1、实验三 LC 正弦波振荡器一、实验目的1.熟悉电容三点式振荡器（考毕兹电路） 、改进型电容三点式振荡器（克拉泼电路及西勒电路）的电路特点、结构及工作原理。2.掌握振荡器静态工作点调整方法。3.掌握晶体管（振荡管）工作状态、反馈大小对振荡幅度与波形的影响。4.掌握改进型电容三点式正弦波振荡器的工作原理及振荡性能的测量方法。5.掌握振荡回路 Q 值对频率稳定度的影响。5.比较不同 LC 振荡器和晶体振荡器频率稳定度，加深振荡器频率稳定度的理解。二、预习要求1.复习 LC 振荡器的工作原理。2.分析图 3-7 电路的工作原理，及各元件的作用，并按小信号调谐放大器模式设置晶体管静态工作点，计算电流 I
2、C的 (设晶体管的 值为 100)。仿真要求：1.按图 3-7 构建仿真电路，实现各种结构的振荡器2.以克拉泼电路振荡器为原型，改变振荡回路参数测量振荡器输出3.改变反馈系数，观测振荡器输出4.改变负载电阻，观测振荡器输出5试构建西勒电路，完成 2-4 内容。三、实验内容：1) 分析电路结构，正确连接电路，使电路分别构成三种不同的振荡电路。2) 研究反馈大小及工作点对振荡器电路振荡频率、幅度及波形的影响。3) 研究振荡回路 Q 值变化对频率稳定度的影响4) 研究克拉泼电路中电容 C1003-1、C 1003-2、C 1003-3 对振荡频率及幅度的影响。5) 研究西勒电路中电容 C1004 对
3、振荡频率及幅度的影响。四、实验原理1.实验原理：振荡器是一种在没有外来信号的作用下，能自动地将直流电源的能量转换为一定波形的交变振荡能量的装置。根据振荡器的特性，可将振荡器分为反馈式振荡器和负阻式振荡器两大类，LC 振荡器属于反馈式振荡器。工作时它应满足两个条件：i. 相位条件：反馈信号必须与输入信号同相，以保证电路是正反馈电路，即电路的总相移 =k+F=n3600。ii. 振幅条件：反馈信号的振幅应大于或等于输入信号的振幅，即F1，式中 为放大倍数， F 为反馈系数。当振荡器接通电源后，电路中存在着各种电的扰动（如热噪声、晶体管电流的突变等） ，它们就是振荡器起振的初始激励。经过电路放大和正
4、反馈的作用，它们的幅度会得到不断的加强。同时，由于电路中 LC 谐振回路的选频作用，只有等于其谐振频率的电压分量满足振荡条件，最终形成了单一频率的振荡信号。正弦波振荡器是指振荡波形接近理想正弦波的振荡器，这是应用非常广泛的一类电路，产生正弦信号的振荡电路形式很多，但归纳起来，不外是 RC、LC和晶体振荡器三种形式。在本实验中，我们研究的主要是 LC 三点式振荡器振荡器。LC 三点式振荡器的基本电路如图（3-1）所示：根据相位平衡条件，图中构成振荡电路的三个电抗中间，X 1、X 2必须为同性质的电抗，X 3必须为异性质的电抗，且它们之间应满足下列关系式：（3-1） 213这就是 LC 三点式振荡
5、器相位平衡条件的判断准则。若 X1和 X2均为容抗，X 3为感抗，则为电容三点式振荡电路；若 X1和 X2均为感抗，X 3为容抗，则为电感三点式振荡器。图 3-1 三点式振荡器的交流等效电路下面以电容三点式振荡器为例分析其原理。电容三点式振荡器共基电容三点式振荡器的基本电路如图 4-2 所示。图中 C3 为耦合电容。由图可见：与发射极连接的两个电抗元件为同性质的容抗元件 C1 和 C2；与基极连接的为两个异性质的电抗元件 C2 和 L，根据前面所述的判别准则，该电路满足相位条件。若要它产生正弦波，还须满足振幅，起振条件，即：(3-2)10FA式中 AO为电路刚起振时，振荡管工作状态为小信号时的
6、电压增益；F 是反馈系数，只要求出 AO和 F 值，便可知道电路有关参数与它的关系。为此，我们画出图 4-2 的简化，y 参数等效电路如图 4-3 所示，其中设yrb0 y ob0，图中 GO为振荡回路的损耗电导，G L为负载电导。图 3-2 共基组态的“考华兹”振荡器图 3-3 简化 Y 参数等效电路由图可求出小信号电压增益 AO和反馈系数 F 分别为yVfbi0120jxZFf式中： 123jxjGYp2122 wCjxgZib 2203 GwLiLp 经运算整理得y-Zfb120 jNMjxYyFATfb式中： 3212312, xGgNxGgMpibibpibp 当忽略 yfb的相移时
7、，根据自激条件应有N=0 及 (3-120 MyyTfbfb3)由 N=0，可求出起振时的振荡频率，即01321321xxGgpib则 1321 XXPib将 X1X2X3的表示式代入上式，解出：21CgLf pibg当晶体管参数的影响可以忽略时，可得到振荡频率近似为LCfg21(3-4)式中： 是振荡回路的总电容。21C由式(3-3)求 M，当 时wgib2221jwgjxZibib则反馈系数可近似表示为：(3-212120 CjwjCxZVFf 5)则 ibpibpgxGgM3121pibpib GCg1221231)()( pibGFg由式（3-3）可得到满足起振振幅条件的电路参数为：
8、pibfbY1(3-6)此式给出了满足起振条件所需要的晶体管最小正向传输导纳值。式（3-6）也可以改写为 12FGgYpibf不等式左端的02AgFYpibf是共基电压增益，显然 F 增大时，固然可以使 增加，但 F 过大时，由于 的影响将使增益降低，反而使 减小，导致振0Tib 0T荡器不易起振，若 F 取得较小，要保证 1，则要求 很大，可见，反馈系0Tfby数的取值有一合适的范围，一般取 F=1/81/2。振荡管工作状态对振荡器性能的影响对于一个振荡器，当其负载阻抗及反馈系数 F 已经确定的情况，静态工作点的位置对振荡器的起振以及稳定平衡状态（振幅大小，波形好坏）有着直接的影响，如图 3
9、-4 中（a）和（b）所示。(a)工作点偏高 (b)工作点偏低图 3-4 振荡管工作态对性能的影响图 3-4（a）工作点偏高，振荡管工作范围易进入饱和区，输出阻抗的降低将会使振荡波形严重失真，严重时，甚至使振荡器停振。图 3-4（b）中工作点偏低，避免了晶体管工作范围进入饱和区，对于小功率振荡器，一般都取在靠近截止区，但是不能取得太低，否则不易起振。一个实际的振荡电路，在 F 确定之后，其振幅的增加主要是靠提高振荡管的静态电流值。在实际中，我们将会看到输出幅度随着静态电流值的增加而增大。但是如静态电流取得太大，不仅会出现图 3-4（a）所示的现象，而且由于晶体管的输入电阻变小同样会使振荡幅度变
10、小。所以在实用中，静态电流值一般取 ICO = 0.5mA5mA。为了使小功率振荡器的效率高，振幅稳定性好，一般都采用自给偏压电路，我们以图 4-2 所示的电容三点式振荡器电路为例，简述自偏压的产生。图中，固定偏压 VB 由 R1 和 R2 所组成的偏置电路来决定，在忽略 IB 对偏置电压影响的情况下，可以认为振荡管的偏置电压 UBE 是固定电压 VB 和 Re 上的直流电压降共同决定的，即 ECEBE RIVRV21由于 Re 上的直流压降是由发射极电流 IE建立的，而且随 IE的变化而变化，故称自偏压。在振荡器起振之前，直流自偏压取决于静态电流 IEO 和 Re 的乘积，即eEQBEIV一
11、般振荡器工作点都选得很低，故起始自偏压也较小，这时起始偏压 VBEQ为正偏置，因而易于起振，如图 3-5（a）所示，图中 Cb 上的电压是在电源接通的瞬间 VB 对电容 Cb 充电在上建立的电压；Rb 是 R1 与 R2 的并联值。根据自激振荡原理，在起振之初，振幅迅速增大，当反馈电压 Uf 对基极为正半周时，基极上的瞬时偏压 变得更正， ic 增大，于是电流fBEQU通过振荡管向 Ce 充电，如图 3-5（b）所示。电流向 Ce 充电的时间常数 充=RDCe，(a) (b)图 35 自给偏压形成RD是振荡管 BE 结导通时的电阻，一般较小（几十到几百欧） ，所以 充 较小，Ce 上的电压接近
12、 Uf的峰值。当 Uf负半周，偏置电压减小，甚至成为截止偏压，这时，Ce 上的电荷将通过 Re 放电，放电的时间常数为 放 =ReCe，显然 放 充 ，在 Vf的一周期内，积累电荷比释放的多，所以随着起振过程的不断增强，即在 Re 上建立起紧跟振幅强度变化的自偏压，经若干周期后达到动态平衡，在 Ce 上建立了一个稳定的平均电压 IEORe，这时振荡管 BE 之间的电压： eEQBEDRIV因为 ，所以有 ，可见振荡管 BE 间的偏压减小，振荡EQOIBOU管的工作点向截止方向移动。这种自偏压的建立过程如图 4-6 所示。由图看出，起振之初， （0t 1之间） ，振幅较小，振荡管工作在甲类状态，
13、自偏压变化不大，随着正反馈作用，振幅迅速增大，进入非线性工作状态，自偏压急剧增大，使变为截止偏压。振荡管的非线性工作状态，反过来又限制了振幅的增大。BEU可见，这种自偏压电路起振时，存在着振幅与偏压之间相互制约、互为因果的关系。在一般情况下，若 ReCe 的数值选得适当，自偏压就能适时地紧跟振幅的大小而变化。正是由于这两种作用相互依存、又相互制约的结果。如图 4-6 所示，在某一时刻 达到平衡。这种平衡状态，对于自偏压来说，意味着在反馈2t电压的作用下，Ce 在一周期内其充电与放电的电量相等。因此，b、e 两端的偏压 保持不变，稳定在 。对于振幅来说，也意味着在此偏压的作用下，BEUBEZU振
14、幅平衡条件正好满足输出振幅为 的等幅正弦波。FE图 3-6 起振时直流偏压的建立过程振荡器的频率稳定度频率稳定度是振荡器的一项十分重要的技术指标，这表示在一定的时间范围内或一定的温度、湿度、电源、电压等变化范围内振荡频率的相对变化程度、振荡频率的相对变化量越小，则表明振荡器的频率稳定度越高。改善振荡频率稳定度，从根本上来说就是力求减小振荡频率受温度、负载、电源等外界因素影响的程度，振荡回路是决定振荡频率的主要部件。因此改善振荡频率稳定度的最重要措施是提高振荡回路在外界因素变化时保持频率不变的能力，这就是所谓的提高振荡回路的标准性。提高振荡回路标准性除了采用稳定性好和高 Q 的回路电容和电感外，
15、还可以采用与正温度系数电感作相反变化的具有负温度系数的电容，以实现温度补偿作用，或采用部分接入的方法以减小不稳定的晶体管极间电容和分布电容对振荡频率的影响。石英晶体具有十分稳定的物理和化学特性，在谐振频率附近，晶体的等效参量 Lq 很大，Cq 很小，Rq 也不大，因此晶体 Q 值可达百万数量级，所以晶体振荡器的频率稳定度比 LC 振荡器高很多。电路特点：图 3-7 为实验电路，V1001 及周边元件构成了电容反馈振荡电路及石英晶体振荡电路。V1002 构成射极输出器。S1001、S1002 、S1003 、J1001 分别连接在不同位置时，就可分别构成考毕兹、克拉泼和西勒三种不同的 LC 振荡
16、器以及石英晶体振荡器。图 3-7：LC 振荡器原理图思路提示：图 3-8 给出了几种振荡电路的交流等效电路图。图 4-8(a)是考毕兹电路，是电容三点式振荡电路的基本形式， 可以看出晶体管的输出、输入电容分别与回路电容 C1、C2 相并联（为叙述方便，图中C1001、C1002 等均以 C1、C2 表示，其余类推） ，当工作环境改变时，就会影响振荡频率及其稳定性。加大 C1、C2 的容值可以减弱由于 Co、Ci 的变化对振荡频率的影响，但在频率较高时，过分增加 C1、C2，必然减小 L 的值（以维持震荡频率不变） ，从而导致回路 Q 值下降，振荡幅度下降，甚至停振。(a) 考毕兹电路 (b)克
17、拉泼电路 (c)西勒电路 (d)皮尔斯电路图 3-8 几种振荡电路计入 Co、Ci 时的交流等效电路图 3-8(b)为克拉泼电路，回路电容 1/C=1/C3+1/(C2+Ci)+1/(C1+Co)，因C3C1、C 3C2，1/C 1/C3， 即 CC3， 故： 回302LCf路电容主要取决于 C3，从而使晶体管极间电容的影响降低。但应注意的是：C 3改变，接入系数改变，等效到输出端的负载电阻 RL 也将随之改变，放大器的增益也会将发生改变，即 C3R L 增益，有可能因环路增益不足而停振。图 3-8(c)为西勒电路，同样有 C3C1、C 3C2，故 CC3+C4，振荡频率为：)(2430Lf
18、而接入系数为： 由于 C4 的接入并不影响接入13211jCjjp系数，故对增益影响较小，这样不仅使电路的频率稳定性提高了，而且使得频率覆盖范围扩大。图 3-8(d)所示的是并联晶体振荡器（皮尔斯电路） ，该电路的振荡频率近似为晶体的标称频率，C 5 可以减小晶体管与晶体之间的耦合作用。五、实验仪器1.双踪示波器 2.扫频仪 3.频谱仪 4.高频信号发生器 5.高频毫伏表 6.万用表7.TPE-TXDZ 实验箱（I 实验区域： LC 与晶体振荡器）六、实验内容及步骤：分析电路结构，参考图 3-8 正确连接电路1.考毕兹电路：利用跳线端子和拨码开关将实验电路连接成考毕兹电路（参考图 3-8（a）
19、 ）,C1001(C1)=200 p, C1007=10np 其余参数选择如下设置。S1000 开路S1001 开路S1002 按需要接入 C1002（C2 ）的值S1003 按需要接入 C1003（C3 ）的值S1004 开路研究静态工作点对考毕兹电路振荡频率、幅度及波形的影响(测试条件：C1003（C3 ） =1000p，通过调整 Rp1001 改变三极管静态工作点，调整 Rp1002是输出为大小合适)。表 3-1Veq(v) 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5C1002=300pC1002=510pC1002=1000pVo(Vpp)C1002=300pC1002=510pC1002
20、=1000pf0(Mhz)设置合适的静态工作点(射级电压约为 12V)，研究反馈大小对考毕兹电路振荡频率、幅度、波形及频率稳定度（注意观察频率后几位数的跳动情况）的影响。表 3-2C1002 300p 510p 1000pC1003 1000p 1000p 1000pf0(Mhz)V0(vpp)稳定性（好、差）2.克拉泼电路利用跳线端子和拨码开关将实验电路连接成克拉泼电路（参考S1000 开路S1001 开路S1002 按需要接入 C1002 的值S1003 按需要接入 C1003 的值S1004 开路研究静态工作点对克拉泼电路振荡频率、幅度及波形的影响（测试条件：C1002（C2 ） =10
21、00p,通过调整 Rp1001 改变三极管静态工作点，调整 Rp1002 是输出为大小合适)。表 3-3Veq(v) 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5C1003=6.2pC1003=62pC1003=100pVo(Vpp)C1003=1000pC1003=6.2pC1003=62pC1003=100pf0(Mhz)C1003=1000p设置合适的静态工作点(射级电压约为 12V)，研究 C1003 和反馈大小对克拉泼电路振荡频率、幅度，波形及频率稳定度（注意观察频率后几位数的跳动情况）的影响。 表 3-4C1002 300p 510p 1000pC1003 62p 100p 1000p
22、62p 100p 1000p 62p 100p 1000pf0(Mhz)V0(vpp)稳定性（好、差）3.西勒电路利用跳线端子和拨码开关将实验电路连接成西勒电路S1000 开路S1001 开路S1002 接入 C1002=1000pfS1003 接入 C1003=62pfS1004 按需要接入 C1004 的值研究静态工作点对西勒电路振荡频率、幅度及波形的影响（测试条件：C1001（C1 ） =200p， C1002（C2）=1000p，C1003=62pf)。表 3-5Veq(v) 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5C1004=20pC1004=62pC1004=100pVo(Vpp)C
23、1004=200pC1004=20pC1004=62pC1004=100pVo(Vpp)C1004=200p设置合适的静态工作点(射级电压约为 12V)，研究 C1004 和反馈大小对西勒电路振荡频率、幅度、波形及频率稳定度的影响（测试条件：C1001=200pf，C1003=62pf。 ）表 3-6C1004 20p 62p 100p 200pC1002 300p 510p 1000pf0(Mhz)V0(vpp)稳定性（好、差）七、实验报告要求1.画出实验电路的直流与交流等效电路。2.整理个步骤的实验数据，并与理论值相比较，分析误差可能的原因。3 分析静态工作点、反馈系数 F 对振荡器起振条件和输出波形振幅的影响，并用所学理论加以分析。4.比较上述三种振荡电路的特点，并分析原因。
