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LC、晶體正弦波振蕩電路實(shí)驗(yàn)

一、      實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/strong>
10．      進(jìn)一步學(xué)習(xí)掌握正弦波振蕩電路的相關(guān)理論。
11．      掌握電容三點(diǎn)式LC振蕩電路的基本原理，熟悉其各元件功能；熟悉靜態(tài)工作點(diǎn)、耦合電容、反饋系數(shù)、等效Q值對(duì)振蕩器振蕩幅度和頻率的影響。
12．      比較LC振蕩器和晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度，加深對(duì)晶體振蕩器頻率穩(wěn)定高的原因理解。

二、實(shí)驗(yàn)使用儀器
1．LC、晶體正弦波振蕩電路實(shí)驗(yàn)板
2．20MH雙蹤示波器
3. 萬用表
三、實(shí)驗(yàn)基本原理與電路
1. LC振蕩電路的基本原理
  ＬＣ振蕩器實(shí)質(zhì)上是滿足振蕩條件的正反饋放大器。ＬＣ振蕩器是指振蕩回路是由ＬＣ元件組成的。從交流等效電路可知：由ＬＣ振蕩回路引出三個(gè)端子，分別接振蕩管的三個(gè)電極，而構(gòu)成反饋式自激振蕩器，因而又稱為三點(diǎn)式振蕩器。如果反饋電壓取自分壓電感，則稱為電感反饋ＬＣ振蕩器或電感三點(diǎn)式振蕩器；如果反饋電壓取自分壓電容，則稱為電容反饋ＬＣ振蕩器或電容三點(diǎn)式振蕩器。
在幾種基本高頻振蕩回路中，電容反饋ＬＣ振蕩器具有較好的振蕩波形和穩(wěn)定度，電路形式簡單，適于在較高的頻段工作，尤其是以晶體管極間分布電容構(gòu)成反饋支路時(shí)其振蕩頻率可高達(dá)幾百ＭＨＺ～ＧＨＺ。
普通電容三點(diǎn)式振蕩器的振蕩頻率不僅與諧振回路的LC元件的值有關(guān)，而且還與晶體管的輸入電容以及輸出電容有關(guān)。當(dāng)工作環(huán)境改變或更換管子時(shí)，振蕩頻率及其穩(wěn)定性就要受到影響。為減小、的影響，提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度，提出了改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路——串聯(lián)改進(jìn)型克拉潑電路、并聯(lián)改進(jìn)型西勒電路，分別如圖4-1和4-2所示。
  串聯(lián)改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路——克拉潑電路

振蕩頻率為：

其中由下式?jīng)Q定

選，時(shí)，，振蕩頻率可近似寫成

這就使幾乎與和值無關(guān)，提高了頻率穩(wěn)定度。
振蕩幅度取決于折合到晶體管端的電阻，可以推出：

由上式看出，、過大時(shí)，變得很小，放大器電壓增益降低，振幅下降。還可看出，同振蕩器的三次方成反比，當(dāng)減小以提高頻率時(shí)，的值急劇下降，振蕩幅度顯著下降，甚至?xí)Ｕ�。另外，用作頻率可調(diào)的振蕩器時(shí)，振蕩幅度隨頻率增加而下降，在波段范圍內(nèi)幅度不平穩(wěn)，因此，頻率覆蓋系數(shù)（在頻率可調(diào)的振蕩器中，高端頻率和低端頻率之比稱為頻率覆蓋系數(shù)）不大，約為。
并聯(lián)改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路——西勒電路回路諧振頻率為

其中，回路總電容為

選，時(shí)，，這就使值幾乎與和無關(guān)，提高了頻率穩(wěn)定度。
折合到晶體管輸出端的諧振電阻是

其中接入系數(shù)和無關(guān)，當(dāng)改變時(shí)，、、都是常數(shù)，則僅隨一次方增長，易于起振，振蕩幅度增加，使在波段范圍內(nèi)幅度比較平穩(wěn)，頻率覆蓋系數(shù)較大，可達(dá)1.6~1.8。另外，西勒電路頻率穩(wěn)定性好，振蕩頻率可以較高。

2. 晶體振蕩電路的基本原理
石英晶體振蕩器就是以石英晶體諧振器取代振蕩器中構(gòu)成諧振回路的電感，電容元件所組成的正弦波振蕩器，它的頻率穩(wěn)定度可達(dá) 到數(shù)量級(jí)，所以得到極為廣泛的應(yīng)用。它之所以具有極高的頻率穩(wěn)定度，其關(guān)鍵是采用了石英晶體這種具有高Q值的諧振元件。
由石英諧振器（石英晶體振子）構(gòu)成的振蕩電路通常叫“晶振電路”。從晶體在電路中的作用來看分兩類：一類是工作在晶體并聯(lián)諧振頻率附近，晶體等效為電感的情況，叫做“并聯(lián)晶振電路”。另一類是工作在晶體串聯(lián)諧振頻率附近，晶體近于短路的情況，叫做“串聯(lián)晶振電路”。
    本實(shí)驗(yàn)采用“并聯(lián)晶振電路”這種電路由晶體與外接電容器或線圈構(gòu)成并聯(lián)諧振回路，按三點(diǎn)線路的連接原則組成振蕩器，晶體等效為電感。在理論上可以構(gòu)成三種類型基本電路，但在實(shí)際應(yīng)用中常用的是如圖4-3所示的電路，稱“皮爾斯”電路。這種電路不需外接線圈，而且頻率穩(wěn)定度較高。

圖4-3  并聯(lián)晶體振蕩器原理電路圖                 4--4 并聯(lián)晶體振蕩器實(shí)例
圖4-4給出了這種電路的實(shí)例。這里，晶體等效為電感，晶體與外接電容（包括4.5／20pF與20pF兩個(gè)小電容）和、組成并聯(lián)回路，其振蕩頻率應(yīng)落在與之間。
圖4-5是圖4-4 中諧振回路的等效電路。
該諧振回路的電感就是，而諧振回路的總電容
應(yīng)由、及外接電容、、組合而成。
由下式?jīng)Q定，即

圖4-5    圖4-4中諧振回路的等效電路

選擇電容時(shí)，，，因此上式可近似為


所以


總是處在與兩頻率之間，調(diào)節(jié)可使產(chǎn)生很微小的變動(dòng)。無論怎樣調(diào)節(jié)，總是處于晶體與的兩頻率之間。但是，只有在附近，晶體才具有并聯(lián)諧振回路的特點(diǎn)
3.實(shí)驗(yàn)電路
LC、晶體正弦波振蕩電路實(shí)驗(yàn)電路如圖4-6。斷開J1、連接J2、J3構(gòu)成LC西勒電路振蕩電路；斷開J2、連接J1、J3構(gòu)成并聯(lián)型晶體正弦波振蕩電路。

圖4-6  LC、晶體正弦波振蕩電路實(shí)驗(yàn)電路

四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
  1．LC振蕩器性能測(cè)試。
2．并聯(lián)晶體振蕩器性能測(cè)試
3．LC振蕩器和晶體振蕩器性能比較。
五、實(shí)驗(yàn)步驟
1．LC振蕩器性能測(cè)試
在實(shí)驗(yàn)箱主板上插上LC、晶體正弦波振蕩電路實(shí)驗(yàn)模塊。接通實(shí)驗(yàn)箱上電源開關(guān)電源指標(biāo)燈點(diǎn)亮。斷開J1、連接J2、J3構(gòu)成LC西勒振蕩電路。
（1）測(cè)試靜態(tài)工作點(diǎn)變化對(duì)振蕩器工作狀態(tài)的影響
  調(diào)整RW1，由TP1測(cè)試T1發(fā)射極電流，觀測(cè)發(fā)射極電流改變對(duì)振蕩頻率和幅度的影響。（R4=1K）。I_EQ(mA)＝V（TP1）/R4
表4-1靜態(tài)工作點(diǎn)變化對(duì)振蕩器工作的影響

I_EQ(mA)

f(MHz)

V_p-p(V)

（2）振蕩器頻率范圍的測(cè)量
用小起子調(diào)整微調(diào)電容CV1值（2/25p），同時(shí)用頻率計(jì)在OUT端測(cè)量輸出振蕩信號(hào)的頻率值，觀測(cè)振蕩頻率的改變。（注意微調(diào)電容表面扇形鍍銀部分，從相對(duì)另一引出腳最近到最遠(yuǎn)，每轉(zhuǎn)動(dòng)180度即完成容量最大到最小的全過程，多旋動(dòng)是沒有意義的，只會(huì)加速元件的磨損）
表4-2 振蕩器頻率范圍的測(cè)量

f(MHz) V_p-p(V)

Cmin

Cmax

（3）反饋系數(shù)對(duì)振蕩器工作狀態(tài)的影響
   J3、J4、J5不同組合可構(gòu)成多種反饋系數(shù)，觀測(cè)反饋系數(shù)對(duì)振蕩器工作狀態(tài)的影響。
表4-3 反饋系數(shù)對(duì)振蕩器工作狀態(tài)的影響

F

f(MHz)

V_p-p(V)

                   ( 注 C1:100p C4:100p C5：200p C6:200p)

（4）頻率穩(wěn)定度的測(cè)量
（a）短期頻率穩(wěn)定度的測(cè)量
用頻率計(jì)在OUT端測(cè)量振蕩頻率，觀察１分鐘左右振蕩頻率f_０的變化情況，并記錄兩個(gè)頻率值f_０１（開始值），f_０２（最大變化值）。計(jì)算ＬＣ振蕩器的短期頻率穩(wěn)定度Δf_０／f_０

表4-4短期頻率穩(wěn)定度的測(cè)量

f_０１（開始值MHz） f_０２（最大變化值MHz）短期頻率穩(wěn)定度Δf_０／f_０

（b）觀察溫度變化對(duì)振蕩頻率的影響。（若無電吹風(fēng)，可不作該實(shí)驗(yàn)）
       用電吹風(fēng)在距電路15cm處對(duì)著電路吹熱風(fēng)，用頻率計(jì)在OUT端測(cè)量振蕩頻率，觀察１分鐘左右振蕩頻率f_０的變化情況，

表4-4短期頻率穩(wěn)定度的測(cè)量

室溫f_０１ MHz 加溫后f_０２ MHz 頻率穩(wěn)定穩(wěn)定度Δf_０／f_０

2．晶體正弦波振蕩器性能測(cè)試
在實(shí)驗(yàn)箱主板上插上LC、晶體正弦波振蕩電路實(shí)驗(yàn)?zāi)K。接通實(shí)驗(yàn)箱上電源開關(guān)電源指標(biāo)燈點(diǎn)亮。斷開J2、連接J1、J3構(gòu)成LC晶體并聯(lián)振蕩電路。
（1）測(cè)試靜態(tài)工作點(diǎn)變化對(duì)振蕩器工作狀態(tài)的影響
  調(diào)整RW1，由TP1測(cè)試T1發(fā)射極電流，觀測(cè)發(fā)射極電流改變對(duì)振蕩頻率和幅度的影響。（R4=1K）。
表4-1靜態(tài)工作點(diǎn)變化對(duì)振蕩器工作的影響

I_EQ(mA)

f(MHz)

V_p-p(V)

（2）振蕩器頻率范圍的測(cè)量
用小起子調(diào)整微調(diào)電容CV1值（2/25p），同時(shí)用頻率計(jì)在OUT端測(cè)量輸出振蕩信號(hào)的頻率值，觀測(cè)振蕩頻率的改變。

表4-2 振蕩器頻率范圍的測(cè)量

f(MHz) V_p-p(V)

Cmin

Cmax

（3）反饋系數(shù)對(duì)振蕩器工作狀態(tài)的影響
   J3、J4、J5不同組合可構(gòu)成多種反饋系數(shù)，觀測(cè)反饋系數(shù)對(duì)振蕩器工作狀態(tài)的影響。
表4-3 反饋系數(shù)對(duì)振蕩器工作狀態(tài)的影響

F

f(MHz)

V_p-p(V)

                   ( 注 C1:100p C4:100p C5:200p C6:200p)

（4）頻率穩(wěn)定度的測(cè)量
（a）短期頻率穩(wěn)定度的測(cè)量
用頻率計(jì)在OUT端測(cè)量振蕩頻率，觀察１分鐘左右振蕩頻率f_０的變化情況，并記錄兩個(gè)頻率值f_０１（開始值），f_０２（最大變化值）。計(jì)算ＬＣ振蕩器的短期頻率穩(wěn)定度Δf_０／f_０
表4-4短期頻率穩(wěn)定度的測(cè)量

f_０１（開始值MHz） f_０２（最大變化值MHz）短期頻率穩(wěn)定度Δf_０／f_０

（b）觀察溫度變化對(duì)振蕩頻率的影響。（若無電吹風(fēng)，可不作該實(shí)驗(yàn)）
       用電吹風(fēng)在距電路15cm處對(duì)著電路吹熱風(fēng)，用頻率計(jì)在OUT端測(cè)量振蕩頻率，觀察１分鐘左右振蕩頻率f_０的變化情況，
表4-4短期頻率穩(wěn)定度的測(cè)量

室溫f_０１ MHz 加溫后f_０２ MHz 頻率穩(wěn)定穩(wěn)定度Δf_０／f_０

六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求
1．整理按實(shí)驗(yàn)步驟所得的數(shù)據(jù)，繪制記錄的波形
2．畫出工作點(diǎn)和反饋系數(shù)對(duì)LC振蕩器和晶體振蕩器振蕩頻率和幅值的影響曲線，比較兩者的區(qū)別。
3．總結(jié)由本實(shí)驗(yàn)所獲得的體會(huì)。

教學(xué)設(shè)備

產(chǎn)品分類

LC、晶體正弦波振蕩電路實(shí)驗(yàn)

LC、晶體正弦波振蕩電路實(shí)驗(yàn)

f_０１（開始值MHz）	f_０２（最大變化值MHz）	短期頻率穩(wěn)定度Δf_０／f_０

室溫f_０１ MHz	加溫后f_０２ MHz	頻率穩(wěn)定穩(wěn)定度Δf_０／f_０

教學(xué)設(shè)備

產(chǎn)品分類

LC、晶體正弦波振蕩電路實(shí)驗(yàn)

LC、晶體正弦波振蕩電路實(shí)驗(yàn)

LC、晶體正弦波振蕩電路實(shí)驗(yàn)

LC、晶體正弦波振蕩電路實(shí)驗(yàn)