高频 振荡电路

振荡电路实验 121180166 赵琛 一．实验目的 1. 进一步学习掌握正弦波振荡电路的相关理论。 2. 掌握电容三点式LC振荡电路的基本原理，掌握电路中各元件的功能。 3. 掌握晶体振荡电路的基本原理，熟悉串联型和并联型晶体振荡器电路各自的特点，理解电路中各元件的功能。 4. 掌握静态工作点、正反馈系数、谐振回路的等效Q值对振荡器振荡幅度和频率的影响。 5. 比较LC振荡器和晶体振荡器的频率稳定度，加深对晶体振荡器频率稳定高原因的理解。 二、实验使用仪器 1．LC、晶体正弦波振荡电路实验板 2．200MH泰克双踪示波器 3.  FLUKE万用 4.  高频信号源 5.  频谱分析仪（安泰信） 6.  SP312B型高频计数器 三、实验基本原理与电路 1. LC振荡电路的基本原理 LC振荡器实质上是满足振荡条件的正反馈放大器。LC振荡器的振荡回路由LC元件组成。从交流等效电路可知：由LC振荡回路引出三个端子，分别接晶体管的三个电极，而构成反馈式自激振荡器，因而又称为三点式振荡器。如果反馈电压取自分压电感，则称为电感反馈LC振荡器或电感三点式振荡器；如果反馈电压取自分压电容，则称为电容反馈LC振荡器或电容三点式振荡器。 在几种基本高频振荡回路中，电容反馈LC振荡器具有较好的振荡波形和稳定度，电路形式简单，适于在较高的频段工作，尤其是以晶体管极间分布电容构成反馈支路时其振荡频率可高达几百MHz～1GHz。 普通电容三点式振荡器的振荡频率不仅与谐振回路的LC元件的值有关，而且还与晶体管的输入电容以及输出电容有关。当工作环境改变或更换管子时，振荡频率及其稳定性就要受到影响。为减小、的影响，提高振荡器的频率稳定度，提出了改进型电容三点式振荡电路——串联改进型克拉泼电路、并联改进型西勒电路，分别如图4-1和4-2所示。   串联改进型电容三点式振荡电路——克拉泼电路 图4-2西勒振荡电路 Re 的振荡频率为：                                   其中由下式决定  其中分别是晶体管的输入和输出电容。                            选，时，，振荡频率可近似写成                               这就使几乎与和值无关，提高了频率稳定度。 振荡幅度取决于折合到晶体管端的电阻，可以推出：                          由上式看出，、过大时，变得很小，相当于晶体管的集电极带了一个很重的负载，会使晶体管构成的放大器电压增益显著降低，振幅明显下降。还可看出，同振荡器的三次方成反比，当减小电容以提高频率时，的值急剧下降，振荡幅度显著下降，甚至会停振。另外，用作频率可调的振荡器时，振荡幅度随频率增加而下降，在波段范围内幅度不平稳，因此，频率覆盖系数（在频率可调的振荡器中，高端频率和低端频率之比称为频率覆盖系数）不大，约为。 并联改进型电容三点式振荡电路——西勒电路回路谐振频率为 其中，回路总电容为                   选，时，，这就使值几乎与和无关，提高了频率稳定度。 折合到晶体管输出端的谐振电阻                                   其中接入系数和无关，当改变时，、、都是常数，则仅随一次方增长，易于起振，振荡幅度增加，使在波段范围内幅度比较平稳，频率覆盖系数较大，可达1.6~1.8。另外，西勒电路频率稳定性好，振荡频率可以较高。 2. 晶体振荡电路的基本原理 石英晶体振荡器电路可以分为串联型的和并联型的石英晶体振荡电路。 并联型的石英晶体振荡电路就是以石英晶体谐振器取代振荡器中构成谐振回路的电感，电容元件所组成的正弦波振荡器，它的频率稳定度可达 到数量级，所以得到极为广泛的应用。它之所以具有极高的频率稳定度，其关键是采用了石英晶体这种具有高Q值的谐振元件。 由石英谐振器（石英晶体振子）构成的振荡电路通常叫“晶振电路”。从晶体在电路中的作用来看分两类：一类是工作在晶体并联谐振频率附近，晶体等效为电感的情况，叫做“并联晶振电路”。另一类是工作在晶体串联谐振频率附近，晶体近于短路的情况，叫做“串联晶振电路”。     本实验采用“并联晶振电路”这种电路由晶体与外接电容器或线圈构成并联谐振回路，按三点线路的连接原则组成振荡器，晶体等效为电感。在理论上可以构成三种类型基本电路，但在实际应用中常用的是如图4-3所示的电路，称“皮尔斯”电路。这种电路不需外接线圈，而且频率稳定度较高。                             图4-3  并联晶体振荡器原理电路图        图4-4 并联晶体振荡器实例                                                                  图4-4给出了这种电路的实例。这里，晶体等效为电感，晶体与外接电容（包括4.5／20pF与20pF两个小电容）和、组成并联回路，其振荡频率应落在与之间。 图4-5是图4-4中谐振回路的等效电路。 该谐振回路的电感就是，而谐振回路的总电容 应由、及外接电容、、组合而成。 由下式决定，即                            图4-5 图4-4的交流等效电路                             选择电容时，，，因此上式可近似为                                   所以                                     总是处在与两频率之间，调节可使产生很微小的变动。无论怎样调节，总是处于晶体与的两频率之间。但是，只有在附近，晶体才具有并联谐振回路的特点。 3.实验电路 LC、晶体正弦波振荡电路实验电路如图4-6。断开J1、连接J2、J3构成LC西勒电路振荡电路；断开J2、连接J1、J3构成并联型晶体正弦波振荡电路。 图4-6  LC、晶体正弦波振荡电路实验电路 电路原理：     该电路有两级晶体管电路组成，第一级构成电容三点式振荡器，其中电容C1,C4（当跳线J3连接上时），C5（当跳线J4连接上时），C6（当跳线J5连接上时）是反馈电容，反馈系数等于（当跳线J3连接上时）， （当跳线J4连接上时），（当跳线J5连接上时）。晶体管的基极接了一个电容到地，因此晶体管构成共基极组态的放大电路。其中电阻RW1，R1，R2是基极的直流偏置电阻，电阻R3决定晶体管的集电极电压，电阻R4决定晶体管的射极静态的直流电流Ie。通常Ie越大，晶体管放大电路的放大倍数也越大，因此振荡幅度相应的增大，起振时间缩短，但同时谐波失真也会相应的增大。Ie过小，放大倍数不够，不满足的起振条件，电路无法起振。Ie过大，放大倍数过大，电路工作在饱和区，也无法正常振荡，因此通常选取Ie在1-4mA之间。     振荡电路在起始振荡阶段，由于此时振荡幅度较小，晶体管工作在甲类工作状态，随着振荡幅度的增加，晶体管逐渐过渡到乙类或者丙类工作状态，进入大信号非线性工作状态，晶体管不是全周期导通，电路的放大倍数会逐渐下降，从而满足，实现稳幅振荡。     改变可变电容CV1,可改变振荡频率，电容满足，晶体旁边并联了一个可变电容，当构成晶体振荡电路时，微调可变电容值，可以改变振荡幅度，振荡信号从第一级晶体管的射极引出，后一级晶体管构成共射极电压放大，起到隔离和缓冲的作用。示波器探头应该接在TP2处来测量振荡信号频率，这样比较准确。如果直接在第一级的输出测量振荡信号频率，示波器输入探头有输入电容会影响振荡电路的振荡频率。 四、实验内容与数据分析 1．LC振荡器性能测试 （1）测试静态工作点变化对振荡器工作状态的影响 IEQ(mA) 2mA 2.5mA 3mA 3.5mA f(MHz) 10.7033 10.6899 10.6812 10.6799 Vp-p(V) 1.09 1.33 1.62 1.31 二次谐波失真 -17 -21 -30 -18 三次谐波失真 -29 -40 -35 -40 （2）振荡器频率范围的测量 f(MHz) Vp-p(V) Cmin 9.7003 0.852 Cmax 10.9204 1.16 （3）反馈系数对振荡器工作状态的影响 F 1/2 1/3 1/4 1/5 1/6 f(MHz) 10.7083 10.5723 10.5934 10.5534 10.5248 Vp-p(V) 1.12 1.04 1.00 0.802 0.694 二次谐波失真 -21 -20 -21 -30 -33 三次谐波失真 -32 -32 -35 -39 -40 2．晶体正弦波振荡器性能测试 （1）测试静态工作点变化对振荡器工作状态的影响 IEQ(mA) 2mA 2.5mA 3mA 3.5mA f(MHz) 10.6988 10.6988 10.6988 10.6988 Vp-p(V) 0.720 0.888 1.06 1.62 二次谐波失真 -12.0 -13 -.13.2 -12.4 三次谐波失真 -21.2 -23.0 -21.3 -16.8 （2）振荡器频率范围的测量 f(MHz) Vp-p(V) Cmin 10.6986 0.50 Cmax 10.6997 1.33 （3）反馈系数对振荡器工作状态的影响 F 1/2 1/3 1/4 1/5 1/6 f(MHz) 10.6990 10.6990 10.6988 10.6989 10.6989 Vp-p(V) 1.41 1.06 0.88 0.70 0.46 二次谐波失真 -29.2 -27 -21.2 -30 -24 三次谐波失真 -33 -23 -12 -19 -40 静态工作点引起变化的分析 根据绘图所示，LC振荡电路的频率稳定度相对于石英晶体震荡电路比较差。随着Ieq的增加，频率变化很大；而石英振荡电路振荡频率几乎不随着静态工作点变化。2根据绘图所示，无论LC振荡电路还是石英晶体振荡电路，随着静态工作点的上升，放大倍数也增大。 关于谐波失真的分析：从理论上来说，随着静态工作点Ieq的升高，失真应该增大。在实际试验中，石英晶体振荡电路基本符合此规律，而LC振荡电路似乎表现出了失真随着工作点变化无明显趋势。我认为有以下几点原因：1 由于试验箱本身不够准确，导致电路中静态工作点变化引起了分布参数的变化，导致不准确；2 由于试验电路频率较高，在示波器进行完FFT之后频域波形较窄，光标不能完全吻合，从而在测试的时候出现了误差。3 在测试时使用的示波器有一定误差。这个是有可能的，在我测量时，石英晶体振荡电路基本稳定在10.6988MHz，存在一定的微小的偏差。 反馈系数引起变化分析     随着反馈系数的增大，LC振荡电路振荡频率略有增加，而石英晶体振荡电路频率基本保持不变，了石英晶体的稳定性。而随着反馈系数的增加，无论是LC振荡电路还是石英晶体振荡电路放大倍数都在上升，基本符合理论。     关于失真，LC振荡电路仍然是没有清晰变化趋势，而石英晶体振荡电路，除去F=1/6这个特殊点之外，整体符合随着随着反馈增大失真变小的趋势，基本符合理论。对于LC振荡电路没有表现出明显失真趋势的原因，我已在静态工作点引起变化中分析，此处不再赘述。 关于LC振荡和石英晶体振荡电路的对比     根据以上的分析，我们可以清楚地看出LC振荡电路相对于石英晶体振荡电路不够稳定的特点。结合关于频率和幅值变化范围的测试，我们可以更明显看出，石英晶体振荡频率稳定度远远超过了LC振荡电路。这也是我们通过这个实验所验证的结论。 实验感想 本次试验我主要验证了LC振荡电路和石英晶体振荡电路的性质。在理论课学习中，我对于石英晶体振荡电路的性质，仅仅了解了其稳定度好和狭窄的频率范围，而对于LC振荡电路，我之前也仅仅见过几种理论电路图，而没有实际验证过起振到稳定的全过程，本次试验正是实现了这个任务，使得我对振荡器性质有了进一步了解。