正弦振荡实验.docx

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正弦振荡实验

太原理工大学现代科技学院

高频电子线路课程实验报告

专业班级测控

学号

姓名

指导教师

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实验名称正弦振荡实验同组人无

专业班级学号姓名成绩

一、实验名称：

正弦振荡实验

二、实验目的

1、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。

2、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。

3、研究外界条件变化对振荡频率稳定度的影响。

4、比较LC振荡器和晶体振荡器频率稳定度，加深对晶体振荡器频率稳定高的原因理解。

三、实验仪器

l、双踪示波器一台

2、万用表一块

3、调试工具一套

四、实验原理与线路

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三端式振荡器及晶体振荡器。

LC三端式振荡器的基本电路图如图（4-1）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，X1、X2必须为同性质的电抗，X3必须为异性质的电抗，且它们之间应满足下列关系式：

X3=一（Xl+X2）（4-1）

这就是LC三端式振荡器相位平衡条件的判断准则。

若Xl和X2均为容抗，X3为感抗，则为电容三端式振荡电路；若Xl和X2均为感抗，X3为容抗，则为电感三端式振荡器。

下面以电容三端式振荡器为例分析其原理。

１、电容三端式振荡器

共基电容三端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

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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：

Ao•F>1（4-2）

式中Ao为电路刚起振时，振荡管工作状态为小信号时的电压增益；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yrb≈O

yob≈O，图中Go为振荡回路的损耗电导，GL为负载电导。

由图可求出小信号电压增益Ao和反馈系数F分别为

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经运算整理得

式中：

，

当忽略yfb的相移时，根据自激条件应有N=0及（4-3）

由N=O，可求出起振时的振荡频率，即

则XlX2X3gibGp=Xl+X2+X3

将XlX2X3的表示式代入上式，解出：

当晶体管参数的影响可以忽略时，可得到振荡频率近似为

（4-4）

式中：

是振荡回路的总电容。

由式（4-3）求M，当

<<

时

则反馈系数可近似表示为：

（4-5）

则

=

=

由式（4-3）可得到满足起振振幅条件的电路参数为：

（4-6）

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（4-6）也可以改写为

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不等式左端的是共基电压增益，显然F增大时，固然可以使TO增加，但F过大时，由于gib的影响将使增益降低，反而使T0减小，导致振荡器不易起振，若F取得较小，要保证T0>l，则要求Yfb很大，可见，反馈系数的取值有一合适的范围，一般取F=l/8—1/2。

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4-4中（a）和（b）所示。

图4-4（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4-4（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4-4（a）所示

的现象，而且由于晶体管为输入电阻变小同样会使振荡幅度变小。

所以在实用中，静态电流值一般取Ico=0.5mA-5mA。

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

所示的电容三端式振荡器电路为例，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

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是固定电压VB和Re上的直流电压降共同决定的，即

=

－

=

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

=

－

·

一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

为正偏置，因而易于起振，如图4-5（a）所示，图中Cb上的电压是在电源接通习瞬间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UBE=UBE+Uf变得更正，ic增大，于是电流通过振荡管向Ce充电，如图4-5（b）所示。

电流向Ce充电的时间常数τ充=RD•Ce，

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τ充较小，Ce上的电压接近Uf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τ放=Re•Ce，显然τ放>>τ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IEO•Re，这时振荡管BE之间的电压：

VBEO=VB—IEO•Re

因为IEO>IEQ，所以有UBEO

这种自偏压的建立过程如图4-6所示。

由图看出，起振之初，（0～t1之间），

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振幅较小，振荡管工作在甲类状态，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UBE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。

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t2达到平衡。

这种平衡状态，对于自偏压来说，意味着在反馈电压的作用下，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UBE保持不变，稳定在UBEZ。

对于振幅来说，也意味着在此偏压的作用下，振幅平衡条件正好满足输出振幅为UFz的等幅正弦波。

3、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，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

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法以减小不稳定的晶体管极间电容和分布电容对振荡硕率的影响。

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。

4、实验线路见附图G5

电源供电为12V，振荡管Q52为3DGl2C。

隔离级晶体管Q5l也为3DGl2C，LC振工作频率为10.7MHz，晶体振为10.245MHz。

1）静态工作电流的确定

选ICQ=2mAVCEQ=6Vβ=60

则有R55+R54=

为提高电路的稳定性RE值适当增大，取R55=1KΩ则R54=2KΩ

则uEQ=ICQ•RE=2×1=2V

IBQ=ICQ/β=1/30mA

取流过R56的电流为10IBQ

则R56=8.2K则R57+W51=28K

取R57=5.1K,W51为50K的可调电阻。

2）确定主振回路元器件

当为LC振荡时，fo=10.7MHz设L=L51=2.2μH

则

C=C53+CC51+C512+C55‖C56‖C57

由C56、C57远大于C55[C53+CC51+C512]

取C55为24PC53+C512为55P（而实际上对高频电路由于分布电容的影响，往往取值要小于此值）CC51为3—30P的可调电容。

而C56/C57（C58、C59）=1/2—1/8则取C56=100P

而对于晶体振荡，只并联一可调电容进行微调即可。

五、实验内容

1、按下开关K51，调整静态工作点：

调W5l使VR55=2V（即测P2与G两焊点之间的电压，见图0-1所示）。

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2、

（1）连接好J54、J52，调节可调电容CC5l，通过示波器和频率计在TT5l处观察振荡波形，并使振荡频率为10.7MHz（在本实验中可调范围不窄于10MHz-12MHz）。

（2）断开J52，接通J53，微调CC52，使振荡频率为10.245MHz。

3、观察振荡状态与晶体管工作状态的关系。

断开J53，连好J52，用示波器在TT5l观察振荡波形，调节W51，观察TT5l处波形的变化情况，并测量波形变化过程中的几个点的发射极电压且计算对应的IE。

4、观察反馈系数对振荡器性能的影响（只作LC振荡）。

用示波器在TT51处观察波形。

分别连接J54、J55、J56或组合连接使C56/C57‖C58‖C59等于1/3、1/5、1/6、l/8时，幅度的变化并实测，反馈系数是否与计算值相符，同时，分析反馈大小对振荡幅度的影响。

5、比较LC振荡器和晶体振荡器频率稳定度。

分别接通J53、J52，在TT51处用频率计观察频率变化情况。

6、观察温度变化对振荡频率的影响。

分别接通J53、J52，用电吹风在距电路15cm处对着电路吹热风，用频率计在TT51处观察频率变化情况。

六、实验记录

由上述实验内容步骤的到附页实验图片结果：

附2-1~2-6图

七、思考题

1、比较LC振荡器与晶体振荡器的优缺点。

答：

LC振荡可用的频率范围宽，电路简单灵活，成本低，容易做到正弦波输出和可调频率输出。

但它的频率稳定度低，温漂时漂都比较大。

晶体振荡器的频率单一不可调，输出频率精度高，温漂时漂都很小，一般射频通讯或遥控载频振荡器、智能系统时基等都采用晶体振荡器。

2、分析为什么静态电流Ieo增大，输出振幅增加，而Ieo过大反而会使振荡器输出幅度下降？

答：

三极管Ic过大时，HFE值会减小，使振荡器的放大环节倍数降低，所以会降低输出幅度，而且会造成输出波形失真。

如果过大，还会造成振荡器停振。

八、实验心得

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通过本次试验，我学会了集成运算放大器组成LC桥式正弦波振荡电路的工作原理和电路结构，了结了LC桥式振荡器中LC串并连的选频特性，熟悉了常用仪表，了接电路基本调试方法，进一步掌握了用双踪示波器测相位差的方法，总之，收获很大。

九、附页

图2-1示波器校准（1KHz）

图2-1j52、j54（10.7MHz（0.1V，0.2us））

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图2-3j53、j54（10.245MHz（0.1V，0.2us））

图2-4j54（0.1V，0.2us）

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图2-5j55（0.1V，0.2us）

图2-6j56（0.1V，0.2us）