实验二正弦波振荡电路的研究

11 实验二 正弦波振荡电路的研究 实验二 正弦波振荡电路的研究 一、实验目的一、实验目的 1、 掌握 LC 三端型振荡器的基本原理； 2、 掌握正弦波振荡器电路的起振条件，振荡电路设计及电路参数计算； 3、 通过实验掌握晶体管静态工作点、反馈系数大小对起振和振荡幅度的影响； 4、 掌握石英晶体振荡器的工作原理，设计方法； 5、 了解变容二极管的基本原理与压控振荡器的设计方法。 二、实验仪器二、实验仪器 1、示波器 一台 2、万用表 一块 3、调试工具 一套 4、扫频仪 三、实验原理和相关知识三、实验原理和相关知识 正弦波振荡电路是高频电路中最常用的单元电路之一。 振荡电路的特点是： 不需要输入 信号控制，电路自身可以把直流能量转换为某一特定频率和特定幅度的交流能量输出。 能够实现振荡的电路可以分为反馈型和负阻型两种。 其中反馈型振荡器是具有正反馈条 件的放大器，是工程上常用的起振电路。 1、反馈型振荡器的起振条件：、反馈型振荡器的起振条件： 反馈型振荡器要产生稳定频率和振幅的波形，必须满足以下两个条件： （1） 相位条件） 相位条件 （2） 振幅条件） 振幅条件 即： FA && V 1 ±=+ ), 1, 1(2 1 V L && nn FA FA (2-1) 其中， V A & 为振荡电路工作点处的电压放大倍数，F为振荡电路的反馈系数。振荡器的 等幅振荡条件是，振幅在平衡状态时，闭环增益等于 1；环路总相移为零或者2的整数倍。 在众多满足振幅和相位条件的振荡电路中，以 LC 三端型正弦波振荡应用最广泛，通常 又将其分为电容三端型振荡电路和电感三端型振荡电路。 2、衡量振荡器性能的主要技术指标有：、衡量振荡器性能的主要技术指标有： （1）中心频率：）中心频率：即振荡器输出信号的频率 0 f。对于一个简单的 LC 振荡器，理论上其 工作频率：LCf2/1 0 。 （2）频率稳定度：）频率稳定度：在一定时间内，振荡器的实际工作频率与标称频率之间的偏差，称 为振荡频率的稳定度。可用 0 / ff表示。 （3）绝对准确度：）绝对准确度： 0 fff= (2-2) （4）相对准确度：）相对准确度： 0 0 0 f ff f f = (2-3) 12 3、三端型振荡器起振条件的判断准则、三端型振荡器起振条件的判断准则 如图 2-1 所示，是一个典型的三端型电路的等效交流通路，为了满足相位平衡条件， 该三端型振荡器的起振条件必须满足以下条件： 0XXX chcehe =+ (2-4) 图 2-1 三端式振荡器的原理电路 显然，为了满足相位条件，xbe、xce电抗性质相同，xcb与 xbe、xce电抗性质相反。违 背这个起振条件的电路都不能起振。 常用的三端型振荡器有电容三端型振荡器，电感三端型振荡器。 L C2C1 V C L2L1 V X2X1 X3 X3 X1X2 电容三端型振荡器 电感三端型振荡器 图 2-2 两种基本的三端式振荡器 4、三端型 LC 振荡器 （ 4、三端型 LC 振荡器 （1）电感三端型振荡器哈特莱振荡器）电感三端型振荡器哈特莱振荡器(Hartley) 如图 2-3 所示，哈特莱振荡器中晶体管的三个电极分别与回路电感、电容的三个端点 相连，2-3b 是其等效交流通路。 v1 Rb1 Rb2 Cb VCC CL L1 L2 Ce Re v1 C N1 N2 L1 L2 + + + vi vf (a) (b) 图 2-3 电感三端型振荡电路 哈特莱电感三端型振荡器的工作特点： L1、L2之间有互感，反馈较强，容易起振；只要调整电容 C 的大小即可改变振荡频率， 调节方便。而且 C 的改变基本上不影响电路的反馈系数。但是电感反馈三端电路的振荡频 率不能做得太高，振荡波形不好。 （2）电容三端型振荡器考毕兹振荡器）电容三端型振荡器考毕兹振荡器(Coplitts)； Xbe + b Xce Xcb vi vf + vo c e 13 考毕兹振荡器中，晶体管的三个电极分别与回路电容的三个端点相连接，如图 2-4a 所 示。2-4b 是其等效交流通路。 v1 Cb Re Ce VCC L Rs Cc C1 C2 v1 C1 C2 + + + L vi vf (a) (b) 图 2-4 电容三端式振荡电路 考毕兹振荡器的特点：电容调节相对容易，工作频率较高，荡波形好，频率稳定度较高； 但是调C1或C2来改变振荡频率时，反馈系数将改变。 （3）改进型电容三端型振荡器克拉波和西勒电路 （3）改进型电容三端型振荡器克拉波和西勒电路 电容三端型振荡器振荡频率高，波形好，应用比较广泛，但实际工作中，为了达到更高 的频率稳定性，应用较多的是改进型电容三端型振荡器，如：克拉波振荡电路和西勒振荡电 路。分别如图2-5和2-6所示： Cb Re VCC Rs C3 C1 C2 L Rb2 Rb1 A B RL C1 L A B Cce Cbe C2 Re b Ccb c eRL Reo C3 (a) (b) 图 2-5 克拉泼振荡电路 2-5图中，克拉泼电路在回路中增加了一个与L串联的电容C3。各电容取值必须满足： C3C1，C3。 6、石英晶体振荡电路、石英晶体振荡电路 石英晶体具有很高的Q值，稳定的物理、化学、机械性能，将它用于电振荡电子电路 里，具有高度稳频的能力。晶体振荡器是由石英晶体、电极、支架及其它辅助装置组成，其 稳定性大大超过普通电感元件。Q值可达数万以上，远远超过普通的LC回路，所以振荡器 频率稳定度很高。 晶振的频率稳定度主要是受温度影响。为了满足小型化和快速开机工作，同时，在宽温 度范围内频率稳定度有所改善， 可采用温度补偿的方法提高宽温度的晶体振荡器的频率稳定 度。 温度补偿的方法通常是三种： 热敏电阻补偿、 电容器补偿和用微处理器控制的补偿方法。 石英晶体振荡电路主要包括并联型、串联型振荡电路两种。 （1）并联型晶体振荡器）并联型晶体振荡器 并联型晶体振荡器， 实际上就是电容三端型振荡器， 它只是用晶体谐振器代替了三端型 振荡电路中的一个电感线圈。把晶体谐振器置于振荡管的基极b和发射极e之间，代替原电 路中b、e之间的电感线圈，这种电路常称为皮尔（Pierce）晶体振荡器。如图（2-4）所示。 16 图2-8a 并联型晶体振荡器原理示意图 图2-8b等效电路 （2）串联型晶体振荡器）串联型晶体振荡器 串联型晶体振荡器是把晶体谐振器用于反馈电路中，利用晶体谐振器的串联谐振特性， 控制反馈振动器的反馈量。串联型晶体振荡器电路及其等效电路，如图2-9所示。 图2-9a 并联型晶体振荡器原理示意图 图2-9b等效电路 由图4-9看出，这是电容三端型振动器，而且，当晶体谐振器发生串联谐振时，电路的 正反馈才最强，只有这时才能满足振幅条件而使电路起振。 （3）泛音晶体振荡器）泛音晶体振荡器 在泛音晶体振荡器中， 除了保证振荡器能够准确地振荡在所需要的奇次泛音上之外， 必 须有效地抑制掉可能在基频或低次泛音上产生的振荡。 为了实现这一目的， 在三端型振荡电 路中，常用选频回路来代替某一支路中的元件，这样，就可使此支路在基频及低次泛音上呈 现电抗性质，不满足相位条件，从而使电路在基频及低次泛音上不能起振。同时，在所需要 的泛音频率上呈现出电抗性质满足相位条件，电路能够正常维持振荡。 如图（2-7）所示是一种并联型泛音晶体振荡电路。该晶体振荡电路与皮尔斯（Pierce） 晶体振荡电路的不同之处，是在于用L1C1谐振回路代替了电容C1。对于五次泛音晶体谐振 器，该电路所用的晶体谐振器的基频是1MHz，而电路是工作于5MHz的五次泛音上。作为 电容反馈支路的L1C1回路的谐振频率应选择在3-5次泛音频率之间。这样，当fq5MHz 时，L1C1回路呈现容性， 满足自激振荡的相位条件。 对于基频及三次泛音频率， 则由于L1C1 回路呈现感性，不满足自激振荡条件而被抑制。对于七次以上的泛音频率，则由于晶体的压 电效应微弱， 不能满足自激振荡的振幅条件而无法起振， 最终电路可靠地工作在五次泛音频 率上。 17 图 2-10 并联型泛音晶体振荡电路原理图 7、变容二极管特性分析、变容二极管特性分析 常见的变容二极管可分成三类： （1）线性缓变结（Graded Junction）变容二极管， （2） 突变结（Abrupt Junction）变容二极管， （3）超突变结（Hyper Abrupt Junction）变容二极管。 变容二极管的符号与等效电路，如图2-11所示。 图2-11 变容二极管的符号与等效电路 变容二极管是利用PN结的结电容随反向电压变化这一特性制成的一种压控元件。 变容 二极管结电容可表示为： CjCj（0）/（1/V） （2-10） 式中：n为变容管的变容指数，其值随半导体掺杂浓度和PN结的结构不同而变化； Cj（0）为外加电压0时的结电容值； V为PN结的接触电压。 变容二极管结电容变化曲线，如图2-12所示。从结电容变化曲线看出，变容二极管必 须工作在反向偏压状态，所以工作时需加负的静态直流偏压V。 18 变容管控制的变容管控制的 LC 振荡器的主要特性振荡器的主要特性 （1） 、调谐范围 如图（2-12）所示， 定义：L代表控制电压最低（uL）时的最低频率； H代表控制电压最高（uH）时的最高频率。 （HL）代表绝对调谐范围，/代表相对调谐范围。 （2）压控灵敏度S 压控灵敏度S定义为单位控制电压引起的振荡频率的增量，用S表示，即 Sf/V C （2-11） 电压频率特性线性度电压频率特性线性度 由图（4-12）表明，变容二极管压控振荡器的频率-电压特性，一般情况下，这一特性 是非线性的，其非线性程度与变容指数n和电路结构有关。 对于电压控制振荡器，通常，线性度在中心频率附近较好，同时，压控灵敏度也较高。 8、电压控制振荡器的组成及工作原理、电压控制振荡器的组成及工作原理 电压控制振荡器（VCO） ，是输出频率随输入控制电压变化的振荡器。变容管控制的LC 振荡器是频率合成信号发生器中最常用的振荡器。 如哈特莱振荡器、 考毕兹振荡器或其它形 式的振荡器， 只需用变容管代替控制频率的电容就可以组成压控振荡器。 在这类振荡器中最 常用的是串联谐振电容三端型电路（又称为克拉拨电路） ，如图（2-13）所示。其特点是稳 定性好，振荡频率仅决定于串联谐振电路， 9、集成电路振荡器、集成电路振荡器 集成电路振荡器用运算放大器和外接 LC 元件构成的三端型运放振荡器。 根据起振条件， 三端型运放振荡器要求运放同相输入端与反相输入端、 输出端之间是同性质电抗元件， 运放 反相输入端与输出端之间是异性质电抗元件。 为满足振幅起振条件，集成运放的单位增益带宽 BW 至少应比振荡器频率 f0大 1-2 倍， 图图 2-13 串联谐振电容三点式振荡器原理示意图串联谐振电容三点式振荡器原理示意图 图图 2-12 压控振荡器的电压压控振荡器的电压频率特性曲线频率特性曲线 uH u uL H L 19 为保证振荡器有足够高的频率稳定度，一般宜取 BW（310）f0。 四、实验内容四、实验内容 实验中电路部分元器件值，R5=2K, R8=8.2K, R9=8.2K, R10=1