正弦波振荡电路的研究实验

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）改进型电容三点式振荡器－克拉波和西勒电路 电容三点式振荡器振荡频率高，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点式振荡器，如：克拉波振荡电路和西勒振荡电 路。分别如图 4-5 和 4-6 所示：
工作频率： f ≈ 1/ 2πLC 。
（2）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 Δf / f0 表示。
（3）绝对准确度：
Δf = f − f 0
(4-2)
（4）相对准确度：
Δf = f − f 0
f0
f0
(4-3)
3、三点式振荡器起振条件的判断准则 如图 4-1 所示，是一个典型的三点式电路的等效交流通路，为了满足相位平衡条件，
克拉泼电路的振荡频率：
f0
=1 2π LC
≈ 2π
1 LC3
(4-5)
克拉泼电路电路的频率稳定度比电容三端式电路要好。但在频率高端起振较难，不适合
于用作波段振荡器。
Rb1
Rb2
Cb
VCC Rs
C1
C3
Re
C2 C4
L
C1
C3
C2
C4
L
(a)
(b)
图 4-6 西勒振荡电路
图 4-6 的西勒电路是在克拉泼电路基础上，在电感L两端并联了一个小电容C4，且满足
＋Ec L
V
C1
C2
V JT
C1 L
C2
(a) 图 4-9a 并联型晶体振荡器原理示意图
(b) 图 4-9a 等效电路
由图 4-9 看出，这是电容三点式振动器，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 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，在三点式振荡电 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（5-7）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，是在于同 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 fq＝5MHz 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。
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
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
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点式电路（又称为克拉拨电路），如图（4-13）所示。其特点是稳
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
（2） 振幅条件
即：
A&o F&
＞1
⎩⎨⎧ϕAoAF+
> ϕ
1
F
=
2nπ
(n = 1, ± 1, L)
(4-1)
其中， A0 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
实验四 正弦波振荡电路的研究
一、实验目的
1、 掌握三点式 LC 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。
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。 石英晶体振荡电路得主要包括并联型、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，实际上就是电容三点式振荡器，它只是用晶体谐振器代替了三点式 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（5-4）所示。
该三点式振荡器的起振条件必须满足以下条件：
X he + Xce + Xch = 0
(4-4)
c
b
+e
Xbe
vi –
Xce
+ vf – – vo + Xcb
图 4-1 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。
常用的三点式振荡器有电容三点式振荡器，电感三点式振荡器。
V
X1
X2
C2
C1
X3 L
V
L2
L1
X1
X2
X3 C
电容三点式振荡器
电感三点式振荡器
图 4-2 两种基本的三端式振荡器
4、三点式 LC 振荡器
（1）电感三点式振荡器－哈特莱振荡器(Hartley) 如图 4-3 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
Ec
V
C1 C3
Ce
C2
. gmUb
C3 C
C1
E
. ¡£
Ubä£
C2
B«
Cq C0 Lq
rq
(a)
(b)
图 4-8a 并联型晶体振荡器原理示意图
图 4-8a 等效电路
（2）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 4-9 所示。
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（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
定义：ωL 代表控制电压最低（uL）时的最低频率；
ωH 代表控制电压最高（uH）时的最高频率。
△ω＝（ωH－ωL）代表绝对调谐范围，△ω/ω 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
S＝△f/△Vc
（4-12）
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
所示。振荡频率
f0
=
1 2πRC
。
4-7a RC 振荡电路
由图 4-7b，并联选频网络的反馈系数：
1
F& =
U& f U& o
=
R+
R // jωC
1 jωC
+
⎜⎜⎝⎛
R
//
1 jωC
⎟⎟⎠⎞
4-7b RC 并联选频网络
(4-8)
R // 1
AB = A *（F+ − F−）= A(
jωC
_ R1 )
＋VCC
Rb1
Rs
C3 A
Ccb c
A C3
C1
Cb
L
RL
Rb2
Re C2
b
Cce
C1
e
Reo
L RL
Cbe
Re
C2
B (a)
B (b)
图 4-5 克拉泼振荡电路
4-5 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： C3<<C1，C3<<C2。这样可使电路的振荡频率近似只与C3、L有关。同时，反馈系数只和C2与 C1的比值有关系，和频率无关，提高了频率稳定度，而且，C3越小，频率稳定性越好，但起 振也越困难。
起振条件是，振幅在平衡状态时，闭环增益等于 1。闭路总相移为零或者 2π 的整数倍。
在众多满足振幅和相位条件的振荡电路中，以 LC 三点式正弦波振荡应用最广泛，通常 又将其分为电容三点式振荡电路和电感三点式振荡电路。
2、衡量振荡器性能的主要技术指标有：
（1）中心频率：即振荡器输出信号的频率 f0 。对于一个简单的 LC 振荡器，理论上其