LC正弦波振荡器

实验二.LC正弦振荡器实验LC正弦波振荡器是各种接收机和发射机中一种常见的电路，常用作载波振荡、本振混频振荡等。其典型形式为“三点式”振荡电路，电路简单、频率稳定度较高，其工作原理是建立在正反馈基础上将直流电源提供的能量变成正弦交流输出。试验任务与要求实验目的熟悉LC正弦振荡器的工作原理；掌握LC正弦振荡器的基本设计方法；学会用数字频率计测量振荡频率及频率稳定度了解外界因素、元件参数对振荡器工作稳定性及频率稳定度的影响情况，以便提高振荡器的性能。实验仪器高频信号发生器QF1055A一台;超高频毫伏表DA22A一台;频率特性测试仪BT－3C一台;直流稳压电源HY1711－2一台;数字示波器TDS210一台.实验任务与要求基本命题基本实验的实验线路及说明实验线路如图1所示，由晶体管及偏置电路、选频回路组成电容三点式振荡器。电路中A，C相连又可构成并联型晶体振荡电路。图1.LC正弦波和晶体振荡器实验电路图如下：实验内容1.按图1电路进行机算计仿真，并分析下列问题。a：观察迭代步长对振荡器起振过程有何影响。b：观察工作点、负载、回路参数对振荡频率、波形失真的影响。2.在实验箱中，按图1连线。3.振荡器的调整：a.加电后首先用万用表测量各极工作点，调整偏置电阻使工作点电流为2mA左右；b.用示波器观察输出波形，微调偏置使输出波形不失真且幅度较大；c.若振荡器不起振可以从以下三个方面检查：管子是否损坏；电感是否开路；电路中元件没有共地等。4.微调电感L，使振荡器振荡频率为12MHz±50KHza.用示波器观察波形并测量频率。b.用数字频率计测量振荡频率。5.在实验电路中，改变影响反馈系数的电容，观察其对振荡器的影响。6.测量频率稳定性△f/f0a.负载变化对频率的影响。改变RL的大小，计算出△f/f0(以2kΩ时的频率为f0)。b.电源变化对频率的影响.以12v时测量的频率为f0，分别测出Vcc=8V、10V、12V、14V、16V时的频率，计算Δf/f0并作Δf～Vcc曲线。c.测量振荡器的短期频率稳定度．每半分钟记一次频率，记5分钟，以最后一次测量的频率为f0，计算Δf/f0，并作Δf～t曲线。7.A，C相连，观测晶体振荡器的波形，并用实验说明晶体振荡器和LC振荡器稳定性的优劣。扩展命题1.研究温度对LC振荡器和晶体振荡器频率稳定度的影响。首先对电路进行温度扫描仿真，然后在实验箱中作实际测试，得出什么结论？2.自行设计一个LC正弦波振荡器设计指标：振荡频率f0=6.5MHz±50kHz频率稳定度Δf/f0≤1×10-4输出幅度U0≥0.3Vp-p具体任务要求：电路设计计算．a：画出实际电路图并画出交流等效电路。b：计算出回路各元件数值。c：计算出所需偏置电阻并选择滤波元件。*注：元件均取标称值。计算机仿真分析实际搭建电路并测量指标完成上述测试内容,整理文档,写出规范的实验报告实验说明及思路提示LC振荡器的电路形式1.LC振荡器的基本组成原则是“射同余异”，电路见图2，X1、X2为同性质的元件，X3与它们相异。典型形式有两种，即电感反馈型及电容反馈型。电容反馈型振荡器（也即电容三点式振荡器）用得较多。2.基本形式因极间分布电容影响而降低了振荡器的稳定性、所以常用的是改进型，亦有两种即串联改进型和并联改进型。图2.三点式振荡器电路如下：图3:串联改进型振荡器电路如下：串联改进型(clapp电路):见图3，图中因C3C1，C3C2，回路电容1/CΣ=1/C1+1/C2+1/C3,即CΣ≈C3,故回路电容主要取决于C3,从而使极间分布电容的影响降低。但应注意的是C3接入回路增益会下降，即C3↓→RL↓→增益↓，故此类振荡器的频率覆盖系数fmax/fmin≈1.2～1.3不高.就有可能环路满足不了起振条件T1而停振。32121LCLCfo02130210)()(2RccRccRpRL图4:并联改进型振荡器电路如下：并联改进型(shelle电路):见图4，图4中同样C3C1、C3C2故C∑≈C3+C4但C4的接入并不影响接入系数从而电路的稳定性提高，C4可变使得频率覆盖范围扩大。fmax/fmin≈1.6~1.8是目前应用较为广泛的一种三点式振荡电路。1332111111CCCjCjCjCjp021302)(RCCRpRL振荡器的稳定性考虑振荡器稳定性：由分析可知,振荡器的频率主要取决于振荡回路的参数，同时与晶体管的参数有关，这些参数在某些条件下可能会发生改变，因此造成了频率的不稳。所以振荡器的关键在于其稳定性好坏。稳定性即：振荡的实际工作频率偏离标准值的程度。常采用的稳频措施有：1、提高LC回路的标准性，即元件的标准性。2、减少晶体管的影响：减少极间分布电容的影响，设计时尽可能减少晶体管和回路之间的耦合。另应选择特征频率fT高的管子，因fT高，内部相移小。一般选fT(3-10)fmax，fmax为振荡器的最高工作频率。3、提高回路的品质因数：Q大，回路相频特性的负斜率越大，相位越稳定，频率越稳定。4、减少电源负载等的影响：采取稳压措施，避免因电源的波动对工作点电流的变化而造成参数的变化、影响振荡器的稳定性，负载因并联回路两端而造成对品质因数的减小，从而使稳定性降低。故应减少其与回路的耦合。例如可在回路与负载间加射随器等。本实验电路的设计计算已知条件:电源电压12V、回路可调电感1μH，晶体三极管用9018(参数见附录)指标要求：振荡频率12MHz频率稳定性Δf/fo≤1×10-4输出振幅U0≥0.3Vp-p1.确立电路形式：选择什么样的振荡电路主要根据工作频率及对频率稳定度的要求进行选择。电感三端式和变压器反馈型振荡器电路适用于40MHz以下的场合，它们的频率稳定度常在10-3～10-4量级。电容三点式振荡器可工作在数百兆赫以上的频率，改进型电容三端式振荡期器频率稳定度可达10-4～10-5量级，因而频率较高的情况常选改进型电容三点式振荡器。本实验选用西勒振荡器，见图1。2.计算静态工作点：对于一般小功率自动稳幅LC振荡器，静态工作点要远离饱和区，靠近截止区，以得到较大的输出阻抗。一般根据具体电路和电源电压大小集电极电流一般取1～4mA,在实际偏置参数选定时，在可能条件下发射极偏置电阻尽可能取大一些好。此处特取ICQ≈2mA，UCEQ≈6V故Rc+Re=(Vcc-UCEQ)/ICQ=(12-6)/2=3KΩ取Re=1KΩ，Rc=2KΩ因UEQ≈2×1=2V所以UBQ≈2.7V所以Rb1/(Rb2+Rb1)≈2.7，有Rb2≈0.3Rb1若Rb2=R2取5.1KΩ，Rb1则取17KΩ,实际中Rb1取5.1KΩ标称电阻和22kΩ可变电阻串联。3.回路参数的选择：参数选择主要是根据满足振荡频率，满足起振条件并有足够的振荡幅度和规定的频率稳定性等因素加以考虑。若以频稳性角度出发回路电容应取大一些，有利于减少并联在回路上的管子极间电容等变化的影响。但C不能过大，C过大，L会变小，Q值会变低，振荡幅度也会变小。为了解决频稳和振幅的矛盾，通常用部分接入。前已讨论反馈系数F=C1/C2不能过大或过小，适宜1/8~1/2.由于)(2143CCLCf有考虑L可调,取C3=100P,C4=51P因要满足C1,C2C3,C4;C1/C2=1/8~1/2取C1=200PF,C2=510PF4.Cb的确定：Cb提供交流等效通路，即Cb交流等效分析短路，故Cb取0.01μF。5.据以上设计，得图1的实验电路。仿真分析对图1电路可作如下仿真，供同学们参考。起振过程波形及其傅里叶变化如图a,b。仿真条件:Vcc=12V,Rb1=15kΩ,ICO=2.148mA,L＝1µH,C1＝200p,C2＝510p.pFLfCC176412243a.LC振荡器起振波形图如下：b:LC振荡器频谱图如下：