本科高頻電子線路實驗報告課程名稱：高頻電子線路實驗名稱：正弦波振蕩器實驗實驗地點：北區(qū)學院樓四樓實驗室實驗二正弦波振蕩器一、實驗目的1、掌握晶體管工作狀態(tài)，反應大小，負載變化對振蕩幅度與波形的影響。2、掌握改良型電容三點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、實驗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，這是應用非常廣泛的一類電路，產(chǎn)生正弦信號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。在本實驗中，我們研究的主要是LC三點式振蕩器振蕩器。LC三點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，且它們之間應滿足以下關(guān)系式：〔2-1〕這就是LC三點式振蕩器相位平衡條件的判斷準那么。假設(shè)X1和X2均為容抗，X3為感抗，那么為電容三點式振蕩電路；假設(shè)X1和X2均為感抗，X3為容抗，那么為電感三點式振蕩器。1、電容三點式振蕩器共基電容三點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異性質(zhì)的電抗元件C2和L，根據(jù)前面所述的判別準那么，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，振蕩管工作狀態(tài)為小信號時的電壓增益；F是反應系數(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，GL為負載電導。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，可以得到：不等式左端的是共基電壓增益，顯然F增大時，固然可以使增加，但F過大時，由于的影響將使增益降低，反而使減小，導致振蕩器不易起振，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振蕩器，當其負載阻抗及反應系數(shù)F已經(jīng)確定的情況，靜態(tài)工作點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)工作點偏高(b)工作點偏低圖2-4振蕩管工作態(tài)對性能的影響圖2-4〔a〕工作點偏高，振蕩管工作范圍易進入飽和區(qū)，輸出阻抗的降低將會使振蕩波形嚴重失真，嚴重時，甚至使振蕩器停振。圖2-4〔b〕中工作點偏低，防止了晶體管工作范圍進入飽和區(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。一個實際的振蕩電路，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。在實際中，我們將會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使振蕩幅度變小。所以在實用中，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都選得很低，故起始自偏壓也較小，這時起始偏壓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，當反應電壓Uf對基極為正半周時，基極上的瞬時偏壓變得更正，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)導通時的電阻，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Uf負半周，偏置電壓減小，甚至成為截止偏壓，這時，Ce上的電荷將通過Re放電，放電的時間常數(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，即在Re上建立起緊跟振幅強度變化的自偏壓，經(jīng)假設(shè)干周期后到達動態(tài)平衡，在Ce上建立了一個穩(wěn)定的平均電壓IEO·Re，這時振蕩管BE之間的電壓：因為，所以有，可見振蕩管BE間的偏壓減小，振蕩管的工作點向截止方向移動。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，隨著正反應作用，振幅迅速增大，進入非線性工作狀態(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，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，自偏壓就能適時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，在某一時刻到達平衡。這種平衡狀態(tài)，對于自偏壓來說，意味著在反應電壓的作用下，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十分重要技術(shù)指標，這表示在一定的時間范圍內(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、實驗線路圖2-7正弦振蕩實驗參考電路電源供電12V，振蕩管Q52為3DG12C，隔離級晶體管Q51也為3DG12C，LC振蕩工作頻率為10.7MHZ,晶體振為10.254MHZ。三、實驗內(nèi)容1、按下開關(guān)K51，接通電源調(diào)整靜態(tài)工作點。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在TT51處觀察振蕩波形，并使振蕩頻率為10.7MHz〔在本實驗中可產(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，觀察何時波形開始失真，何時停振，并測量波形變化過程中晶體管的發(fā)射極電壓，并計算當時的IE。4、觀察反應系數(shù)對振蕩器性能的影響〔LC振蕩〕。重復步驟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，觀測幅度的變化，同時分析反應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處用頻率計觀察頻率變化情況。連接J52時，波形頻率為10.8403MHZ連接J53時，波形頻率為10.2441MHZ四、實驗儀器1、雙蹤示波器一臺2、數(shù)字萬用表一塊3、高頻電路實驗箱一套五、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，溫漂時漂都比擬大