正弦波振荡器方案与测试.docx

1、正弦波振荡器方案与测试一、 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

2、）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 10-410-5。若采用高质量

3、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 10-510-6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341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-110-110LC振荡器-25X10-25X10RC振荡器-2-25X105X10晶体振荡器-55X10-55X10稳定化晶体振荡器10-610-63fH 3-4-1 )有时手册并不直接给岀 fmax这个参数，而是给岀特征频率 fT或fa，基极电阻rbb及集电结的结电容Cbc等，这时，可以根据 fa (210 fH 3-4-4 )的关系选用振荡管。2晶体管的电

4、流放大倍数 B需足够大。选用 B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 B高的晶体管其IcBO也较大。3输出功率较大的振荡器，选管时耍按下式对集电极最大耗散功率进行校核。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n 振荡回路效率n c 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， n c-般取0.2, n 般在0.20.8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 n和n c代人Pcm可得：Pcm x520 ) Pl 3-4-6 )这就是说，当振荡器

5、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1CQ大约在|BQ的条件时，各偏置元件可按下列公式选取：R B2 (26 Re3-4-7)发射极电阻旁路电容 Ce可按下式计算3-4-8)其中，f 振荡器的工作频率，单位为 Hz ;为了满足叫工5 的关系，隔直电容 Cb可按下面经验公式进行计算:CB M他 3-4-9)其中，Rb= RB1 II RB2 II hie ； f为工作频率，单位为 MHz。需要指岀的是，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

6、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,Cp远大于总的不稳先选定哪种元件都一样，但从提高回路标准性的观点岀发，以保证回路电容 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/CL以H为单位，C以F为单位）为105106左右为宜。选定 Cp之后，可按下式算岀回路总电感式中：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

7、荡电路为例）式中：Xcb 振荡管集电极-基极间的耦合电抗；X ce 振荡管集电极-发射极间耦合电抗；X eb 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1/21/8 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，即可求岀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式中：n 电感线圈的总

8、匝数；ni 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厂貼= =匚- 止 1 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岀。例如发射极接地的振荡电路，输岀宜取自基极；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

9、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p或接入系数Pee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

10、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，有时岀现低端振而高端不振，这种现象的岀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 B太小；3Cbe的作用使反馈减弱；或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 者是由于Cbe的负反馈作用显著等。42）关于振荡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

11、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 342所示；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；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岀现波形失真。-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寄生振荡，如图 344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

12、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，往往岀现时振时停的所谓 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电L/5 C。图345间歇振荡波形3频率

13、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346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

14、英晶体来稳频，输出频率基本固定但可通过 Li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3200,000千赫之间；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。 fB,因此一般采用共基极组态电路。振荡管的hfe 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

15、馈量适当时，能保证 Pl =0.3P。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，在集电极上的输岀电压大约为电源电压的 90%。q反馈系数kf= -丄-。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 Li、Ci、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Ci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岀特别要求的情况下，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 M为1020pF。例如：若f

16、 =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 =求岀L的值。另一种估计法是在工作频率上，在 80 Q至100 Q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 5 Q或更低。耦合电容C6的数值应近似等于晶体管输岀电容与 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 1000 0至 3000 豌围

17、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 Li取岀 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岀 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 buffer amplifier ，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

18、输岀是正弦波，振幅大，所以易取岀大正弦波电压作为输岀。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。16V图347电压缓冲器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岀阻尼的阻尼衰减器atte nuator ）来进行。a）理想的输出振幅控制 b） 一般的输出振幅控制图348输岀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

19、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 i块四、实验设计指标a）晶体振荡器 b）射随器图349晶体振荡器实验电路图1.如图3.4.9a）所示，给定晶振的 fo= 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 3=150 ,

20、V cc=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 17V rms， V BQ = 36V。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，在振荡器的输岀端接射随器 ，观察Vo、Vo2是否岀现不失真的正弦波，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

21、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）测量频率稳定度二 。其它条件不变，观察 2分钟频率变化情况，由此计算岀 .值。V3）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10k為1k Q、10 QoRloo10k1k104）断开射随器，考祭改变工作点 Lq对输岀幅度Vom及波形质量的影响；波形及振幅kfC1(pFC2(pF波形及振幅V6）观察起振后工作点的偏离情况用短路线将振荡回路电感 Li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.写岀实验中可能岀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.对实验中岀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?