实验3  电容三点式LC振荡器

一、实验准备

1．做本实验时应具备的知识点：

l  三点式LC振荡器

l  西勒和克拉泼电路

l  电源电压、耦合电容、反馈系数、等效Q值对振荡器工作的影响

2．做本实验时所用到的仪器：

l  LC振荡器模块

l  双踪示波器

l  万用表

二、实验目的

1．熟悉电子元器件和高频电子线路实验系统；

    2．掌握电容三点式LC振荡电路的基本原理，熟悉其各元件功能；

    3．熟悉静态工作点、耦合电容、反馈系数、等效Q值对振荡器振荡幅度和频率的影响；

4．熟悉负载变化对振荡器振荡幅度的影响。

三、实验电路基本原理

1.概述

ＬＣ振荡器实质上是满足振荡条件的正反馈放大器。ＬＣ振荡器是指振荡回路是由ＬＣ元件组成的。从交流等效电路可知：由ＬＣ振荡回路引出三个端子，分别接振荡管的三个电极，而构成反馈式自激振荡器，因而又称为三点式振荡器。如果反馈电压取自分压电感，则称为电感反馈ＬＣ振荡器或电感三点式振荡器；如果反馈电压取自分压电容，则称为电容反馈ＬＣ振荡器或电容三点式振荡器。

在几种基本高频振荡回路中，电容反馈ＬＣ振荡器具有较好的振荡波形和稳定度，电路形式简单，适于在较高的频段工作，尤其是以晶体管极间分布电容构成反馈支路时其振荡频率可高达几百ＭＨＺ～ＧＨＺ。

2.ＬＣ振荡器的起振条件

一个振荡器能否起振，主要取决于振荡电路自激振荡的两个基本条件，即：振幅起振平衡条件和相位平衡条件。

3.LC振荡器的频率稳定度

频率稳定度表示：在一定时间或一定温度、电压等变化范围内振荡频率的相对变化程度，常用表达式：Δf_０／f_０来表示（f_０为所选择的测试频率；Δf_０为振荡频率的频率误差，Δf_０＝f_０２－f_０１；f_０２和f_０１为不同时刻的f_０），频率相对变化量越小，表明振荡频率的稳定度越高。由于振荡回路的元件是决定频率的主要因素，所以要提高频率稳定度，就要设法提高振荡回路的标准性，除了采用高稳定和高Q值的回路电容和电感外，其振荡管可以采用部分接入，以减小晶体管极间电容和分布电容对振荡回路的影响，还可采用负温度系数元件实现温度补偿。

4.LC振荡器的调整和参数选择

以实验采用改进型电容三点振荡电路（西勒电路）为例，交流等效电路如图3-1所示。

 

图3-1  电容三点式LC振荡器交流等效电路

(1)静态工作点的调整

合理选择振荡管的静态工作点，对振荡器工作的稳定性及波形的好坏，有一定的影响，偏置电路一般采用分压式电路。

当振荡器稳定工作时，振荡管工作在非线性状态，通常是依靠晶体管本身的非线性实现稳幅。若选择晶体管进入饱和区来实现稳幅，则将使振荡回路的等效Q值降低，输出波形变差，频率稳定度降低。因此，一般在小功率振荡器中总是使静态工作点远离饱和区，靠近截止区。

（2）振荡频率f的计算

       f=

式中C_T为C₁、C₂和C₃的串联值，因C₁（300p）>>C₃(75p),C₂(1000P)>>C₃(75p)，故C_T≈C₃，所以，振荡频率主要由L、C和C₃决定。

(3) 反馈系数F的选择

F=

    反馈系数F不宜过大或过小，一般经验数据F≈0.1～0.5,本实验取F=

5.克拉泼和西勒振荡电路

图3-2为串联改进型电容三点式振荡电路——克拉泼振荡电路。

图3-3为并联改进型电容三点式振荡电路——西勒振荡电路。

图3-2 克拉泼振荡电路                    图3-3 西勒振荡电路

6．电容三点式LC振荡器实验电路

   电容三点式LC振荡器实验电路如图3-4所示。图中3K05打到“S”位置（左侧）时

图3-4  LC振荡器实验电路

为改进型克拉泼振荡电路，打到“P”位置（右侧）时，为改进型西勒振荡电路。3K01、3K02、3K03、3K04控制回路电容的变化。调整3W01可改变振荡器三极管的电源电压。3Q02为射极跟随器。3TP02为输出测量点，3TP01为振荡器直流电压测量点。3W02用来改变输出幅度。

四、实验内容

    1．用示波器观察振荡器输出波形，测量振荡器电压峰—峰值V_P-P，并以频率计测量振荡频率。

    2．测量振荡器的幅频特性。

    3．测量电源电压变化对振荡器频率的影响。

五、实验步骤

    1．实验准备

插装好LC振荡器模块，按下开关3K1接通电源，即可开始实验。

    2．西勒振荡电路幅频特性的测量

示波器接3TP02，频率计接振荡器输出口3V01。电位器3W02反时针调到底，使输出最大。开关3K05拨至右侧，此时振荡电路为西勒电路。3K01、3K02、3K03、3K04分别控制3C06（10P）、3C07（50P）、3C08（100P）、3C09（200P）是否接入电路，开关往上拨为接通，往下拨为断开。四个开关接通的不同组合，可以控制电容的变化。例如3K01、3K02往上拨，其接入电路的电容为10P+50P=60P。按照表3-1电容的变化测出与电容相对应的振荡频率和输出电压（峰一峰值V_P-P），并将测量结果记于表中。

表3-1

注：如果在开关转换过程中使振荡器停振无输出，可调整3W01，使之恢复振荡。

    3．克拉泼振荡电路幅频特性的测量

将开关3K05拨至左侧，振荡电路转换为克拉泼电路。按照上述方法，测出振荡频率和输出电压，并将测量结果记于表3-1中。

    4．波段覆盖系数的测量

波段覆盖即调谐振荡器的频率范围，此范围的大小，通常以波段覆盖系数K表示：

测量方法：根据测量的幅频特性，以输出电压最大点的频率为基准，即为一边界频率，再找出输出电压下降至处的频率，即为另一边界频率，如图3-5、图3-6所示，再由公式求出K。

     

图3-5                               图3-6

    5．测量电源电压变化对振荡器频率的影响

分别将开关3K05打至左测（S）和右侧（P）位置，改变电源电压E_C，测出不同E_C下的振荡频率。并将测量结果记于表3-2中。

其方法是：频率计接振荡器输出3P01，电位器3W02反时计调到底，选定回路电容为50P。即3K02往上拨。用三用表直流电压档测3TP01测量点电压，按照表3-2给出的电压值Ec，调整3W01电位器，分别测出与电压相对应的频率。表中△f为改变Ec时振荡频率的偏移，假定Ec=10.5V时 ,△f=0，则△f=f-f_10.5V。

表3-2

    6．8.8MHZ频率的调整

在用各个模块构成无线收、发系统时，需要用到LC振荡器模块，作为接收系统中的本振信号。此时振荡频率需要8.8MHZ左右，如何得到8.8MHZ左右的频率，其方法如下：

（1）振荡电路为西勒电路时（3K05往右），3K01、3K02、3K03、3K04四个开关全部往下拨，此时输出的振荡频率为8.8MHZ左右。如果频率高于8.8MHZ，可将3K01往上拨，这样频率可以降低。

（2）振荡电路为克拉泼电路时（3K05往左），3K02、3K03接通（往上拨），此时输出振荡频率为8.8MHz左右。如果频率相差太大，可调整四个开关的位置。

六、实验报告

1．根据测试数据，分别绘制西勒振荡器，克拉泼振荡器的幅频特性曲线，并进行分析比较。

2．根据测试数据，计算频率稳定度，分别绘制克拉泼振荡器、西勒振荡器的

曲线。

3．对实验中出现的问题进行分析判断。

4．总结由本实验所获提的体会。

实验心得：

通过本次实验，我们逐渐熟悉了电子元器件和高频电子线路试验系统，基本掌握了电容三点式LC震荡电路的基本原理，熟悉其各元件的功能，熟悉了静态工作点、耦合电容、反馈系数；等效Q值对振荡器震荡幅度和频率的影响，熟悉负载变化对振荡器振幅度的影响。

本次的自己亲自动手操作，是我们更加形象的理解了书本上那些纯理论的知识，我们的学习变的更加轻松，同时也深深的体会到了科学世界的神奇魅力。大大增加了我们的学习热情。

第二篇：实验二 LC电容反馈式三点式振荡器

实验二  LC电容反馈式三点式振荡器

一、           实验目的

1. 熟悉电容三点式振荡器（考毕兹电路）、改进型电容三点式振荡器（克拉泼电路及西勒电路）的电路特点、结构及工作原理。

2. 掌握振荡器静态工作点调整方法。

3. 熟悉频率计、示波器等仪器的使用方法。

二、           预习要求

1.  复习LC振荡器的工作原理。

2.  分析图1电路的工作原理，及各元件的作用。结合图2的等效电路，思考怎样跳线连接，才能构成三种不同的电容三点式振荡电路。

三、           实验仪器设备

1.  双踪示波器

2.  频率计

3.  万用表

4.  TPE-GP5通用实验平台

5.  G1N实验模块

四、           实验原理及电路简介：

1.  实验原理：

振荡器是一种在没有外来信号的作用下，能自动地将直流电源的能量转换为一定波形的交变振荡能量的装置。根据振荡器的特性，可将振荡器分为反馈式振荡器和负阻式振荡器两大类，LC振荡器属于反馈式振荡器。工作时它应满足两个条件：

(1) 相位条件：反馈信号必须与输入信号同相，以保证电路是正反馈电路，即电路的总相移Σφ=φ_k+φ_F=n×360⁰。

(2) 振幅条件：反馈信号的振幅应大于或等于输入信号的振幅，即│?F?│≥1，式中?为放大倍数，F为反馈系数。

当振荡器接通电源后，电路中存在着各种电的扰动（如热噪声、晶体管电流的突变等），它们就是振荡器起振的初始激励。经过电路放大和正反馈的作用，它们的幅度会得到不断的加强。同时，由于电路中LC谐振回路的选频作用，只有等于其谐振频率的电压分量满足振荡条件，最终形成了单一频率的振荡信号。

2.  电路特点：

图1为实验电路，V1001及周边元件构成了电容反馈振荡电路及石英晶体振荡电路。V1002构成射极输出器。S1001、S1002、S1003、J1001分别连接在不同位置时，就可分别构成考毕兹、克拉泼和西勒三种不同的LC振荡器以及石英晶体振荡器。

3.  思路提示：

图2给出了几种振荡电路的交流等效电路图。

图2(a)是考毕兹电路，是电容三点式振荡电路的基本形式， 可以看出晶体管的输出、输入电容分别与回路电容C1、C2相并联（为叙述方便，图中C1001、C1002等均以C1、C2表示，其余类推），当工作环境改变时，就会影响振荡频率

 (a) 考毕兹电路        (b)克拉泼电路          (c)西勒电路      (d)皮尔斯电路

                图2  几种振荡电路计入Co、Ci时的交流等效电路

及其稳定性。加大C1、C2的容值可以减弱由于Co、Ci的变化对振荡频率的影响，但在频率较高时，过分增加C1、C2，必然减小L的值（以维持震荡频率不变），从而导致回路Q值下降，振荡幅度下降，甚至停振。

图2(b)为克拉泼电路，回路电容1/C_Σ=1/C₃+1/(C₂+C_i)+1/(C₁+C_o)，因C₃<<C₁、C₃<<C₂，1/C_Σ≈1/C₃， 即C_Σ≈C₃， 故：    回路电容主要取决于C₃，从而使晶体管极间电容的影响降低。但应注意的是：C₃改变，接入系数改变，等效到输出端的负载电阻R_L也将随之改变，放大器的增益也会将发生改变，即C₃↓→R_L ↓→增益↓，有可能因环路增益不足而停振。

图2(c)为西勒电路，同样有C₃<<C₁、C₃<<C₂，故C_Σ≈C₃+C₄，振荡频率为：

                      

而接入系数为：  由于C₄的接入并不影响接入系数，故对增益影响较小，这样不仅使电路的频率稳定性提高了，而且使得频率覆盖范围扩大。

图2(d)所示的是并联晶体振荡器（皮尔斯电路），该电路的振荡频率近似为晶体的标称频率，C₅可以减小晶体管与晶体之间的耦合作用。

五、           实验内容与方法：

1.  实验内容：

(1) 分析电路结构，正确连接电路，使电路分别构成三种不同的振荡电路。

(2) 研究反馈大小及工作点对考毕兹电路振荡频率、幅度及波形的影响。

(3) 研究克拉泼电路中电容C_1003-1、C _1003-2、C_1003-3对振荡频率及幅度的影响。

(4) 研究西勒电路中电容C₁₀₀₄对振荡频率及幅度的影响。

2.  实验方法：

取出G1N模块，并将其正确固定在TPE-GP5通用实验平台的实验区上。

(1) 考毕兹电路：

a)  利用跳线端子将实验电路连接成考毕兹电路。

S1001        开路

S1002        按需要接入C1002的值

S1003        接C1003-4(1000P)

S1004        开路

b)  调整静态工作点，使Ue分别为1V、1.5V、2V时，测量C1=200pf、C1002=1000pf的幅度、频率及波形。

c)  固定Ue=1V，C1=200pf，改变C1002的值，测量幅度、频率计波形。

问题：分析比较测量数据，可以得出什么结论？

(2) 克拉泼电路：

a)  利用跳线端子将实验电路连接成克拉泼电路。

S1001        开路

S1002        接入C1002-3=1000pf

S1003        按需要接入C1003的值

S1004        开路

b)  固定Ue=1.5V，C1001=200pf，C1002-3=1000pf，改变C1003的数值测量幅度、频率及波形。

问题：分析比较测量数据，可以得出什么结论？

(3) 西勒电路：

a)  利用跳线端子将实验电路连接成西勒电路。

S1001        开路

S1002        C1002-3(1000pf)

S1003        C1003-2(62pf)

S1004        按需要接入C1004的值

b)  固定Ue=2V，C1001=200pf，C1002-3=1000pf，改变C1004的数值测量幅度、频率及波形。

         

问题：分析比较测量数据，可以得出什么结论？

六、           实验报告要求

    1.写明实验目的。

    2.写明实验所用仪器设备。

    3.画出实验电路的交流等效电路。