太原理工大學(xué)高頻實(shí)驗(yàn)二-LC正弦波振蕩器

本科高頻電子線路實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱：高頻電子線路實(shí)驗(yàn)名稱：正弦波振蕩器實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：北區(qū)學(xué)院樓四樓實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)二正弦波振蕩器一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握晶體管工作狀態(tài)，反應(yīng)大小，負(fù)載變化對振蕩幅度與波形的影響。2、掌握改良型電容三點(diǎn)式正弦波振蕩器的工作原理及振蕩性能的測量方法。3、研究外界條件變化對振蕩頻率穩(wěn)定度的影響。4、比擬LC振蕩器和晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度，加深對晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度高的理解。二、實(shí)驗(yàn)原理與線路正弦波振蕩器是指振蕩波形接近理想正弦波的振蕩器，這是應(yīng)用非常廣泛的一類電路，產(chǎn)生正弦信號(hào)的振蕩電路形式很多，但歸納起來，不外是RC、LC和晶體振蕩器三種形式。在本實(shí)驗(yàn)中，我們研究的主要是LC三點(diǎn)式振蕩器振蕩器。LC三點(diǎn)式振蕩器的根本電路如下圖：根據(jù)相位平衡條件，圖中構(gòu)成振蕩電路的三個(gè)電抗中間，X1、X2必須為同性質(zhì)的電抗，X3必須為異性質(zhì)的電抗，且它們之間應(yīng)滿足以下關(guān)系式：〔2-1〕這就是LC三點(diǎn)式振蕩器相位平衡條件的判斷準(zhǔn)那么。假設(shè)X1和X2均為容抗，X3為感抗，那么為電容三點(diǎn)式振蕩電路；假設(shè)X1和X2均為感抗，X3為容抗，那么為電感三點(diǎn)式振蕩器。1、電容三點(diǎn)式振蕩器共基電容三點(diǎn)式振蕩器的根本電路如圖2-2所示。圖中C3為耦合電容。由圖可見：與發(fā)射極連接的兩個(gè)電抗元件為同性質(zhì)的容抗元件C1和C2；與基極連接的為兩個(gè)異性質(zhì)的電抗元件C2和L，根據(jù)前面所述的判別準(zhǔn)那么，該電路滿足相位條件。假設(shè)要它產(chǎn)生正弦波，還須滿足振幅，起振條件，即：(2-2)式中AO為電路剛起振時(shí)，振蕩管工作狀態(tài)為小信號(hào)時(shí)的電壓增益；F是反應(yīng)系數(shù)，只要求出AO和F值，便可知道電路有關(guān)參數(shù)與它的關(guān)系。為此，我們畫出圖2-2的簡化，y參數(shù)等效電路如圖2-3所示，其中設(shè)yrb≈0yob≈0，圖中GO為振蕩回路的損耗電導(dǎo)，GL為負(fù)載電導(dǎo)。圖2-2共基組態(tài)的“考華茲〞振蕩器圖3-3簡化Y參數(shù)等效電路經(jīng)推導(dǎo)，可以得到：不等式左端的是共基電壓增益，顯然F增大時(shí)，固然可以使增加，但F過大時(shí)，由于的影響將使增益降低，反而使減小，導(dǎo)致振蕩器不易起振，假設(shè)F取得較小，要保證＞1，那么要求很大，可見，反應(yīng)系數(shù)的取值有一適宜的范圍，一般取F=1/8～1/2。2、振蕩管工作狀態(tài)對振蕩器性能的影響對于一個(gè)振蕩器，當(dāng)其負(fù)載阻抗及反應(yīng)系數(shù)F已經(jīng)確定的情況，靜態(tài)工作點(diǎn)的位置對振蕩器的起振以及穩(wěn)定平衡狀態(tài)〔振幅大小，波形好壞〕有著直接的影響，如圖2-4中〔a〕和〔b〕所示。(a)工作點(diǎn)偏高(b)工作點(diǎn)偏低圖2-4振蕩管工作態(tài)對性能的影響圖2-4〔a〕工作點(diǎn)偏高，振蕩管工作范圍易進(jìn)入飽和區(qū)，輸出阻抗的降低將會(huì)使振蕩波形嚴(yán)重失真，嚴(yán)重時(shí)，甚至使振蕩器停振。圖2-4〔b〕中工作點(diǎn)偏低，防止了晶體管工作范圍進(jìn)入飽和區(qū)，對于小功率振蕩器，一般都取在靠近截止區(qū)，但是不能取得太低，否那么不易起振。一個(gè)實(shí)際的振蕩電路，在F確定之后，其振幅的增加主要是靠提高振蕩管的靜態(tài)電流值。在實(shí)際中，我們將會(huì)看到輸出幅度隨著靜態(tài)電流值的增加而增大。但是如靜態(tài)電流取得太大，不僅會(huì)出現(xiàn)圖2-4〔a〕所示的現(xiàn)象，而且由于晶體管的輸入電阻變小同樣會(huì)使振蕩幅度變小。所以在實(shí)用中，靜態(tài)電流值一般取ICO=0.5mA～5mA。為了使小功率振蕩器的效率高，振幅穩(wěn)定性好，一般都采用自給偏壓電路，我們以圖2-2所示的電容三點(diǎn)式振蕩器電路為例，簡述自偏壓的產(chǎn)生。圖中，固定偏壓VB由R1和R2所組成的偏置電路來決定，在忽略IB對偏置電壓影響的情況下，可以認(rèn)為振蕩管的偏置電壓UBE是固定電壓VB和Re上的直流電壓降共同決定的，即由于Re上的直流壓降是由發(fā)射極電流IE建立的，而且隨IE的變化而變化，故稱自偏壓。在振蕩器起振之前，直流自偏壓取決于靜態(tài)電流IEO和Re的乘積，即一般振蕩器工作點(diǎn)都選得很低，故起始自偏壓也較小，這時(shí)起始偏壓VBEQ為正偏置，因而易于起振，如圖2-5〔a〕所示，圖中Cb上的電壓是在電源接通的瞬間VB對電容Cb充電在上建立的電壓；Rb是R1與R2的并聯(lián)值。根據(jù)自激振蕩原理，在起振之初，振幅迅速增大，當(dāng)反應(yīng)電壓Uf對基極為正半周時(shí)，基極上的瞬時(shí)偏壓變得更正，ic增大，于是電流通過振蕩管向Ce充電，如圖2-5〔b〕所示。電流向Ce充電的時(shí)間常數(shù)τ充=RD·Ce，(b)圖2－5自給偏壓形成RD是振蕩管BE結(jié)導(dǎo)通時(shí)的電阻，一般較小〔幾十到幾百歐〕，所以τ充較小，Ce上的電壓接近Uf的峰值。當(dāng)Uf負(fù)半周，偏置電壓減小，甚至成為截止偏壓，這時(shí)，Ce上的電荷將通過Re放電，放電的時(shí)間常數(shù)為τ放=Re·Ce，顯然τ放>>τ充，在Vf的一周期內(nèi)，積累電荷比釋放的多，所以隨著起振過程的不斷增強(qiáng)，即在Re上建立起緊跟振幅強(qiáng)度變化的自偏壓，經(jīng)假設(shè)干周期后到達(dá)動(dòng)態(tài)平衡，在Ce上建立了一個(gè)穩(wěn)定的平均電壓IEO·Re，這時(shí)振蕩管BE之間的電壓：因?yàn)?，所以有，可見振蕩管BE間的偏壓減小，振蕩管的工作點(diǎn)向截止方向移動(dòng)。這種自偏壓的建立過程如圖2-6所示。由圖看出，起振之初，〔0～t1之間〕，振幅較小，振蕩管工作在甲類狀態(tài)，自偏壓變化不大，隨著正反應(yīng)作用，振幅迅速增大，進(jìn)入非線性工作狀態(tài)，自偏壓急劇增大，使變?yōu)榻刂蛊珘?。振蕩管的非線性工作狀態(tài)，反過來又限制了振幅的增大。可見，這種自偏壓電路起振時(shí)，存在著振幅與偏壓之間相互制約、互為因果的關(guān)系。在一般情況下，假設(shè)ReCe的數(shù)值選得適當(dāng)，自偏壓就能適時(shí)地緊跟振幅的大小而變化。正是由于這兩種作用相互依存、又相互制約的結(jié)果。如圖2-6所示，在某一時(shí)刻到達(dá)平衡。這種平衡狀態(tài)，對于自偏壓來說，意味著在反應(yīng)電壓的作用下，Ce在一周期內(nèi)其充電與放電的電量相等。因此，b、e兩端的偏壓保持不變，穩(wěn)定在。對于振幅來說，也意味著在此偏壓的作用下，振幅平衡條件正好滿足輸出振幅為的等幅正弦波。圖2-6起振時(shí)直流偏壓的建立過程3、振蕩器的頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度是振蕩器的一項(xiàng)十分重要技術(shù)指標(biāo)，這表示在一定的時(shí)間范圍內(nèi)或一定的溫度、濕度、電源、電壓等變化范圍內(nèi)振蕩頻率的相對變化程度，振蕩頻率的相對變化量越小，那么說明振蕩器的頻率穩(wěn)定度越高。4、實(shí)驗(yàn)線路圖2-7正弦振蕩實(shí)驗(yàn)參考電路電源供電12V，振蕩管Q52為3DG12C，隔離級(jí)晶體管Q51也為3DG12C，LC振蕩工作頻率為10.7MHZ,晶體振為10.254MHZ。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、按下開關(guān)K51，接通電源調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)。調(diào)W51使VEQ=2V。即測P2與G間的電壓。經(jīng)調(diào)測，P2與G間電壓為1.99V2、〔1〕連接好J54、J52，調(diào)節(jié)可調(diào)電容CC51，通過示波器和頻率計(jì)在TT51處觀察振蕩波形，并使振蕩頻率為10.7MHz〔在本實(shí)驗(yàn)中可產(chǎn)生的頻率范圍在10MHz—12MHz〕?！?〕斷開J52，接通J53，微調(diào)CC52，使振蕩頻率為10.245MHZ。3、觀察振蕩狀態(tài)與晶體管工作狀態(tài)的關(guān)系。斷開J53，連好J52，用示波器在TT51觀察振蕩波形，調(diào)節(jié)W51，觀察TT51處波形的變化情況，觀察何時(shí)波形開始失真，何時(shí)停振，并測量波形變化過程中晶體管的發(fā)射極電壓，并計(jì)算當(dāng)時(shí)的IE。4、觀察反應(yīng)系數(shù)對振蕩器性能的影響〔LC振蕩〕。重復(fù)步驟1，用示波器在TT51處觀察波形。分別連接J54、J55、J56或組合連接使C56/C57||C58||C59等于1/3、1/5、1/6、1/8時(shí)，觀測幅度的變化，同時(shí)分析反應(yīng)大小對振蕩幅度的影響。5、比擬LC振蕩器和晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度。分別接通J53、J52，在TT51處用頻率計(jì)觀察頻率變化情況。連接J52時(shí)，波形頻率為10.8403MHZ連接J53時(shí)，波形頻率為10.2441MHZ四、實(shí)驗(yàn)儀器1、雙蹤示波器一臺(tái)2、數(shù)字萬用表一塊3、高頻電路實(shí)驗(yàn)箱一套五、思考題1：比擬LC振蕩器和晶體振蕩器的優(yōu)缺點(diǎn)答：LC震蕩可用的頻率范圍寬，電路簡單靈活，本錢低，容易做到正弦波輸出和可調(diào)頻率輸出。但它的頻率穩(wěn)定度低，溫漂時(shí)漂都比擬大