電容三點(diǎn)式振蕩器與 變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路設(shè)計(jì)

1、高頻實(shí)驗(yàn)報(bào)告（三）電容三點(diǎn)式振蕩器與變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路設(shè)計(jì) 組員 座位號 16 實(shí)驗(yàn)時(shí)間 周一上午 目錄一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?二、實(shí)驗(yàn)原理32.1電容三點(diǎn)式振蕩器基本原理32.2變?nèi)荻O管調(diào)頻原理52.3寄生調(diào)制現(xiàn)象82.4主要性能參數(shù)及其測試方法9三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容10四、實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)11五、實(shí)驗(yàn)參數(shù)測試14六、思考題15一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 掌握電容三點(diǎn)式LC振蕩電路的基本原理。2 掌握電容三點(diǎn)式LC振蕩電路的工程設(shè)計(jì)方法。3 了解高頻電路中分布參數(shù)的影響及高頻電路的測量方法。4 熟悉靜態(tài)工作點(diǎn)、反饋系數(shù)、等效Q值對振蕩器振蕩幅度和頻譜純度的影響。5 掌握變?nèi)荻O管調(diào)頻電路基本原理、調(diào)頻基本參數(shù)及特性曲

2、線的測量方法。二、 實(shí)驗(yàn)原理2.1 電容三點(diǎn)式振蕩器基本原理電容三點(diǎn)式振蕩器基本結(jié)構(gòu)如圖所示：圖3.1 電容三點(diǎn)式振蕩器基本結(jié)構(gòu)在諧振頻率上，必有 X1 + X2 + X3 =0，由于晶體管的 vb 與 vc 反相，而根據(jù)振蕩器的振蕩條件 |T|=1，要求vbe vce ，即 i X1 = i X2，所以要求 X1 與 X2 為同性質(zhì)的電抗。綜合上述兩個(gè)條件，可以得到晶體管 LC 振蕩器的一般構(gòu)成法則如下：在發(fā)射極上連接的兩個(gè)電抗為同性質(zhì)電抗，另一個(gè)為異性質(zhì)電抗。原理電路如圖3.2所示：圖3.2原理電路共基極實(shí)際電路如圖3.3所示：圖3.3共基極實(shí)際電路求的等效電路如下圖3.4 的等效電路其中

3、： （3-1）為諧振回路導(dǎo)納，Q0為回路固有品質(zhì)因數(shù)?；芈分C振時(shí)有： （3-2） （3-3）是諧振回路廣義失諧其中：以上討論中，忽略Cob的影響。振幅起振條件：， （3-4）即， （3-5）利用小信號等效電路分析，可以將起振條件表達(dá)為 （3-6）其中： （3-7）可得到振幅起振條件 （3-8）考慮到將上式改寫為 （3-9）相位起振條件： （3-10）亦即： （3-11）當(dāng)忽略等參數(shù)影響時(shí)，上述條件實(shí)際就是。此時(shí)，振蕩頻率為： （3-12）精確推導(dǎo)振蕩頻率需要解方程。實(shí)際的振蕩頻率略高于。由于共基接法的晶體管電路，其頻率響應(yīng)要明顯高于共發(fā)射極電路，所以此接法的晶體管振蕩電路的振蕩頻率可以高于共發(fā)

4、射極接法電路，在實(shí)際使用中多采用此電路。2.2 變?nèi)荻O管調(diào)頻原理實(shí)現(xiàn)調(diào)頻的方法有兩大類，即直接調(diào)頻與間接調(diào)頻。LC調(diào)頻振蕩器是直接調(diào)頻電路。直接調(diào)頻的基本原理是利用調(diào)制信號直接線性地改變載波振蕩的瞬時(shí)頻率。如果受控振蕩器是產(chǎn)生正弦波的LC振蕩器，則振蕩頻率主要取決于諧振回路的電感和電容。將受到調(diào)制信號控制的可變電抗與諧振回路連接，就可以使振蕩頻率按調(diào)制信號的規(guī)律變化，實(shí)現(xiàn)直接調(diào)頻?？勺冸娍蛊骷姆N類很多，其中應(yīng)用最廣的是變?nèi)荻O管，作為電壓控制的可變電容元件，它有工作頻率高、損耗小和使用方便等優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)采用變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路。變?nèi)荻O管的Cj-v特性曲線如圖3.5所示。 （3-13）C

5、j0 是二極管在零偏壓時(shí)的結(jié)電容v是加在二極管兩端的反向電壓VD 是二極管PN結(jié)的勢壘電壓 是變?nèi)荻O管的變?nèi)葜笖?shù)，普通PN結(jié)，超突變結(jié) =15。與頻偏的大小有關(guān)(在小頻偏情況下，選1的變?nèi)荻O管可近似實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻)；在大頻偏情況下，必須選=2的超突變結(jié)變?nèi)荻O管，才能實(shí)現(xiàn)較好的線性調(diào)頻)； v為變?nèi)莨軆啥怂拥姆聪螂妷骸?（3-14） 圖3.5 變?nèi)荻O管的Cj-v特性曲線典型變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路如圖所示：L、C1、C2 構(gòu)成電容三點(diǎn)式振蕩電路，C3、D 與C1、C2 并聯(lián)，調(diào)頻電路由變?nèi)荻O管D及耦合電容C3組成。R1與R2為變?nèi)荻O管提供靜態(tài)時(shí)的反向直流偏置電壓，即。變?nèi)荻O管上疊加有

6、直流偏置電壓VDQ與調(diào)制信號電壓。高頻扼流圈L1阻斷振蕩器信號對調(diào)制信號的干擾。圖3.6 電容三點(diǎn)式振蕩電路加入調(diào)制信號后，變?nèi)荻O管節(jié)電容為 （3-15） （3-16）， 為結(jié)電容調(diào)制度。假定C3很大，又有 ， 則可認(rèn)為變?nèi)荻O管電容為回路總電容。 （3-17）式稱為變?nèi)荻O管的調(diào)制特性方程，顯然，當(dāng)采用=2的超突變結(jié)變?nèi)荻O管，能實(shí)現(xiàn)較好的線性調(diào)頻。其中 ，是處于靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí)的振蕩頻率。變?nèi)莨茏鳛檎袷幓芈房傠娙輹r(shí)，它的最大優(yōu)點(diǎn)是調(diào)制信號變化能力強(qiáng)，即調(diào)頻靈敏度高，較小的M值就能產(chǎn)生較大的相對頻偏。但同時(shí)，因溫度等外界因素變化引起VQ變化時(shí)，造成載波頻率的不穩(wěn)定也必然相對地增大。而且振蕩回路

7、上的高頻電壓又全部加到變?nèi)莨苌稀榱丝朔@些缺點(diǎn)，在直接調(diào)頻的LC正弦振蕩電路中，一般都采用變?nèi)莨懿糠纸尤氲恼袷幓芈?。圖中 當(dāng) C3 較小，與 Cj 相比不可忽略時(shí)，變?nèi)荻O管部分接入。圖3.6變?nèi)荻O管部分回路總電容為 （3-18）振蕩頻率 （3-19） 冪級數(shù)展開，取到2次項(xiàng)，有 （3-20） 其中 （3-21）部分接入后的最大頻偏為 （3-22）與非部分接入的相比，可等效成變?nèi)荻O管的變?nèi)葜笖?shù)下降為 （3-23）所以，部分接入的電路要求變?nèi)荻O管的變?nèi)葜笖?shù)大于2。部分接入的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性提高，可以減小寄生調(diào)制效應(yīng)，從而減小調(diào)制失真。缺點(diǎn)是調(diào)制靈敏度下降。2.3 寄生調(diào)制現(xiàn)象高頻電壓加在變?nèi)?/p>

8、二極管兩端，造成在高頻電壓一周內(nèi)結(jié)電容的變化，使得振蕩波形不對稱，稱為寄生調(diào)制實(shí)際電路中，采用變?nèi)荻O管反向串聯(lián)，所以由于高頻載波電壓造成的電容變化相互抵消，可以減輕寄生調(diào)制效應(yīng)。圖3.7寄生調(diào)制消除電路2.4 主要性能參數(shù)及其測試方法 實(shí)驗(yàn)測量電路如圖3.8：圖3.8測量電路1中心頻率 LC振蕩器的輸出頻率稱為中心頻率或載波頻率。用數(shù)字示波器監(jiān)測振蕩波形。同時(shí)測量回路的諧振頻率，諧振電壓，測試點(diǎn)如圖3.8 所示，在A點(diǎn)、C點(diǎn)及射級輸出端分別測量電壓、波形和頻率；研究示波器的接入對電路產(chǎn)生的影響。2頻率穩(wěn)定度 主振頻率的相對穩(wěn)定性用頻率穩(wěn)定度表示。雖然調(diào)頻信號的瞬時(shí)頻率隨調(diào)制信號改變，但這種變

9、化是以穩(wěn)定的載頻為基準(zhǔn)的。若載頻不穩(wěn)，則有可能使調(diào)頻信號的頻譜落到接收機(jī)通帶之外。因此，對于調(diào)頻電路，不僅要滿足一定頻偏要求，而且振蕩頻率必須保持足夠高的頻率穩(wěn)定度。電容三點(diǎn)式改進(jìn)型電路，其可達(dá)。測量頻率穩(wěn)定度的方法是，在一定的時(shí)間范圍(如1小時(shí))內(nèi)或溫度范圍內(nèi)每隔幾分鐘讀一個(gè)頻率值，然后取其范圍內(nèi)的最大值與最小值，則頻率穩(wěn)定度 小時(shí) (3-24)3最大頻偏 指在一定的調(diào)制電壓作用下所能達(dá)到的最大頻率偏移值，稱為相對頻偏。用于調(diào)頻廣播、電視伴音、移動式電臺等的相對頻偏較小，一般，頻偏在50kHz75kHz內(nèi)。最大線性頻偏 (3-25)M 越大，頻偏越大4調(diào)制靈敏度 (3-26)3、4兩項(xiàng)可采用

10、描繪變?nèi)荻O管變頻曲線的方法來測試。下面介紹一種變?nèi)荻O管測量方法。變?nèi)荻O管的特性曲線Cj-v如圖3.5所示。變?nèi)荻O管的性能參數(shù)、及Q點(diǎn)處的斜率kc等可以通過Cj-v特性曲線估算。測量Cj-v曲線的方法如下：先不接變?nèi)荻O管，用數(shù)字示波器測量射級跟隨器的輸出信號頻率；再接入C5、變?nèi)莨蹹1，D2及其偏置電路，其中電位器R6用來改變變?nèi)莨艿撵o態(tài)直流偏壓，測出不同時(shí)對應(yīng)的輸出頻率。由式(3-5)或下式計(jì)算對應(yīng)的回路總電容，即 (3-27)再由式(3-7) 計(jì)算變?nèi)莨艿慕Y(jié)電容Cj。然后將VQ與Cj的對應(yīng)數(shù)據(jù)列表并繪制Cj-v曲線。不同型號的變?nèi)莨埽銫j-v曲線相差較大，性能參數(shù)也不相同。使用前

11、一定要測量(或查閱手冊)變?nèi)莨艿腃j-v曲線，得到工作點(diǎn)Q處的斜率式。三、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)一LC高頻振蕩器與變?nèi)荻O管調(diào)頻電路。LC調(diào)頻振蕩器n 已知條件： +Vcc=+9V，高頻三極管Q2N3904，變?nèi)荻O管 ，調(diào)制信號峰峰值1V。n 主要技術(shù)指標(biāo)：中心頻率=90MHz，頻率穩(wěn)定度5×10-4/小時(shí)，主振級的輸出電壓Vo3V，調(diào)制靈敏度10kHzV，最大頻偏=20kHz。圖3.10實(shí)驗(yàn)電路步驟：1 按照選定的實(shí)驗(yàn)電路，分別設(shè)計(jì)90Mhz及27Mhz的振蕩器電路。2 根據(jù)上述設(shè)計(jì)的參數(shù)，在實(shí)驗(yàn)板上插入相應(yīng)的器件。通電后通過測量R3上的直流壓降來監(jiān)視靜態(tài)工作點(diǎn)電流。如果靜態(tài)工作點(diǎn)不正常

12、，必須排除故障后才能進(jìn)行以下的測量。3 觀察并測量靜態(tài)工作點(diǎn)、等效Q值、反饋系數(shù)等因素對振蕩器振蕩幅度和頻譜純度的影響。4 設(shè)計(jì)二極管直接調(diào)頻電路。5 測量調(diào)頻電路基本參數(shù)及變?nèi)荻O管特性曲線四、 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì) 1確定電路形式，設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)；交流等效電路如下：取IEQ=1 mA，這里取電路靜態(tài)工作點(diǎn)由下式確定：取, 實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了能相對較大地調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)，適當(dāng)將取大，取=33k，=1.5k，由18k電阻和47 k電位器串連，以便調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)。2計(jì)算主振回路元件值：根據(jù)電感L1的值以及電容三點(diǎn)式振蕩器的起振條件，選擇合適的諧振電容C2和C3 ，其中為電路要求的振蕩頻率，為電路空載時(shí)的品質(zhì)系數(shù)

13、。電路的負(fù)載導(dǎo)納，一般在105，可忽略。振蕩器輸出一般接設(shè)計(jì)跟隨器，阻抗很大，一般在105， 可忽略。這樣可得，其中相比較，也可忽略，所以可以認(rèn)為由起振條件得：則可得起振條件顯然在很寬得范圍內(nèi)都可滿足起振條件，一般情況下，取1/（28）當(dāng)振蕩頻率為37.7MHz由于振蕩器諧振頻率實(shí)際電感取值為0.9uH， 已知則取1/4，由于 從而求得， 實(shí)際取，采用固定電容和可調(diào)電容并聯(lián)方式，以便調(diào)節(jié)。當(dāng)振蕩頻率為90MHz由于振蕩器諧振頻率實(shí)際電感取值為0.2uH， 已知則取1/4，由于 從而求得， 實(shí)際取，采用固定電容和可調(diào)電容并聯(lián)方式，以便調(diào)節(jié)。五、 實(shí)驗(yàn)參數(shù)測試1、 當(dāng)f37.7Mhz時(shí)， 測得Vo

14、pp=3.04 V振蕩頻率f0= 37.6837.70 Mhz 頻率穩(wěn)定度：2、 當(dāng)f90Mhz時(shí)， 測得Vopp= 2.26 V振蕩頻率f0= 90.0290.78 Mhz 頻率穩(wěn)定度： 3、變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路電壓頻率0.40187.730.75289.361.5191.842.0594.512.3898.693.04101.483.57102.364.05103.004.33103.594.91103.785.52104.566.00103.646.47105.116.69105.597.38106.057.98106.388.43106.55用matlab擬合以后圖形如下：六、 思考

15、題1 LC振蕩器的靜態(tài)工作點(diǎn) 在(0.54)mA之間變化時(shí)，輸出頻率 ，輸出電壓Vo及振蕩波形有何變化?為什么?用實(shí)驗(yàn)說明。答：首先，對于頻率，隨著Ic的增大，頻率呈下降趨勢。但是在試驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)這種影響不是很大，對于頻率的影響主要來自電路中的電感和電容。第二，對于輸出電壓Vo則隨靜態(tài)工作點(diǎn)的增大顯現(xiàn)出上升趨勢，這是因?yàn)?，隨著Ic的增大， 也增大，進(jìn)而使得增大。但當(dāng)Ic增大到一定程度時(shí)，由于受晶體管放大器動態(tài)范圍的限制，使波形失真加重，頻率穩(wěn)定性變差，甚至?xí)霈F(xiàn)限幅失真。此時(shí)，|會隨著輸出電壓幅度的增大而下降，當(dāng)時(shí)，振蕩器達(dá)到平衡，輸出幅度最終穩(wěn)定。當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)電流增大時(shí)，|變大，而F不變

16、，最終輸出峰峰值會變大。實(shí)際的振蕩電路在中心頻率確定之后，其振幅的增加主要是靠提高振蕩管的靜態(tài)電流值，靜態(tài)電流越大，輸出幅度越大。但是如果靜態(tài)電流取得太大，不僅會出現(xiàn)波形失真現(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。而在實(shí)驗(yàn)中，我們通過調(diào)節(jié)電阻R3來調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點(diǎn)，最后R3的選擇在幾百歐姆，小于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)的1.5K的理論值，此時(shí)，輸出的峰峰值可以到達(dá)2.5V左右。2 反饋系數(shù)過大或過小時(shí)，對振蕩器起振有無影響?對輸出電壓的幅度有無影響? 用實(shí)驗(yàn)說明。答：根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理公式，反饋系數(shù)：，而起振條件是，由于不等式的右邊沒有最大值，所以，反饋系數(shù)過大或者過小，都可以使上式不成立，從而電路

17、不滿足起振條件振蕩器停振。另一方面，對于輸出電壓，輸出幅度也受反饋系數(shù)的影響。在起振范圍內(nèi)，因?yàn)樵谧畲笃教瓜碌妮敵鲭妷簩⒓眲∠陆怠?在實(shí)驗(yàn)中改變反饋系數(shù)時(shí)，我們能觀察到輸出電壓有變化，反饋系數(shù)下降時(shí)，輸出電壓峰峰值略微增大。3 變?nèi)荻O管的接入系數(shù)如過大或過小，對振蕩回路有何影響?用實(shí)驗(yàn)說明。答：根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理公式，反饋系數(shù)：，而起振條件是，由于不等式的右邊沒有最大值，所以，反饋系數(shù)過大或者過小，都可以使上式不成立，從而電路不滿足起振條件振蕩器停振。另一方面，對于輸出電壓，輸出幅度也受反饋系數(shù)的影響。在起振范圍內(nèi)，因?yàn)樵谧畲笃教瓜碌妮敵鲭妷簩⒓眲∠陆怠?在實(shí)驗(yàn)中改變反饋系數(shù)時(shí)，我們能觀察到輸出電

18、壓有變化，反饋系數(shù)下降時(shí)，輸出電壓峰峰值略微增大。4 影響載波頻率及輸出電壓Vo的主要因素有哪些?用實(shí)驗(yàn)說明。答：根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理公式，反饋系數(shù)：，而起振條件是，由于不等式的右邊沒有最大值，所以，反饋系數(shù)過大或者過小，都可以使上式不成立，從而電路不滿足起振條件振蕩器停振。另一方面，對于輸出電壓，輸出幅度也受反饋系數(shù)的影響。在起振范圍內(nèi)，因?yàn)樵谧畲笃教瓜碌妮敵鲭妷簩⒓眲∠陆怠?在實(shí)驗(yàn)中改變反饋系數(shù)時(shí)，我們能觀察到輸出電壓有變化，反饋系數(shù)下降時(shí)，輸出電壓峰峰值略微增大。5. 如何測量變?nèi)荻O管的特性曲線 ，如何選擇靜態(tài)工作點(diǎn)Q，并確定斜率?答：根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理公式，反饋系數(shù)：，而起振條件是，由于不等式的右邊沒有最大值，所以，反饋系數(shù)過大或者過小，都可以使上式不成立，從而電路不滿足起振條件振蕩器停振。另一方面，對于輸出電壓，輸出幅度也受反饋系數(shù)的影響。在起振范圍內(nèi)，因?yàn)樵谧畲笃教瓜碌妮敵鲭妷簩⒓眲∠陆怠?在實(shí)驗(yàn)中改變反饋系數(shù)時(shí)，我們能觀察到輸出電壓有變化，反饋系數(shù)下降時(shí)，輸出電壓峰峰值略微增大。6 為什么說高頻電路的測試點(diǎn)選擇不當(dāng)，會影響回路的諧振頻率和Q值，甚至電路不能正常工作?對于圖3.10，如果在A端測波形、頻率可能會出現(xiàn)什么現(xiàn)象?答：因?yàn)槭静ㄆ鞯奶筋^上有分布電容，又因?yàn)楦哳l實(shí)驗(yàn)所需的電容小，探頭上的分布電容就不能忽略了，所以若測試