图消除一切可能产生反馈的因素。
噪声系数：噪声系数是用来描述放大器本身产生噪声电平大小的一个参数。放大器本身产生噪声电平的大小对所传输的信号，特别是对微弱信号的影响是极其不利的。
图16-1
增益平坦度
工作频率范围：指放大器满足各级指标的工作频率范围。放大器实际的工作频率范围可能会大于定义的工作频率范围。
增益平坦度()：指在一定温
度下，在整个工作频率范围内，放大
器增益变化的范围。 增益平坦度由
下式表示。

dB
其中 ：增益平坦度
Gmax：增益—频率扫频曲线的幅度最大值
Gmin：增益—频率扫频曲线的幅度最小值
上述指标相互之间，既有联系又有矛盾。例如增益和稳定性、通频带和选择性等。需要根据实际决定主次，进行合理设计与调整。

压控振荡器是振荡频率受控制电压控制的振荡器，即是一种频率电压变换器。输出频率, K是压控振荡器控制灵敏度或者增益系数，单位为（弧度/秒）/伏。
VCO作为一个振荡器，它的频率由电压来控制。压控振荡器实现压控的方法主要有如下两种:
(1) 直接改变决定振荡频率的振荡回路元件(如R, L, C)的数值;
(2) 控制多谐振荡器中定时元件的充放电电流或电压。
利用上述方法，原则上各种振荡器都可能改造成为一个压控振荡器。VCO首先是一个振荡器，只是多了一个控制端，可以用电压去控制振荡器的振荡频率。
压控振荡器主要有如下几种类型:
(1) LC压控振荡器
(2) RC压控振荡器
(3) 负阻压控振荡器
(4) 晶体压控振荡器
在应用中究竟采用那种形式的压控振荡器，必须视场合和要求而定。如果只是为了简便和有很宽的调谐范围(即频率覆盖)，而对相位噪声没什么要求，那么可以选用由RC振荡器所构成的VCO；如果要求有较宽的调谐范围和较低的相位噪声，可以选用由LC振荡器构成的VCO;如果对相位噪声指标要求较高，而调谐范围并不要求那么宽，那么可以选用由晶体振荡器所构成的VCO。
压控振荡器的主要技术指标
(1)中心频率及频率变化范围，要求频率覆盖范围大
(2)频率稳定度高(短期和长期)
压控振荡器的频率相对稳定度一般低于用同样电路构成的固定频率振荡器。一般LC压控振荡器和负阻压控振荡器稳定度可达10-4-10-6/月，晶体压控振荡器可达10-6-10-10/月。一般希望VCO的频率稳定度在长期和短期范围内比较高。
(3)相位噪声，要求尽可能低，这是VCO最重要的质量指标。
(4)压控线性
一般压控振荡器在频率覆盖范围内并不一定能保证很好的压控线性，使用上一般则希望压控振荡器在一定的频率范围内控制线性度越高越好。
(5)压控增益（或称压控灵敏度）
要求有一定的压控灵敏度K。K的大小根据技术指标要求和实际可能性来确定。从同步带的角度希望K越大越好，从边带抑制的角度希望K越小越好。因此在满足同步范围的前提下尽可能选取较小的K。
(6)其他如压控方便，电路宜于集成化、抗机械振动及抗电磁干扰等。
4、实验设备
AT6030D频谱仪，压控振荡器模块，直流电源，1-20V直流可调电源，衰减器，射频放大器。
5、测量内容
对放大器和压控振荡器进行测量，通过实际观测和测量，增强对射频/微波实际电路的理解。包括：
（1）测量射频放大器的频响曲线,放大增益。
（2）测量VCO的频率，频率覆盖范围，输出功率，谐波分量。
6、实验步骤
放大器
1、先将AT6030D频谱仪的输入端和输出端短接，在AT6030D频谱仪上显示输入功率与频率的关系曲线P1~f。
2、AT6030D频谱仪工作调在中心频率fc=1500MHz，SPEN为3000MHz，为保证放大器处于小信号放大，AT6030D频谱仪输出端加接一个10dB-20dB的衰减器，按下图16连接，再用电缆相接放大器输入端，放大器输出端和频谱仪输入端相接。
3、将放大器接入，AT6030D频谱仪上显示输入功率与频率的关系曲线P2~f，放大器的增益G=P2-P1。
放大器
AT6030D
OUT IN
电源
衰减器

图16
压控振荡器
1、将压控振荡器模块按下图1连接

AT6030D
VCO
+12V
1-20V

图1
2、开启AT6030D频谱仪电源和DC电源，调节VCO的调谐电压Vtune至最小，观察AT6030D频谱仪上所显示频率和功率杂散，并记录。
3、调节VCO的调谐电压Vtune至最大（20V），观察AT6030D频谱仪上所显示频率和功率，并记录。
4、调节VCO的调谐电压Vtune，观察AT6030D频谱仪上所显示频谱的变化，并用MARKER跟踪，读出不同调谐电压下的频率值和功率值，应满足设计要求f=1300-2350MHz。
5、将VCO调节VCO的调谐电压Vtune至某一值，用AT6030D观测频率并记录，再用AT6030D观测VCO的二次谐波分量记录并比较。
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