实验一 电容反馈三点式振荡器的实验研究

实验一电容反馈三点式振荡器的实验研究一、实验目的1．通过实验深入理解电容反馈三点式振荡器的工作原理，熟悉改进型电容反馈三点式振荡器的构成及电路各元件作用；2．研究在不同的静态工作点时，对振荡器起振、振荡幅度和振荡波形的影响；3．学习使用示波器和数字式频率计测量高频振荡器振荡频率的方法；4．观察电源电压和负载变化对振荡幅度、频率及频率稳定性的影响。二、实验原理电容反馈三点式振荡器的基本原理电路(考比兹振荡器)如图2-1(a)所示。由图可知，反馈电压由C1和C2分压得到，反馈系数为(2-1)起振的幅度条件为(忽略三极管ge)(2-2)其中，gm为晶体管跨导，gp为振荡回路的等效谐振电导。图2-1(a)所示等效电路中的回路总电容为(2-3)振荡频率近似为(2-4)当外界条件(如温度等)发生变化时，振荡回路元件及晶体管结电容要发生变化，从而使得振荡频率发生漂移。因此，为了改善普通电容反馈三点式振荡器的频稳度，可在振荡回路中引入串接电容C3，如图2-1(b)所示，当满足C3<<C1、C2时，C3明显减弱了晶体管与振荡回路的耦合程度。为了得到较宽的波段覆盖效果，引入并联电容C4(它和C3为同一个数量级)，回路总电容近似为C≈C3+C4。这种改进型电容反馈振荡器称为西勒电路，其振荡频率为(2-5)当改变C4调节fg时，振荡器的反馈系数不会受显著影响。图2-2改进型电容反馈振荡器实验电路图2-2改进型电容反馈振荡器实验电路①②③④⑤VT1VT2图2-1电容反馈三点式振荡器的交流等效电路图C1C2LC1C2LC4C3(a)(b)本实验电路采用西勒振荡器，如图2-2所示。由图可知，电容C1、C2、C3、C4和电感L1组成振荡回路。晶体管VT1的集电极直流负载为RC，偏置电路由R1、R2、W1和Re构成，改变电位器W1可改变VT1的静态工作点。静态电流的选择既要保证振荡处于截止平衡状态，也要兼顾开始建立振荡时有足够大的电压增益。晶体管VT2与R3、R4组成一级起隔离作用的射随器。另外，为了用频率计(输入阻抗为50Ω)测量振荡器工作频率时不影响电路的正常工作，接入了电阻R7(1kΩ)。图中振荡器的交流负载实验电阻为R5、R6。四、实验仪器及设备1．直流稳压电源SS3323型1台2．数字示波器DSO-X2012A型1台3．高频信号发生器TFG6080型1台4．数字式频率计F1000型1台5．数字万用表DT9202A型1台6．实验电路板1块五、实验内容1．晶体管静态工作点不同时对振荡器输出幅度和波形的影响(1)接通+12V电源，调节电位器W1使振荡器振荡，此时用示波器在④点刚好观察到不失真的正弦电压波形(负载电阻R5或R6暂不接入)。探头f（MHz）UO（mV）8.0638257.992400t～UO曲线（x10）：t～UO曲线（x1）：(2)调节W1使振荡管静态工作点电流IeQ在0.5～4mA之间变化(用万用表测量射极电阻Re两端电压，计算出相应电流近似为IeQ大小，至少取5个点)，用示波器测量并记录下④点的幅度与波形变化情况，绘制出IeQ～u0曲线图。分析静态工作点过大和过小为什么都不振荡。IeQ（mA）u0（mV）10.54447.5020.891378.1231.031675.0042.043712.5052.904700.0063.404912.50m～UΩm曲线：结果分析：振荡器要振荡的条件是满足相位条件和幅度条件的。而在幅度条件的具体表示是，同时，当静态工作点较低的时候，使得较小，从而使得较小，而同时不变，则就使得从而不能满足起振的条件，因此不能振荡。并且LC正弦波振荡电路设置直流静态工作点的目的是为了使放大器在起振时工作在放大区(甲类状态)。如果直流工作点过低,很容易进入截止区,造成不起振。静态电流取得太大，振荡管工作范围容易进入饱和区，输出阻抗降低。并且IeQ较大的时候三极管的放大倍数会减小，使得输出幅度变小。根据起振条件AB>1，当电流过大的时候会使得A下降并且B不变，这就使得当静态电流大的一定的时候，AB1使得振荡器就停止振荡了。2．外界条件发生变化时对振荡频率的影响及正确测量振荡频率(1)选择一合适的IeQ(1～2mA)，使振荡器正常工作，在④点上测量，从示波器上读出频率和幅度，再测量③点和⑤点，分别读出振荡器的振荡幅度和频率，分析上述几点的频率和幅度为何不同。（问题：在⑤点和③点用频率计(或示波器)所测得频率不同是什么原因？哪一点测得的结果更准确？）IeQ（mA）f（MHz）UO（mV）③点④点⑤点③点④点⑤点1.27.948.108.1058022001185结果分析：频率相同的分析：④点和⑤点之间只有一个电阻，不会影响频率，因而使得④点和⑤点的频率相同。频率不同的分析：对③点的频率要比在④和⑤点的频率要低。是因为是因为示波器的探头接入后会产生分布电容，由于探头接入的部分不同，那么分布电容的产生的影响也会不同。在③点接入探头的时候，使得LC选频网络的电容值C变大，根据谐振频率的公式，现在C变大，所以将变小。而在④点和⑤点测量时，因为一个起隔离作用的射随器使得在④点和⑤点接入示波器探头的时候对于前面的LC选频网络基本不起作用，所以不会影响谐振频率。因此对于测得的频率，④点和⑤点处测得的频率较准确。幅度不同的分析：虽然③点之后接入的是一个起隔离作用的射随器，但是因为探头接入③点会使的示波器探头会分压，从而使得在③点测得的幅度要比④点和⑤电测得的幅度都要小。而对于④点和⑤点，虽然频率相同，但是在幅度上是不同的。是因为在④点和⑤点之间有一个电阻，而电阻是要消耗功率的，虽然振荡产生的电流较小，但是经过射随器的作用使得在射随器的输出的时候电流变大而使得在电阻上消耗的功率变大，所以使得⑤点的幅度比④点的幅度要小。(2)用数字式频率计(以kHz为单位，测到小数点后面第二位有效数字)重测，试比较在③点测量和在⑤点测量有何不同？为什么？用数字式频率计测量⑤点，可每10秒钟左右记录一次频率值，至少记录5次，计算出振荡器频稳度的数量级。③点f（MHz）⑤点f（MHz）7.85291123458.086358.086368.086388.086348.08640结果分析：在③点测得的频率要不比⑤点测得的频率要低。是因为示波器的探头接入后会产生分布电容，由于探头接入的部分不同，那么分布电容的产生的影响也会不同。在③点接入探头的时候，使得LC选频网络的电容值C变大，根据谐振频率的公式,现在C变大，所以将变小。而在⑤点测量时因为一个起隔离作用的射随器使得在⑤点接入示波器探头的时候对于前面的LC选频网络基本不起作用，所以不会影响谐振频率。振荡器频稳度的数量级：10(3)将不同负载电阻(R5和R6)分别接入电路，调节W1，用示波器在④点观察，看能否起振，记录输出振幅和波形的变化，若不起振，分析是什么原因。IeQ（mA）④点f（MHz）④点UO（mV）不接负载R5R6不接负载R5R61.28.108.100195013560结果分析：不起振的原因分析：根据起振的幅度条件。当接入负载后会影响品质因数。，当变小的时候会使得变小，，当变小的时候会使得变大，从而使得变大。当变小的一定程度的时候就使得振荡器不满足振荡条件从而不起振。不接负载的时候的波形：接入R5的时候的波形：(4)将负载断开，改变电源电压VCC分别为+6V、+8V、+10V、+12V、+14V、+16V、+18V，保持振荡器一合适的静态工作点不变，用示波器测量④点，并记录振荡器输出振幅、波形和频率的变化。IeQ（mA）f（MHz）UO（mV）是否失真1.2+6V8.131770否+8V8.061850否+10V8.061950否+12V8.101950否+14V8.061950否+16V8.062000否+18V8.102005否+6V时的波形：+8V时的波形：+10V时的波形：+12V时的波形：+14V时的波形：+16V时的波形：+18V时的波形：结果分析：振荡器能正常的起振，根据公式，都没有发生变化，所以谐振的频率是不变的。六、实验思考1．画出实验电路的交流等效电路，当取C1=180pF，C2=330pF，L1=10μH时(图2-2中已给出C3，C4为10pF电容)，计算振荡频率fg、反馈系数B各等于何值？实验电路的交流等效电路：2．若接通电源后发现振荡器并未起振，试估计可能是哪些原因造成的？如何解决？①静态工作点过低或者过高，使三极管太接近截止区或者是饱和区，从而使得振荡器不满足起振的条件。解决办法就是调整电位器W1，从而来调整静态工作点。②将K2接通了，使得接入了R6的负载，使得品质因数下降使得，振荡器不满足震荡的初始条件，从而不起振。解决办法将K2断开，使得振荡器空载。3．若③点波形正常但幅度太大，问④点波形会不会出现失真？为什么？④点波形会出现失真，改点的失真不是因为振荡器产生的失真，而是因为后面的起隔离作用的射随器，当③点的波形幅度太大会使后一级的射随