正弦波振荡器的设计与测试.docx

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正弦波振荡器的设计与测试

一、实验目的

1.通过实验进一步了解晶体振荡电路的基本工作原理，研究振荡电路起振条件和影响频率稳定度的因素。

   2.初步了解高频正弦波电路的设计方法和步骤。

   3.学会使用电子计数式频率计测量频率的方法。

二、实验原理

1.LC振荡器设计方法与步骤

   LC正弦波振荡器在其振荡建立并达到平衡之后，晶体管工作在非线性状态，工作频率较高，晶体管参数也不再为一实数。

振荡的物理过程变得十分复杂，因此企图用严密的理论分析进行设计计算是不现实的。

通常行之有效的方法是：

根据振荡器的工作原理和设计原则，合理的选择电路形式和器件，然后进行近似的估算，最后进行实验调整，使其达到所要求的技术指标。

（1）选择振荡电路形式

   振荡电路的选择主要是根据所给定的工作频率（或工作频段）频率稳定度的要求。

LC振荡电路一般适用于数百千赫到数百兆赫的频率范围，它的短期频稳度一般在10−3到10−4的数量级。

在小功率通讯机中所使用的可变频率振荡器，一般都要求波段范围内频率连续可调，故可选用互感耦合三点式振荡电路。

互感量的调节比较方便，其输入与输出电路的馈电方式互不影响。

但是，由于结构复杂，特别是电路中含有电感元件，故这种电路较适用于中短波波段，在短波段以上，一般多采用考毕兹电路。

对于可变频率振荡器，其频率稳定度要求提高时，几乎都采用克拉泼电路或西勒电路，它的频稳度达到10−4～10−5。

若采用高质量回路元件，再加上一些措施，频稳度还可进一步提高。

一般频率稳定度要求在10−5～10−6以上的固定频率振荡器（如广播发射机的主振器）时，必须选用石英晶体振荡器。

表3.4.1 各种振荡器的频率精确度和稳定度

分 类

频率精确度

频率稳定度

无稳态多谐振荡器

LC振荡器

RC振荡器

晶体振荡器

稳定化晶体振荡器

10−1

5×10−2

5×10−2

5×10−5

10−6

10−1

5×10−2

5×10−2

5×10−5

10−6

（2）振荡管的选择

   小功率振荡器输出一般为毫瓦数量级，一般晶体管均可满足功率的要求。

选管时主要

考虑是在满足工作频率和起振条件前提下，应尽可能提高振荡器的频稳度，因此振荡管应满足以下几点要求：

   ①特征频率fT或最高频率fmax要足够高。

实践证明，为了保证振荡器正常工作，必须使晶体管的fmax比振荡器的最高工作频率fH高三倍以上即：

                   fmax≥3fH       （3-4-1）

有时手册并不直接给出fmax这个参数，而是给出特征频率fT或fα，基极电阻rbb'及集电结的结电容Cb'c等，这时，可以根据

        （3-4-2）

和              fT = （0.7~0.8）fα     （3-4-3）

的关系，计算出fmax，也可直接用

                    fT ≥（2~10）fH      （3-4-4）

的关系选用振荡管。

②晶体管的电流放大倍数β需足够大。

选用β较高的管子，有利于提高振荡器的频率稳定度，改善起振条件和波形质量。

但是也要注意β高的晶体管其ICBO也较大。

   ③输出功率较大的振荡器，选管时要按下式对集电极最大耗散功率进行校核。

                     Pc≥     

                            （3-4-5）

式中     Pcm —— 管子集电极最大允许耗散功率

         PL   —— 输出到负载上的功率

        ηk  —— 振荡回路效率

        ηc  —— 晶体管集电极效率

集电极效率与晶体管参量、工作频率和集电极电压利用系数有关。

要求频稳度高，  ηc－般取0.2，ηk一般在0.2~0.8之间选取；要求频稳度高，可取的小一些（即与负载耦合松一些），反之，可取得大一些。

将ηk和ηc代人Pcm可得：

                        Pcm≥（5~20）PL                       （3-4-6）

这就是说，当振荡器输出功率较大时，应按集电极最大耗散功率大于输出功率5倍以上的条件来选管。

图3.4.1振荡管的偏置电路

（3）静态工作点的选择及偏置电路元件的估算合理地选择振荡器的静态工作点，对振荡器的起振，工作的稳定性，波形质量的好坏有着密切的关系。

－般小功率振荡器的静态工作点应选在远离饱和区而靠近截止区的地方。

根据上述原则，一般小功率振荡器集电极电流ICQ大约在0.5~2mA之间选取，以图3.4.1所示的共发组态为例，各极电压大致可取为：

对于振荡器来说，稳定静态工作点的主要措施是采用高稳定度的偏置电路。

目前广泛采用的是图3.4.1所示的混合反馈式偏置电路。

对于这种电路，当满足I1>>IBQ的条件时，各偏置元件可按下列公式选取：

            RB2>（2~6）RE

                   （3-4-7）

发射极电阻旁路电容CE可按下式计算                 

                           CE≥     

                               （3-4-8）

其中，f——振荡器的工作频率，单位为Hz； 

   为了满足  

        的关系，隔直电容CB可按下面经验公式进行计算：

  （3-4-9）

其中，RB=RB1∥RB2∥hie；f为工作频率，单位为MHz。

需要指出的是，CERE之值不能太大，否则将会产生间歇振荡现象。

（4）振荡回路参数的选择

①回路计算

   回路中的各种电抗元件都可归结为总电容C和总电感L两部分。

确定这些元件参量的方法，是根据经验先选定一种，而后按振荡器工作频率再计算出另一种电抗元件量。

从原理来讲，先选定哪种元件都一样，但从提高回路标准性的观点出发，以保证回路电容Cp远大于总的不稳定电容Cd原则，先选定Cp为宜。

并且要求L/C尽可能小一些，但是也不能太小。

另考虑到这些电抗元件又起着电路分压反馈元件的作用。

因此，一般取L/C（L以H为单位，C以F为单位）为105~106左右为宜。

选定Cp之后，可按下式算出回路总电感

 （3-4-10）

式中：

Cp——回路总电容（包括所算到电感两端的各种可变电容与固定电容）。

       Cd——折算到回路电感两端的所有不稳定电容（包括晶体管结电容和分布电容）。

②反馈电路计算（以三端振荡电路为例）

已知                     Xcb=Xce+Xeb 

                             kf =Xeb/Xce                        （3-4-11）

式中:

 Xcb——振荡管集电极-基极间的耦合电抗；

      Xce ——振荡管集电极-发射极间耦合电抗；

      Xeb ——振荡管发射极-基极间耦合电抗。

   对于三端式振荡电路，反馈系数kf可在l/2~l/8之间，最后通过实验来确定。

过大，振荡器显然容易起振，但波形可能变差。

kf过小，虽然波形较好，但往往振幅较小，稳幅能力较弱，而且也不易起振。

选定kf后，即可求出Xce和Xeb。

③接入系数的确定

   为了避免放大器的增益过大，振荡过程，必须减弱振荡管与回路之间的耦合。

整个回路的谐振阻抗Rp与部分耦合的谐振抗

 之比的平方根就是该电路的接入系数pce。

根据接入的定义，对于电感反馈振荡电路来说

          （3-4-13）

式中:

 n ——电感线圈的总匝数；

n1——为管子集电极到发射极之间相耦合的电感线圈的匝数。

对于电容反馈振荡电路来说

      （3-4-14）

式中：

C ——回路总的电容；

C1 ——集电极到发射极之间的回路电容。

（5）关于输出方式的考虑

   为了尽可能地减小负载对振荡电路的影响，一般除了采用射随器作为隔离级之外，振荡信号应尽可能从电路的低阻抗端输出。

例如发射极接地的振荡电路，输出宜取自基极；如为基级接地，则应从发射极输出。

2.振荡器的调整与测试

  按设计电路装好之后，必须进行精心地调试。

在调试中可能碰到的问题是：

不能起振、振荡频率不准、波形质量不好、寄生振荡等现象。

（1）关于起振问题

振荡电路接通电源后，有时不起振，或者要在外界信号强烈触发下才能起振，在波段振荡器中有时只在某一频段振荡，而在另一频段不振荡等等。

所有这些现象无非是没有满足相位平衡条件或振幅平衡条件。

如果在全波段内根本就不振荡，这首先要看相位平衡条件是否满足。

对三端振荡电路要看是否满足对应的相位平衡判断准则。

此外，还要在振幅平衡条件所包含的各因素中找原因。

例如：

①静态工作点选得太小；  

②电源电压过低，使振荡管放大倍数太小；

③负载太重，振荡管与回路之间耦合过紧，使回路Q值太低；

④回路的特性阻抗ρ或接入系数pce太小，致使回路谐振阻抗

太低；

⑤反馈系数kf太小，不易满足振幅平衡条件。

但是盲目增大反馈量，反而使Q值大大降低，这不仅使波形变坏，甚至无法满足起振条件。

故kf并非愈大愈好，而是应适当选取。

有时在某一频段内高频端起振，而低频端不起振。

这多半是在用调整回路电容来改变振荡频率的电路中，低端由于C增大而使L/C下降，致使谐振阻抗降低所引起。

反之，有时出现低端振而高端不振，这种现象的出现可能有以下几种原因：

①选用晶体管fT不够高；

②管子的电流放大倍数β太小；

③低端已处于起振的临界边缘状态，在高频工作时晶体管输入电容Cbe的作用使反馈减弱；或者是由于Cb'e的负反馈作用显著等。

（2）关于振荡波形

图3.4.2 振荡管工作进入饱和区时回路电压波形        图3.4.3 二次谐波较大时的回路电压波形

正弦波振荡器的输出应该是正弦波。

但是电路设计或调整不当将会出现波形失真，甚至出现平顶波、脉冲波等严重失真的正弦波，或者在正弦波上迭加有其它波形。

产生波形严重失真的现象，可能是以下几种原因所引起，：

①静态工作点选的太高，振荡管进入饱和区，这时回路电压的波形如图3.4.2所示；②若集电极或基极与振荡回路耦合过紧，则回路滤波不好，二次谐波幅度较大会出现

如图3.4.3所示的波形；

③反馈系数kf太大，回路Q值不高，负载太重，回路严重失谐等都会出现波形失真。

－般说来，如果发现波形不好，首先应检查静态点是否偏高，其次考虑是否适当减小

反馈量，设法提高Q值等。

3.其它非正常振荡现象

①寄生振荡，如图3.4.4所示，在某一工作频率的振荡波形上，迭加着一些不规则波形，有时波形尚好，但用频谱仪检查发现有另外的频率成分存在，即寄生振荡，为了防止和消除寄生振荡，首先在安装时必须考虑合理的工艺结构，尽量减少寄生参量，保持参量的稳定；其次应采用退耦电路，在较大电容处并上一个较小的电容；有时在振荡管的基极或发射极串入－个小电阻或在发射结之间接一个小电容就可能消除超高频寄生振荡。

图3.4.4 寄生振荡波形

②间歇振荡，如图3.4.5所示，有时振荡器某些元件数值选用不当（例如CERE选的过大），或者振荡回路Q值太低，往往出现时振时停的所谓“间歇振荡”，同时一般表现为集电极电流减小，回路电压较高，而频率计测不出确定的振荡频率，只能用示波器观察。

为了避免产生间歇振荡，RC的时间常数应小于振荡回路的时间常数2L/C，一 般可取RC≤2L/5C。

 图3.4.5 间歇振荡波形    

   ③频率占据，在振荡电路中如果有外加电动势作用于输入回路，而且外电动势的频率又十分接近振荡器的频率，这时可能会出现振荡频率受控现象，即振荡频率不再由回路参数所决定，而是按外电动势的频率工作，这种现象称为“频率占据”，提高振荡回路的Q值，增大振荡回路的惯性，就不易受外来信号的影响。

图3.4.6 串联型晶体振荡器

4.晶体振荡器的设计

晶体振荡器在频率较高的情况下工作于非线性状态。

因此，对于LC振荡器的设计方法，原则上也适用于晶体振荡器。

但是，作为晶体振荡器来说，也有它一定的特殊性，以图3.4.6电路为例讨论其偏置电路、反馈网络、振荡回路、旁路元件设计计算问题。

图3.4.6所示电路是一个串联型晶振电路。

由石英晶体来稳频，输出频率基本固定但可通过L1来微调。

（1）石英谐振器的选用                       

石英谐振器最基本的技术要求是要符合需要的标称频率，即要满足电路要求。

石英谐振器的频率范围一般在3～200,000千赫之间；其次，还要考虑工作温度是否适合环境温度条件；频率偏差是否符合振荡器频率精度指标要求；环境条件（振动、潮温等）是否能够适应等。

（2）振荡管的选用

和LC振荡器一样，也要求振荡管的截止频率fβ尽可能高些。

由于晶体管fα>>fβ，因此一般采用共基极组态电路。

振荡管的hfe一般总可以满足要求。

当然，hfe高，可以加大C1、C2的数值，对于提高频稳度有利。

但是hfe值过高，反而会使放大环路不稳定。

（3）偏置电路元件确定                              

   偏置电路元件RB1、RB2的选用原则：

①无信号时晶体管有给定的电流（即工作点）。

②反馈量适当时，能保证PL=0.3Po。

则认为偏置的设计是合理的。

  （4）反馈系数的确定

经验证明，振荡器的偏置和反馈系数适当时，在集电极上的输出电压大约为电源电压的90％。

反馈系数kf=  

    。

实验证明，kf在1/7~1/4的范围内选取稳定性最好。

（5）振荡频率

   该电路的振荡频率是由L1、C1、C2和石英晶体谐振器的等效电感来决定的。

此外还必须注意，晶体管的输出电容Co是与C1相并联，在频率较高的电路中该输出电容必须考虑。

（6）谐振电路元件确定

   在没有提出特别要求的情况下，短波和超短波段谐振电路的电容以每（波长）2pF来选择为宜。

在工作频率低于1MHz的中波波段可取每米为10～20pF。

例如：

若f=30MHz，则波长为10m，这时回路电容可选为20pF。

   当电容量确定后，可由式f=  

    求出L的值。

   另一种估计法是在工作频率上，在80Ω至100Ω之间选用一个L的感抗值。

此法在工作频率低于1MHz以下时特别有用。

（7）旁路电容，耦合电容和射频扼流圈

   旁路电容C4、C5的值应当能够使其在工作频率上电抗值为5Ω或更低。

耦合电容C6的数值应近似等于晶体管输出电容与C1并联后的数值，如果C6为可变电容则应让C6的中间值近似等于该值。

C3用于隔离加在晶体振子上的直流电压。

其取值一般为30p、51p、100p。

   射频扼流圈L2、L3在工作频率上其阻抗值应该在1000Ω至3000Ω范围内。

扼流圈的最小电流容量应大于预期的最大直流电流值（至少应当大10％）。

（8）输出电路

将振荡信号输送到下一级的方法，可以用电感线圈抽头的方法从L1取出（当负载为低阻抗时）；也可以采用耦合电容的方法从集电极取出（当负载为高阻抗时），通常，以后者最方便。

一般耦合电容C5是可变的，这样当负载变化时调整C5仍可保持良好的输出。

（9）振荡器的频率稳定度                           

①缓冲器                                    

当负载变化或需要大功率时，振荡器必须配置缓冲放大器（bufferamplifier，简称缓冲器），使负载不影响振荡器。

图3.4.7是通过射随器从基极调谐振荡器中取出的一种简单方法。

由于射随器可以在几乎不降低回路Q值的情况下就能耦合。

而且回路的输出是正弦波，振幅大，所以易取出大正弦波电压作为输出。

而且最好使作为缓冲器的射随器如图3.4.7所示直接耦合，并且用负电源接射极。

图3.4.7  电压缓冲器

②阻尼衰减器

若要使振荡器取出的输出电平可变，显然应该使用分压电路（可变电阻）。

由于这直接关系到负载变化，所以应尽量采用如图3.4.8所示的电路，通过调整电平而不改变输入输出阻尼的阻尼衰减器（attenuator）来进行。

（a）理想的输出振幅控制                 （b）一般的输出振幅控制

图3.4.8 输出振幅控制

若将负载直接连接在振荡器上，那么当经由滤波器连接负载及负载中包含有源电路时，往往会诱发异常振荡及寄生振荡。

即使设置了缓冲器，也会打乱缓冲器的工作状态，阻碍振荡器的稳定工作。

因此必须经过阻尼衰减器。

另外，如果采用具有某些衰减量的阻尼衰减器，那么从负载一侧看振荡器时，可以认为振荡器的内部阻抗是不变的。

   当把多台振荡器的输出混合提供给负载时，必须经过阻尼衰减器。

将用于防止相互干涉或充当负载缓冲器的固定阻尼衰减器称为缓冲器（pad）。

三、实验仪器

双踪示波器     1台

直流稳压电源   1台

高频毫伏表     1台

数字式频率计   1台

万用表         1块

四、实验设计指标

             （a）晶体振荡器                              （b）射随器

图3.4.9  晶体振荡器实验电路图

1.如图3.4.9（a）所示，给定晶振的f0=3.2768MHz；晶体管为高频小功率管9018，其参数详见晶体管参数表，取晶体管的β=150，VCC=12V。

试设计一晶体振荡器。

2.设计一射随器做为缓冲级，电路如图3.4.9（b）所示，接在振荡器与频率计数器之间，用来隔绝负载对振荡器的影响。

设计指标：

晶体管为9014，VCC=12V，要求Vomax≥1~7Vrms，VBQ=3~6V。

五、实验内容

1.电路调整

（1）对照电路图在面包板连接电路，注意在排列元件时，要整齐有序，导线尽可能短，

各接地点尽可能靠近，连接的导线不要来回拉，避免产生寄生振荡。

（2）接上直流电源，在振荡器的输出端接射随器,观察vo、vo2是否出现不失真的正弦波，若未调出来则需检查电路，调整元件。

   *注：

先调振荡器使vo为正弦波，若vo2不是正弦波可改变前级的工作点或C6的值。

  （3）测量振荡器的振荡频率，先用示波器扫描时间刻度粗略测振荡器的振荡频率；然后，再用数字式频率计数器接在射随器的输出端测振荡频率f。

2.电路测量

使用高频毫伏表测量输出信号幅度，并用示波器监视输出波形。

（1）测量各级的静态工作点。

（2）测量频率稳定度

   。

其它条件不变，观察2分钟频率变化情况，由此计算出

  值。

（3）观察负载RL变化对振荡幅度Vom、频率及波形质量的影响。

负载分别为∞、10kΩ、1kΩ、10Ω。

RL（Ω）

f（MHz）

波形质量

振荡幅度（mV）

∞

10k

1k

10

（4）断开射随器，考察改变工作点ICQ对输出幅度Vom及波形质量的影响；

（5）断开射随器，考察改变反馈系数kf对输出幅度Vom、增益Av及波形质量的影响；

ICQ（mA）

波形及振幅

kf

C1（pF）

C2（pF）

波形及振幅

（6）观察起振后工作点的偏离情况

用短路线将振荡回路电感L1短路，这时电路停振，测量此时的VEQ1。

接着拆除短路线，电路起振，再次测量此时的VEQ1，看两者是否相等。

六、实验预习

1.根据给定指标设计振荡器、射随器，完成设计报告。

要求：

写出计算过程，计算元件值，并标出元件的标称值。

2.各级放大器的静态工作点，振荡器的增益。

3.写出实验中可能出现的问题的解决方法。

4.了解负载、工作点、反馈系数的改变对电路的影响。

5.完成预习报告。

七、实验报告要求

1.整理实验数据，记录波形。

2.用所学理论，分析实验结果。

3.对实验中出现的问题和现象进行分析。

八、思考题

1.振荡器与一般放大器的主要区别是什么？

2.振荡器中晶体管、振荡回路、反馈网络各起什么作用？

对它们应有什么要求？

3.振荡器波形不好与哪些因素有关？

如何改善？