高频电子线路实验指导书
安徽大学
二0一0年九月
目录
高频电子线路实验箱总体介绍................ - 1 -实验一高频小信号调谐放大器. (5)
实验二高频谐振功率放大器 (11)
实验三三点式LC振荡器及压控振荡器14实验四二极管环形混频 (19)
实验五集电极调幅 (23)
实验六二极管峰值包络检波 (27)
实验七变容二极管调频 (29)
实验八集成鉴频电路 (33)
实验九石英晶体振荡器 (35)
实验十三极管混频 (37)
实验十一模拟乘法器调幅 (39)
实验十二相位鉴频器 (45)
高频电子线路实验箱总体介绍
一、概述
高频电子线路实验箱的实验内容是根据高等教育出版社出版的《高频电子线路》一书而设计的（作者张肃文）。本实验箱由主机和7个模块组成，共设置了25个实验。
实验箱采用“积木式”结构，将实验所需的直流电源、频率计、信号源（带扫频源）设计成一个公共平台。实验模块以插板的形式插在实验箱主板上。所有模块与公共平台之间采用2号迭插头对进行连接。使用前请仔细阅读实验箱主板上的使用注意事项。
二、主机简介
主机提供实验所需的直流电源、信号源（带扫频源）、频率计，它们作为实验工具不开设实验内容。各单元使用方法介绍如下：
1、直流电源
本实验箱提供的直流电源是基于本实验箱实验的需求而设计的。主机提供四路直流电源：+12V、+5V、－12V、－5V，共直流地。每路电源都有两个输出端口，分别放置在主板的左上方和右上方。实验时，用实验箱所配置的单相三极电源线，连接220V交流电源和实验箱上侧的电源插座，打开实验箱左侧的船形开关，若正确连接则主板上的电源指示灯LEDf9和LEDf11亮。此时，各直流电源端口均有相应的直流电压输出。实验时，应根据模块的位置就近选择所需的直流电源输出端口。
2、信号源
本实验箱提供的信号源是基于本实验箱实验的需求而设计的。可输出正弦波、三角波和方波信号，频率范围分别为：1Hz～10MHz、1Hz～1MHz、1Hz～1MHz。
数码管LED900～LED907用于显示输出信号的频率，单位为Hz。LED900～LED907依次为10MHz、MHz、100KHz、10KHz、KHz、100Hz、10Hz和Hz位。若输出信号频率为Hz级，则LED900～LED906不显示。若输出信号频率为10Hz级，则LED900～LED905不显示。输出信号频率为其它情况时以此类推。
本信号源带简易扫频源的功能，可产生扫频信号用于定性检测外部网络的频率特性，共有两个扫频频段，分别为10KHz～100KHz和100KHz～1MHz。
V out为正弦波、三角波、方波和扫频信号的输出端口，Vi和Vo分别为扫频源的检波输入端和检波输出端。将Vout处扫频信号接到外部网络的输入，再将外部网络的输出与Vi连接，就可用示波器在Vo处定性观察外部网络的频率特性曲线。
信号源的使用方法介绍如下：
（1）开机
接通主机电源，按下开关Power1和Power2，则信号源的电源指示灯D100和D101亮。数码管LED900～LED903不显示，LED904～LED907分别显示1、0、0、0，即开机默认输出1KHz的正弦波信号。
（2）波形选择
按键TYPE用于改变输出信号的波形，在正弦波输出情况下，按一次TYPE键，则输出信号波形变为三角波；在三角波输出情况下，按一次TYPE键，则输出信号波形变为方波；在方波输出的情况下，按一次TYPE键，则输出信号波形变为正弦波。依此顺序按动TYPE键，则循环输出这三种波形。
（3）频率选择
按键RIGHT和LEFT用于选择当前需修改位，开机默认当前修改位为KHz位（LED904）在非扫频输出的状态下，按一次RIGHT键则修改位右移一位；按一次LEFT键则修改位左移一位。被选中的当前修改位会闪烁显示。
按键UP和DOWN用于修改当前修改位的数值。在选中当前修改位的情况下，按一次UP键，则
当前修改位的数值加1；按一次DOWN键，则当前修改位的数值减1。当当前修改位的数值为所需的数值时，按下ENTER键确定操作，当前修改位会停止闪烁，则Vout处输出所需频率的信号。
在当前修改位的数值为9的情况下，按一次UP键，则当前修改位数值为0，其左边显示数值加1且当前修改位不变。如在显示频率为1999Hz且当前修改位为10Hz位时，按一次UP键，则显示频率变为2009Hz且当前修改位仍为10Hz位。
在当前修改位的数值为1，且当前修改为最高位、当前修改位右边第一位的数值不为0的情况下，按一次DOWN键，则当前修改位自动右移一位且原当前修改位不显示。如在显示频率为1100Hz且当前修改位为KHz位时，按一次DOWN键，则显示频率变为100Hz且当前修改位为100Hz位。
在当前修改位的数值为1，且当前修改为最高位、当前修改位右边第一位的数值为0的情况下，按一次DOWN键，则当前修改位自动右移一位（且该位数值变为9）且原当前修改位不显示。如在显示频率为1000Hz且当前修改位为KHz位时，按一次DOWN键，则显示频率变为900且当前修改位为100Hz位。
在当前修改位的数值为0的情况下，按一次DOWN键，则当前修改位的数值变为9且当前修改位左边显示的数值减1。如在显示频率为100Hz且当前修改位为Hz时，按一次DOWN键，则显示频率变为99Hz且当前修改位不变。
（4）幅度调节
双刀三掷开关U70用于选择输出信号幅度的衰减量，U70拨到最上端、中间和最下端时，衰减量分别为0dB、20dB和40dB。即U70用于输出信号幅度的粗调。
“幅度调节”电位器用于对输出信号的幅度进行细调，当衰减量为0dB时，调节“幅度调节”电位器，则输出信号的峰峰值范围为1.5V～15V；当衰减量为20dB时，调节“幅度调节”电位器，则输出信号的峰峰值范围为150mV～1.5V；当衰减量为40dB时，调节“幅度调节”电位器，则输出信号的峰峰值范围为50mV～150mV。
说明：当输出信号的峰峰值较小时，由于噪声干扰相对较大，输出信号波形会有抖动，属于正常现象。
（5）占空比调节
在输出信号为方波的情况下，调节“占空比调节”电位器可改变方波的占空比。
说明：严格地说，方波是指占空比为50％的矩形波，当占空比不为50％时，只能称为矩形波。本实验指导书此处不做区别。
（6）直流电平调节
在任意波形输出或扫频输出的情况下，调节“电平调节”电位器，可改变输出信号的直流量。
（7）扫频输出
在点频输出的情况下，按一次SWEEP键，则Vout输出10KHz～100KHz的扫频信号；连续按两次SWEEP键，则V out输出100KHz～1MHz的扫频信号；连续按三次SWEEP键，则回到输出1KHz 正弦波的状态。
（8）复位
在通电后的任意情况下，按下RESET键，则信号源复位，恢复到输出1KHz正弦波信号的状态。
3、频率计
本实验箱提供的频率计是基于本实验箱实验的需要而设计的。它适用于频率范围为10Hz～100MHz，峰峰值Vp-p=100mV～5V的信号。
开关Power4为频率计部分的电源开关，LEDf10为电源指示灯。信号从“频率输入”处的二号台阶插座或射频座输入，其中射频座可作为学生二次开发等的接口使用，本实验箱的实验项目不使用此接口。
开关Sf1用于给不同频率的信号选择输入匹配通道。当输入信号频率低于10MHz时，Sf1向下拨；当输入信号的频率高于10MHz时，Sf1向上拨。一般情况下Sf1向上拨即可。
数码管LEDf1～LEDf8用于显示所测信号的频率。其中，前6个数码管显示有效数字，第8个数
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码管显示10的幂，单位为Hz（如显示10.7000—6，则频率为10.7MHZ）。第7个数码管显示“—”，用于间隔前6个数码管和第8个数码管。
若输入信号频率为10MHz以上，则测试精度为50ppm；若输入信号为10MHz以下，则测试精度为20ppm。
三、模块介绍
1、小信号放大器模块：
2、高频功率放大器模块：
3、正弦波振荡器模块：
4、混频器模块
5、幅度调制与解调模块：
6、角度解调模块：
7、面包板模块
面包板一块，自带单股线。
说明1：各实验模块上的拨位开关横向放置时，向右拨为接通，向左拨为断开；纵向放置时，向上拨为接通，向下拨为断开。当拨位开关有两路输入信号可供选择时，向上拨、向下拨、向左拨和向右拨分别表示接通上通道、下通道、左通道和右通道的信号。
说明2：用户可对各模块进行组合，开发出新的实验，也可挂接自己开发的模块。做实验时应把具有相应实验内容的模块插在主板上。
说明3：实验过程中需要改接线时，应关断电源后才能拆、接线。连线时在保证接触良好的前提下应尽量轻插轻拔，检查电路正确无误后方可通电实验。拆线时若遇到连线与插孔连接过紧的情况，应用手捏住连线插头的塑料线端，左右摇晃，直至连线与插孔松脱，切勿用蛮力强行拔出。
说明4：实验时应注意观察，若发现有破坏性异常现象（例如有元件冒烟、发烫或有异味）应立即关断电源，保持现场，报告指导教师。找到原因、排除故障，经指导教师同意再继续实验。
说明5：本实验箱实验电路参考教材主要有：
张肃文.高频电子线路.高等教育出版社
高吉祥.高频电子线路.电子工业出版社
曾兴雯.高频电子线路.高等教育出版社
阳昌汉.高频电子线路.哈尔滨工程大学出版社
沈伟慈.高频电路.西安电子科技大学出版社
于洪珍.通信电子线路.电子工业出版社
实验一高频小信号调谐放大器
一、实验目的
1、掌握高频小信号调谐放大器的工作原理；
2、掌握谐振放大器电压增益、通频带、选择性的定义、测试及计算方法；
二、实验内容
1、测量各放大器的电压增益；
2、测量放大器的通频带与矩形系数（选做）；
3、测试放大器的频率特性曲线（选做）。
三、实验仪器
1、BT-3扫频仪（选做）一台
2、20MHz示波器一台
3、数字式万用表一块
4、调试工具一套
四、实验基本原理
1、单级单调谐放大器
图1－1 单级单调谐放大器实验电路图
实验原理图如图1－1所示，本实验的输入信号（10.7MHz）由正弦波振荡器模块的石英晶体振荡器提供。信号从TP5处输入，从TT2处输出。调节电位器W3可改变三极管Q2的静态工作点，调节可调电容CC2和中周T2可改变谐振回路的幅频特性。
2、单级双调谐放大器
图1－2 单级双调谐放大器实验电路图
实验原理图如图1－2所示，单级双调谐放大器和单级单调谐放大器共用了一部分元器件。两个谐振回路通过电容C20（1nF）或C21（10 nF）耦合，若选择C20为耦合电容，则TP7接TP11；若选择C21为耦合电容，则TP7接TP12。
3、双级单调谐放大器
图1－3 双级单调谐放大器实验电路图
实验原理图如图1－3所示，即使TP5处输入信号的峰峰值只有几百毫伏，经过第一级放大器后可达几伏，此信号幅度远远超过了第二级放大器的动态范围，从而使第二级放大器无法发挥放大的作用。同时由于石英晶体振荡器的输出中不可避免地存在谐波成分，经过第一级谐振放大器后，由于谐振回路频率特性的非理想性，放大器也会对残留的谐波成分进行放大，所以在第一级与第二级放大器之间又加了一个陶瓷滤波器（FL3），一方面滤除放大的谐波成分，另一方面使第二级放大器输入信号的幅度满足要求。
实验时若采用外置专用函数信号发生器，调节第一级放大器输入信号的幅度，使第一级放大器输出信号的幅度满足第二级放大器的输入要求，则第一级与第二级放大器之间可不用再经过FL3。
4、双级双调谐放大器
图1－4 双级双调谐放大器实验电路
实验原理图如图1－4所示，第一级放大器两谐振回路的耦合电容（C20、C21）可选，第二级放大器两谐振回路的耦合电容不可选（固定为C26，1nF ），两级放大器之间是否接FL3及相应原因与两级单调谐放大器相同。
五、实验步骤
1、计算选频回路的谐振频率范围
若谐振回路的电感量为1.8uH ～2.4uH ，回路总电容为105 pF ～125pF （分布电容包括在内），根据公式LC f π21
=计算谐振回路谐振频率0f 的范围。
2、单级单调谐放大器
（1）连接实验电路
在主板上正确插好小信号放大器模块，开关K1、K2、K3、K5向左拨，主板GND 接模块GND ，主板＋12V 接模块＋12V 。TP9接地，TP8接TP10。检查连线正确无误后，打开实验箱左侧的船形开关，K5向右拨。若正确连接，则模块上的电源指示灯LED4亮。
（2）静态工作点调节
K5向左拨（即关闭电路电源），TP5接地，然后K5向右拨。用万用表测三极管Q2发射极对地的直流电压，调节W3使此电压为5V 。
说明：本实验箱的所有实验，改接线的操作均要在断电的情况下进行，以后关于断电改接线的操作步骤不再重复说明。
（3）测量放大器电压增益
去掉TP5与地的连线，从正弦波振荡器模块取输入信号V i 。参考实验九产生10.7MHz 的正弦波信号V i ，操作步骤如下：
①在主板上正确插好正弦波振荡器模块，该模块开关K1、K9、K10、K11、K12向左拨， K2、K3、K5、K7、K8向下拨，K4、K6向上拨。主板GND 接该模块GND ，主板＋12V 接该模块＋12V ，检查连线正确无误后，开关K1向右拨。若正确连接，则该模块上的电源指示灯LED1亮。
②用示波器在正弦波振荡器模块的TT1处测量，输出信号应为正弦波，频率为10.7MHz 。调节该模块的W2可改变TT1处信号的幅度（注意W2不要调到两个最底端）。此信号即为本实验的输入信号V i ，从TP5处引出。
③正弦波振荡器模块的TP5接小信号放大器模块的TP5，调节正弦波振荡器模块的W2使小信号放大器模块TP5处信号V i 的峰峰值V ip-p 为400mV 左右。
④用示波器在小信号放大器模块的TT2处观察，调节小信号放大器模块的T2、CC2，使TT2处信号V o 的峰峰值V op-p 最大不失真。记录各数据，填表1－1。
表1－1
（4）测量放大器的通频带、矩形系数（选做）
放大器通频带的测量方法有两种：扫频法和逐点法。
扫频法即用BT-3扫频仪直接测试。使用BT-3扫频仪测试时，扫频仪的输出接放大器的输入，放大器的输出接扫频仪检波头的输入，检波头的输出接扫频仪的输入。在扫频仪上观察并记录放大器的频率特性曲线（频率与相对放大倍数的关系曲线），从频率特性曲线上读取并记录放大器的通频带。
注意：扫频仪的输出不要太大以免超过放大器的动态范围，检波头的方向不要接反。 逐点法即用外置专业信号源做扫频源，用信号源输出幅度相同频率逐步变化的信号作为放大器的输入，逐点记录相应输出信号的大小，然后描绘出放大器的频率特性曲线，在频率特性曲线上读取并记录放大器的通频带。
在放大器的频率特性曲线上读取相对放大倍数下降为0.1 处的带宽1.02f ?或0.01处的带宽01.02f ?。则矩形系数7.01.01.022f f K r ??=，7
.001.001.022f f K r ??=，其中7.02f ?为放大器的通频带。
3、单级双调谐放大器
（1）连接实验电路
在主板上正确插好小信号放大器模块，开关K1、K2、K3、K5向左拨，主板GND 接模块GND ，主板＋12V 接模块＋12V 。TP6接TP13，TP7接TP11（选择C20为耦合电容），TP14接TP10。检查连线正确无误后，打开实验箱左侧的船形开关，K5向右拨。若正确连接，则模块上的电源指示灯LED4亮。
（2）静态工作点调节
TP5接地，用万用表测Q2发射极对地的直流电压，调节W3使此电压为5V 。
（3）测量放大器电压增益
①去掉TP5与地的连线，参考实验步骤2（3）①②，从正弦波振荡器模块取输入信号。 ②正弦波振荡器模块TP5接小信号放大器模块TP5，调节正弦波振荡器模块W2使小信号放大器模块TP5处信号V i 的峰峰值V ip-p 约400mV 。
③用示波器在小信号放大器模块的TT2处观察，调节小信号放大器模块的T2、T3、CC2、CC3，使TT2处信号V o 的峰峰值V op-p 最大不失真。记录各数据，填表1－2。
表1－2
注意：不要用示波器探头直接在耦合电容（C20、C21）的两侧测量，因为示波器探头的输入电容会影响谐振回路的特性。
4、双级单调谐放大器
（1）连接实验电路
在主板上正确插好小信号放大器模块，开关K1、K2、K3、K5向左拨，主板GND接模块GND，主板＋12V接模块＋12V。TP9接地，TP17接TP6，TP20接地，TP19接TP10。检查连线正确无误后，打开实验箱左侧的船形开关，K5向右拨。若正确连接，则模块上的电源指示灯LED4亮。
（2）静态工作点调节
TP5接地，用万用表测Q2发射极对地的直流电压，调节W3使此电压为5V。TP16接地，用万用表测Q3发射极对地的直流电压，调节W4使此电压为5V。
（3）测量放大器电压增益
去掉TP5与地及TP16与地的连线，TP8接TP15。
①参考步骤2（3）①②，从正弦波振荡器模块取输入信号V i1。
②正弦波振荡器模块TP5接小信号放大器模块TP5，调节正弦波振荡器模块的W2使小信号放大器模块TP5处信号V i1的峰峰值V i1p-p约400mV。
③用示波器在小信号放大器模块的TP8处测量，调节小信号放大器模块的T2、CC2，使TP8处信号V o1的峰峰值V o1p-p约为4V。
④用示波器在TP16处测量第二级放大器输入信号V i2的峰峰值V i2p-p，再在TT2处用示波器测量第二级放大器的输出信号V o2的峰峰值V o2p-p，调节T4、CC4使TT2处信号最大不失真。记录各数据，填表1－3。
表1－3
5、双级双调谐放大器
（1）连接实验电路
在主板上正确插好小信号放大器模块，开关K1、K2、K3、K5向左拨，主板GND接模块GND，主板＋12V接模块＋12V。TP6接TP13，TP17接TP22，TP17接TP6，TP7接TP11，TP18接TP21，TP23接TP10。检查连线正确无误后，打开实验箱左侧的船形开关，K5向右拨。若正确连接，则模块上的电源指示灯LED4亮。
（2）静态工作点调节
TP5接地，用万用表测Q2发射极对地的直流电压，调节W3使此电压为5V。TP16接地，用万用表测Q3发射极对地的直流电压，调节W4使此电压为5V。
（3）测量放大器电压增益
去掉TP5与地及TP16与地的连线，TP14接TP15。从正弦波振荡器模块取输入信号。
①参考步骤2（3）①②，从正弦波振荡器产取输入信号V i1。
②正弦波振荡器模块TP5接小信号放大器模块TP5，调节正弦波振荡器模块的W2使小信号放大器模块TP5处信号V i1峰峰值V i1p-p约为400mV。
③用示波器在小信号放大器模块的TP14处测量，调节T2、T3、CC2、CC3使TP14处信号V o1的峰峰值V o1p-p约为4V。
④用示波器在小信号放大器模块的TP16处测量第二级放大器输入信号V i2的峰峰值
V i2p-p，再在TT2处用示波器测量第二级放大器的输出信号V o2的峰峰值V o2p-p，调节T4、T5、CC4、CC5，使TT2处信号最大不失真。记录各数据，填表1－4。
表1－4
注意：两级双调谐放大器的各中周不要调节的太深，因为中周的变化会改变放大器的输入输出阻抗，从而使放大器与晶体振荡器之间不匹配，进而使放大器的输入波形失真。
六、实验报告
1、按步实验并完成表1－1、1－
2、1－
3、1－4。
2、高频小信号放大器的主要技术指标有那些？如何理解选择性与通频带的关系？
3、画出单级单调谐放大器的频率特性曲线（选做）。
实验二高频谐振功率放大器
一、实验目的
1、掌握丙类谐振功率放大器的基本工作原理；
2、掌握丙类谐振功率放大器的负载特性和振幅特性；
3、掌握丙类谐振功率放大器集电极效率的计算方法。
二、实验内容
1、观察丙类谐振功率放大器的输出波形；
2、观察丙类谐振功率放大器的负载特性和振幅特性；
3、测量丙类谐振功率放大器的集电极效率。
三、实验仪器
1、20MHz示波器一台
2、数字式万用表一块
3、调试工具一套
四、实验原理
高频谐振功率放大器的实验原理图如图2－1所示。
图2－1 高频谐振功率放大器实验原理图
图中，Q1工作在甲类，Q2工作在丙类。TP1为输入信号接口，TT1为丙类功率放大器工作状态特测试点，TP2是为测量丙类功率放大器的效率而留出的接口，TP4和TT2为功放的输出接口，TP5是为集电极调幅实验留出的调制信号输入接口。实验时，TP2接TP3，以便观察丙类功放的振幅特性；TP2接＋5V，以便观察丙类功放的负载特性。
五、实验步骤
1、连接实验电路
在主板上正确插好高频功率放大器模块。开关K1、K5、K6向左拨，K2、K3、K4向下拨，连接主板GND与模块GND，连接主板＋12V与模块＋12V，TP2接TP3。检查连线正确无误后，打开实验箱左侧的船形开关，K1向右拨。若正确连接，则模块上的电源指示灯LED1亮。
2、静态工作点调节
TP1接地，用万用表测量三极管Q1发射极对地的直流电压，调节W1使此电压为1.8V 。
3、输入信号
去掉TP1与地的连线，本实验的输入由正弦波振荡器模块的石英晶体振荡器提供，操作步骤如下：
（1）在主板上正确插好正弦波振荡器模块，该模块开关K1、K9、K10、K11、K12向左拨， K2、K3、K5、K7、K8向下拨，K4、K6向上拨。主板GND 接该模块GND ，主板＋12V 接该模块＋12V ，检查连线正确无误后，开关K1向右拨。若正确连接，则该模块上的电源指示灯LED1亮。
（2）用示波器在该模块的TT1处测量，输出信号应为正弦波，频率为10.7MHz ，调节该模块的W2可改变TT1处信号的幅度（注意W2不要调到两个最底端）。此信号即为本实验的输入信号V i ，从TP5处引出。
（3）连接正弦波振荡器模块的TP5与高频功率放大器模块的TP1，调节正弦波振荡器模块的W2，使高频功率放大器模块TP1处信号V i 的峰峰值V ip-p 约为500mV 。
4、测量功放的电压增益
用示波器在高频功率放大器模块的TT2处测量，调节高频功率放大器模块的T1、T2，使TT2处信号V o 最大不失真。记录V o 的峰峰值V op-p ，计算功放的电压增益，填表5－1。
表2－1
5、测量丙类功放的集电极效率ηC
（1）用万用表测TP2对地的直流电压V CC ，填表5－2。
（2）断开TP2与TP3的连线，将万用表打到测直流电流档，万用表红表笔接TP3，黑表笔接TP2。
（3）TP1输入10.7MHz ，峰峰值约500mV 的正弦波信号Vi ，开关K4向上拨，即连接负载R9（R9＝1KΩ）。
（4）用示波器在TT2处测量，调节T1、T2，使TT2处信号V o 的峰峰值V op-p 最大。
（5）适当调节TP1处信号V i 的幅度（即调节正弦波振荡器模块的W2），使TT2处信号V o 峰峰值V op-p 最大。记录下此时的V op-p 以及TP2和TP3之间的电流量I CC （读万用表），填表5－2。
（6）由P S =V CC ×I CC 计算出电源的直流功率P S ，由922)(R V P P OP O -=
计算出负载功率，设中周T2的损耗率为50％，由S
O C P P 2=
η计算出丙类功放的集电极效率。填表5－2。
表2－2
注意：由于三极管发热、谐振回路中线圈和电容的损耗以及功放的工作状态等原因，使得实际应用电路中丙类功放的效率并没有教材中所说的那样高，一般最多为50％～60％。
6、观察丙类功放的负载特性
（1）断开万用表红黑表笔与TP2和TP3的连线，K4向上拨，K2、K3向下拨，TP2接
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主板＋5V。
（2）参考步骤3（1）（2），在TP1处输入峰峰值约500mV，频率为10.7MHz的正弦波。
（3）用示波器在TT1处观察，适当调节T1、T2，使TT1处出现如图5－2所示的下凹波形，即丙类功放工作在过压状态（注意：下凹不要调的太深）。
（4）K3向上拨，K2、K4向下拨；K2向上拨，K3、K4向下拨，用示波器在TT1处观察，可观察到TT1处波形逐渐由图2－2向图2－3变化。即负载逐渐变小时，功放的工作状态由过压－临界－欠压变化。
图2－2 过压状态时TT1处的波形
图2－3 欠压状态时TT1处的波形
说明1：若K4向上拨，K2、K3向下拨时，无论怎样调节T1、T2都不能使TT1处出现下凹的波形，则适当增加TP1处输入信号的幅度。若K2向上拨，K3、K4向下拨时，无论怎样调节T1、T2，TT1处的信号始终有下凹，则适当减小TP1处输入信号的幅度。整个调试过程要耐心仔细，反复多次，直至达到最好的实验效果。
说明2：由于TP1处输入信号谐波分量和丙类功放集电极输出波形中谐波分量的影响，使过压状态时TT1处下凹波形并不能完全对称。同时，即使TP1处信号的谐波成分很小，由于Q1的非线性，耦合到Q2基极的信号中也存在谐波分量，由于谐振回路的非理想性，使TT1处波形下凹也不能完全对称。另外，高频情况下，电阻的等效电路中存在电容电感也是导致TT1处波形下凹不对称的原因。
7、观察丙类功放的振幅特性
（1）去掉TP2与＋5V的连线，TP2接TP3，K4向上拨，K2、K3向下拨。
（2）参考步骤3（1）（2），在TP1处输入峰峰值约300mV，频率为10.7MHz的正弦波信号。
（3）用示波器在TT1处观察，调节T1、T2使TT1处波形如图2－3所示，即功放工作在欠压状态。
（4）调节T1，使Q2基极信号的幅度逐渐增大，用示波器观察TT1处信号波形的变化情况。
六、实验报告
1、按步实验并完成表2－1和表2－2；
2、讨论实际丙类功率放大器效率达不到教材中所说的那样高的原因；
3、讨论丙类功率放大器工作在过压状态时，集电极电流波形下凹不完全对称的原因。
实验三三点式LC振荡器及压控振荡器
一、实验目的
1、掌握三点式LC振荡器的基本原理；
2、掌握反馈系数对起振和波形的影响；
3、掌握压控振荡器的工作原理；
4、掌握三点式LC振荡器和压控振荡器的设计方法。
二、实验内容
1、测量振荡器的频率变化范围；
2、观察反馈系数对起振和输出波形的影响；
3、观察温度变化对振荡器频率稳定度的影响(选做)。
三、实验仪器
1、20MHz示波器一台
2、数字式万用表一块
3、调试工具一套
四、实验原理
1、三点式LC振荡器
三点式LC振荡器的实验原理图如图3－1所示。
图8－1 三点式LC振荡器实验原理图
图中，T2为可调电感，Q1组成振荡器，Q2组成隔离器，Q3组成放大器。C6=100pF，C7=200pF，C8=330pF，C40=1nF。通过改变K6、K7、K8的拨动方向，可改变振荡器的反馈系数。设C7、C8、C40的组合电容为C∑，则振荡器的反馈系数F＝C6/ C∑。
反馈电路不仅把输出电压的一部分送回输入端产生振荡，而且把晶体管的输入电阻也反映到LC回路两端。F大，使等效负载电阻减小，放大倍数下降，不易起振。另外，F的大小还影响波形的好坏，F过大会使振荡波形的非线性失真变得严重。通常F约在0.01～0.5之间。
同时，为减小晶体管输入输出电容对回路振荡频率的影响，C6和C∑取值要大。当振荡频率较高时，有时可不加C6和C∑，直接利用晶体管的输入输出电容构成振荡电容，使电路振荡。忽略三
极管输入输出电容的影响，则三点式LC 振荡器的交流等效电路图如图3－2所示。
C6
图3－2 三点式LC 振荡器交流等效电路图
图3－2中，C5=33pF ，由于C6和C ∑均比C5大的多，则回路总电容C 0可近似为：
450C C C += （8－1）
则振荡器的频率f 0可近似为：
)
(21
214520
20C C T C T f +=
=
ππ （8－2）
调节T2则振荡器的振荡频率变化，当T2变大时，f 0将变小，振荡回路的品质因素变小，振荡输出波形的非线性失真也变大。实际中C6和C ∑也往往不是远远大于C5，且由于三极管输入输出电容的影响，在改变C ∑，即改变反馈系数的时候，振荡器的频率也会变化。
本模块的实际实验电路在C11与Q3之间还有一级10.7MHz 陶瓷滤波器电路，用来滤除石英晶体振荡器输出信号中的二次、三次谐波分量，以给其它模块提供载波信号。由于受到模块大小的限制，故没有在模块上画出这部分电路图。若LC 振荡所产生信号的频率不在陶瓷滤波器的通带内，则在TP5处将不会有波形输出或输出信号幅度较小。若想利用LC 振荡器所产生的信号来进行二次开发，则可在TP4处取信号。三点式LC 振荡器实验电路只涉及到振荡器和隔离器部分。
2、压控振荡器
压控振荡器的实验原理图如图3－3所示。
C1
图3－3 压控振荡器实验原理图
Q1、Q2、Q3的作用与三点式LC 振荡器相同，TP2和TP3是为自动频率控制实验二次开发留出的接口，在做压控振荡器实验的时候，连接TP2与TP3。TP1是为实验二十一（变容二极管调频）留出的调制信号输入接口，C1、L1为调制信号耦合隔离电路，压控振荡器实验不涉及此部分电路。
R2、R3、W1为变容二极管D1提供直流反偏压V D 。C2、C3为变容二极管的接入电容(C2=5pF ，C3＝10pF)，设C2、C3的组合电容为C N ，C7、C8、C40的组合电容为C M ，忽略三极管输入输出电容的影响，则压控振荡器的交流等效电路如图3－4所示。图中，C5=33pF ，由于C6和C M 均比C5大的多，则回路总电容C 0可近似为：
j
N j N C C C C C C C ++
+=450 （8－3）
则振荡器的频率f 0可近似为：
2021C T f π=
（8－4）
由图8－3可得，变容二极管的接入系数P 为：
jQ
N N
C C C P +=
（8－5）
其中，C jQ 是直流反偏压为V D 时变容二极管的容量。调节W1，则V D 变化，C jQ 也变化。由式3－5可知，C N 越大，变容二极管的接入系数P 也越大，单位直流反偏压变化所引起的频偏也越大。但为了减小高频电压对D1的作用和中心频率的漂移，常将C N 取的较小。
C6
CN
Cj
图3－4 压控振荡器的交流等效电路图
五、实验步骤
1、三点式LC 振荡器 （1）连接实验电路
在主板上正确插好正弦波振荡器模块，开关K1、K9、K10、K11、K12向左拨，K2、K3、K4、K7、K8向下拨，K5、K6向上拨。主板GND 接模块GND ，主板＋12V 接模块＋12V 。检查连线正确无误后，打开实验箱左侧的船形开关，K1向右拨。若正确连接，则模块上的电源指示灯LED1亮。
（2）测量LC 振荡器的频率变化范围
用示波器在三极管Q2的发射极（军品插座处）观察反馈输出信号的波形，调节T2，记录输出信号频率f 0的变化范围，比较波形的非线性失真情况，填表3－1。
表3－1
（3）观察反馈系数对输出信号的影响
用示波器在三极管Q2的发射极观察反馈输出信号V o的波形，调节T2，使V o的频率f1为10.7MHz左右，改变反馈系数F的大小（通过选择K6、K7、K8的拨动方向来改变），观察V o峰峰值V op-p、振荡器频率的变化情况，填表3－2。
表3－2
调试时，先使反馈系数F=1/2，调节T2使Q2发射极处信号的频率为10.7MHz左右，记录Q2发射极处信号的频率和峰峰值。然后，不再调节T2，改变反馈系数的大小，记录Q2发射极处信号的频率和峰峰值，直至F=1/2、F=1/3、F=1/5、F=1/10的情况都做完。
（4）、观察温度变化对三点式LC振荡器频率稳定度的影响（选做）
用一热源（如加热的烙铁）靠近T2，在Q2发射极观察输出信号频率的变化情况。
2、压控振荡器
（1）连接实验电路
在主板上正确插好正弦波振荡器模块，开关K1、K9、K10、K11、K12向左拨，K3、K4、K6、K8向下拨，K2、K5、K7向上拨。主板GND接模块GND，主板＋12V接模块＋12V。TP2接TP3。检查连线正确无误后，打开实验箱左侧的船形开关，K1向右拨。若正确连接，则模块上的电源指示灯LED1亮。
（2）观察直流反偏压、变容二极管接入电容对振荡器频率的影响。
①接入电容C N＝5pF
K2向上拨、K3向下拨，使变容二极管的接入电容C N＝5pF。用万用表测变容二极管D1阴极对地的直流电压V D（在D1上方的军品插座处测量），调节W1，使V D从小变大，均匀选取多个V D，并用示波器在Q2发射极测量输出信号的频率f0，填表3－3的第一行和第二行。
②接入电容C N＝15pF
K2、K3都向上拨，使变容二极管接入电容C N＝15pF。用万用表测变容二极管D1阴极对地的直流电压V D（在D1上方的军品插座处测量），调节W1，使V D从小变大，均匀选取多个V D，并用示波器在Q2发射极测量输出信号的频率f0，填表3－3的第三行和第四行。
表3－3
说明，由于万用表输出电容的影响，将万用表接在D1两侧和不接在D1两侧时，Q2发射极信
通信电子线路实验指导书
号的频率会不一样，本步骤实验万用表在测量直流电压后应取下，再用示波器在Q2发射极测信号频率。
六、实验报告
1、画出三点式LC振荡器和压控振荡器的交流等效电路图，按步实验并完成表3－1、3－
2、3－3；
2、讨论回路电感变化对三点式振荡器输出波形非线性失真的影响；
3、讨论变容二极管接入电容对压控振荡器频偏的影响。
实验四二极管环形混频
一、实验目的
1、掌握二极管环形混频器的工作原理；
2、了解二极管环形混频器组合频率的测试方法。
二、实验内容
1、观察中频信号；
2、观察二极管环形混频器输出信号的频谱（选做）；
3、观察镜频干扰。
三、实验仪器
1、20MHz示波器一台
2、数字万用表一块
3、调试工具一套
4、频谱分析仪（选做）一台
四、实验原理
二极管环形混频器实验原理图如图4－1所示。
图4－1 二极管环形混频实验原理图
图中，MIXER内集成了4个二极管，组成二极管环形混频电路。本振信号和射频信号分别从TP1和TP2输入，R1、R2、R3、R4、R5、R6组成的 形网络，用来隔离本振信号、射频信号和中频信号之间的相互干扰。FL1为455KHz陶瓷滤波器，用来选取所需的中频信号。Q1组成放大器，用来放大中频信号。C2为隔直电容，经放大的中频信号可在TT1处观测。
实验所用到的混频器模块上共有4个混频电路，它们共用1个中频放大电路（由Q1组成），通过改变开关K5、K6、K7的拨动方向，可选择由哪路混频电路的输出进入中放。开关K6、K7向上拨（K5向左向右拨均可）时，选择二极管环形混频电路的输出进入中放。
混频器模块的射频信号（10.7MHz）和本振信号（10.245MHz），分别由正弦波振荡器
非线性系统稳定性问题的判定方法和发展趋势 任何一个实际系统总是在各种偶然和持续的干扰下运动或工作的。所以，当系统承受干扰之后，能否稳妥地保持预订的运动轨迹或者工作状态，即系统的稳定性是首要考虑的。一个系统的稳定性，包括平衡态的稳定性问题和任一运动的稳定性问题。而对于给定运动的稳定性可以变换成关于平衡点的稳定性问题。 对平衡点的稳定性进行分析可将平衡点的稳定性定义为李雅普诺夫稳定、一致稳定、渐进稳定、一致渐近稳定、按指数渐进稳定和全局渐进稳定，除了全局渐进稳定，其他都是局部的概念。 非线性系统的数学模型不满足叠加原理或其中包含非线性环节。包括非本质非线性（能够用小偏差线性化方法进行线性化处理的非线性）和本质非线性（用小偏差线性化方法不能解决的非线性）。它与线性系统有以下主要区别： 1．线性控制系统只能有一个平衡点或无穷多的平衡点。但非线性系统可以有一个、二个、多个、以至无穷多个平衡点。非线性系统与线性定常系统明显不同，其稳定性是针对各个平衡点而言的。通常不能说系统的稳定性如何，而应说那个平衡点是稳定的或不稳定的。2．在线性系统中，系统的稳定性只与系统的结构和参数有关，而与外作用及初始条件无关。非线性系统的稳定性除了与系统的结构和参数有关外，还与外作用及初始条件有关。 由于非线性控制系统与线性控制系统有很大的差异，因此，不能直接用线性理论去分析它，否则会导致错误的结论。对非线性控制系统的分析，还没有一种象线性控制系统那么普遍的分析、设计方法。 现代广泛应用于非线性系统上的分析方法有基于频率域分析的描述函数法和波波夫超稳定性，还有基于时间域分析的相平面法和李雅普诺夫稳定性理论等。这些方法分别在一定的假设条件下，能提供关于系统稳定性或过渡过程的信息。而计算机技术的迅速发展为分析和设计复杂的非线性系统提供了有利的条件。另外，在工程上还经常遇到一类弱非线性系统，即特性和运动模式与线性系统相差很小的系统。对于这类系统通常以线性系统模型作为一阶近似，得出结果后再根据系统的弱非线性加以修正，以便得到较精确的结果。摄动方法是处理这类系统的常用工具。而对于本质非线性系统，则需要用分段线性化法等非线性理论和方法来处理。目前分析非线性控制系统的常用方法如下： 1、线性化方法 采用线性化模型来近似分析非线性系统。 这种近似一般只限于在工作点附近的小信号情况下才是正确的。这种线性化近似，只是对具有弱非线性（或称非本质非线性）的系统。 常用线性化方法，有正切近似法和最小二乘法。 此外，对一些物理系统的非线性特性比较显著，甚至在工作点附件的小范围内也是非线性的，并且不能用一条简单的直线来代表整个非线性系统特性的系统，可采用分段线性化方法。2、相平面法 相平面法是一种基于时域的分析方法，一种用图解法求解一、二阶非线性常微分方程的方法。 该方法通过图解法将一阶和二阶系统的运动过程转化为位置和速度平面上的相轨迹，从而比较直观、准确地反映系统的稳定性、平衡状态和稳态精度以及初始条件及参数对系统运动的影响。相轨迹的绘制方法步骤简单、计算量小，特别适用于分析常见非线性特性和一阶、二阶线性环节组合而成的非线性系统 对于分段线性的非线性系统来说，相平面分析法的步骤为： （1）用n条分界线（开关线，转换线）将相平面分成n个线性区域；（2）分别写出各个线性区域的微分方程；（3）求出各线性区的奇点位置并画出相平面图；
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910176340.2 (22)申请日 2019.03.08 (71)申请人 哈尔滨工程大学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区南 通大街145号哈尔滨工程大学科技处 知识产权办公室 (72)发明人 程建华 董铭涛 董萍 康瑛瑶 孙湘钰 刘萍 蔡静 (51)Int.Cl. G06Q 10/06(2012.01) (54)发明名称一种基于非线性FCE的INS/USBL组合导航系统性能评估方法(57)摘要本发明属于卫星导航领域，具体涉及一种基于非线性FCE的INS/USBL组合导航系统性能评估方法，包括下列步骤：建立INS/USBL组合导航系统指标体系以及评语等级；计算基于隶属度函数的评判矩阵；计算组合导航系统权值向量C；综合评判及归一化；计算评估等级区间量化值。本发明利用非线性FCE对INS/USBL组合导航系统开展性能评估，并设计了INS/USBL组合导航系统三层次指标体系，从器件级误差对组合导航系统性能评估，并设计了基于非线性模糊算子的非线性FCE，该方法能够科学的定量评估INS/USBL组合 导航系统。权利要求书2页 说明书5页 附图2页CN 109934484 A 2019.06.25 C N 109934484 A
1.一种基于非线性FCE的INS/USBL组合导航系统性能评估方法，其特征在于，包括下列步骤： (1)建立INS/USBL组合导航系统指标体系以及评语等级； (2)计算基于隶属度函数的评判矩阵； (3)计算组合导航系统权值向量C； (4)综合评判及归一化； (5)计算评估等级区间量化值； (6)对导航系统性能做综合评估。 2.根据权利要求1所述的一种基于非线性FCE的INS/USBL组合导航系统性能评估方法，其特征在于，所述建立INS/USBL组合导航系统指标体系以及评语等级，包括： 建立INS/USBL组合导航系统三层次指标体系，从底层至项层依次为器件层、指标层以及精度层，取指标层指标集为U以及器件层指标集为u i ； U＝{u 1，u 2，u 3}＝{INS，USBL，滤波器}、u i ＝{u i1，u i2，...，u im }； 其中，元素u im 表示第i个元素的第m个子元素，m由器件层各部分子元素个数组成；评语等级集合为： V＝{v 1，v 2，v 3，v 4}＝{优秀，良好，中等，差}。 3.根据权利要求1所述的一种基于非线性FCE的INS/USBL组合导航系统性能评估方法，其特征在于，所述计算基于隶属度函数的评判矩阵，包括： 利用梯度模糊数作为系统性能评估隶属函数，求取评判矩阵A i ， 梯度模糊数隶属函数：其中，a i 中i的取值为1，2，3，b j 中j的取值为1，2，3，4，分别表示待评估INS/USBL组合导航系统器件层指标精度值。 4.根据权利要求1所述的一种基于非线性FCE的INS/USBL组合导航系统性能评估方法，其特征在于，所述计算组合导航系统权值向量C，包括：器件层组合权值向量 指标层权值向量C i+1由AHP计算得到；其中，表示利用熵技术法计算得到器件层权值向量， 权 利 要 求 书1/2页2CN 109934484 A
非线性控制系统学习感悟对于非线性控制系统的学习我们应该对其基本特性及应用思想进行了解。非线性系统的数学模型不满足叠加原理或其中包含非线性环节。包括非本质非线性（能够用小偏差线性化方法进行线性化处理的非线性）和本质非线性（用小偏差线性化方法不能解决的非线性）。它与线性系统有以下主要区别： 1．线性控制系统只能有一个平衡点或无穷多的平衡点。但非线性系统可以有一个、二个、多个、以至无穷多个平衡点。非线性系统与线性定常系统明显不同，其稳定性是针对各个平衡点而言的。通常不能说系统的稳定性如何，而应说那个平衡点是稳定的或不稳定的。 2. 在线性系统中，系统的稳定性只与系统的结构和参数有关，而与外作用及初始条件无关。非线性系统的稳定性除了与系统的结构和参数有关外，还与外作用及初始条件有关。由于非线性控制系统与线性控制系统有很大的差异，因此，不能直接用线性理论去分析它，否则会导致错误的结论。对非线性控制系统的分析，还没有一种象线性控制系统那么普遍的分析、设计方法。 除了以上的主要特点外,也具有以下特性,在非线性系统中，除了从平衡状态发散或收敛于平衡状态两种运动形式外，往往即使无外作用存在，系统也可能产生具有一定振幅和频率的稳定的等幅震荡。输入为正弦函数时，其输出的稳态分量也是同频率的正弦函数，输入和稳态输出之间仅在振幅和相位上有所不同，因此可以用频率响应来描述系统的固有特性。而非线性系统输出的稳态分量在一般情况下并
不具有与输入相同的函数形式。 非线性系统采用非线性微分方程描述，至今尚没有统一的求解方法，其理论也还不完善。为了更好的描述分析非线性系统,我们根据非线性系统的特点，总结了非线性系统工程上常采用的方法有：1．线性化近似法 对于某些非线性特性不严重的系统，或系统仅仅只研究平衡点附近特性时，可以用小偏差线性化方法，将非线性系统近似线性化。2．分段线性近似法 将非线性系统近似为几个线性区域，每个区域有对应的线性化微分方程描述。 3．相平面法 相平面法是非线性系统的图解分析法，采用在相平面上绘制相轨迹曲线，确定非线性系统在不同初始条件下系统的运动形式。该方法只适用最高为二阶的系统。 4．描述函数法 描述函数法是线性系统频率特性法的推广，采用谐波线性化将非线性特性近似表示为复变增益环节，应用频率法分析非线性系统的稳定性和自持振荡。该方法适用于非线性系统中线性部分具有良好的低通滤波特性的系统。 通过对描述函数学习我们可以知道描述函数的应用条件： ①非线性系统的结构图可以简化为只有一个非线性环节N和一个线性环节)(s G串联的闭环结构。 ②非线性特性的静态输入输出关系是奇对称的，即) y- - =，以保 x ( ) (x y 证非线性环节在正弦信号作用下的输出中不包含直流分量。
第十章非线性系统 §10.1 与线性系统的差异 线性系统与非线性系统的不同之处在于： 1. 非线性系统的运动是由一个非线性微分方程控制的，但是很多非线性方程都不存在精确解。 2. 一个非线性系统可能不只一个平衡点，而平衡点可能是稳定的，也可能是不稳定的。 3. 非线性系统是否存在稳态运动取决于初始条件。 4.非线性系统的自由振动周期由初始条件决定，这就意味着自由振动的频率依赖于自由振动的振幅。 5. 非线性系统的共振出现在激发频率不同于系统的线性固有频率处，在一个三维非线性系统中，当激发频率为系统线性固有频率的1/3时，产生超频共振；当激发频率为系统线性固有频率近三倍时，就产生亚频共振。 6. 线性叠加原理不能用来分析受多频激励的非线性系统，共振的组合是对应于激发频率的近似组合。 7. 对应于固有频率的近似组合，在多自由度的连续系统中存在内共振。 8. 在非线性系统中，周期激励可能会引起非周期响应，由于一些特定的参数值，这种混沌运动出现在很多非线性系统中。 §10.1 定性分析 状态平面或相位平面是速度和位移在整个运动过程中的关系曲线，通过在平衡点的邻域内将控制微分方程线性化，可以检验平衡点的性质及其稳定性（见题10.2），平衡点的各种类型如图10.1所示。
§10.3 达芬方程 达芬方程 rt F sin 23=+++εχχχμχ （10.1） 是一个无量纲方程。它作为一个模型可用于求解三维非线性系统。如果ε为正，则表示一个硬弹簧的响应；如果ε为负，则表示一个软弹簧系统的响应。一个系统自由振动的振幅关系由达芬方程决定，它可以用扰动方法近似表示为： )(8 3 122εεωO A ++= （10.2） 其中ω是固有频率的无量纲化（对于线性系统ω=1），A 是振幅，分析共振附近达芬方程的受迫响应可以设