CN214671366U - 一种高频电路教学仪器设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高频电路教学仪器设备，包括内置在操作箱体内的电源，所述实验仪器与实验模块通过高频连接线连接，所述实验仪器包括可通过高频线电性连接的频率计、高频信号源和低频信号源，所述实验模块包括可通过高频线相互电性连接的高频小信号调谐放大器模块、高频功率放大器模块、振荡器与频率调制模块、二极管包络检波模块、幅度调制与解调模块和锁相模块。本实用新型采用模块化设计，学生可以根据需要选择相应模块完成实验，既可节约维修经费，又方便系统升级；同时，集成了多种高频电路设计及调试所必备的仪器，既可方便学生观察实验现象、调整电路，同时又为学生进行高频电路设计调试时提供工具。

Description

一种高频电路教学仪器设备

技术领域

本实用新型涉及电路教学仪器设备技术领域，具体为一种高频电路教学仪器设备。

背景技术

《高频电子线路》课程是电子信息工程专业必修课，也是电子信息科学与技术专业的专业基础课，是一门理论性、工程性与实践性很强的课程。通过课程学习，使学生熟悉高频小信号放大器、高频功率放大器、正弦波振荡器等单元电路的工作原理，掌握放大电路在高频状态下的特点及计算，掌握通信电子线路的应用及常用晶体管的高频特性，掌握振荡、检波、混频、调制、解调等基本知识。实验教学的要求是使学生了解高频电子信息产生、发射、接收的原理与方法；掌握通信电子线路的基本组成和分析、计算方法；培养学生分析和解决通信电子线路中实际问题的能力，培养创新实践精神。

现有的高频电子线路实验设备为浙江杭州天煌有限公司生产的TKGPZ-1型“高频电子线路实验箱”，该设备若完成高频电路的实验项目需要另外连接其它的仪器配备，如高频信号发生器、函数信号发生器、频率计等信号发生源，造成实验仪器的庞杂，连线较为复杂，这不仅浪费了大量的时间，也极易造成学生的抵触情绪，不利于课程的教学工作；另外，由于设备的老化陈旧，不仅有些实验项目不能做出正确的实验结果，严重影响学生的实验积极性和实验效果，而且设备维护困难，由于单台实验设备的价格较高，学校购置的数量有限，不能满足目前实验教学的需要。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种高频电路教学仪器设备，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种高频电路教学仪器设备，包括内置在操作箱体内的电源，所述电源电性连接实验仪器和实验模块，所述实验仪器与实验模块通过高频连接线连接，所述实验仪器包括可通过高频线电性连接的频率计、高频信号源和低频信号源，所述实验模块包括可通过高频线电性连接的高频小信号调谐放大器模块、高频功率放大器模块、振荡器与频率调制模块、二极管包络检波模块、幅度调制与解调模块和锁相模块。

优选的，所述高频小信号调谐放大器模块包括可通过高频线电性连接的高频小信号单调谐放大器和高频小信号双调谐放大器。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、采用模块化设计，学生可以根据需要选择相应模块完成实验，既可节约维修经费，又方便系统升级；

2、集成了多种高频电路设计及调试所必备的仪器，既可方便学生观察实验现象、调整电路，同时又为学生进行高频电路设计调试时提供工具；

3、各个模块电路既自成系统，又可互连成一个大系统联试联调，可增加实验内容的综合性、系统性和趣味性；

4、实验内容更加丰富，包含了课程的所有重要知识点，并可开设较为复杂性的综合性、设计性实验，填补目前综合性、设计性实验的空白。

附图说明

图1为本实用新型的结构框图；

图2为本实用新型的高频小信号单调谐放大器模块的电路图；

图3为本实用新型的高频小信号双调谐放大器模块的电路图；

图4为本实用新型的高频功率放大器的电路图；

图5为本实用新型的振荡器与频率调制模块的电路图；

图6为本实用新型的二极管包络检波模块的电路图；

图7为本实用新型的幅度调制与解调模块的电路图；

图8为本实用新型的锁相环模块的电路图；

图9为本实用新型的频率计模块的电路图；

图10为本实用新型的高频信号源模块的电路图；

图11为本实用新型的低频信号源模块的电路图；

图12为本实用新型高频小信号调谐放大器模块结构框图。

图中：1电源、2实验仪器、21频率计、22高频信号源、23低频信号源、3实验模块、31高频小信号调谐放大器模块、311高频小信号单调谐放大器、312高频小信号双调谐放大器、32高频功率放大器模块、33振荡器与频率调制模块、34二极管包络检波模块、35幅度调制与解调模块、36锁相模块。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-12，本实用新型提供一种技术方案：

一种高频电路教学仪器设备，包括内置在操作箱体内的电源1，电源1电性连接实验仪器2和实验模块3，实验仪器2与实验模块3通过高频连接线连接，实验仪器2包括可通过高频线电性连接的频率计21、高频信号源22和低频信号源23，实验模块3包括可通过高频线相互电性连接的高频小信号调谐放大器模块31、高频功率放大器模块32、振荡器与频率调制模块33、二极管包络检波模块34、幅度调制与解调模块35和锁相模块36。

高频小信号调谐放大器模块31包括可通过高频线电性连接的高频小信号单调谐放大器311和高频小信号双调谐放大器312，该模块可完成高频小信号调谐(单、双调谐)放大实验，小信号谐振放大器是通信机接收端的前端电路，主要用于高频小信号或微弱信号的线性放大。该高频小信号单调谐放大电路由晶体管TR1和选频回路T1两部分组成，它不仅对高频小信号进行放大，而且还有一定的选频作用。实验中输入信号的频率fs＝10MHz。基极偏置电阻R1、R2和射极电阻R3决定晶体管的静态工作点。拨码开关S2改变回路并联电阻，即改变回路Q值，从而改变放大器的增益和通频带。拨码开头S3改变射极电阻，从而改变放大器的增益。高频小信号双调谐放大电路是将单调谐回路放大器的单调谐回路改为双调谐回路，其原理基本相同。

高频功率放大器通常作为发射极末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率。该实验电路由两级前置放大器和两级功率放大器组成，其中TR1和TR2组成前置放大器，TR3(3DG12)、L3与C8组成甲类功率放大器，工作在线性放大状态，其中R9、R10、R11组成静态偏置电阻，调节RV2可改变放大器的增益。L4与CV1、C14组成的负载回路与TR4(3DG12)组成丙类功率放大器。甲类功放的输出信号作为丙类功放的输入信号(由短路块S2连成)。当短路块S2置于开路位置时则丙类功放无输入信号，此时丙类功放的功率管TR4截止，只有当甲放输出信号大于丙放管TR4 be间的偏压值时，TR4才导通工作。

振荡器与频率调制模块可完成LC与晶体振荡器及变容二极管调频器实验。LC与晶体振荡器包含工作频率为10MHz左右的电容反馈LC三端振荡器和一个10MHz的晶体振荡器。由拔码开关S1决定是LC振荡器还是晶体振荡器(“1”拔向“ON”为LC振荡器，“4”拔向“ON”为晶体振荡器)。在变容二极管调频器实验中，将S1置于“1”为LC振荡电路，从J1处加入调制信号，改变变容二极管反向电压即改变变容二极管的结电容，从而改变振荡器频率。R2、R1和VR1为变容二极管，提供静态时的反向直流偏置电压。

二极管包络检波模块主要完成二极管包络检波实验，二极管包络检波器主要用于解调含有较大载波分量的大信号，它具有电路简单、易于实现的优点。本实验电路主要由二极管D2及RC低通滤波器组成，利用二极管的单向导电性和检波负载RC的充放电过程实现检波，所以RC时间常数的选择很重要，RC时间常数过大，则会产生对角切割失真又称惰性失真；RC常数太小，高频分量会无法滤清，综合考虑要求满足下式：

其中：m为调幅系数，f0为载波频率，为调制信号角频率。

当检波器的直流负载电阻R与交流音频负载电阻RΩ不相等，而且调幅度ma又相当大时会产生负峰切割失真(又称底边切割失真)，为了保证不产生负峰切割失真应满足ma＜RΩ/R。

幅度调制与解调模块可完成模拟乘法器的幅度调制与解调实验。调幅就是用低频调制信号去控制高频振荡(载波)的幅度，使高频振荡的振幅按调制信号的规律变化；而检波则是从调幅波中取出低频信号。振幅调制信号按其不同频谱结构分为普通调幅(AM)信号、抑制载波的双边带调制(DSB)信号、抑制载波和一个边带的单边带调制信号。把调制信号和载波同时加到一个非线性元件上(例如晶体二极管和晶体三极管)，经过非线性变换电路，就可以产生新的频率成分，再利用一定带宽的谐振回路选出所需的频率成分就可实现调幅。请参阅图7，图中IC1是幅度调制乘法器，音频信号和载波分别从J1和J2输入到乘法器的两个输入端，S1和S3可分别将两路输入对地短路，以便对乘法器进行输入失调调零。RV1可控制调幅波的调制度，S2断开时，可观察平衡调幅波，R3为增益调节电阻，R9和R4分别为乘法器的负载电阻，C9对输出负端进行交流旁路。C4为调幅波输出耦合电容，TR1接成低阻抗输出的射级跟随器。IC2是幅度解调乘法器，调幅波和载波分别从J4和J5输入，S4和S5可分别将两路输入对地短路，以便对乘法器进行输入失调调零。R11、R12、R13和C12作用分别与R3、R9、R4、C9相同。

锁相环模块36可完成调频波解调实验，锁相环由三部分组成，它由相位比较器PD、低通滤波器LF、压控振荡器VCO三个部分组成一个闭合环路，输入信号为，输出信号为，并反馈至输入端。锁相环锁相的原理为当调频信号没有频偏时，若压控振荡器的频率与外来载波信号频率有差异时，通过相位比较器输出一个误差电压。这个误差电压的频率较低，经过低通滤波器滤去所含的高频成份，再去控制压控振荡器，使振荡频率趋近于外来载波信号频率，于是误差越来越小，直至压控振荡频率和外来信号一样，压控振荡器的频率被锁定在与外来信号相同的频率上，环路处于锁定状态。当调频信号有频偏时，和原来稳定在载波中心频率上的压控振荡器相位比较的结果，相位比较器输出一个误差电压，以使压控振荡器向外来信号的频率靠近。由于压控振荡器始终想要和外来信号的的频率靠近。由于压控振荡器始终想要和外来信号的频率锁定，为达到锁定的条件，相位比较器和低通滤波器向压控振荡器输出的误差电压必须随外来信号的载波频率偏移的变化而变化。也就是说这个误差控制信号就是一个随调制信号频率而变化的解调信号，即实现了鉴频。请参阅图8，在本实验中，所使用的锁相环为高频模拟锁相环NE564，其最高工作频率可达到50MHz，采用+5V单电源供电，特别适用于高速数字通信中FM调频信号及FSK移频键控信号的调制、解调，无需外接复杂的滤波器。

频率计模块应用微处理器和可编程器件控制测量时序，进行数据处理和结果显示，可靠性高；采用倒数计数技术，实现全频段范围内的等精度测量，测量分辨率高；自动测量频率，小数点自动定位；时基频率为10MHz，测频精度1×10－7/s；包含6位高亮度数码管、3个频率单位指示灯，1个闸门指示灯，显示测量结果清晰明了。主要性能及技术指标为：1)频率测量范围：1Hz—100MHz；2)频率测量精度：±1×10－7/s±触发误差±时基误差；3)输入通道特性：输入阻抗：1MΩ∥40pF、AC耦合低通滤波器的动态范围：30mVrms—30Vrms；低通滤波器截止频率：约100kHz，衰减：×1或×20；4)时基晶体振荡器；标称频率：10MHz稳定度：±5×10－6/日。其工作原理是输入信号经过前级调理后(滤波、衰减)，送到场效应管进行阻抗变换，然后送入放大器放大，放大后的信号整形成正电平ECL逻辑的方波信号，再经过电平变换成TTL信号，送入计数器计数，CPU进行时序控制、数据读取、数据运算，最后送到数码管显示被测频率值。当输入信号中含有噪声时，可以接通低通滤波器，用以改善信号质量，提高测量准确度。低通滤波器为RC滤波，-3dB带宽约为100kHz。当输入信号幅度超过5Vpp时，打开衰减开关，让信号经过20倍衰减后进入场效应管，以免影响测量。可调电容是用来调节10M时基的准确度的，通过调节，频率读数会有变化。

高频信号源模块，采用DDS(直接数字合成)技术，输出信号的频率稳定度等同于内部晶体振荡器，使测试更加准确，内部输出100kHz—45MHz正弦波，最大频率分辨率达100Hz，可满足多种实验要求。主要技术指标为：1)输出波形：正弦波；2)频率范围：100kHz—45MHz；3)频率分辨率：0.1kHz；4)频率稳定度：±5×10-6；5)输出幅度：1Vp-p；6)输出阻抗：75Ω±10％；7)显示方式：六位高亮度数码管显示频率值；8)频率调节方式：采用带按键的旋转编码器，频率调节方便快捷；9)幅度调节方式：电位器。

低频信号源模块的主要技术指标为：1)输出频率范围：10Hz～150KHz(连续可调)；2)频率稳定度：10E－4；3)输出波形：正弦波、方波、三角波；4)输出幅度：5Vp-p；5)输出阻抗：100Ω±10％。其采用单片集成函数信号发生器ICL8038，其中S1为输出频段选择波段开关，S2为输出信号选择开关，电位器RV1为输出频率细调电位器，电位器RV3调节方波占空比，电位器RV4、RV2调节正弦波的非线性失真。根据所选的电路元器件值，本电路的输出频率范围为约200Hz～20KHz；幅度调节范围：正弦波，三角波，方波全大于5大。若要得到更高频率，可适当改变四档电容的值。

高频电路教学仪器设备共可开设9个实验，除了可以完成教学大纲中规定的6个实验项目外，包括函数信号发生器、晶体振荡器、高频小信号选频放大、高频功率放大、幅度调制和解调、二极管包络检波实验，还增加3个综合设计性实验，即频率调制、锁相环鉴频、调幅系统联试实验及调频系统联试实验，不仅能满足本课程实验教学的基本需要，还能进一步拓展实验内容和实验项目，提高学生的实践创新能力。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种高频电路教学仪器设备，其特征在于：包括内置在操作箱体内的电源(1)，所述电源(1)电性连接实验仪器(2)和实验模块(3)，所述实验仪器(2)与实验模块(3)通过高频连接线连接，所述实验仪器(2)包括可通过高频线电性连接的频率计(21)、高频信号源(22)和低频信号源(23)，所述实验模块(3)包括可通过高频线电性连接的高频小信号调谐放大器模块(31)、高频功率放大器模块(32)、振荡器与频率调制模块(33)、二极管包络检波模块(34)、幅度调制与解调模块(35)和锁相模块(36)。

2.根据权利要求1所述的一种高频电路教学仪器设备，其特征在于：所述高频小信号调谐放大器模块(31)包括可通过高频线电性连接的高频小信号单调谐放大器(311)和高频小信号双调谐放大器(312)。

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