實(shí)驗(yàn)一 電容反饋三點(diǎn)式振蕩器的實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)一電容反饋三點(diǎn)式振蕩器的實(shí)驗(yàn)研究一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．通過(guò)實(shí)驗(yàn)深入理解電容反饋三點(diǎn)式振蕩器的工作原理，熟悉改進(jìn)型電容反饋三點(diǎn)式振蕩器的構(gòu)成及電路各元件作用；2．研究在不同的靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí)，對(duì)振蕩器起振、振蕩幅度和振蕩波形的影響；3．學(xué)習(xí)使用示波器和數(shù)字式頻率計(jì)測(cè)量高頻振蕩器振蕩頻率的方法；4．觀察電源電壓和負(fù)載變化對(duì)振蕩幅度、頻率及頻率穩(wěn)定性的影響。二、實(shí)驗(yàn)原理電容反饋三點(diǎn)式振蕩器的基本原理電路(考比茲振蕩器)如圖2-1(a)所示。由圖可知，反饋電壓由C1和C2分壓得到，反饋系數(shù)為(2-1)起振的幅度條件為(忽略三極管ge)(2-2)其中，gm為晶體管跨導(dǎo)，gp為振蕩回路的等效諧振電導(dǎo)。圖2-1(a)所示等效電路中的回路總電容為(2-3)振蕩頻率近似為(2-4)當(dāng)外界條件(如溫度等)發(fā)生變化時(shí)，振蕩回路元件及晶體管結(jié)電容要發(fā)生變化，從而使得振蕩頻率發(fā)生漂移。因此，為了改善普通電容反饋三點(diǎn)式振蕩器的頻穩(wěn)度，可在振蕩回路中引入串接電容C3，如圖2-1(b)所示，當(dāng)滿足C3<<C1、C2時(shí)，C3明顯減弱了晶體管與振蕩回路的耦合程度。為了得到較寬的波段覆蓋效果，引入并聯(lián)電容C4(它和C3為同一個(gè)數(shù)量級(jí))，回路總電容近似為C≈C3+C4。這種改進(jìn)型電容反饋振蕩器稱為西勒電路，其振蕩頻率為(2-5)當(dāng)改變C4調(diào)節(jié)fg時(shí)，振蕩器的反饋系數(shù)不會(huì)受顯著影響。圖2-2改進(jìn)型電容反饋振蕩器實(shí)驗(yàn)電路圖2-2改進(jìn)型電容反饋振蕩器實(shí)驗(yàn)電路①②③④⑤VT1VT2圖2-1電容反饋三點(diǎn)式振蕩器的交流等效電路圖C1C2LC1C2LC4C3(a)(b)本實(shí)驗(yàn)電路采用西勒振蕩器，如圖2-2所示。由圖可知，電容C1、C2、C3、C4和電感L1組成振蕩回路。晶體管VT1的集電極直流負(fù)載為RC，偏置電路由R1、R2、W1和Re構(gòu)成，改變電位器W1可改變VT1的靜態(tài)工作點(diǎn)。靜態(tài)電流的選擇既要保證振蕩處于截止平衡狀態(tài)，也要兼顧開(kāi)始建立振蕩時(shí)有足夠大的電壓增益。晶體管VT2與R3、R4組成一級(jí)起隔離作用的射隨器。另外，為了用頻率計(jì)(輸入阻抗為50Ω)測(cè)量振蕩器工作頻率時(shí)不影響電路的正常工作，接入了電阻R7(1kΩ)。圖中振蕩器的交流負(fù)載實(shí)驗(yàn)電阻為R5、R6。四、實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備1．直流穩(wěn)壓電源SS3323型1臺(tái)2．?dāng)?shù)字示波器DSO-X2012A型1臺(tái)3．高頻信號(hào)發(fā)生器TFG6080型1臺(tái)4．?dāng)?shù)字式頻率計(jì)F1000型1臺(tái)5．?dāng)?shù)字萬(wàn)用表DT9202A型1臺(tái)6．實(shí)驗(yàn)電路板1塊五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1．晶體管靜態(tài)工作點(diǎn)不同時(shí)對(duì)振蕩器輸出幅度和波形的影響(1)接通+12V電源，調(diào)節(jié)電位器W1使振蕩器振蕩，此時(shí)用示波器在④點(diǎn)剛好觀察到不失真的正弦電壓波形(負(fù)載電阻R5或R6暫不接入)。探頭f（MHz）UO（mV）8.0638257.992400t～UO曲線（x10）：t～UO曲線（x1）：(2)調(diào)節(jié)W1使振蕩管靜態(tài)工作點(diǎn)電流IeQ在0.5～4mA之間變化(用萬(wàn)用表測(cè)量射極電阻Re兩端電壓，計(jì)算出相應(yīng)電流近似為IeQ大小，至少取5個(gè)點(diǎn))，用示波器測(cè)量并記錄下④點(diǎn)的幅度與波形變化情況，繪制出IeQ～u0曲線圖。分析靜態(tài)工作點(diǎn)過(guò)大和過(guò)小為什么都不振蕩。IeQ（mA）u0（mV）10.54447.5020.891378.1231.031675.0042.043712.5052.904700.0063.404912.50m～UΩm曲線：結(jié)果分析：振蕩器要振蕩的條件是滿足相位條件和幅度條件的。而在幅度條件的具體表示是，同時(shí)，當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)較低的時(shí)候，使得較小，從而使得較小，而同時(shí)不變，則就使得從而不能滿足起振的條件，因此不能振蕩。并且LC正弦波振蕩電路設(shè)置直流靜態(tài)工作點(diǎn)的目的是為了使放大器在起振時(shí)工作在放大區(qū)(甲類狀態(tài))。如果直流工作點(diǎn)過(guò)低,很容易進(jìn)入截止區(qū),造成不起振。靜態(tài)電流取得太大，振蕩管工作范圍容易進(jìn)入飽和區(qū)，輸出阻抗降低。并且IeQ較大的時(shí)候三極管的放大倍數(shù)會(huì)減小，使得輸出幅度變小。根據(jù)起振條件AB>1，當(dāng)電流過(guò)大的時(shí)候會(huì)使得A下降并且B不變，這就使得當(dāng)靜態(tài)電流大的一定的時(shí)候，AB1使得振蕩器就停止振蕩了。2．外界條件發(fā)生變化時(shí)對(duì)振蕩頻率的影響及正確測(cè)量振蕩頻率(1)選擇一合適的IeQ(1～2mA)，使振蕩器正常工作，在④點(diǎn)上測(cè)量，從示波器上讀出頻率和幅度，再測(cè)量③點(diǎn)和⑤點(diǎn)，分別讀出振蕩器的振蕩幅度和頻率，分析上述幾點(diǎn)的頻率和幅度為何不同。（問(wèn)題：在⑤點(diǎn)和③點(diǎn)用頻率計(jì)(或示波器)所測(cè)得頻率不同是什么原因？哪一點(diǎn)測(cè)得的結(jié)果更準(zhǔn)確？）IeQ（mA）f（MHz）UO（mV）③點(diǎn)④點(diǎn)⑤點(diǎn)③點(diǎn)④點(diǎn)⑤點(diǎn)1.27.948.108.1058022001185結(jié)果分析：頻率相同的分析：④點(diǎn)和⑤點(diǎn)之間只有一個(gè)電阻，不會(huì)影響頻率，因而使得④點(diǎn)和⑤點(diǎn)的頻率相同。頻率不同的分析：對(duì)③點(diǎn)的頻率要比在④和⑤點(diǎn)的頻率要低。是因?yàn)槭且驗(yàn)槭静ㄆ鞯奶筋^接入后會(huì)產(chǎn)生分布電容，由于探頭接入的部分不同，那么分布電容的產(chǎn)生的影響也會(huì)不同。在③點(diǎn)接入探頭的時(shí)候，使得LC選頻網(wǎng)絡(luò)的電容值C變大，根據(jù)諧振頻率的公式，現(xiàn)在C變大，所以將變小。而在④點(diǎn)和⑤點(diǎn)測(cè)量時(shí)，因?yàn)橐粋€(gè)起隔離作用的射隨器使得在④點(diǎn)和⑤點(diǎn)接入示波器探頭的時(shí)候?qū)τ谇懊娴腖C選頻網(wǎng)絡(luò)基本不起作用，所以不會(huì)影響諧振頻率。因此對(duì)于測(cè)得的頻率，④點(diǎn)和⑤點(diǎn)處測(cè)得的頻率較準(zhǔn)確。幅度不同的分析：雖然③點(diǎn)之后接入的是一個(gè)起隔離作用的射隨器，但是因?yàn)樘筋^接入③點(diǎn)會(huì)使的示波器探頭會(huì)分壓，從而使得在③點(diǎn)測(cè)得的幅度要比④點(diǎn)和⑤電測(cè)得的幅度都要小。而對(duì)于④點(diǎn)和⑤點(diǎn)，雖然頻率相同，但是在幅度上是不同的。是因?yàn)樵冖茳c(diǎn)和⑤點(diǎn)之間有一個(gè)電阻，而電阻是要消耗功率的，雖然振蕩產(chǎn)生的電流較小，但是經(jīng)過(guò)射隨器的作用使得在射隨器的輸出的時(shí)候電流變大而使得在電阻上消耗的功率變大，所以使得⑤點(diǎn)的幅度比④點(diǎn)的幅度要小。(2)用數(shù)字式頻率計(jì)(以kHz為單位，測(cè)到小數(shù)點(diǎn)后面第二位有效數(shù)字)重測(cè)，試比較在③點(diǎn)測(cè)量和在⑤點(diǎn)測(cè)量有何不同？為什么？用數(shù)字式頻率計(jì)測(cè)量⑤點(diǎn)，可每10秒鐘左右記錄一次頻率值，至少記錄5次，計(jì)算出振蕩器頻穩(wěn)度的數(shù)量級(jí)。③點(diǎn)f（MHz）⑤點(diǎn)f（MHz）7.85291123458.086358.086368.086388.086348.08640結(jié)果分析：在③點(diǎn)測(cè)得的頻率要不比⑤點(diǎn)測(cè)得的頻率要低。是因?yàn)槭静ㄆ鞯奶筋^接入后會(huì)產(chǎn)生分布電容，由于探頭接入的部分不同，那么分布電容的產(chǎn)生的影響也會(huì)不同。在③點(diǎn)接入探頭的時(shí)候，使得LC選頻網(wǎng)絡(luò)的電容值C變大，根據(jù)諧振頻率的公式,現(xiàn)在C變大，所以將變小。而在⑤點(diǎn)測(cè)量時(shí)因?yàn)橐粋€(gè)起隔離作用的射隨器使得在⑤點(diǎn)接入示波器探頭的時(shí)候?qū)τ谇懊娴腖C選頻網(wǎng)絡(luò)基本不起作用，所以不會(huì)影響諧振頻率。振蕩器頻穩(wěn)度的數(shù)量級(jí)：10(3)將不同負(fù)載電阻(R5和R6)分別接入電路，調(diào)節(jié)W1，用示波器在④點(diǎn)觀察，看能否起振，記錄輸出振幅和波形的變化，若不起振，分析是什么原因。IeQ（mA）④點(diǎn)f（MHz）④點(diǎn)UO（mV）不接負(fù)載R5R6不接負(fù)載R5R61.28.108.100195013560結(jié)果分析：不起振的原因分析：根據(jù)起振的幅度條件。當(dāng)接入負(fù)載后會(huì)影響品質(zhì)因數(shù)。，當(dāng)變小的時(shí)候會(huì)使得變小，，當(dāng)變小的時(shí)候會(huì)使得變大，從而使得變大。當(dāng)變小的一定程度的時(shí)候就使得振蕩器不滿足振蕩條件從而不起振。不接負(fù)載的時(shí)候的波形：接入R5的時(shí)候的波形：(4)將負(fù)載斷開(kāi)，改變電源電壓VCC分別為+6V、+8V、+10V、+12V、+14V、+16V、+18V，保持振蕩器一合適的靜態(tài)工作點(diǎn)不變，用示波器測(cè)量④點(diǎn)，并記錄振蕩器輸出振幅、波形和頻率的變化。IeQ（mA）f（MHz）UO（mV）是否失真1.2+6V8.131770否+8V8.061850否+10V8.061950否+12V8.101950否+14V8.061950否+16V8.062000否+18V8.102005否+6V時(shí)的波形：+8V時(shí)的波形：+10V時(shí)的波形：+12V時(shí)的波形：+14V時(shí)的波形：+16V時(shí)的波形：+18V時(shí)的波形：結(jié)果分析：振蕩器能正常的起振，根據(jù)公式，都沒(méi)有發(fā)生變化，所以諧振的頻率是不變的。六、實(shí)驗(yàn)思考1．畫出實(shí)驗(yàn)電路的交流等效電路，當(dāng)取C1=180pF，C2=330pF，L1=10μH時(shí)(圖2-2中已給出C3，C4為10pF電容)，計(jì)算振蕩頻率fg、反饋系數(shù)B各等于何值？實(shí)驗(yàn)電路的交流等效電路：2．若接通電源后發(fā)現(xiàn)振蕩器并未起振，試估計(jì)可能是哪些原因造成的？如何解決？①靜態(tài)工作點(diǎn)過(guò)低或者過(guò)高，使三極管太接近截止區(qū)或者是飽和區(qū)，從而使得振蕩器不滿足起振的條件。解決辦法就是調(diào)整電位器W1，從而來(lái)調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)。②將K2接通了，使得接入了R6的負(fù)載，使得品質(zhì)因數(shù)下降使得，振蕩器不滿足震蕩的初始條件，從而不起振。解決辦法將K2斷開(kāi)，使得振蕩器空載。3．若③點(diǎn)波形正常但幅度太大，問(wèn)④點(diǎn)波形會(huì)不會(huì)出現(xiàn)失真？為什么？④點(diǎn)波形會(huì)出現(xiàn)失真，改點(diǎn)的失真不是因?yàn)檎袷幤鳟a(chǎn)生的失真，而是因?yàn)楹竺娴钠鸶綦x作用的射隨器，當(dāng)③點(diǎn)的波形幅度太大會(huì)使后一級(jí)的射隨