实验四　三点式正弦波振荡器

一、实验目的

1．掌握三点式正弦波振荡器电路的基本原理，起振条件，振荡电路设计及电路参数计算。

2．通过实验掌握晶体管静态工作点、反馈系数大小、负载变化对起振和振荡幅度的影响。

3．研究外界条件（温度、电源电压、负载变化）对振荡器频率稳定度的影响。

二、实验内容

1．熟悉振荡器模块元件及其作用。

2．进行LC振荡器波段工作研究。

3．研究LC振荡器中静态工作点、反馈系数以及负载对振荡器的影响。

4．测试LC振荡器的频率稳定度。

三、基本原理

　　

图6-1  正弦波振荡器（4.5MHz）

将开关S2的1拨下2拨上，S1全部断开，由晶体管和、、、CC1、构成电容反馈三点式振荡器的改进型振荡器—─西勒振荡器，电容CC1可用来改变振荡频率。

振荡器的频率约为4.5MHz（计算振荡频率可调范围）

振荡电路反馈系数

振荡器输出通过耦合电容（10P）加到由组成的射极跟随器的输入端，因容量很小，再加上射随器的输入阻抗很高，可以减小负载对振荡器的影响。射随器输出信号调谐放大，再经变压器耦合从J1输出。

四、实验步骤

1．根据图6-1在实验板上找到振荡器各零件的位置并熟悉各元件的作用。

2．研究振荡器静态工作点对振荡幅度的影响。

1）将开关S2的2拨上，构成LC振荡器。

2）改变上偏置电位器，记下发射极电流填入表6-1中，并用示波器测量对应点的振荡幅度（峰－峰值）填入表中，记下停振时的静态工作点电流值。

3．测量振荡器输出频率范围

将频率计接于J1处，改变CC1，用示波器从TH1观察波形，并观察输出频率的变化，填于下表中。

4.分别用5000p和100p的电容并联在C20两端，改变反馈系数，观察振荡器输出电压的大小。（选做）

1）计算反馈指数

2）用示波器记下振荡幅度值

3）分析原因

五、实验报告要求

1．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。

2．计算实验电路的振荡频率，并与实测结果比较。

六、实验仪器

1．高频实验箱　　　　　　　　　　　　　　　　1台

2．双踪示波器　　　　　　　　　　　　　　　　1台

 

第二篇：实验4.4 LC正弦波振荡器

实验4.4  LC正弦波振荡器

一、实验目的

1、  掌握晶体管（振荡管）工作状态、反馈系数的大小对振荡幅度的影响。

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，分析影响振荡频率稳定的原因。

二、实验设备及材料

高频电子实验箱、频率计、双踪示波器、数字万用表、调试工具。

三、实验原理

正弦波振荡器是指振荡波形接近理想正弦波的振荡器。产生正弦信号的振荡电路形式很多，有 RC、LC和晶体振荡器三种形式。实验采用晶体管LC三端式振荡器。LC三端式振荡器的基本电路如图（4.4.1）所示：

 

根据相位平衡条件，图4.4.1三端式振荡器交流等效电路的三个电抗，X₁、X₂必须为同性质的电抗，X₃必须为异性质的电抗，且应满足下列关系式：

X₃ = －（X₁+X₂）    　　　　　　　　　　（4-4-1）                        

式（4-4-1）为LC三端式振荡器相位平衡条件的判断准则。若X₁和X₂均为容抗，X₃为感抗，则为电容三端式振荡电路；若X₁和X₂均为感抗，X₃为容抗，则为电感三端式振荡器。

    1、电容三端式振荡器的工作原理

共基电容三端式振荡器的基本电路如图4.4.2所示。图中C₃为耦合电容，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，根据判别准则，该电路满足相位条件。要产生正弦振荡，还须满足振幅起振条件，即：

A_U·F＞1           　　　　　　　　（4-4-2）

              

式（4-4-2）中，A_U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为振荡器的反馈系数。设y_rb≈0、y_ob≈0，画出y参数等效电路，如图4.4.3所示。图中G_O为振荡回路的损耗电导，G_L为负载电导。

               图4.4.3   共基组态振荡器简化Y参数等效电路

由图4.4.3可求出小信号电压增益A_O和反馈系数F分别为

             　　　　　　

                  

      

            

            

经运算整理得

          　　　

当忽略y_fb的相移时，根据自激条件应是

          N=0  及               (4-4-3)

由N=0，可求出起振时的振荡频率，即

                             

则X₁X₂X₃g_ibG_p=X₁+X₂+X₃

将X₁X₂X₃的表示式代入上式，得：

                

忽略晶体管参数的影响，得到振荡频率近似为

               　             　             (4-4-4)

式(4-4-4)中，Ｃ为振荡回路的总电容       　　

由式(4-4-3)求M，当时

                

则反馈系数可近似表示为：

      　　          　　　 (4-4-5)

则        

              

              

由式（4-4-3）得到满足起振振幅条件的电路参数为：

                  　(4-4-6) 

式(4-4-6)是满足起振条件所需要的晶体管最小正向传输导纳的值。也可以改写为   

不等式左边的 是共基电压增益，显然F增大时，可以使T_O增加，但F过大时，由于g_ib的影响将使增益降低，反而使T_O减小，导致振荡器不易起振。若F取得较小，要保证T_O＞1，则要求Y_fb很大。由此可见，反馈系数的取值有一合适的范围，一般取F=1/8—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，当负载阻抗及反馈系数F已经确定的情况下，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4.4.4中（a）和（b）所示。

  　

图4.4.4（a）工作点偏高，振荡管工作范围容易进入饱和区，输出阻抗降低将会使振荡波形严重失真，甚至使振荡器停振。

图4.4.4（b）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。

在实际的振荡电路中，反馈系数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，输出幅度随着静态电流值的增加而增大。但是，如果静态电流取得太大，会出现图4.4.4（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小。静态电流取值一般为 0.5～5 mA。

为了使小功率振荡器的效率高，振幅稳定性好，采用自给偏压电路，以图4.4.2所示的电容三端式振荡器电路为例，简述自偏压的产生。固定偏压V_B由R₁和R₂所组成的偏置电路来决定，在忽略I_B对偏置电压影响的情况下，振荡管的偏置电压U_BE是固定电压V_B和Re上的直流电压降共同决定的，即

R_e上的直流压降是由发射极电流I_E提供的，随I_E的变化而变化，故称自偏压。在振荡器起振前，直流自偏压取决于静态电流I_EO和R_e的乘积，即

                       V_BEQ=V_B-I_EQ·R_e

一般振荡器的静态工作点选得较低，故起始自偏压也较小，这时起始偏压V_BEQ为正偏置，容易起振。如图4.4.5（a）所示， C_b上的电压是在电源接通的瞬间V_B对电容C_b充电在上建立的电压，R_b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U_f对基极为正半周时，基极上的瞬时偏压U_BE=U_BEQ+U_f变得更正， i_c增大，于是电流通过振荡管向Ce充电，如图4.4.5（b）所示。电流向Ce充电的时间常数τ=R_Ｄ·Ce，

(a)                                                                                                                                              (b)

            　 图4.5.5   自给偏压形成电路

R_D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U_f的峰值。当U_f负半周，偏置电压减小，甚至成为截止偏压， Ce上的电荷将通过Re放电，放电的时间常数为τ_放=Re·Ce。τ_放>>τ_充，在V_f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I_EO·Re，这时振荡管BE之间的电压：

V_BEO=V_B—I_EO·Re

因为I_EO＞I_EQ，所以有U_BEO＜U_BEQ，可见振荡管BE间的偏压减小，振荡管的工作点向截止方向移动。这种自偏压的建立过程如图4.4.6所示。由图看出，起振之初，（0～t₁之间），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U_BE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。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4.4.6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U_BE保持不变，稳定在U_BEZ。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U_FZ的等幅正弦波。

图4.4.6  起振时直流偏压的建立过程

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的技术指标。它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L_q很大，C_q很小，R_q也不大，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、  实验电路

如图4.4.7所示，直流电源为+12V，振荡管Q₅₂为3DG12C。隔离级晶体管Q₅₁也为3DG12C，LC振荡工作频率为10.7 MHz，晶体振荡频率为10.245 MHz。

（1）静态工作电流的确定

选I_CQ=2 mA    V_CEQ=6 V     β=60

则有R₅₅+R₅₄=

为提高电路的稳定性R_E值适当增大，取R₅₅=1 kΩ则R₅₄=2 kΩ

U_EQ=I_CQ·R_E=2×1=2 V

           　I_BQ=I_CQ/β=1/30 mA

取流过R₅₆的电流为10I_BQ

        R₅₆=8.2 kΩ        R₅₇+W₅₁=28K

取R₅₇=5.1 kΩ，    W₅₁为50 kΩ的可调电阻。

（2）确定主振回路元器件

             

    当为LC振荡时，   f₀=10.7MHz        设L=L₅₁=2.2μH

    则       

       C=C₅₃+CC₅₁+C₅₁₂+C₅₅||C₅₆||C₅₇

    由于C₅₆、C₅₇远大于C₅₅[C₅₃、CC₅₁、C₅₁₂]

    所以  C≈CC₅₃+CC₅₁+C₅₅+C₅₁₂

    取C₅₅为24pF ，C₅₃+C₅₁₂为55 pF（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—30 pF的可调电容。

    而C₅₆/C₅₇（C₅₈、C₅₉）=1/2—1/8    则取

    C₅₆=100 pF

    对于晶体振荡，并联可调电容即可进行微调。

四、实验内容

1、按下电源开关K₅₁，调整静态工作点：调节电位器W₅₁使V_R55=2V(即R₅₅靠近Q₅₂一端电压)。

（1）连接短接片J54、J52，调节可调电容CC₅₁，通过示波器和频率计在TT₅₁处观察振荡波形，振荡频率为10.7 MHz（实验频率可调范围在10 MHz~12 MHz）。

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

2、观察振荡状态与晶体管工作状态的关系。

断开短接片J53，短接片连接J52，示波器在TT₅₁观察振荡波形，调节W₅₁，观察输出波形TT₅₁的变化，测量波形变化过程中的几个点（刚启振/稳幅振荡/振荡最大）的发射极电压且计算对应的I_E。

3、观察反馈系数对振荡器性能的影响。

断开短接片J53，短接片连接J52，示波器观察在TT₅₁处波形。

分别用短接片连接J54、J55、J56或组合连接使C₅₆/C₅₇||C₅₈||C₅₉等于1/3、1/5、1/6、1/8时，实测幅度的变化、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。

4、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。

5、  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15 cm处对着电路吹热风，用频率计在TT₅₁处观察频率变化情况。

五、实验预习

1、预习电容三点式正弦振荡器的原理。

2、反馈系数大小对振荡波形的影响及外界条件变化对振荡管频率稳定度的影响。

六、实验报告内容

1、整理实验所测得的数据，进行理论分析。

2、比较LC振荡器与晶体振荡器的优缺点。

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