太原理工大学高频实验二-LC正弦波振荡器

本科高频电子线路实验报告课程名称：高频电子线路实验名称：正弦波振荡器实验实验地点：北区学院楼四楼实验室实验二正弦波振荡器一、实验目的1、掌握晶体管工作状态，反应大小，负载变化对振荡幅度与波形的影响。2、掌握改良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、比拟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度高的理解。二、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三点式振荡器振荡器。LC三点式振荡器的根本电路如下图：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，且它们之间应满足以下关系式：〔2-1〕这就是LC三点式振荡器相位平衡条件的判断准那么。假设X1和X2均为容抗，X3为感抗，那么为电容三点式振荡电路；假设X1和X2均为感抗，X3为容抗，那么为电感三点式振荡器。1、电容三点式振荡器共基电容三点式振荡器的根本电路如图2-2所示。图中C3为耦合电容。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那么，该电路满足相位条件。假设要它产生正弦波，还须满足振幅，起振条件，即：(2-2)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是反应系数，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2-2的简化，y参数等效电路如图2-3所示，其中设yrb≈0yob≈0，图中GO为振荡回路的损耗电导，GL为负载电导。图2-2共基组态的“考华兹〞振荡器图3-3简化Y参数等效电路经推导，可以得到：不等式左端的是共基电压增益，显然F增大时，固然可以使增加，但F过大时，由于的影响将使增益降低，反而使减小，导致振荡器不易起振，假设F取得较小，要保证＞1，那么要求很大，可见，反应系数的取值有一适宜的范围，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，当其负载阻抗及反应系数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2-4中〔a〕和〔b〕所示。(a)工作点偏高(b)工作点偏低图2-4振荡管工作态对性能的影响图2-4〔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2-4〔b〕中工作点偏低，防止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，否那么不易起振。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2-4〔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。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2-2所示的电容三点式振荡器电路为例，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VBEQ为正偏置，因而易于起振，如图2-5〔a〕所示，图中Cb上的电压是在电源接通的瞬间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，当反应电压Uf对基极为正半周时，基极上的瞬时偏压变得更正，ic增大，于是电流通过振荡管向Ce充电，如图2-5〔b〕所示。电流向Ce充电的时间常数τ充=RD·Ce，(b)图2－5自给偏压形成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的峰值。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，经假设干周期后到达动态平衡，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：因为，所以有，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2-6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，随着正反应作用，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，假设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2-6所示，在某一时刻到达平衡。这种平衡状态，对于自偏压来说，意味着在反应电压的作用下，Ce在一周期内其充电与放电的电量相等。因此，b、e两端的偏压保持不变，稳定在。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的等幅正弦波。图2-6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，那么说明振荡器的频率稳定度越高。4、实验线路图2-7正弦振荡实验参考电路电源供电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10.7MHZ,晶体振为10.254MHZ。三、实验内容1、按下开关K51，接通电源调整静态工作点。调W51使VEQ=2V。即测P2与G间的电压。经调测，P2与G间电压为1.99V2、〔1〕连接好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，并使振荡频率为10.7MHz〔在本实验中可产生的频率范围在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TT51观察振荡波形，调节W51，观察TT51处波形的变化情况，观察何时波形开始失真，何时停振，并测量波形变化过程中晶体管的发射极电压，并计算当时的IE。4、观察反应系数对振荡器性能的影响〔LC振荡〕。重复步骤1，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、1/8时，观测幅度的变化，同时分析反应大小对振荡幅度的影响。5、比拟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。连接J52时，波形频率为10.8403MHZ连接J53时，波形频率为10.2441MHZ四、实验仪器1、双踪示波器一台2、数字万用表一块3、高频电路实验箱一套五、思考题1：比拟LC振荡器和晶体振荡器的优缺点答：LC震荡可用的频率范围宽，电路简单灵活，本钱低，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，温漂时漂都比拟大