正弦波振荡器(LC振荡器和晶体振荡器)实验

('正弦波振荡器（LC振荡器和晶体振荡器）实验一、实验目的1．掌握电容三点式LC振荡电路和晶体振荡器的基本工作原理，熟悉其各元件的功能；2．掌握LC振荡器幅频特性的测量方法；3．熟悉电源电压变化对振荡器振荡幅度和频率的影响；通过实验进一步了解调幅的工作原理。4．了解静态工作点对晶体振荡器工作的影响，感受晶体振荡器频率稳定度高的特点。二、实验仪器1.100M示波器一台2.高频信号源一台3.高频电子实验箱一套三、实验电路原理1.基本原理振荡器是指在没有外加信号作用下的一种自动将直流电源的能量变换为一定波形的交变振荡能量的装置。正弦波振荡器在电子技术领域中有着广泛的应用。在信息传输系统的各种发射机中，就是把主振器（振荡器）所产生的载波，经过放大、调制而把信息发射出去的。在超外差式的各种接收机中，是由振荡器产生一个本地振荡信号，送入混频器，才能将高频信号变成中频信号。振荡器的种类很多。从所采用的分析方法和振荡器的特性来看，可以把振荡器分为反馈式振荡器和负阻式振荡器两大类。此实验只讨论反馈式振荡器。根据振荡器所产生的波形，又可以把振荡器分为正弦波振荡器与非正弦波振荡器。此实验只介绍正弦波振荡器。常用正弦波振荡器主要由决定振荡频率的选频网络和维持振荡的正反馈放大器组成，这就是反馈振荡器。按照选频网络所采用元件的不同，正弦波振荡器可分为LC振荡器、RC振荡器和晶体振荡器等类型。（1）反馈型正弦波自激振荡器基本工作原理以互感反馈振荡器为例，分析反馈型正弦波自激振荡器的基本原理，其原理电路如图2-1所示。图2-1反馈型正弦波自激振荡器原理电路1当开关K接“1”时，信号源加到晶体管输入端，构成一个调谐放大器电路，集电极回路得到了一个放大了的信号。当开关K接“2”时，信号源不加入晶体管，输入晶体管是的一部分。若适当选择互感M和的极性，可以使和大小相等，相位相同，那么电路一定能维持高频振荡，达到自激振荡的目的。实际上起振并不需要外加激励信号，靠电路内部扰动即可起振。产生自激振荡必须具备以下两个条件：1.反馈必须是正反馈，即反馈到输入端的反馈电压与输入电压同相，也就是和同相。2.反馈信号必须足够大，如果从输出端送回到输入端的信号太弱，就不会产生振荡了，也就是说，反馈电压在数值上应大于或等于所需要的输入信号电压。（2）电容三点式LC振荡器LC振荡器实质上是满足振荡条件的正反馈放大器。LC振荡器是指振荡回路是由LC元件组成的。从交流等效电路可知：由LC振荡回路引出三个端子，分别接振荡管的三个电极，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~GHz。1.LC振荡器的起振条件一个振荡器能否起振，主要取决于振荡电路自激振荡的两个基本条件，即：振幅起振平衡条件和相位平衡条件。2.LC振荡器的频率稳定度频率稳定度表示：在一定时间或一定温度、电压等变化范围内振荡频率的相对变化程度，常用表达式：Δf０/f０来表示（f０为所选择的测试频率；Δf０为振荡频率的频率误差，频率相对变化量Δf０＝f０２－f０１；f０２和f０１为不同时刻的f０），频率相对变化量越小，表明振荡频率的稳定度越高。由于振荡回路的元件是决定频率的主要因素，所以要提高频率稳定度，就要设法提高振荡回路的标准性，除了采用高稳定和高Q值的回路电容和电感外，其振荡管可以采用部分接入，以减小晶体管极间电容和分布电容对振荡回路的影响，还可采用负温度系数元件实现温度补偿。3.LC振荡器的调整和参数选择以实验采用改进型电容三点振荡电路（西勒电路）为例，交流等效电路如图2-2所示。从图可知，该电路上的电压为反馈电压，即该电压加在三极管之间。由于该电压形成正反馈，符合振荡器的相位平衡条件。2图2-2电容三点式LC振荡器交流等效电路(1)静态工作点的调整合理选择振荡管的静态工作点，对振荡器工作的稳定性及波形的好坏，有一定的影响，偏置电路一般采用分压式电路。当振荡器稳定工作时，振荡管工作在非线性状态，通常是依靠晶体管本身的非线性实现稳幅。若选择晶体管进入饱和区来实现稳幅，则将使振荡回路的等效Q值降低，输出波形变差，频率稳定度降低。因此，一般在小功率振荡器中总是使静态工作点远离饱和区，靠近截止区。（2）振荡频率f的计算式中CT为C1、C2和C3的串联值，因C1（300p）>>C3(75p),C2(1000P)>>C3(75p)，故CT≈C3，所以，振荡频率主要由L、C和C3决定。(3)反馈系数F的选择反馈系数F不宜过大或过小，一般经验数据,本实验取4.克拉泼和西勒振荡电路图2-3为串联改进型电容三点式振荡电路——克拉泼振荡电路。图2-4为并联改进型电容三点式振荡电路——西勒振荡电路。3图2-3克拉泼振荡电路图2-4西勒振荡电路（3）石英晶体振荡器LC振荡器的频率稳定度主要取决于振荡回路的标准型和品质因素（值），在采取了稳频措施后，频率稳定度一般只能达到10-4数量级。为了得到更高的频率稳定度，人们发明了一种采用石英晶体做的振荡器（又称石英晶体振荡器），它的频率稳定度可达到数量级。石英晶体振荡器之所以具有极高的频率稳定度，关键是采用了石英晶体这种具有高值的谐振元件。图2-5是一种晶体振荡器的交流等效电路图。这种电路很类似于电容三点式振荡器，区别仅在于两个分压电容的抽头是经过石英谐振器接到晶体管发射极的，由此构成正反馈通路。与并联，再与串联，然后与组成并联谐振回路，调谐在振荡频率。当振荡频率等于石英谐振器的串联谐振频率时，晶体呈现纯电阻，阻抗最小，正反馈最强，相移为零，满足相位条件。因此振荡器的频率稳定度主要由石英谐振器来决定。在其它频率，不能满足振荡条件。R4R5C2C3C4L1C5BG1JTIͼ5-1¾§ÌåÕñµ´Æ÷½»Á÷ͨ·图2-5晶体振荡器交流通路2.实验电路分析电容三点式LC振荡器实验电路如图2-6所示。图中，上侧部分为LC振荡器，下侧部分为射极跟随器。三极管2Q1为LC振荡器的振荡管，2R21、2R22和2R24为三极管2Q1的直流偏置电阻，以保证振荡管2Q1正常工作。图中开关2K1打到“S”位置时，为改进型克拉泼振荡电路，打到“P”位置时，为改进型西勒振荡电路。图中2D2为变容二极管，调整2W2即可改变变容管上的直流电压，从而改变变容管的电容，也即控制着振荡频率的变化。调整电位器2W1可改变振荡器三极管2Q1的电源电压。当需要LC振荡器输出时，需将2P2、2P4用短铆孔线连接起来。三极管2Q3为射极跟随器，以提高带负载的能力。电位器2W4用来调整振荡器输出幅度。2TP5为输出测量点，2P5为振荡器输出口。晶体振荡器实验电路如图2-7所示。2Q2为振荡管，2W3、2R27、2R28和2R30为三极管2Q2直流偏置电阻，以保证2Q2正常工作，调整2W3可以改变2Q2的静态工作点。图中2R31、2C23为去耦元件，2C22为旁路电容，并构成共基接法。2L2、2C24、2C25成振荡回路，其谐振频率应与晶体频率基本一致。2C26为输出耦合电容。2TP3为晶体振荡器测试点。该晶体振荡器的交流电路与图2-5基本相同。图中2Q3构成的射极跟随电器与LC振荡器共用。当需要晶体振荡器输出时，需将2P3、2P4用线连接起来，经射随后由2P5输出。4图2-6LC振荡器实验电路5图2-7晶体振荡器实验电路6四．实验内容1．用示波器观察LC振荡器和晶体振荡器输出波形，测量振荡器输出电压峰-峰值，并以频率计测量振荡频率；2．测量LC振荡器的幅频特性；3．测量电源电压变化对振荡器的影响；4．观察并测量静态工作点变化对晶体振荡器工作的影响。五．实验步骤1．实验准备插好正弦振荡器与晶体管混频模块，打开实验箱右侧的电源开关，模块上的电源指示灯为红灯常亮，运行指示灯为绿灯闪烁。点击实验箱的显示屏，选择“实验系统”中的“高频原理实验”，然后选择“03振荡器实验”中的“LC振荡器实验”，此时显示屏会显示LC振荡器原理实验图。如图2-8所示。图中红色的2W1、2W2和2W4为可调元件，可通过点击和旋转A2模块右下角编码器2SS1来调整。其他电子元件均为示意图，不能触控操作。图2-8LC振荡器原理实验图同理，点击实验箱的显示屏，选择“实验系统”中的“高频原理实验”，然后选择“03振荡器实验”中的“晶体振荡器实验”，此时显示屏会显示晶体振荡器原理实验图。如图2-9所示。图中红色的2W3和2W4为可调元件，可通过点击和旋转A2模块右下角编码器2SS1来调整。其他电子元件均为示意图，不能触控操作。7图2-9晶体振荡器原理实验图2．LC振荡实验（为防止晶体振荡器对LC振荡器的影响，应使晶振停振，即调2W3使晶振停振，测试2P3振荡输出最小。）（1）西勒振荡电路幅频特性测量①晶体振荡器停振。点击实验箱的显示屏，选择“实验系统”中的“高频原理实验”，然后选择“03振荡器实验”中的“晶体振荡器实验”，用短连接线将2P3与2P4相连，示波器CH1测试“振荡输出”即2TP5孔，具体接线方法如图2-10（a）；点击显示屏中的2W3，旋转编码器2SS1，使晶体振荡器停振，如图2-10（b）。图2-10（a）晶体振荡器接线图（b）停振波形②将界面返回到“LC振荡器”原理实验图界面，断开2P3与2P4连接，用连接线将2P2与2P4相连，示波器CH1接“振荡输出”即2TP5孔,用连接线将显示屏下方的“频率计”与“振荡输出”测试端（2P5）相连。手动拨动实验模块的开关2K1A，往下拨至“P”，此时振荡电路为西勒振荡电路。③点击显示屏原理图上2W4,旋转2SS1使输出幅度最大。调整2W2可调整变容管2D2的直流电压，从而改变变容管的电容，达到改变振荡器的振荡频率，变容管上电压最高时，变容管电容最小，此时输出频率最高。④按照表2-1电压的变化测出与电压相对应的振荡频率和输出电压（峰-峰值Vp-p）,并将测量结果记于表中，表中电压为变容管2D2上的电压，调整2W2即可调整其电压，通过点击显示屏原理图上2W2,旋转2SS1来调节2W2大小，表中的第一行“电压”可在显示屏上读出。测频率时，点击显示屏上方的“频率计”或者打8开示波器的“频率计”即可读出频率值；通过示波器测量输出电压VP-P值。表2-1西勒电路振荡频率和输出电压跟变容管电压的关系电压（v）2.5345678910振荡频率f(MHz)输出电压VP-P(v)根据所测数据，分析振荡频率与电容变化有何关系，输出幅度与振荡频率有何关系，并画出振荡频率与输出幅度的关系曲线。（2）克拉泼振荡电路幅频特性的测量将开关2K1往上拨至“S”，振荡电路转换为克拉泼电路。按照上述（1）的③④方法，测出振荡频率和输出电压，并将测量结果记于表2-2中。表2-2克拉泼电路振荡频率和输出电压跟变容管电压的关系电压（v）012345678910振荡频率f(MHz)输出电压VP-P(v)根据所测数据，分析振荡频率与电容变化有何关系，输出幅度与振荡频率有何关系，并画出振荡频率与输出幅度的关系曲线。3.晶体振荡器实验单击显示屏右上角的“返回”，选择“03振荡器实验”中的“晶体振荡器实验”，此时显示屏显示晶体振荡器原理实验图。用短连接线将2P3与2P4相连，示波器CH1测试“振荡输出”即2TP5孔；用连接线将显示屏下方的“频率计”与“振荡输出”测试端（2P5）相连。点击显示屏原理图上2W3,旋转2SS1来调整2W3电位器。（1）用“频率计”测量其输出频率，记为fs，是否与晶体频率一致（晶体频率为9.0MHz）。（2）调节2W3以改变晶体管静态工作点，观察振荡波形及振荡频率有无变化。四．实验报告1．根据测试数据，分别绘制西勒振荡器，克拉泼振荡器的幅频特性曲线，并进行分析比较；2．根据实验，分析静态工作点对晶体振荡器工作的影响；3．总结由本实验所获得的体会。9',)