LC、晶体正弦波振荡电路实验

一、实验目的
10．进一步学习掌握正弦波振荡电路的相关理论。
11．掌握电容三点式LC振荡电路的基本原理，熟悉其各元件功能；熟悉静态工作点、耦合电容、反馈系数、等效Q值对振荡器振荡幅度和频率的影响。
12．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原因理解。

二、实验使用仪器
1．LC、晶体正弦波振荡电路实验板
2．20MH双踪示波器
3.万用表
三、实验基本原理与电路
1.LC振荡电路的基本原理
ＬＣ振荡器实质上是满足振荡条件的正反馈放大器。ＬＣ振荡器是指振荡回路是由ＬＣ元件组成的。从交流等效电路可知：由ＬＣ振荡回路引出三个端子，分别接振荡管的三个电，而构成反馈式自激振荡器，因而又称为三点式振荡器。如果反馈电压取自分压电感，则称为电感反馈ＬＣ振荡器或电感三点式振荡器；如果反馈电压取自分压电容，则称为电容反馈ＬＣ振荡器或电容三点式振荡器。
在几种基本高频振荡回路中，电容反馈ＬＣ振荡器具有较好的振荡波形和稳定度，电路形式简单，适于在较高的频段工作，尤其是以晶体管间分布电容构成反馈支路时其振荡频率可高达几百ＭＨＺ～ＧＨＺ。
普通电容三点式振荡器的振荡频率不仅与谐振回路的LC元件的值有关，而且还与晶体管的输入电容以及输出电容有关。当工作环境改变或更换管子时，振荡频率及其稳定性就要受到影响。为减小、的影响，提高振荡器的频率稳定度，提出了改进型电容三点式振荡电路&mdash&mdash串联改进型克拉泼电路、并联改进型西勒电路，分别如图4-1和4-2所示。
串联改进型电容三点式振荡电路&mdash&mdash克拉泼电路

振荡频率为：

其中由下式决定

选，时，，振荡频率可近似写成

这就使几乎与和值无关，提高了频率稳定度。
振荡幅度取决于折合到晶体管端的电阻，可以推出：

由上式看出，、过大时，变得很小，放大器电压增益降低，振幅下降。还可看出，同振荡器的三次方成反比，当减小以提高频率时，的值急剧下降，振荡幅度显著下降，甚至会停振。另外，用作频率可调的振荡器时，振荡幅度随频率增加而下降，在波段范围内幅度不平稳，因此，频率覆盖系数（在频率可调的振荡器中，高端频率和低端频率之比称为频率覆盖系数）不大，约为。
并联改进型电容三点式振荡电路&mdash&mdash西勒电路回路谐振频率为

其中，回路总电容为

选，时，，这就使值几乎与和无关，提高了频率稳定度。
折合到晶体管输出端的谐振电阻是

其中接入系数和无关，当改变时，、、都是常数，则仅随一次方增长，易于起振，振荡幅度增加，使在波段范围内幅度比较平稳，频率覆盖系数较大，可达1.6~1.8。另外，西勒电路频率稳定性好，振荡频率可以较高。

2.晶体振荡电路的基本原理
石英晶体振荡器就是以石英晶体谐振器取代振荡器中构成谐振回路的电感，电容元件所组成的正弦波振荡器，它的频率稳定度可达到数量级，所以得到为广泛的应用。它之所以具有高的频率稳定度，其关键是采用了石英晶体这种具有高Q值的谐振元件。
由石英谐振器（石英晶体振子）构成的振荡电路通常叫晶振电路。从晶体在电路中的作用来看分两类：一类是工作在晶体并联谐振频率附近，晶体等效为电感的情况，叫做并联晶振电路。另一类是工作在晶体串联谐振频率附近，晶体近于短路的情况，叫做串联晶振电路。
本实验采用并联晶振电路这种电路由晶体与外接电容器或线圈构成并联谐振回路，按三点线路的连接原则组成振荡器，晶体等效为电感。在理论上可以构成三种类型基本电路，但在实际应用中常用的是如图4-3所示的电路，称皮尔斯电路。这种电路不需外接线圈，而且频率稳定度较高。

图4-3并联晶体振荡器原理电路图4--4并联晶体振荡器实例
图4-4给出了这种电路的实例。这里，晶体等效为电感，晶体与外接电容（包括4.5／20pF与20pF两个小电容）和、组成并联回路，其振荡频率应落在与之间。
图4-5是图4-4中谐振回路的等效电路。
该谐振回路的电感就是，而谐振回路的总电容
应由、及外接电容、、组合而成。
由下式决定，即


图4-5图4-4中谐振回路的等效电路

选择电容时，，，因此上式可近似为


所以


总是处在与两频率之间，调节可使产生很微小的变动。无论怎样调节，总是处于晶体与的两频率之间。但是，只有在附近，晶体才具有并联谐振回路的特点
3.实验电路
LC、晶体正弦波振荡电路实验电路如图4-6。断开J1、连接J2、J3构成LC西勒电路振荡电路；断开J2、连接J1、J3构成并联型晶体正弦波振荡电路。

图4-6LC、晶体正弦波振荡电路实验电路

四、实验内容
1．LC振荡器性能测试。
2．并联晶体振荡器性能测试
3．LC振荡器和晶体振荡器性能比较。
五、实验步骤
1．LC振荡器性能测试
在实验箱主板上插上LC、晶体正弦波振荡电路实验模块。接通实验箱上电源开关电源指标灯点亮。断开J1、连接J2、J3构成LC西勒振荡电路。
（1）测试静态工作点变化对振荡器工作状态的影响
调整RW1，由TP1测试T1发射电流，观测发射电流改变对振荡频率和幅度的影响。（R4=1K）。IEQmA＝V（TP1）/R4
表4-1静态工作点变化对振荡器工作的影响
IEQmAfMHzVp-pV
（2）振荡器频率范围的测量
用小起子调整微调电容CV1值（2/25p），同时用频率计在OUT端测量输出振荡信号的频率值，观测振荡频率的改变。（注意微调电容表面扇形镀银部分，从相对另一引出脚z近到z远，每转动180度即完成容量z大到z小的全过程，多旋动是没有意义的，只会加速元件的磨损）
表4-2振荡器频率范围的测量
fMHzVp-pVCminCmax
（3）反馈系数对振荡器工作状态的影响
J3、J4、J5不同组合可构成多种反馈系数，观测反馈系数对振荡器工作状态的影响。
表4-3反馈系数对振荡器工作状态的影响
FfMHzVp-pV注C1100p C4100p C5：200p C6200p

（4）频率稳定度的测量
（a） 短期频率稳定度的测量
用频率计在OUT端测量振荡频率，观察１分钟左右振荡频率f０的变化情况，并记录两个频率值f０１（开始值），f０２（z大变化值）。计算ＬＣ振荡器的短期频率稳定度&Deltaf０／f０

表4-4短期频率稳定度的测量
f０１（开始值MHz）f０２（z大变化值MHz）短期频率稳定度&Deltaf０／f０
（b）观察温度变化对振荡频率的影响。（若无电吹风，可不作该实验）
用电吹风在距电路15cm处对着电路吹热风，用频率计在OUT端测量振荡频率，观察１分钟左右振荡频率f０的变化情况，

表4-4短期频率稳定度的测量
室温f０１MHz加温后f０２MHz频率稳定稳定度&Deltaf０／f０
2．晶体正弦波振荡器性能测试
在实验箱主板上插上LC、晶体正弦波振荡电路实验模块。接通实验箱上电源开关电源指标灯点亮。断开J2、连接J1、J3构成LC晶体并联振荡电路。
（1）测试静态工作点变化对振荡器工作状态的影响
调整RW1，由TP1测试T1发射电流，观测发射电流改变对振荡频率和幅度的影响。（R4=1K）。
表4-1静态工作点变化对振荡器工作的影响
IEQmAfMHzVp-pV
（2）振荡器频率范围的测量
用小起子调整微调电容CV1值（2/25p），同时用频率计在OUT端测量输出振荡信号的频率值，观测振荡频率的改变。

表4-2振荡器频率范围的测量
fMHzVp-pVCminCmax
（3）反馈系数对振荡器工作状态的影响
J3、J4、J5不同组合可构成多种反馈系数，观测反馈系数对振荡器工作状态的影响。
表4-3反馈系数对振荡器工作状态的影响
FfMHzVp-pV注C1100p C4100p C5200p C6200p

（4）频率稳定度的测量
（a） 短期频率稳定度的测量
用频率计在OUT端测量振荡频率，观察１分钟左右振荡频率f０的变化情况，并记录两个频率值f０１（开始值），f０２（z大变化值）。计算ＬＣ振荡器的短期频率稳定度&Deltaf０／f０
表4-4短期频率稳定度的测量
f０１（开始值MHz）f０２（z大变化值MHz）短期频率稳定度&Deltaf０／f０
（b）观察温度变化对振荡频率的影响。（若无电吹风，可不作该实验）
用电吹风在距电路15cm处对着电路吹热风，用频率计在OUT端测量振荡频率，观察１分钟左右振荡频率f０的变化情况，
表4-4短期频率稳定度的测量
室温f０１MHz加温后f０２MHz频率稳定稳定度&Deltaf０／f０
六、实验报告要求
1．整理按实验步骤所得的数据，绘制记录的波形
2．画出工作点和反馈系数对LC振荡器和晶体振荡器振荡频率和幅值的影响曲线，比较两者的区别。
3．总结由本实验所获得的体会。

相关文章

相关产品