正弦波振蕩器的設計與測試

1、一、實驗目的1. 通過實驗進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計方法和步驟。 3. 學會使用電子計數(shù)式頻率計測量頻率的方法。二、實驗原理1. LC振蕩器設計方法與步驟 LC正弦波振蕩器在其振蕩建立并達到平衡之后，晶體管工作在非線性狀態(tài)，工作頻率較高，晶體管參數(shù)也不再為一實數(shù)。振蕩的物理過程變得十分復雜，因此企圖用嚴密的理論分析進行設計計算是不現(xiàn)實的。通常行之有效的方法是：根據(jù)振蕩器的工作原理和設計原則，合理的選擇電路形式和器件，然后進行近似的估算，最后進行實驗調整，使其達到所要求的技術指標。（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。在小功率通訊機中所使用的可變頻率振蕩器，一般都要求波段范圍內頻率連續(xù)可調，故可選用互感耦合三點式振蕩電路?；ジ辛康恼{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，由于結構復雜，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。對于可變頻率振蕩器，其頻率穩(wěn)定度要求提高時，幾乎都采用克拉潑電路或西勒電路，它的頻穩(wěn)度達到104105。若采用高質量回路元件，再加上一些措施，頻穩(wěn)度還可進一

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)射機的主振器）時，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，一般晶體管均可滿足功率的要求。選管時主要考慮是在滿足工作頻率和起振條件前提下，應盡可能提高振蕩器的頻穩(wěn)度，因此振蕩管應滿足以下幾點要求： 特征頻率fT或最高頻率fmax要足夠高。實踐證明，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）有時手冊并不直接給出fmax這個參數(shù)，而是給出特征頻率fT或f，基極電阻rbb及集電結的結電容Cbc等，這時，可以根據(jù) （3-4-2）和 fT = (0.7 0.8) f （3-4-3）的關系，計算出fmax，也可直接用 fT (210) fH （3-4-4）的關系選用振蕩管。 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，選管時要按下式對集電極最大耗散功率進行校核。 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。要求頻穩(wěn)度高， c般取0.2，k一般在0.20.8之間選??；要求頻穩(wěn)度高，可取的小一些（即與負載耦合松一些），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，當振蕩器輸出功率較大時，應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，對振蕩器的起振，工作的穩(wěn)定性，波形質量的好壞有著密切的關系。般小功率振蕩器的靜態(tài)工作點

6、應選在遠離飽和區(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：對于振蕩器來說，穩(wěn)定靜態(tài)工作點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。對于這種電路，當滿足I1IBQ的條件時，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 的關系，隔直電容CB可按下面經(jīng)驗公式進行計算： （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，否則將會產(chǎn)生間歇振蕩現(xiàn)象。（4）振蕩回路參數(shù)的選擇回路計算 回路中的各種電抗元件都可歸結為總電容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)驗先選定一種，而后按振蕩器工作頻率再計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，但從提高回路標準性的觀點出發(fā)，以保證回路電容Cp遠大于總的不穩(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（包括晶體管結電容和分布電容）。 反饋電路計算（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，最后通過實驗來確定。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）關于輸出方式的考慮 為了盡可能地減小負載對振蕩電路的影響，一般除了采用射隨器作為隔離級之外，振蕩信號應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、基級接地，則應從發(fā)射極輸出。2. 振蕩器的調整與測試 按設計電路裝好之后，必須進行精心地調試。在調試中可能碰到的問題是：不能起振、振蕩頻率不準、波形質量不好、寄生振蕩等現(xiàn)象。（1）關于起振問題振蕩電路接通電源后，有時不起振，或者要在外界信號強烈觸發(fā)下才能起振，在波段振蕩器中有時只在某一頻段振蕩，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。如果在全波段內根本就不振蕩，這首先要看相位平衡條件是否滿足。對三端振蕩電路要看是否滿足對應的相位平衡判斷準則。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)工作點選得太?。?電源電壓過低，使振蕩管放大倍數(shù)太?。回撦d

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，而是應適當選取。有時在某一頻段內高頻端起振，而低頻端不起振。這多半是在用調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?。坏投艘烟幱谄鹫竦呐R界邊緣狀態(tài)，在高頻工作時晶體管輸入電容Cbe的作用使反饋減弱

12、；或者是由于Cbe的負反饋作用顯著等。（2）關于振蕩波形 圖振蕩管工作進入飽和區(qū)時回路電壓波形 圖二次諧波較大時的回路電壓波形正弦波振蕩器的輸出應該是正弦波。但是電路設計或調整不當將會出現(xiàn)波形失真，甚至出現(xiàn)平頂波、脈沖波等嚴重失真的正弦波，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)工作點選的太高，振蕩管進入飽和區(qū)，這時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，負載太重，回路嚴重失諧等都會出現(xiàn)波形失真。般說來，如果發(fā)現(xiàn)波形不好，首先應檢查靜態(tài)點是否偏高

13、，其次考慮是否適當減小反饋量，設法提高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，首先在安裝時必須考慮合理的工藝結構，盡量減少寄生參量，保持參量的穩(wěn)定；其次應采用退耦電路，在較大電容處并上一個較小的電容；有時在振蕩管的基極或發(fā)射極串入個小電阻或在發(fā)射結之間接一個小電容就可能消除超高頻寄生振蕩。間歇振蕩，如圖所示，有時振蕩器某些元件數(shù)值選用不當（例如CERE選的過大），或者振蕩回路Q值太低，往往出現(xiàn)時振時停的所謂“間歇振蕩”，同時一般表現(xiàn)為集電極電流

14、減小，回路電壓較高，而頻率計測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的時間常數(shù)應小于振蕩回路的時間常數(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勢作用于輸入回路，而且外電動勢的頻率又十分接近振蕩器的頻率，這時可能會出現(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，而是按外電動勢的頻率工作，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，就不易受外來信號的影響。圖串聯(lián)型晶體振蕩器4. 晶體振蕩器的設計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，對于LC振蕩器的設計方法，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、振蕩回路、旁路元件設計計算問題。圖所示電路是一個串聯(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。（1）石英諧振器的選用 石英諧振器最基本的技術要求是要符合需要的標稱頻率，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要求；環(huán)境條件（振動、潮溫等）是否能夠適應等。（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。當然，hfe高，可以加大C1、C2的數(shù)值，對于提高頻穩(wěn)度有利。但是hfe值過高，反而會使放大環(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： 無信號時晶體管有給定的電流（即工作點）。反饋量適當時，能保證PL =0.3Po。則認為偏置的設計是合理的。 （4）反饋系數(shù)的確定經(jīng)驗證明，振蕩器的偏置和反饋系數(shù)適當時，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 = 。實驗證明，kf在1/7 1/4的范圍內選取穩(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）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，則波長為10m，這時回路電容可選為20pF。 當電容量確定后，可由式f = 求出L的值。 另一種估計法是在工作頻率上，在80至100之間選用一個L的感抗值。此法在工作頻率低于1MHz以下時特別有用。（7）旁路電容，耦合電容和射頻扼流圈 旁路電容C4、C5的值應當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該在1000至3000范圍內。扼流圈的最小電流容量應大于預期的最大直流電流值（至少應當大10）。（8）輸出電路將振蕩信號輸送到下一級的方法，可以用電感線圈抽頭的方法從L1取出（當負載為低阻抗時）；也可以采用耦合電容的方法從集電極取出（當負載為高阻抗時），通常，以后者最方便。一般耦合電容C5是可變的，這樣當負載變化時調整C5仍可保持良好的輸出。（9）振蕩器的頻率穩(wěn)定度 緩沖器 當負載變化或需要大功率時，振蕩器必須配置緩沖放大

19、器（buffer amplifier，簡稱緩沖器），使負載不影響振蕩器。圖是通過射隨器從基極調諧振蕩器中取出的一種簡單方法。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，顯然應該使用分壓電路（可變電阻）。由于這直接關系到負載變化，所以應盡量采用如圖所示的電路，通過調整電平而不改變輸入輸出阻尼的阻尼衰減器（attenuator）來進行。（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載直

20、接連接在振蕩器上，那么當經(jīng)由濾波器連接負載及負載中包含有源電路時，往往會誘發(fā)異常振蕩及寄生振蕩。即使設置了緩沖器，也會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，那么從負載一側看振蕩器時，可以認為振蕩器的內部阻抗是不變的。 當把多臺振蕩器的輸出混合提供給負載時，必須經(jīng)過阻尼衰減器。將用于防止相互干涉或充當負載緩沖器的固定阻尼衰減器稱為緩沖器（pad）。 三、實驗儀器雙蹤示波器 1臺直流穩(wěn)壓電源 1臺高頻毫伏表 1臺數(shù)字式頻率計 1臺萬用表 1塊四、實驗設計指標（a）晶體振蕩器 （b）射隨器圖晶體振蕩器實驗電路圖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。試設計一晶體振蕩器。2. 設計一射隨器做為緩沖級，電路如圖（b）所示，接在振蕩器與頻率計數(shù)器之間，用來隔絕負載對振蕩器的影響。設計指標：晶體管為9014，VCC=12V，要求Vomax17Vrms，VBQ = 36V。五、實驗內容1. 電路調整（1）對照電路圖在面包板連接電路，注意在排列元件時，要整齊有序，導線盡可能短，各接地點盡可能靠近，連接的導線不要來回拉，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，若未調出來則需檢查電路，調整元件。 *注：先調振蕩器使vo為正弦波，若vo2不是正弦波可改變前級的工作點或C6的值。 （3）