2022年正弦波振荡器的方案设计书与测试.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 一、试验目的1. 通过试验进一步明白晶体振荡电路的基本工作原理,争论振荡电路起振条件和影响频率稳固 度的因素； 2. 初步明白高频正弦波电路的设计方法和步骤； 3. 学会使用电子计数式频率计测量频率的方法；二、试验原理1.LC 振荡器设计方法与步骤LC 正弦波振荡器在其振荡建立并达到平稳之后,晶体管工作在非线性状态,工作频率较高,晶体管参数也不再为一实数；振荡的物理过程变得非常复杂,因此妄想用严密的理论分析进行设计运算是不现实的；通常行之有效的方法是：依据振荡器的工作原理和设计原就,合理的选择电路形式和器件,然后进行近似的估算,最终进行试验调整

2、,使其达到所要求的技术指标；（1）挑选振荡电路形式振荡电路的挑选主要是依据所给定的工作频率（或工作频段）频率稳固度的要求；LC 振荡电 路一般适用于数百千赫到数百兆赫的频率范畴,它的短期频稳度一般在 10- 3到 10- 4的数量级；在小功率通讯机中所使用的可变频率振荡器,一般都要求波段范畴内频率连续可调,故可选用互感耦合三点式振荡电路；互感量的调剂比较便利,其输入与输出电路的馈电方式互不影响；但是,由于结构复杂,特殊是电路中含有电感元件,故这种电路较适用于中短波波段,在短波段以上,一般多采纳考毕兹电路；对于可变频率振荡器,其频率稳固度要求提高时,几乎都采用克拉泼电路或西勒电路,它的频稳度达到

3、 措施,频稳度仍可进一步提高；10- 410- 5；如采纳高质量回路元件,再加上一些一般频率稳固度要求在 10- 510- 6以上的固定频率振荡器（如广播发射机的主振器）时,必须选用石英晶体振荡器；表 3.4.1 各种振荡器的频率精确度和稳固度名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 分 类频率精确度频率稳固度无稳态多谐振荡器10- 110- 1LC 振荡器510- 2510- 2510- 2510- 2RC 振荡器510- 5510- 5晶体振荡器稳固化晶体振荡器10- 610- 6（2）振荡管的挑选小功率振荡器输出一般

4、为毫瓦数量级,一般晶体管均可满意功率的要求；选管时主要考虑是在满意工作频率和起振条件前提下,应尽可能提高振荡器的频稳度,因此振荡管应满意以下几点要求：特点频率 fT或最高频率 fmax要足够高；实践证明,为了保证振荡器正常工作,必需使晶体管的 fmax 比振荡器的最高工作频率 fH 高三倍以上即：fmax 3f H （3-4-1 ）有时手册并不直接给出 fmax 这个参数,而是给出特点频率 fT 或 f,基极电阻 rbb及集电结的结电容 Cbc 等,这时,可以依据（3-4-2 ）和 fT = 0.7 0.8 f（3-4-3 ）的关系,运算出 fmax ,也可直接用fT 210 fH （3-4-

5、4 ）的关系选用振荡管；名师归纳总结 晶体管的电流放大倍数 需足够大；选用 较高的管子,有利于提高振荡器的频率稳固度,第 2 页,共 15 页改善起振条件和波形质量；但是也要留意 高的晶体管其ICBO 也较大；- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 输出功率较大的振荡器,选管时要按下式对集电极最大耗散功率进行校核；Pc （3-4-5 ）式中Pcm 管子集电极最大答应耗散功率c般取PL输出到负载上的功率k振荡回路效率 c 晶体管集电极效率集电极效率与晶体管参量、工作频率和集电极电压利用系数有关；要求频稳度高,0.2,k一般在 0.20.8 之间选取；要求频稳度

6、高,可取的小一些（即与负载耦合松一些）,反之,可取得大一些；将 k 和 c 代人 Pcm 可得：Pcm （520 ） PL（3-4-6）这就是说,当振荡器输出功率较大时,应按集电极最大耗散功率大于输出功率 5 倍以上的条件来选管；图 3.4.1 振荡管的偏置电路（3）静态工作点的挑选及偏置电路元件的估算合理地挑选振荡器的静态工作点,对振荡器的起振,工作的稳固性,波形质量的好坏有着亲密的关系；般小功率振荡器的静态工作点应选在名师归纳总结 远离饱和区而靠近截止区的地方；依据上述原就,一般小功率振荡器集电极电流ICQ 大约在第 3 页,共 15 页0.52mA之间选取,以图3.4.1 所示的共发组态

7、为例,各极电压大致可取为：- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 对于振荡器来说,稳固静态工作点的主要措施是采纳高稳固度的偏置电路；目前广泛采纳的是图 3.4.1 所示的混合反馈式偏置电路；对于这种电路,当满意 件可按以下公式选取： R B2 26 RE（3-4-7）发射极电阻旁路电容 CE 可按下式运算I 1 I BQ 的条件时,各偏置元CE （3-4-8 ）其中, f 振荡器的工作频率,单位为 Hz ；为了满意 的关系,隔直电容 CB 可按下面体会公式进行运算：（3-4-9 ）其中, RB= RB1 RB2 hie；f 为工作频率,单位为 MHz ；需要

8、指出的是,CERE之值不能太大,否就将会产生间歇振荡现象；（4）振荡回路参数的挑选回路运算回路中的各种电抗元件都可归结为总电容C 和总电感L 两部分；确定这些元件参量的方法,是依据体会先选定一种,而后按振荡器工作频率再运算出另一种电抗元件量；从原理来讲,名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 先选定哪种元件都一样,但从提高回路标准性的观点动身,以保证回路电容 Cp 远大于总的不稳定电容 Cd 原就,先选定Cp为宜；并且要求L/ C 尽可能小一些,但是也不能太小；另考虑到这些电抗元件又起着电路分压反馈元件的作用；因此,一般

9、取L / C（L 以 H 为单位, C 以 F 为单位）为 105106左右为宜；选定 Cp 之后,可按下式算出回路总电感（3-4-10 ）式中： Cp 回路总电容（包括所算到电感两端的各种可变电容与固定电容）；Cd 折算到回路电感两端的全部不稳固电容（包括晶体管结电容和分布电容）；反馈电路运算（以三端振荡电路为例）已知 Xcb = X ce+ X eb（3-4-11 ） kf = X eb/ X ce式中 : X cb 振荡管集电极 - 基极间的耦合电抗； Xce 振荡管集电极-发射极间耦合电抗；Xeb 振荡管发射极-基极间耦合电抗；对于三端式振荡电路,反馈系数 kf 可在 l/2l/8 之

10、间,最终通过试验来确定；过大,振荡器明显简洁起振,但波形可能变差；kf 过小,虽然波形较好,但往往振幅较小,稳幅才能较弱,而且也不易起振；选定kf 后,即可求出Xce 和 Xeb；接入系数的确定为了防止放大器的增益过大,振荡过程,必需减弱振荡管与回路之间的耦合；整个回路的谐振阻抗 Rp 与部分耦合的谐振抗之比的平方根就是该电路的接入系数pce；依据接入的定义,对于电感反馈振荡电路来说名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - （3-4-13 ）式中 : n 电感线圈的总匝数；n1 为管子集电极到发射极之间相耦合的电感线圈的匝

11、数；对于电容反馈振荡电路来说（3-4-14 ）式中： C 回路总的电容；C1 集电极到发射极之间的回路电容；（5）关于输出方式的考虑为了尽可能地减小负载对振荡电路的影响,一般除了采纳射随器作为隔离级之外,振荡信号 应尽可能从电路的低阻抗端输出；例如发射极接地的振荡电路,输出宜取自基极；如为基级接 地,就应从发射极输出；2. 振荡器的调整与测试按设计电路装好之后,必需进行细心地调试；在调试中可能遇到的问题是：不能起振、振荡 频率不准、波形质量不好、寄生振荡等现象；（1）关于起振问题振荡电路接通电源后,有时不起振,或者要在外界信号剧烈触发下才能起振,在波段振荡器中 有时只在某一频段振荡,而在另一频

12、段不振荡等等；全部这些现象无非是没有满意相位平稳条 件或振幅平稳条件；假如在全波段内根本就不振荡,这第一要看相位平稳条件是否满意；对三 端振荡电路要看是否满意对应的相位平稳判定准就；此外,仍要在振幅平稳条件所包含的各因 素中找缘由；例如：名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 静态工作点选得太小；电源电压过低,使振荡管放大倍数太小；负载太重,振荡管与回路之间耦合过紧,使回路 Q 值太低；回路的特性阻抗 或接入系数 pce 太小,致使回路谐振阻抗 太低；反馈系数 kf 太小,不易满意振幅平稳条件；但是盲目增大反馈量,反而使

13、 Q 值大大降低,这不仅使波形变坏,甚至无法满意起振条件；故kf 并非愈大愈好,而是应适当选取；有时在某一频段内高频端起振,而低频端不起振；这多半是在用调整回路电容来转变振荡频率的电路中,低端由于C 增大而使L/C 下降,致使谐振阻抗降低所引起；反之,有时显现低端振而高端不振,这种现象的显现可能有以下几种缘由：选用晶体管 fT 不够高；管子的电流放大倍数 太小；低端已处于起振的临界边缘状态,在高频工作时晶体管输入电容 者是由于 Cbe 的负反馈作用显著等；（2）关于振荡波形Cbe 的作用使反馈减弱；或图 3.4.2 振荡管工作进入饱和区时回路电压波形 图 3.4.3 二次谐波较大时的回路电压波

14、形正弦波振荡器的输出应当是正弦波；但是电路设计或调整不当将会显现波形失真,甚至显现平顶波、脉冲波等严峻失真的正弦波,或者在正弦波上迭加有其它波形；产生波形严峻失真的现象,可能是以下几种缘由所引起,：名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 静态工作点选的太高,振荡管进入饱和区,这时回路电压的波形如图 3.4.2 所示；如集电极或基极与振荡回路耦合过紧,就回路滤波不好,二次谐波幅度较大会显现如图 3.4.3 所示的波形；反馈系数kf 太大,回路Q 值不高,负载太重,回路严峻失谐等都会显现波形失真；般说来,假如发觉波形不好,第

15、一应检查静态点是否偏高,其次考虑是否适当减小反馈量,设法提高 Q 值等；3. 其它非正常振荡现象寄生振荡,如图 3.4.4 所示,在某一工作频率的振荡波形上,迭加着一些不规章波形,有时波形尚好,但用频谱仪检查发觉有另外的频率成分存在,即寄生振荡,为了防止和排除寄生振荡,第一在安装时必需考虑合理的工艺结构,尽量削减寄生参量,保持参量的稳固；其次应采用退耦电路,在较大电容处并上一个较小的电容；有时在振荡管的基极或发射极串入个小电阻或在发射结之间接一个小电容就可能排除超高频寄生振荡；图 3.4.4 寄生振荡波形间歇振荡,如图 3.4.5 所示,有时振荡器某些元件数值选用不当（例如 CERE选的过大）

16、,或者振荡回路 Q 值太低,往往显现时振时停的所谓“间歇振荡 ”,同时一般表现为集电极电流减小,回路电压较高,而频率计测不出确定的振荡频率,只能用示波器观看；为了防止产生间歇名师归纳总结 振荡, RC 的时间常数应小于振荡回路的时间常数2L/C ,一 般可取 RC2L/5 C；第 8 页,共 15 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 图 3.4.5 间歇振荡波形 频率占据,在振荡电路中假如有外加电动势作用于输入回路,而且外电动势的频率又非常接近振荡器的频率,这时可能会显现振荡频率受控现象,即振荡频率不再由回路参数所打算,而是按外电动势的频率工作,这种现

17、象称为“频率占据 ”,提高振荡回路的Q 值,增大振荡回路的惯性,就不易受外来信号的影响；图 3.4.6 串联型晶体振荡器4. 晶体振荡器的设计晶体振荡器在频率较高的情形下工作于非线性状态；因此,对于 LC 振荡器的设计方法,原就上也适用于晶体振荡器；但是,作为晶体振荡器来说,也有它肯定的特殊性,以图 3.4.6 电路为例争论其偏置电路、反馈网络、振荡回路、旁路元件设计运算问题；图 3.4.6 所示电路是一个串联型晶振电路；由石英晶体来稳频,输出频率基本固定但可通过 L 1来微调；（1）石英谐振器的选用石英谐振器最基本的技术要求是要符合需要的标称频率,即要满意电路要求；石英谐振器的频率范畴一般在

18、 3200,000 千赫之间；其次,仍要考虑工作温度是否适合环境温度条件；频率偏差是否符合振荡器频率精度指标要求；环境条件（振动、潮温等）是否能够适应等；（2）振荡管的选用和 LC 振荡器一样,也要求振荡管的截止频率f 尽可能高些；由于晶体管f f,因此一般采纳共基极组态电路；名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 振荡管的hfe 一般总可以满意要求；当然,hfe高,可以加大C1、C2的数值,对于提高频稳度有利；但是 hfe 值过高,反而会使放大环路不稳固；（3）偏置电路元件确定偏置电路元件 RB1、RB2的选用原就：无

19、信号时晶体管有给定的电流（即工作点）；反馈量适当时,能保证 PL =0.3Po；就认为偏置的设计是合理的；（4）反馈系数的确定体会证明,振荡器的偏置和反馈系数适当时,在集电极上的输出电压大约为电源电压的 90；反馈系数 kf =；试验证明,kf在 1/7 1/4 的范畴内选取稳固性最好；（5）振荡频率该电路的振荡频率是由 L1、C1、C2和石英晶体谐振器的等效电感来打算的；此外仍必需注意,晶体管的输出电容 Co 是与 C1 相并联,在频率较高的电路中该输出电容必需考虑；（6）谐振电路元件确定在没有提出特殊要求的情形下,短波和超短波段谐振电路的电容以每（波长）2pF 来挑选为宜；在工作频率低于

20、1MHz 的中波波段可取每 M 为 1020pF ；例如：如 f =30MHz ,就波长为 10m ,这时回路电容可选为 20pF ；当电容量确定后,可由式 f = 求出 L 的值；名师归纳总结 另一种估量法是在工作频率上,在80 至 100 之间选用一个L 的感抗值；此法在工作频第 10 页,共 15 页率低于 1MHz以下时特殊有用；- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - （7）旁路电容,耦合电容和射频扼流圈旁路电容 C4、C5的值应当能够使其在工作频率上电抗值为 5 或更低；耦合电容 C6的数值应近似等于晶体管输出电容与 C1并联后的数值,假如 C6

21、为可变电容就应让C6的中间值近似等于该值；C3用于隔离加在晶体振子上的直流电压；其取值一般为 30p 、51p 、100p ；射频扼流圈 L2、L3在工作频率上其阻抗值应当在 1000 至 3000 范畴内；扼流圈的最小电流容量应大于预期的最大直流电流值（至少应当大 10）；（8）输出电路将振荡信号输送到下一级的方法,可以用电感线圈抽头的方法从L 1取出（当负载为低阻抗时）；也可以采纳耦合电容的方法从集电极取出（当负载为高阻抗时）,通常,以后者最方便；一般耦合电容C5 是可变的,这样当负载变化时调整C5仍可保持良好的输出；（9）振荡器的频率稳固度缓冲器当负载变化或需要大功率时,振荡器必需配置缓

22、冲放大器（buffer amplifier,简称缓冲器）,使负载不影响振荡器；图 3.4.7 是通过射随器从基极调谐振荡器中取出的一种简洁方法；由于射随器可以在几乎不降低回路 Q 值的情形下就能耦合；而且回路的输出是正弦波,振幅大,所以易取出大正弦波电压作为输出；而且最好使作为缓冲器的射随器如图 用负电源接射极；3.4.7 所示直接耦合,并且名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 3.4.7 电压缓冲器阻尼衰减器如要使振荡器取出的输出电平可变,明显应当使用分压电路（可变电阻）；由于这直接关系到负载变化,所以应尽量采

23、纳如图 3.4.8 所示的电路,通过调整电平而不转变输入输出阻尼的阻尼衰减器（ attenuator ）来进行；（ a）抱负的输出振幅掌握（b）一般的输出振幅掌握图 3.4.8 输出振幅掌握如将负载直接连接在振荡器上,那么当经由滤波器连接负载及负载中包含有源电路时,往往会诱发反常振荡及寄生振荡；即使设置了缓冲器,也会打乱缓冲器的工作状态,阻碍振荡器的稳定工作；因此必需经过阻尼衰减器；另外,假如采纳具有某些衰减量的阻尼衰减器,那么从负载一侧看振荡器时,可以认为振荡器的内部阻抗是不变的；当把多台振荡器的输出混合供应应负载时,必需经过阻尼衰减器；将用于防止相互干涉或充当负载缓冲器的固定阻尼衰减器称为

24、缓冲器（pad ）；三、试验仪器双踪示波器 1 台直流稳压电源 1 台高频毫伏表 1 台名师归纳总结 数字式频率计 1 台第 12 页,共 15 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 万用表 1 块四、试验设计指标（a）晶体振荡器（ b）射随器图 3.4.9 晶体振荡器试验电路图1. 如图 3.4.9（a）所示,给定晶振的f0= 3.2768MHz；晶体管为高频小功率管9018,其参数详见晶体管参数表,取晶体管的 =150 ,V CC=12V ；试设计一晶体振荡器；2. 设计一射随器做为缓冲级,电路如图 3.4.9（b ）所示,接在振荡器与频率计数器之间

25、,用来隔绝负载对振荡器的影响；设计指标：晶体管为 9014,V CC=12V ,要求 V omax 17V rms ,V BQ = 36V ；五、试验内容1. 电路调整（1）对比电路图在面包板连接电路,留意在排列元件时,要整齐有序,导线尽可能短,各接地点尽可能靠近,连接的导线不要来回拉,防止产生寄生振荡；（2）接上直流电源,在振荡器的输出端接射随器 调出来就需检查电路,调整元件；, 观看 vo、vo2 是否显现不失真的正弦波,如未名师归纳总结 *注：先调振荡器使vo为正弦波,如vo2不是正弦波可转变前级的工作点或C6的值；第 13 页,共 15 页- - - - - - -精选学习资料 - -

26、 - - - - - - - （3）测量振荡器的振荡频率,先用示波器扫描时间刻度粗略测振荡器的振荡频率；然后,再用数字式频率计数器接在射随器的输出端测振荡频率 f ；2. 电路测量使用高频毫伏表测量输出信号幅度,并用示波器监视输出波形；（1）测量各级的静态工作点；（2）测量频率稳固度；其它条件不变,观看2 分钟频率变化情形,由此运算出值；（3）观看负载RL 变化对振荡幅度Vom、频率及波形质量的影响；负载分别为、10k 、1k 、10 ；RL（ ）f（MHz ）波形质量振荡幅度 mV 10k 1k 10 （4）断开射随器,考察转变工作点 ICQ 对输出幅度 Vom 及波形质量的影响；（5）断开

27、射随器,考察转变反馈系数 kf 对输出幅度 Vom、增益 Av及波形质量的影响；ICQmA 波形及振幅 kf C1pF C2pF 波形及振幅（6）观看起振后工作点的偏离情形名师归纳总结 用短路线将振荡回路电感L1 短路,这时电路停振,测量此时的VEQ1；接着拆除短路线,电路第 14 页,共 15 页起振,再次测量此时的V EQ1 ,看两者是否相等；- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 六、试验预习1. 依据给定指标设计振荡器、射随器,完成设计报告；要求：写出运算过程,运算元件值,并标出元件的标称值；2. 各级放大器的静态工作点,振荡器的增益；3. 写出试验中可能显现的问题的解决方法；4. 明白负载、工作点、反馈系数的转变对电路的影响；5. 完成预习报告；七、试验报告要求1. 整理试验数据,记录波形；2. 用所学理论,分析试验结果；3. 对试验中显现的问题和现象进行分析；八、摸索题1. 振荡器与一般放大器的主要区分是什么？2. 振荡器中晶体管、振荡回路、反馈网络各起什么作用？对它们应有什么要求？3. 振荡器波形不好与哪些因素有关？如何改善？名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 15 页