高频实验指导书

1、实验一 高频小信号谐振放大器高频小信号谐振放大器的基本功能是实现对高频小信号的选频和放大,它是高频电子线路中的基本单元电路。 高频小信号谐振放大电路的基本电路结构是选频放大电路，它主要由放大器与选频回路两部分构成。主要特点是放大器的负载不是纯电阻，而是由 L、C 组成的并联谐振回路。由于 L、C 并联谐振回路的阻抗是随频率变化的，在谐振频率点 处，其阻抗呈现纯电阻性，且达到最大值，因此放大器具有最大的放大倍数，稍偏离谐振频率，放大倍数就会迅速减小。因此，用这种放大器可以有选择性地放大所需要的某一频率信号，而抑制不需要的信号或外界干扰噪声。所以，谐振放大器在无线电通讯等方面被广泛用作高频和中频的

2、选频放大器。 实际工程中对高频小信号谐振放大器的基本要求是：电压增益高，工作稳定性好，频率特性应满足通频带的要求，噪声低。一、实验目的 1.掌握高频小信号谐振放大器的电路结构特点、基本功能与工作原理。2.掌握高频小信号谐振放大器的主要技术指标的意义及测试方法。3.掌握常用高频电子测试仪器的操作使用方法与技能。二、实验设备与仪器通原与高频信号实验箱 一台高频小信号放大器电路模块 一块数字双踪示波器 一台信号发生器 一台数字万用表 一块三、实验任务与要求1、实验电路及说明图1-1 高频小信号单调谐放大器实验电路图高频小信号谐振放大器的电路形式很多，但基本的单元电路有两种：一种是单调谐放大器，另一种

3、是双调谐放大器。本实验只研究单调谐放大器，电路如图 1-1 所示。图中，晶体管Q为放大器件，选频器由初级线圈及C2、 回路构成，谐振频率约为6.5MHz。R为谐振回路阻尼电阻。电路中C1为输入耦合电容，、为基极偏置电阻，Rw为偏置调整电位器，用于调节放大器的集电极电流Ic。 、为发射极偏置电阻与电容。集电极采用变压器谐振输出回路，匝数比为3：1，放大后的信号经L2次级线圈输出，R7为负载电阻。拨码开关SW1用于调节LC谐振回路的阻尼电阻值，改变 LC回路的Q值，调节放大电路的通频带；SW2用于调节射极电阻值，以改变直流负反馈电压大小，调节放大器的增益。C3、C4与L1为电源滤波元件。2、基本实

4、验内容与要求 高频小信号谐振放大器静态工作点的调整与测量放大器的静态，是指放大器的输入端高频（交流）信号为零，仅工作在直流时的工作状态。实验的内容与要求是：1）基本调整与测量：放大器基本设置条件：=1K 、R= 、高频输入信号=0。测量时采用间接测量法：即用直流电压表测量晶体管发射极对地电压，根据，计算出此状态时的集电极电流Ic，将结果记录于表1-1中。再用万用表分别测量晶体管BG1的基极与集电极的静态工作电压，将结果记录于表1-1中。表1-1静态测量数据表 BG1根据Vce判断BG1是否工作在放大区K2开关位置VbVeVceIc计算值是否原因：Re=500Re=1KRe=1.5KRe=2K注

5、：Vb: 基极对地电压。 Ve :发射极对地电压。 Vc:集电极对地电压。Vce：集电极与发射极之间电压。放大区应满足的条件：VBEQ即 VBQ-VEQ0.6V-0.7V，VCEQ即VCQ-VEQ应大于1V且小于电源电压。 2）按表1-1，改变放大器的发射极电阻，使之分别为500、1.5K、2K, 用万用表分别测量晶体管BG1的各极静态工作电压。将结果记录于表1-1中。分析并说明当变化时，是否发生变化。 高频小信号调谐放大器动态调整与测量表征高频小信号谐振放大器的主要性能指标有谐振频率，谐振电压放大倍数，放大器的通频带及选择性（通常用矩形系数来表示）等。 一般采用图1-2所示的测试电路框图进行

6、。测试仪器可以是高频毫伏表、扫频仪或示波器。我们采用实验室常备的双踪示波器。高频信号发生器高频谐振放大器高频毫伏表扫频仪电源示波器图1-2高频谐振放大器测试示意图1）放大器谐振频率调测 放大器调谐回路谐振时所对应的频率称为放大器的谐振频率，数学表达式为：谐振频率的测量方法是： 用高频信号发生器与示波器作为仪器：高频信号发生器输出频率为放大器的谐振频率，调LC谐振回路的电感磁芯或微调电容，使放大器输出电压的峰值最大。 基本调整与测量：放大器基本设置条件：=1K ，R=10K，高频输入信号、频率=6.5MHz（“CW”波）。表1-2放大器谐振频率与输出信号幅度表ReFo(MHz)Vi(mV)Vo(

7、v)输入信号波形输出信号波形5001 K1.5 K2K将高频信号发生器的输出信号加至放大器电路的输入端“IN”，双踪示波器的探头分别监测“IN”端输入信号和 “OUT”端输出信号，调节信号发生器的信号频率（或选频回路的微调电容Ct），使示波器上显示输出波形的幅度最大且不失真，将实验结果与数据记录1-2中。2）电压放大倍数的测量与计算放大器的谐振回路谐振时，所对应的电压放大倍数称为谐振放大器的电压放大倍数，用表示。的数学表达式为 ：的测量方法是：在谐振回路已处于谐振状态时，用高频电压表测量放大器输出端（或放大器负载电阻RL两端）的电压及输入信号的大小，则电压放大倍数由下式计算： 或 基本调整与测

8、量：按表1-2，改变放大器的发射极电阻，使之分别为500、2K。按实验1）的方法进行测试，将结果记录于表1-2中。根据实验数据计算出不同值时放大器电压放大倍数，并记录于表1-3中。分析并说明当变化时，变化的原因。体会电阻变化对放大器增益的影响。 表1-3 放大器放大倍数数据表ReFo(MHz)Vi(mV)Vo(v)AVOAVO(dB)5002K3）放大器通频带的调整与测量 由于谐振回路的选频作用，当工作频率偏离谐振频率时，放大器的电压放大倍数将下降，习惯上称电压放大倍数下降到谐振电压放大倍数的 0.707 倍时所对应的频率偏移范围，称为放大器的通频带，其数学表达式为 ： 式中，为谐振回路的有载

9、品质因数。 通频带的测量方法：是通过测量放大器的谐振曲线来求通频带。可以是扫频法，也可以是逐点法。逐点法的测量步骤是：先调谐放大器的谐振回路使其谐振，记下此时的谐振频率及电压放大倍数，然后改变高频信号发生器的频率（保持信号发生器输出电压不变），由回路的中心频率分别向两边逐点偏离，测得在不同频率f时对应的输出电压 (频率偏离范图1-3 通频带特性图围可根据的实际情况来确定)，再找出上下带宽的频率点。则,如图1-3所示。 基本调整与测量：放大器基本设置要求=1K、 R=、高频输入信号，频率=（MHz）（“CW”波）。 (1)实验时按表1-4要求，在谐振频率的基础上，以频率100KHz为步进，采用逐

10、点法进行。并将实验结果和计算出的通频带Bw数据，记录于表1-4中。表1-4 放大器通频带测试数据表RfL/(0.707VO)Fo/VOfH/(0.707VO)Bw0.7= fH-fL10K470 (2)按表1-4要求，分别改变放大器的阻尼电阻，使之为10 K、470, 再用上述方法分别测量出不同阻尼电阻时的相应数据，将结果记录于表1-4中。分析并说明当R变化时，Bw变化特点，画出Bw的特性曲线图。体会回路阻尼电阻R的变化对放大器增益、带宽等的影响。4）放大器的选择性矩形系数调整与测量选择性是指放大器从含有各种不同频率的信号总和（有用的和有害的）中选出有用信号，排除有害（干扰）信号的能力及选择性

11、指标是针对抑制干扰而言的。一般是用谐振曲线的矩形系数来表示。如图1-4所示。矩形系数 ：是指电压放大倍数下降到谐振电压放大倍数Avo的0.1倍时所对应的频率范围与电压放大器倍数下降到0.707Avo时对应的频率偏移之比。即 ：图1-4 矩形系数特性图 上式表明，矩形系数越小，谐振曲线的形状越接近矩形，选择性越好，反之亦然。一般单级调谐放大器的选择性较差（矩形系数远大于 1），为提高放大器的选择性，通常采用多级调谐回路的谐振放大器。 基本调整与测量：放大器基本设置要求=1K、R=10K、高频输入信号，频率=（“CW”波）。 参照实验3）方法，分别测试出放大器的Bw0.7与Bw0.1，再根据实验数

12、据，计算出该放大器的矩形系数，并画出特性图。3、单调谐高频小信号谐振放大器电路仿真实验 用EWB电子工作平台软件构建1-5所示设计实验电路，仿真时可完成下列内容：图1-5单调谐高频小信号放大器仿真电原理图 测量并调整放大器的静态工作点。仿真条件：晶体管用理想库（defauit）中的（ideal）器件。电感线圈用固定电感L1=2.8uH、L2=1.2uH，中间抽头。其余元件参数参见图1-5。IC=1.5mA。自建表格记录实验数据。 谐振频率的调测与电压放大倍数的测量。仿真条件：输入高频信号频率=fo=10.7MHz,幅度（峰-峰值）50mV。阻尼电阻R=、反馈电阻Re=1K、负载电阻RL=10K

13、。 研究阻尼电阻变化对放大器增益、带宽、品质因数的影响用频率特性测试仪测试放大器的幅频特性，并计算出增益、带宽及品质因数。测试条件：输入高频信号频率=fo=10.7MHz,幅度（峰-峰值）50mV。反馈电阻Re=1K、负载电阻RL=10K。阻尼电阻R=（开路）/阻尼电阻R=10K/阻尼电阻R=3K/阻尼电阻R=470。 研究反馈电阻变化对放大器的影响测试条件：输入高频信号频率=fo=10.7MHz，幅度（峰-峰值）50mV。阻尼电阻R=10K、负载电阻RL=10K。四、思考题及实验报告要求 思考题1试分析单调谐放大回路的发射极电阻Re和谐振回路的阻尼电阻R对放大器的增益、带宽和中心频率各有何影

14、响？2为什么发射极电阻 Re 对增益、带宽和中心频率的影响不及阻尼电阻 R大？3说明高频调谐放大器与阻容耦合放大器的区别？叙述单调谐回路的主要优缺点。 实验报告要求1. 整理实验数据； 2. 计算直流工作点，与实验测得的结果相比较； 3. 画出不同回路电阻 R 时的幅频特性曲线，并说明不同 R对通频带的影响； 4. 根据实验所得数据，计算 f0 时的电压放大倍数、回路通频带f0.7、矩形系数 Kr0.1和 Q值。实验二 高频谐振功率放大器在通信系统中，高频谐振功率放大电路，是无线电发射机的重要组成部分，它的主要功用是实现对高频已调波信号的功率放大，然后经天线将其转化为电磁波辐射到空间，以实现用

15、无线信道的方式完成信息的远距离传送。所以研究高频功率放大器的主要任务是怎样以高效率输出最大的高频功率。因此，高频功放常采用效率较高的丙类工作状态，即晶体管集电极电流导通时间小于输入信号半个周期的工作状态，导通角。虽然功率增益比甲类和乙类小，但效率却比甲类和乙类高，一般可达到80%。 同时，为了滤除丙类工作时产生的众多高次谐波分量，采用LC谐振回路作为选频网络，故称为高频谐振功率放大器。显然，谐振功放属于窄带功放电路。 一、实验目的1掌握高频谐振功率放大器的电路结构特点、基本功能与工作原理。2掌握高频谐振功率放大器的调谐方法和掌握高频谐振功率放大器的调谐特性，负载特性以及激励电压、偏置电压、电源

16、电压变化时对其工作状态的影响。3.了解高频谐振功率放大器的主要性能指标意义，掌握测试方法。学会电路设计方法。二、实验设备与仪器通原与高频信号实验箱 一台高频谐振功率放大器电路模块 一块数字双踪示波器 一台信号发生器 一台数字万用表 一块三、实验任务与要求1、高频谐振功放的基本电路结构高频谐振功率放大器的电路构成，除电源电路外，主要由晶体管、输入激励电路、输出谐振回路三个部分组成，谐振功率放大器原理电路如图2-1所示。 图2-1 谐振功率放大器的工作原理图中为输入交流信号，是基极偏置电压，调整，可改变放大器的导通角，以使放大器工作在导通角丙类状态。是集电极电源电压。集电极外接LC并联谐振回路的功

17、用是作放大器负载，实现滤波选频和阻抗匹配。2、高频谐振功率放大器的工作原理与主要性能指标 放大器工作时，设输入信号电压：则加到晶体管基极-发射极间的有效电压为：由晶体管的转移特性曲线可知，如图2-2所示：当时，管子截止，。当时，管子导通，式中：为折线的斜率：图2-2谐振功率放大器晶体管的转移特性曲线所以有： 即功放输出的Ic为一连串不连续的余弦脉冲。高功放为什么能不失真地放大信号呢?因为尖顶余弦脉冲的数学表达式为： 若对 傅里叶级数分解，即：由此可知，任何一个余弦脉冲，都是由许多不同频率的谐波（基波、二次谐波。n次谐波）分量所构成，利用功放负载LC回路的选频功能，适当选择LC的参数使之谐振与基

18、波频率，尽管在集电极电流脉冲中含有丰富的高次谐波分量，但由于并联谐振回路的选频滤波作用，故功率放大器的输出仍为不失真的正弦波。此时，谐振回路两端的电压可近似认为只有基波电压，即：式中，Ucm为uc的振幅；Ro为LC回路的谐振电阻，为集电极基波电流振幅。在集电极电路中，LC谐振回路得到的高频功率为:集电极电源EC供给的直流输入功率为： ICO为集电极电流脉冲ic的直流分量。集电极效率C为输出高频功率Po与直流输入功率PE之比，即：3、高频谐振功率放大器的工作状态 谐振功率放大器的工作状态有三种，即欠压、临界和过压。当谐振功放的静态工作点、输入信号、负载发生变化，谐振功率放大器的工作状态将发生变化

19、。如图2-3所示。图2-3 谐振功率放大器的工作状态当C点落在输出特性(对应uBEmax的那条)的放大区时，为欠压状态；当C点正好落在临界点上时，为临界状态；当C点落在饱和区时，为过压状态。其中任何一个量的变化都会改变C点所处的位置，工作状态就会相应地发生变化。 4、高频谐振功率放大器的外部特性 负载特性负载特性是指当保持EC、EB、Ubm不变而改变RO时，谐振功率放大器的电流IC0、Icm1，电压Ucm，输出功率Po，集电极损耗功率PC，电源功率PE及集电极效率C随之变化的曲线。从上面动特性曲线随RO变化的分析可以看出，RO由小到大，工作状态由欠压变到临界再进入过压。相应的集电极电流由余弦脉

20、冲变成凹陷脉冲，如图2-4所示。图2-4谐振功率放大器的负载特性 集电极调制特性集电极调制特性是指当保持EB、Ubm、RO不变而改变EC时，功率放大器电流IC0、Icm1，电压Ucm以及功率、效率随之变化的曲线。当EC由小增大时，uCEmin=EC-Ucm也将由小增大，因而由uCEmin、uBEmax决定的瞬时工作点将沿uBEmax这条输出特性由特性的饱和区向放大区移动，工作状态由过压变到临界再进入欠压，iC波形由iCmax较小的凹陷脉冲变为iCmax较大的尖顶脉冲，如图2-5所示。图2-5谐振功率放大器的集电极调制特性由集电极调制特性可知，在过压区域，输出电压幅度Ucm与EC成正比。利用这一

21、特点，可以通过控制EC的变化，实现电压、电流、功率的相应变化，这种功能称为集电极调幅，所以称这组特性曲线为集电极调制特性曲线。 基极调制特性基极调制特性是指当EC、Ubm、RO保持不变而改变EB时，功放电流IC0、Icm1，电压Ucm以及功率、效率的变化曲线。当EB增大时，会引起、iCmax增大，从而引起IC0、Icm1、Ucm增大。由于EC不变，uCEmin=EC-Ucm则会减小，这样势必导致工作状态会由欠压变到临界再进入过压。进入过压状态后，集电极电流脉冲高度虽仍有增加，但凹陷也不断加深，iC波形如图2-6所示。图2-6谐振功率放大器的基极调制特性利用这一特点，可通过控制EB实现对电流、电

22、压、功率的控制，称这种工作方式为基极调制，所以称这组特性曲线为基极调制特性曲线。 调谐特性由于高功放的负载是LC谐振回路,在调谐过程中，其负载是一阻抗Zp，当改变回路的元件数值，如改变回路的电容C (或L）时，高功放的外部电流Ico（直流）、Icm1（基波）和相应的Ucm（输出）等随C （L）的变化特性称为高功放的调谐特性。 当回路谐振时，阻抗最大，此时，电路中Ico、Icm1最小，而Ucm最大。图2-7谐振功率放大器的调谐调制特性当回路参数变化后，将使LC回路失谐，则使阻抗Zp的模值减小，根据负载特性可知，功放的工作状态将由临界向欠压状态或过压状态变化，此时Ico和Icml要增大，而Ucm将

23、下降 。波形如图2-7所示。 由此可见，高功放的回路失谐后直流输入功率Po=Ico E 将随Ico的增加而增加，而输出功率Pc=Icm1 Ucm cos将主要因cos因子而下降，因此失谐后集电极功耗Po将迅速增加。这表明高频功放必须经常保持在谐振状态。 放大特性图2-8谐振功率放大器的放大特性放大特性是指当保持EC、EB、Re不变，而改变Ubm时，功率放大器电流IC0、Icm1，电压Ucm以及功率、效率的变化曲线。Ubm变化对谐振功率放大器性能的影响与基极调制特性相似。iC波形及IC0、Icm1、Ucm、Po、PE、C随Ubm的变化曲线如图2-8所示。由图可见，在欠压区域，输出电压振幅与输入电

24、压振幅基本成正比，即电压增益近似为常数。利用这一特点可将谐振功率放大器用作电压放大器，所以称这组曲线为放大特性曲线。 5、实验电路及说明实验提供的电路如图2-9所示。本电路的主要技术指标：输出功率Po125mW，工作中心频率fo=6 MHz，负载电阻RL=51,电源供电为12V。图 2-9 高频谐振功率放大器原理图图中，激励级BG1 为甲类线性功率放大器，采用固定偏压形式，静态工作点。其集电极负载为LC 选频谐振回路，谐振电容C取150Pf，电感L取6uH、谐振频率为6-6.5MHz，集电极输出由变压器耦合输出到下一级。变压器TE1的参数为：N2=23匝，N1=9匝。R1和Rw1可调节甲类放大

25、器的偏置电压，以获得较宽的动态范围；R3、R4、Ce为发射极偏置电路，R3/10为交直流负反馈电阻。 R4为300直流负反馈电阻，控制甲类功放的输出电平，以满足丙类功放对输入电平的要求。功放级BG2采用丙类放大，使用3DG12C。导通角为70°，基极偏压采用发射极电流的直流分量IEO在发射极偏置电阻Re上产生所需要的VBB，其中直流反馈电阻R6为20，交流反馈电阻为10，集电极谐振回路电容为150P ，负载为51，输出由变压器耦合输出，采用中间抽头，以利于阻抗匹配。它们的匝数分别为：N39匝，N19匝，N223匝。跳线开关K1、K3分别控制BG1与BG2的集电极电流测量，K2控制谐振

26、功放激励信号，SW1可选择丙类放大器的输出负载电阻。各测试点分别为：TP1：甲类功放基极输入。TP2：甲类功放信号输出。TP3：功放发射极电流，即余弦脉冲观测点OUT：丙类放大谐振输出。6、实验内容与方法步骤本实验需使用高频谐振功率放大器电路模块。实验前首先分析并熟悉实验线路图，对照实验电路模块，找出信号的连接关系及主要元器件的位置，即可开始正常工作。 丙类谐振功率放大器工作状态测定 测试电路框图如图2-10所示。 图2-10 高频功率放大器测试连接框图（1）将电路中的开关K1、K2与K3分别置“右”，拨码开关SW1开关置“470”位。 （2）接通实验板电源，调节Rw1，使BG1的发射极电压V

27、E2.2V（即使ICQ=7mA，通过测量Q1发射极与地的电压）。（3）用高频信号发生器输出频率为6MHz，幅度为100mVp-p的等幅信号，加入“TP1”。（4）用示波器分别观察“TP1”与“TP2”点的信号波形。调整信号发生器的频率与Ct1，使甲类功放谐振，输出信号最大。（5）用示波器分别观察“TP1”与“OUT”点的信号波形。调整信号发生器的频率与Ct2，使丙类功放谐振，使放大输出信号最大且不失真。 （6）分别将TP1、TP3与OUT点的信号波形与幅度记录于图2-11（a）中。（7）将高频信号发生器的输出信号幅度缓慢减小到丙类功放输出为零止，再分别将TP1、TP3与OUT点的信号波形与幅度

28、记录于图2-11（C）中。并记录本实验电路，当P1（即丙类功放基极激励信号）0，但Ic =0，Vo=0时，所需的最小激励信号电压幅度=?（8）断开开关K2，使丙类功放无激励信号输入。再分别将TP1、TP3与OUT点的信号波形与幅度记录于图2-11（b）中。图2-11 波形记录结果依据实验所得数据，分析比较TP1、TP3与OUT波形特点，体会丙类功放工作状态的特点。 丙类功率放大器调谐特性测定测试电路框图如图2-12所示：图2-12 高频功率放大器测试连接框图测试条件：输入信号f=fo/100mVP-P， RL=470。(1) 使高功放处于最佳谐振状态。(2) 按表2-1所列格式，以谐振频率作标

29、准，并以0.05MHZ为步进，改变高信器的输入信号的频率，保持输入信号幅度100mVp-p不变，记录各频率点的输出电压值，得出结论。 表2-1F(MHz)foVi(V)Vo(V)结论 丙类功率放大器的负载特性测定测试原理电路参见图2-12。测试条件：输入信号f=fo/100mVP-P， RL=。(1) 使高功放处于最佳谐振状态。(2) 用示波器分别观察“TP1”与“TP3”点的信号波形。适当调整高频信号发生器的输出信号幅度，使放大器处于略过压工作状态。(3) 改变负载（拨码开关SW1 的连接），使负载电阻依次变为5175240470。观察并记录不同负载时的电流波形，得出结论。 丙类功率放大器放

30、大特性测定测试原理电路参见图2-12。测试条件：输入信号f=fo/100mVP-P， RL=240。(1) 使高功放处于最佳谐振状态。(2) 用示波器分别观察“TP1”与“TP3”点的信号波形。适当调整高频信号发生器的输出信号幅度，即改变基极激励电压幅度，使放大器处于欠压工作状态，即Ie波形为尖顶余弦脉冲。再逐渐增大信号发生器的输出信号幅度。用示波器观察并记录“TP3”处ie的波形变化。体会丙类功放的放大特性，说明高功放的最佳工作状态。 丙类功率放大器主要性能测量测试原理电路参见图2-12。测试条件：输入信号f=fo/100mVP-P；RL=75。(1) 使高功放处于最佳谐振状态。(2) 按表

31、2-2所列格式，测试并记录相应的数据。 表2-2 功放性能指标测量Fo=实测实测计算RL=75VbVeVCC ViP-PVoP-PIcP=PoPc丙类放大器(3) 依据测试数据，计算出本谐振功率放大器的主要性能指标。其中：VCC：电源电压ViP-P：输入电压峰峰值 VoP-P：输出电压峰峰值IC： 集电极电流（近似计算：发射极直流电压÷发射极电阻值） P=：电源给出直流功率（P= = Vcc*IC） Po：输出功率 （Po =(VoP-P)2/(8RL)） Pc：为管子损耗功率（PcP=- Po） 四、思考题与实验报告要求 实验报告内容： 1写明实验目的。 2画出实验电路原理图并说明

32、实验电路的工作原理。 3写明实验所用仪器。 4写明实验项目并整理实验数据。 实验思考题：1当分别改变激励信号和电源电压时，功放级电流如何变化？2说明功放电路欠压、过压与临界工作状态的特点？实验三 LC与晶体正弦波振荡器在电子线路中，除了要有对各种电信号进行放大的电子线路外，还需要有能在没有激励信号的情况下产生周期信号的电子电路，这种在无需外加激励信号的情况下，能将直流电能转换成具有一定波形、一定频率和一定幅度的交变能量的电子电路称为振荡器。振荡器的种类很多，根据工作原理可以分为反馈型振荡器和负阻型振荡器。根据选频网络采用的器件可分为LC振荡器、晶体振荡器、变压器耦合振荡器等。振荡器的功能是产生

33、标准的信号源，广泛应用于各类电子设备中。为此，振荡器是电子技术领域中最基本的电子线路,也是从事电子技术工作人员必须要熟练掌握的基本电路。一、实验目的1掌握振荡器工作原理及其工作状态、起振条件、反馈量等对振荡器的影响。2研究外界条件和电源电压、电路品质因素及环境温度、负载变化时对振荡器的幅度、波形及频率稳定度的影响。3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。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理解。二、实验设备与仪器通原与高频信号实验箱 一台LC与晶体振荡器电路模块 一块数字双踪示波器 一台数字万用表 一块三、实验任务与要求1、反馈振荡器的

34、振荡条件与工作原理分析反馈式正弦波振荡器有RC、LC和晶体振荡器三种形式，电路主要由放大网络、选频回路和反馈网络三个部分构成。本实验中，我们研究的主要是LC三点式振荡器。所谓三点式振荡器，是晶体管的三个电极（B、E、C），分别与三个电抗性元件相连接，形成三个接点，故称为三点式振荡器，其基本电路如图3-1所示。图3-1 三点式振荡器的基本电路根据相位平衡条件，图3-1 (a)中构成振荡电路的三个电抗元件，X1、X2必须为同性质的电抗，X3必须为异性质的电抗。若X1和X2均为容抗，X3为感抗，则为电容三点式振荡电路（如图3-1 (b)）；若X2和X1均为感抗，X3为容抗，则为电感三点式振荡器（如图

35、3-1 (c)）。由此可见，为射同余异。根据振幅条件，则必须适当选择电抗元件X1与X2的比值（即图3-1 (b)）中C1/C2，图3-1 (c)中L1/L2.。下面以电容三点式振荡器为例分析其原理。共基电容三点式振荡器的基本电路如图3-2所示。 图3-2 电容三点式振荡器由图可见：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；与基极和集电极连接的为异性质的电抗元件L，根据前面所述的判别准则，该电路满足相位条件。 其工作过程是：振荡器接通电源后，由于电路中的电流从无到有变化，将产生脉动信号，因任一脉冲信号包含有许多不同频率的谐波，因振荡器电路中有一个LC谐振回路，具有选频作用，当LC谐

36、振回路的固有频率与某一谐波频率相等时，电路产生谐振。虽然脉动的信号很微小，通过电路放大及正反馈使振荡幅度不断增大。当增大到一定程度时，导致晶体管进入非线性区域，产生自给偏压，使放大器的放大倍数减小，最后达到平衡，即AF=1，振荡幅度就不再增大了。于是使振荡器只有在某一频率时才能满足振荡条件，于是得到单一频率的振荡信号输出。该振荡器的振荡频率为：反馈系数F为： F=C1/(C1+C2) 若要它产生正弦波，必须满足F= 1/21/8，太小不容易起振，太大也容易停振。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。但是如静态电流取得太大，振荡管工作范围容易进入饱和区，输

37、出阻抗降低使振荡波形失真，严重时，甚至使振荡器停振。所以在实用中，静态电流值一般取ICO=0.5mA4mA。共基电容三点式振荡器的优点是：1）振荡波形好。2）电路的频率稳定度较高。工作频率可以做得较高，可达到几十MHz到几百MHz的甚高频波段范围。 电路的缺点：振荡回路工作频率的改变，若用调C1或C2实现时，反馈系数也将改变。使振荡器的频率稳定度不高。为克服共基电容三点式振荡器的缺点，可对其进行改进，改进电路有两种： 串联型改进电容三端式振荡器(克拉勃电路)电路组成如图3-3示。图3-3 克拉勃振荡电路电路特点是在共基电容三点式振荡器的基础上，用一电容C3，串联于电感L支路。 功用主要是以增加

38、回路总电容和减小管子与回路间的耦合来提高振荡回路的标准性，使振荡频率的稳定度得以提高。因为C3远远小于C1或C2，所以电容串联后的等效电容约为C3。电路的振荡频率为：与共基电容三点式振荡器电路相比，在电感L支路上串联一个电容，它有以下特点：1）振荡频率改变可不影响反馈系数。2）振荡幅度比较稳定；3）但C3不能太小，否则导致停振，所以克拉勃振荡器频率覆盖率较小，仅达1.21.4。 为此，克拉勃振荡器适合作固定频率的振荡器 。 并联型改进电容三端式振荡器(西勒电路)电路组成如图3-4示。电路特点是在克拉勃振荡器的基础上，用一电容C4，并联于电感L两端。功用是保持了晶体管与振荡回路弱耦合，振荡频率的

39、稳定度高，调整范围大。电路的振荡频率为：图3-4 西勒振荡电路 特点：1）振荡幅度比较稳定；2）振荡频率可以比较高，如可达千兆赫兹；3）频率覆盖率比较大，可达1.6-1.8。所以在一些短波、超短波通信机，电视接收机中用的比较多。频率稳定度是振荡器的一项十分重要技术指标，它表示在一定的时间范围内或一定的温度、湿度、电压、电源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

40、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。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值可达到百万数量级，所以晶体振荡器的频率稳定度比LC振荡器高很多。2、实验线路设计及说明实验电路的主要技术性能指标：振荡频率：；频率稳定度：；输出幅度：。实验电路采用的是串联（克拉勃）/并联（西勒）改进三点电容反馈与晶体振荡电路，当拨码开关SW3拨置“左”、“左”“中”或“右”端时，可分别

41、构成串联/并联改进三点电容反馈与并联型石英晶体振荡器。为了尽可能地减小负载对振荡电路的影响，采用了射随器作为隔离级，其电路的电原理图如图3-5所示。图3-5 LC与晶体振荡器电原理图图中，拨码开关SW1为验证反馈系数，SW3为LC振荡器与晶体振荡器转换选择，SW2为验证负载（即回路Q值）变化对振荡器的影响，跳线开关K为振荡器输出信号经由或不经由射随器隔离输出转换。基本设计条件是：电源供电为12V，振荡管BG1为9018（其主要参数ICM=50/A，VCEQ=5V，VCEQ0.1/V，hFE28-198，取=100，fT>1100MHz）。隔离级射随器晶体管BG2也为9018，LC振工作频

42、率约为6MHz，晶体为6 MHz。 静态工作电流的确定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0.84mA之间选取，故本实验电路中： 选ICQ=2mA；VCEQ=6V；=100 则有为提高电路的稳定性适当增大Re值，可取Re=1K则Rc2K。 因：UEQ=ICQ·RE 则： UEQ =2mA×1K=2V 因： IBQ=ICQ/ 则： IBQ =2mA/100=0.02mA 一般取流过Rb2的电流为（510）IBQ

43、，若取10IBQ， 因： 则： 取标称电阻12K。因： ： 为调整振荡管静态集电极电流的方便，Rb1由27K电阻与50K电位器串联构成。 确定主振回路元器件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。若从频率稳定性角度出发，回路电容应取大一些，这有利于减小并联在回路上的晶体管的极间电容等变化的影响。但C不能过大，C过大，L就小，Q值就会降低，使振荡幅度减小，为了解决

44、频稳与幅度的矛盾，通常采用部分接入。反馈系数F=C1/（C1+C2），不能过大或过小，适宜1/81/2。因振荡器的工作频率为： 当LC振荡时，f0=6MHz，L10H 本电路中，则回路的谐振频率fo主要由C3、C4决定，即有 。取C3 =120pf，C4=51pf（用33Pf与5-20Pf的可调电容并联），因要遵循C1，C2>>C3，C4，C1/（C1+C2）=1/81/2的条件，故取C1=200pf，则C2=510pf。对于晶体振荡，只需对晶体并联的可调电容进行微调即可。为了尽可能地减小负载对振荡电路的影响，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

45、自基极；如为基级接地，则应从发射极输出。综合上述计算结果，得实际电路如图3-5所示。3、实验内容与要求3-1 振荡电路静态工作点的调整与测量 振荡器基本设置条件：SW1全开路（停振）。Re=3.3K。测量时采用间接测量法：即用直流电压表测量晶体管发射极对地电压，调整使为5V即可。当静态电流调整完毕后，用万用表测量晶体管Q1的各电极的静态工作电压。将结果记录于表3-1中。 表3-1静态测量数据表 BG1VbVeVceIc计算值3-2 振荡器振荡频率的调测 振荡器基本设置条件：SW1=“1”=470pF；RL=10 K（SW2“1”）；K“上”；SW3“1”（LC克拉伯振荡）； 用示波器测量振荡器

46、的输出端“OUT”，观察Vo波形，若无振荡输出，则需检查电路，调整RW，直至电路振荡。继续调整RW，调整到振荡器的最佳工作状态，即使振荡器输出信号最大且不失真。并记录最佳状态时的振荡器集电极IC、信号数据（频率、幅度）与波形在图3-6坐标中。图3-6 振荡波形记录保持以上基本设置不变，分别改变SW1控制开关位置，使之分别为希勒振荡器和晶体振荡器。观察并记录希勒振荡器和晶体振荡器最佳状态下的振荡器集电极IC、信号数据（频率、幅度）与波形在图3-6坐标中。3-3 研究反馈系数F的变化对振荡器性能的影响 振荡器基本设置条件：SW1=470pF；RL=10 K（SW2“1”）；SW3=西勒振荡；K“上

47、”端。适当调整Rw，使振荡器Ic=最佳数值。 分别按表3-2所列数据要求，拨动SW1拨码开关，改变C2的数值，将测试结果记录于表中。说明本实验电路停振时的F是多大？（F=C1/(C1+C2)，C1=300pF）表3-2 反馈系数F的变化对振荡器性能的影响LC西勒振荡器反馈电容470P510P680P5600P反馈系数振荡幅度振荡频率信号波形晶体振荡器振荡幅度振荡频率信号波形注：调整一项数据后，切换SW3开关，记录晶体振荡器的数据3-4 研究负载RL变化对振荡器性能的影响 振荡器基本设置条件：SW1=510pF；SW2= ；SW3=西勒振荡；K“上”端。适当调整Rw，使振荡器Ic=最佳数值。按表

48、3-3所列数据，分别改变负载电阻，将测试结果记录于表中。表3-3 负载RL变化对振荡器性能的影响LC西勒振荡器RL（）f（MHz）振荡幅度(mV)波形SW2“全开路”      SW2 “1”ON 10k      SW2 “2”ON 2KSW2 “3”ON 1K            SW2 “4”ON 470晶体振荡器SW2“全开路”SW2 “1”OM 10kSW2 “2”ON 2KSW2 “3”ON 1KSW2 “4”ON 470注：调整一项数据后，切换SW3跳线开关，

49、记录晶体振荡器的数据3-5 研究工作点Ic的变化对振荡器性能的影响 振荡器基本设置条件：SW1=510pF；RL=10 K（SW2“1”）；SW3=西勒振荡；K“上”端。适当调整Rw，使振荡器Ic=最佳数值。分别按表3-4所列数据要求，用SW3分别选择不同的振荡器电路，调RW电位器，改变振荡器Q1管的集电极电流ICO，将测试结果记录于表中。记录本实验电路停振时的最大ICO=？表3-4 Ic的变化对振荡器性能的影响西勒LC振荡器晶体振荡器Ic(mA)VEQ(V)F(MHz)振幅（V）波形F(MHz)振幅（V）波形 1.34.51.551.65.51.862.48最大Ic：结论：注：调整一项数据后

50、，将SW3拨码开关切换至晶体振荡器，记录晶体振荡器的数据3-6 研究起振前后振荡器工作点的偏离情况 振荡器基本设置条件：振荡电路调整在最佳工作状态。RL=10K。将SW3拨码开关全开路“OFF”，使振荡回路电感L2开路，这时电路停振，测量此时的VEQ1。接着接通SW3”1”ON，电路起振，再次测量此时的VEQ1。看两者是否相等，说明变化的原因。 比较两类振荡器的频率稳定度：1）LC 振荡器 振荡器基本设置条件：SW1“3”短接（680P），SW3“左”（LC振荡），RL=10K（SW2“1”ON），并调整Rw，使Ic=最佳数值。用示波器在振荡器的输出端“OSC/OUT”观察并记录振荡器输出信号

51、的波形、幅度和频率。2）晶体振荡器 振荡器基本设置条件：SW1“3”短接（680P），SW3“右”（晶体振荡），RL=10K（SW2“1”ON），并调整Rw，使Ic=最佳数值。示波器在振荡器的输出端“OSC/OUT”观察并记录振荡器输出信号的波形、幅度和频率。根据以上的测量结果，试计算并比较两种振荡器频率的稳定度f/ f0 ：LC振荡器 晶体振荡器 四、思考题与实验报告 思考题1. 为什么振荡器起振后的直流工作点电流不同于起振前的静态工作点电流？对于一个实际的振荡器，用万用表检查它，能否判断它是否起振？ 2. 为什么反馈系数要选取F=1/21/8，过大、过小有什么不好？3. 对于LC电路，为什么当静态电流发生变化时，其振荡频率会发生变化？ 实验报告要求1. 用表格形式列出实验所测数据，绘出实验曲线，并用所学理论加以分析解释。 2. 分析静态工作点、反馈系数F和负载对振荡器起振条件和输出波