正弦波振蕩器的設(shè)計(jì)與測(cè)試

1、一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步了解晶體振蕩電路的基本工作原理，研究振蕩電路起振條件和影響頻率穩(wěn)定度的因素。 2. 初步了解高頻正弦波電路的設(shè)計(jì)方法和步驟。 3. 學(xué)會(huì)使用電子計(jì)數(shù)式頻率計(jì)測(cè)量頻率的方法。二、實(shí)驗(yàn)原理1. LC振蕩器設(shè)計(jì)方法與步驟 LC正弦波振蕩器在其振蕩建立并達(dá)到平衡之后，晶體管工作在非線性狀態(tài)，工作頻率較高，晶體管參數(shù)也不再為一實(shí)數(shù)。振蕩的物理過程變得十分復(fù)雜，因此企圖用嚴(yán)密的理論分析進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算是不現(xiàn)實(shí)的。通常行之有效的方法是：根據(jù)振蕩器的工作原理和設(shè)計(jì)原則，合理的選擇電路形式和器件，然后進(jìn)行近似的估算，最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)調(diào)整，使其達(dá)到所要求的技術(shù)指標(biāo)。（1）選擇振蕩電路形式

2、振蕩電路的選擇主要是根據(jù)所給定的工作頻率（或工作頻段）頻率穩(wěn)定度的要求。LC振蕩電路一般適用于數(shù)百千赫到數(shù)百兆赫的頻率范圍，它的短期頻穩(wěn)度一般在103到104的數(shù)量級(jí)。在小功率通訊機(jī)中所使用的可變頻率振蕩器，一般都要求波段范圍內(nèi)頻率連續(xù)可調(diào)，故可選用互感耦合三點(diǎn)式振蕩電路。互感量的調(diào)節(jié)比較方便，其輸入與輸出電路的饋電方式互不影響。但是，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別是電路中含有電感元件，故這種電路較適用于中短波波段，在短波段以上，一般多采用考畢茲電路。對(duì)于可變頻率振蕩器，其頻率穩(wěn)定度要求提高時(shí)，幾乎都采用克拉潑電路或西勒電路，它的頻穩(wěn)度達(dá)到104105。若采用高質(zhì)量回路元件，再加上一些措施，頻穩(wěn)度還可進(jìn)一

3、步提高。一般頻率穩(wěn)定度要求在105106以上的固定頻率振蕩器（如廣播發(fā)射機(jī)的主振器）時(shí)，必須選用石英晶體振蕩器。表各種振蕩器的頻率精確度和穩(wěn)定度分 類頻 率 精 確 度頻 率 穩(wěn) 定 度無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器LC振蕩器RC振蕩器晶體振蕩器穩(wěn)定化晶體振蕩器101510251025105106101510251025105106 （2）振蕩管的選擇 小功率振蕩器輸出一般為毫瓦數(shù)量級(jí)，一般晶體管均可滿足功率的要求。選管時(shí)主要考慮是在滿足工作頻率和起振條件前提下，應(yīng)盡可能提高振蕩器的頻穩(wěn)度，因此振蕩管應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)要求： 特征頻率fT或最高頻率fmax要足夠高。實(shí)踐證明，為了保證振蕩器正常工作，必須使晶體管

4、的fmax比振蕩器的最高工作頻率fH高三倍以上即： fmax 3fH （3-4-1）有時(shí)手冊(cè)并不直接給出fmax這個(gè)參數(shù)，而是給出特征頻率fT或f，基極電阻rbb及集電結(jié)的結(jié)電容Cbc等，這時(shí)，可以根據(jù) （3-4-2）和 fT = (0.7 0.8) f （3-4-3）的關(guān)系，計(jì)算出fmax，也可直接用 fT (210) fH （3-4-4）的關(guān)系選用振蕩管。 晶體管的電流放大倍數(shù)需足夠大。選用較高的管子，有利于提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度，改善起振條件和波形質(zhì)量。但是也要注意高的晶體管其ICBO也較大。 輸出功率較大的振蕩器，選管時(shí)要按下式對(duì)集電極最大耗散功率進(jìn)行校核。 Pc （3-4-5）式中

5、Pcm 管子集電極最大允許耗散功率 PL 輸出到負(fù)載上的功率 k 振蕩回路效率 c 晶體管集電極效率集電極效率與晶體管參量、工作頻率和集電極電壓利用系數(shù)有關(guān)。要求頻穩(wěn)度高， c般取0.2，k一般在0.20.8之間選取；要求頻穩(wěn)度高，可取的小一些（即與負(fù)載耦合松一些），反之，可取得大一些。將k和c代人Pcm可得： Pcm （520）PL （3-4-6）這就是說，當(dāng)振蕩器輸出功率較大時(shí)，應(yīng)按集電極最大耗散功率大于輸出功率5倍以上的條件來選管。（3）靜態(tài)工作點(diǎn)的選擇及偏置電路元件的估算合理地選擇振蕩器的靜態(tài)工作點(diǎn)，對(duì)振蕩器的起振，工作的穩(wěn)定性，波形質(zhì)量的好壞有著密切的關(guān)系。般小功率振蕩器的靜態(tài)工作點(diǎn)

6、應(yīng)選在遠(yuǎn)離飽和區(qū)而靠近截止區(qū)的地方。根據(jù)上述原則，一般小功率振蕩器集電極電流ICQ大約在0.52mA之間選取，以圖所示的共發(fā)組態(tài)為例，各極電壓大致可取為：對(duì)于振蕩器來說，穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的主要措施是采用高穩(wěn)定度的偏置電路。目前廣泛采用的是圖所示的混合反饋式偏置電路。對(duì)于這種電路，當(dāng)滿足I1IBQ的條件時(shí)，各偏置元件可按下列公式選?。?RB2 (26)RE （3-4-7）發(fā)射極電阻旁路電容CE可按下式計(jì)算 CE （3-4-8）其中， f 振蕩器的工作頻率，單位為Hz； 為了滿足 的關(guān)系，隔直電容CB可按下面經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算： （3-4-9）其中，RB= RB1RB2hie；f為工作頻率，單位為MH

7、z。需要指出的是，CERE之值不能太大，否則將會(huì)產(chǎn)生間歇振蕩現(xiàn)象。（4）振蕩回路參數(shù)的選擇回路計(jì)算 回路中的各種電抗元件都可歸結(jié)為總電容C和總電感L兩部分。確定這些元件參量的方法，是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先選定一種，而后按振蕩器工作頻率再計(jì)算出另一種電抗元件量。從原理來講，先選定哪種元件都一樣，但從提高回路標(biāo)準(zhǔn)性的觀點(diǎn)出發(fā)，以保證回路電容Cp遠(yuǎn)大于總的不穩(wěn)定電容Cd原則，先選定Cp為宜。并且要求L/C盡可能小一些，但是也不能太小。另考慮到這些電抗元件又起著電路分壓反饋元件的作用。因此，一般取L/C（L以H為單位，C以F為單位）為105106左右為宜。選定Cp之后，可按下式算出回路總電感 （3-4-10）式中

8、：Cp 回路總電容（包括所算到電感兩端的各種可變電容與固定電容）。 Cd 折算到回路電感兩端的所有不穩(wěn)定電容（包括晶體管結(jié)電容和分布電容）。 反饋電路計(jì)算（以三端振蕩電路為例）已知 Xcb = Xce+ Xeb kf = Xeb/ Xce （3-4-11）式中: Xcb 振蕩管集電極-基極間的耦合電抗； Xce 振蕩管集電極-發(fā)射極間耦合電抗； Xeb 振蕩管發(fā)射極-基極間耦合電抗。 對(duì)于三端式振蕩電路，反饋系數(shù)kf可在l/2l/8之間，最后通過實(shí)驗(yàn)來確定。過大，振蕩器顯然容易起振，但波形可能變差。kf過小，雖然波形較好，但往往振幅較小，穩(wěn)幅能力較弱，而且也不易起振。選定kf后，即可求出Xce

9、和Xeb。接入系數(shù)的確定 為了避免放大器的增益過大，振蕩過程，必須減弱振蕩管與回路之間的耦合。整個(gè)回路的諧振阻抗Rp與部分耦合的諧振抗之比的平方根就是該電路的接入系數(shù)pce。根據(jù)接入的定義，對(duì)于電感反饋振蕩電路來說 （3-4-13）式中: n 電感線圈的總匝數(shù)；n1 為管子集電極到發(fā)射極之間相耦合的電感線圈的匝數(shù)。對(duì)于電容反饋振蕩電路來說 （3-4-14）式中：C 回路總的電容；C1 集電極到發(fā)射極之間的回路電容。（5）關(guān)于輸出方式的考慮 為了盡可能地減小負(fù)載對(duì)振蕩電路的影響，一般除了采用射隨器作為隔離級(jí)之外，振蕩信號(hào)應(yīng)盡可能從電路的低阻抗端輸出。例如發(fā)射極接地的振蕩電路，輸出宜取自基極；如為

10、基級(jí)接地，則應(yīng)從發(fā)射極輸出。2. 振蕩器的調(diào)整與測(cè)試 按設(shè)計(jì)電路裝好之后，必須進(jìn)行精心地調(diào)試。在調(diào)試中可能碰到的問題是：不能起振、振蕩頻率不準(zhǔn)、波形質(zhì)量不好、寄生振蕩等現(xiàn)象。（1）關(guān)于起振問題振蕩電路接通電源后，有時(shí)不起振，或者要在外界信號(hào)強(qiáng)烈觸發(fā)下才能起振，在波段振蕩器中有時(shí)只在某一頻段振蕩，而在另一頻段不振蕩等等。所有這些現(xiàn)象無非是沒有滿足相位平衡條件或振幅平衡條件。如果在全波段內(nèi)根本就不振蕩，這首先要看相位平衡條件是否滿足。對(duì)三端振蕩電路要看是否滿足對(duì)應(yīng)的相位平衡判斷準(zhǔn)則。此外，還要在振幅平衡條件所包含的各因素中找原因。例如：靜態(tài)工作點(diǎn)選得太??； 電源電壓過低，使振蕩管放大倍數(shù)太??；負(fù)載

11、太重，振蕩管與回路之間耦合過緊，使回路Q值太低；回路的特性阻抗或接入系數(shù)pce太小，致使回路諧振阻抗太低；反饋系數(shù)kf太小，不易滿足振幅平衡條件。但是盲目增大反饋量，反而使Q值大大降低，這不僅使波形變壞，甚至無法滿足起振條件。故kf并非愈大愈好，而是應(yīng)適當(dāng)選取。有時(shí)在某一頻段內(nèi)高頻端起振，而低頻端不起振。這多半是在用調(diào)整回路電容來改變振蕩頻率的電路中，低端由于C增大而使L/C下降，致使諧振阻抗降低所引起。反之，有時(shí)出現(xiàn)低端振而高端不振，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)可能有以下幾種原因：選用晶體管fT 不夠高；管子的電流放大倍數(shù)太??；低端已處于起振的臨界邊緣狀態(tài)，在高頻工作時(shí)晶體管輸入電容Cbe的作用使反饋減弱

12、；或者是由于Cbe的負(fù)反饋?zhàn)饔蔑@著等。（2）關(guān)于振蕩波形 圖振蕩管工作進(jìn)入飽和區(qū)時(shí)回路電壓波形 圖二次諧波較大時(shí)的回路電壓波形正弦波振蕩器的輸出應(yīng)該是正弦波。但是電路設(shè)計(jì)或調(diào)整不當(dāng)將會(huì)出現(xiàn)波形失真，甚至出現(xiàn)平頂波、脈沖波等嚴(yán)重失真的正弦波，或者在正弦波上迭加有其它波形。產(chǎn)生波形嚴(yán)重失真的現(xiàn)象，可能是以下幾種原因所引起，：靜態(tài)工作點(diǎn)選的太高，振蕩管進(jìn)入飽和區(qū)，這時(shí)回路電壓的波形如圖所示；若集電極或基極與振蕩回路耦合過緊，則回路濾波不好，二次諧波幅度較大會(huì)出現(xiàn)如圖所示的波形；反饋系數(shù)kf太大，回路Q值不高，負(fù)載太重，回路嚴(yán)重失諧等都會(huì)出現(xiàn)波形失真。般說來，如果發(fā)現(xiàn)波形不好，首先應(yīng)檢查靜態(tài)點(diǎn)是否偏高

13、，其次考慮是否適當(dāng)減小反饋量，設(shè)法提高Q值等。3. 其它非正常振蕩現(xiàn)象寄生振蕩，如圖所示，在某一工作頻率的振蕩波形上，迭加著一些不規(guī)則波形，有時(shí)波形尚好，但用頻譜儀檢查發(fā)現(xiàn)有另外的頻率成分存在，即寄生振蕩，為了防止和消除寄生振蕩，首先在安裝時(shí)必須考慮合理的工藝結(jié)構(gòu)，盡量減少寄生參量，保持參量的穩(wěn)定；其次應(yīng)采用退耦電路，在較大電容處并上一個(gè)較小的電容；有時(shí)在振蕩管的基極或發(fā)射極串入個(gè)小電阻或在發(fā)射結(jié)之間接一個(gè)小電容就可能消除超高頻寄生振蕩。間歇振蕩，如圖所示，有時(shí)振蕩器某些元件數(shù)值選用不當(dāng)（例如CERE選的過大），或者振蕩回路Q值太低，往往出現(xiàn)時(shí)振時(shí)停的所謂“間歇振蕩”，同時(shí)一般表現(xiàn)為集電極電流

14、減小，回路電壓較高，而頻率計(jì)測(cè)不出確定的振蕩頻率，只能用示波器觀察。為了避免產(chǎn)生間歇振蕩，RC的時(shí)間常數(shù)應(yīng)小于振蕩回路的時(shí)間常數(shù)2L/C，一般可取RC2L/5C。圖間歇振蕩波形 頻率占據(jù)，在振蕩電路中如果有外加電動(dòng)勢(shì)作用于輸入回路，而且外電動(dòng)勢(shì)的頻率又十分接近振蕩器的頻率，這時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)振蕩頻率受控現(xiàn)象，即振蕩頻率不再由回路參數(shù)所決定，而是按外電動(dòng)勢(shì)的頻率工作，這種現(xiàn)象稱為“頻率占據(jù)”，提高振蕩回路的Q值，增大振蕩回路的慣性，就不易受外來信號(hào)的影響。圖串聯(lián)型晶體振蕩器4. 晶體振蕩器的設(shè)計(jì)晶體振蕩器在頻率較高的情況下工作于非線性狀態(tài)。因此，對(duì)于LC振蕩器的設(shè)計(jì)方法，原則上也適用于晶體振蕩器。但

15、是，作為晶體振蕩器來說，也有它一定的特殊性，以圖電路為例討論其偏置電路、反饋網(wǎng)絡(luò)、振蕩回路、旁路元件設(shè)計(jì)計(jì)算問題。圖所示電路是一個(gè)串聯(lián)型晶振電路。由石英晶體來穩(wěn)頻，輸出頻率基本固定但可通過L1來微調(diào)。（1）石英諧振器的選用 石英諧振器最基本的技術(shù)要求是要符合需要的標(biāo)稱頻率，即要滿足電路要求。石英諧振器的頻率范圍一般在3200,000千赫之間；其次，還要考慮工作溫度是否適合環(huán)境溫度條件；頻率偏差是否符合振蕩器頻率精度指標(biāo)要求；環(huán)境條件（振動(dòng)、潮溫等）是否能夠適應(yīng)等。（2）振蕩管的選用和LC振蕩器一樣，也要求振蕩管的截止頻率f盡可能高些。由于晶體管f f，因此一般采用共基極組態(tài)電路。振蕩管的hfe

16、一般總可以滿足要求。當(dāng)然，hfe高，可以加大C1、C2的數(shù)值，對(duì)于提高頻穩(wěn)度有利。但是hfe值過高，反而會(huì)使放大環(huán)路不穩(wěn)定。（3）偏置電路元件確定 偏置電路元件RB1、RB2的選用原則： 無信號(hào)時(shí)晶體管有給定的電流（即工作點(diǎn)）。反饋量適當(dāng)時(shí)，能保證PL =0.3Po。則認(rèn)為偏置的設(shè)計(jì)是合理的。 （4）反饋系數(shù)的確定經(jīng)驗(yàn)證明，振蕩器的偏置和反饋系數(shù)適當(dāng)時(shí)，在集電極上的輸出電壓大約為電源電壓的90。反饋系數(shù)kf = 。實(shí)驗(yàn)證明，kf在1/7 1/4的范圍內(nèi)選取穩(wěn)定性最好。（5）振蕩頻率 該電路的振蕩頻率是由L1、C1、C2和石英晶體諧振器的等效電感來決定的。此外還必須注意，晶體管的輸出電容Co是與

17、C1相并聯(lián)，在頻率較高的電路中該輸出電容必須考慮。（6）諧振電路元件確定 在沒有提出特別要求的情況下，短波和超短波段諧振電路的電容以每（波長(zhǎng)）2pF來選擇為宜。在工作頻率低于1MHz的中波波段可取每米為1020pF。例如：若f =30MHz，則波長(zhǎng)為10m，這時(shí)回路電容可選為20pF。 當(dāng)電容量確定后，可由式f = 求出L的值。 另一種估計(jì)法是在工作頻率上，在80至100之間選用一個(gè)L的感抗值。此法在工作頻率低于1MHz以下時(shí)特別有用。（7）旁路電容，耦合電容和射頻扼流圈 旁路電容C4、C5的值應(yīng)當(dāng)能夠使其在工作頻率上電抗值為5或更低。耦合電容C6的數(shù)值應(yīng)近似等于晶體管輸出電容與C1并聯(lián)后的數(shù)

18、值，如果C6為可變電容則應(yīng)讓C6的中間值近似等于該值。C3用于隔離加在晶體振子上的直流電壓。其取值一般為30p、51p、100p。 射頻扼流圈L2、L3在工作頻率上其阻抗值應(yīng)該在1000至3000范圍內(nèi)。扼流圈的最小電流容量應(yīng)大于預(yù)期的最大直流電流值（至少應(yīng)當(dāng)大10）。（8）輸出電路將振蕩信號(hào)輸送到下一級(jí)的方法，可以用電感線圈抽頭的方法從L1取出（當(dāng)負(fù)載為低阻抗時(shí)）；也可以采用耦合電容的方法從集電極取出（當(dāng)負(fù)載為高阻抗時(shí)），通常，以后者最方便。一般耦合電容C5是可變的，這樣當(dāng)負(fù)載變化時(shí)調(diào)整C5仍可保持良好的輸出。（9）振蕩器的頻率穩(wěn)定度 緩沖器 當(dāng)負(fù)載變化或需要大功率時(shí)，振蕩器必須配置緩沖放大

19、器（buffer amplifier，簡(jiǎn)稱緩沖器），使負(fù)載不影響振蕩器。圖是通過射隨器從基極調(diào)諧振蕩器中取出的一種簡(jiǎn)單方法。由于射隨器可以在幾乎不降低回路Q值的情況下就能耦合。而且回路的輸出是正弦波，振幅大，所以易取出大正弦波電壓作為輸出。而且最好使作為緩沖器的射隨器如圖所示直接耦合，并且用負(fù)電源接射極。圖電壓緩沖器阻尼衰減器若要使振蕩器取出的輸出電平可變，顯然應(yīng)該使用分壓電路（可變電阻）。由于這直接關(guān)系到負(fù)載變化，所以應(yīng)盡量采用如圖所示的電路，通過調(diào)整電平而不改變輸入輸出阻尼的阻尼衰減器（attenuator）來進(jìn)行。（a）理想的輸出振幅控制 （b）一般的輸出振幅控制圖輸出振幅控制若將負(fù)載直

20、接連接在振蕩器上，那么當(dāng)經(jīng)由濾波器連接負(fù)載及負(fù)載中包含有源電路時(shí)，往往會(huì)誘發(fā)異常振蕩及寄生振蕩。即使設(shè)置了緩沖器，也會(huì)打亂緩沖器的工作狀態(tài)，阻礙振蕩器的穩(wěn)定工作。因此必須經(jīng)過阻尼衰減器。另外，如果采用具有某些衰減量的阻尼衰減器，那么從負(fù)載一側(cè)看振蕩器時(shí)，可以認(rèn)為振蕩器的內(nèi)部阻抗是不變的。 當(dāng)把多臺(tái)振蕩器的輸出混合提供給負(fù)載時(shí)，必須經(jīng)過阻尼衰減器。將用于防止相互干涉或充當(dāng)負(fù)載緩沖器的固定阻尼衰減器稱為緩沖器（pad）。 三、實(shí)驗(yàn)儀器雙蹤示波器 1臺(tái)直流穩(wěn)壓電源 1臺(tái)高頻毫伏表 1臺(tái)數(shù)字式頻率計(jì) 1臺(tái)萬用表 1塊四、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)指標(biāo)（a）晶體振蕩器 （b）射隨器圖晶體振蕩器實(shí)驗(yàn)電路圖1. 如圖（a）所

21、示，給定晶振的f0= 3.2768MHz；晶體管為高頻小功率管9018，其參數(shù)詳見晶體管參數(shù)表，取晶體管的 =150，VCC=12V。試設(shè)計(jì)一晶體振蕩器。2. 設(shè)計(jì)一射隨器做為緩沖級(jí)，電路如圖（b）所示，接在振蕩器與頻率計(jì)數(shù)器之間，用來隔絕負(fù)載對(duì)振蕩器的影響。設(shè)計(jì)指標(biāo)：晶體管為9014，VCC=12V，要求Vomax17Vrms，VBQ = 36V。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 電路調(diào)整（1）對(duì)照電路圖在面包板連接電路，注意在排列元件時(shí)，要整齊有序，導(dǎo)線盡可能短，各接地點(diǎn)盡可能靠近，連接的導(dǎo)線不要來回拉，避免產(chǎn)生寄生振蕩。（2）接上直流電源，在振蕩器的輸出端接射隨器,觀察vo、vo2是否出現(xiàn)不失真的正弦波，若未調(diào)出來則需檢查電路，調(diào)整元件。 *注：先調(diào)振蕩器使vo為正弦波，若vo2不是正弦波可改變前級(jí)的工作點(diǎn)或C6的值。 （3）