高频 振荡电路

振荡电路实验

121180166 赵琛

一．实验目的

1. 进一步学习掌握正弦波振荡电路的相关理论。

2. 掌握电容三点式LC振荡电路的基本原理，掌握电路中各元件的功能。

3. 掌握晶体振荡电路的基本原理，熟悉串联型和并联型晶体振荡器电路各自的特点，理解电路中各元件的功能。

4. 掌握静态工作点、正反馈系数、谐振回路的等效Q值对振荡器振荡幅度和频率的影响。

5. 比较LC振荡器和晶体振荡器的频率稳定度，加深对晶体振荡器频率稳定高原因的理解。

二、实验使用仪器

1．LC、晶体正弦波振荡电路实验板

2．200MH泰克双踪示波器

3. FLUKE万用表

4. 高频信号源

5. 频谱分析仪（安泰信）

6. SP312B型高频计数器

三、实验基本原理与电路

1. LC振荡电路的基本原理

LC振荡器实质上是满足振荡条件的正反馈放大器。LC振荡器的振荡回路由LC元件组成。从交流等效电路可知：由LC振荡回路引出三个端子，分别接晶体管的三个电极，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～1GHz。

普通电容三点式振荡器的振荡频率不仅与谐振回路的LC元件的值有关，而且还与晶

体管的输入电容i C 以及输出电容o C 有关。当工作环境改变或更换管子时，振荡频率及其稳定性就要受到影响。为减小i C 、o C 的影响，提高振荡器的频率稳定度，提出了改进型电容三点式振荡电路——串联改进型克拉泼电路、并联改进型西勒电路，分别如图4-1和4-2所示。

串联改进型电容三点式振荡电路——克拉泼电路的振荡频率为：

∑

=

LC 10ω

其中∑C 由下式决定

i

o C C C C C C ++++=∑211111 其中0,i C C 分别是晶体管的输入和输出电容。

选C C >>1，C C >>2时，C C -∑~

，振荡频率0ω可近似写成 LC

10≈

ω

这就使0ω几乎与o C 和i C 值无关，提高了频率稳定度。 振荡幅度取决于折合到晶体管ce 端的电阻'R ，可以推出：

2

1

3021240021LC Q

C L LQ R n 'R ⋅=≅

=ωωω 由上式看出，1C 、2C 过大时，R '变得很小，相当于晶体管的集电极带了一个很重的负载，会使晶体管构成的放大器电压增益显著降低，振幅明显下降。还可看出，R '同振荡器0ω的三次方成反比，当减小电容C 以提高频率0ω时，R '的值急剧下降，振荡幅度显著下降，甚至会停振。另外，用作频率可调的振荡器时，振荡幅度随频率增加而下降，在波

图4-1克拉泼振荡电路

C L

C

C L

图4-2西勒振荡电路

段范围内幅度不平稳，因此，频率覆盖系数（在频率可调的振荡器中，高端频率和低端频率之比称为频率覆盖系数）不大，约为3.1~2.1。

并联改进型电容三点式振荡电路——西勒电路回路谐振频率0ω为

∑

=

LC 10ω

其中，回路总电容∑C 为

3

211

111

C C C C C C C i o +

++++

=∑

选C C >>1，C C >>2时，3C C C +≅∑，这就使0ω值几乎与o C 和i C 无关，提高了频率稳定度。

折合到晶体管输出端的谐振电阻R '

L Q n R n R 022'ω==

其中接入系数n 和C 无关，当改变C 时，n 、L 、Q 都是常数，则R '仅随0ω一次方增长，易于起振，振荡幅度增加，使在波段范围内幅度比较平稳，频率覆盖系数较大，可达1.6~1.8。另外，西勒电路频率稳定性好，振荡频率可以较高。

2. 晶体振荡电路的基本原理

石英晶体振荡器电路可以分为串联型的和并联型的石英晶体振荡电路。

并联型的石英晶体振荡电路就是以石英晶体谐振器取代LC 振荡器中构成谐振回路的电感，电容元件所组成的正弦波振荡器，它的频率稳定度可达1010- 到1110-数量级，所以得到极为广泛的应用。它之所以具有极高的频率稳定度，其关键是采用了石英晶体这种具有高Q 值的谐振元件。

由石英谐振器（石英晶体振子）构成的振荡电路通常叫“晶振电路”。从晶体在电路中的作用来看分两类：一类是工作在晶体并联谐振频率附近，晶体等效为电感的情况，叫做“并联晶振电路”。另一类是工作在晶体串联谐振频率附近，晶体近于短路的情况，叫做“串联晶振电路”。

本实验采用“并联晶振电路”这种电路由晶体与外接电容器或线圈构成并联谐振回路，按三点线路的连接原则组成振荡器，晶体等效为电感。在理论上可以构成三种类型基本电路，但在实际应用中常用的是如图4-3所示的电路，称“皮尔斯”电路。这种电路不需外接线圈，而且频率稳定度较高。

1

1

图4-3 并联晶体振荡器原理电路图图4-4 并联晶体振荡器实例

图4-4给出了这种电路的实例。这里，晶体等效为电感，晶体与外接电容（包括4.5／20pF

与20pF两个小电容）和

1

C、

2

C组成并联回路，其振荡频率应落在

p

f与

s

f之间。

图4-5是图4-4中谐振回路的等效电路。

该谐振回路的电感就是

q

L，而谐振回路的总电容

应由

q

C、

C及外接电容C、

1

C、

2

C组合而成。

∑

C由下式决定，即图4-5 图4-4的交流等效电路

2

1

01

1

1

1

1

1

1

C

C

C

C

C

C

q

+

+

+

+

=

∑

选择电容时，

1

C

C<<，

2

C

C<<，因此上式可近似为

C

C

C

C

q

+

+

-

∑0

1

1

~

1

C

C

C

C

C

C

C

q

q

+

+

+

=

∑

)

(

所以

C

C

C

C

C

C

L

f

q

q

q+

+

+

⋅

=

0)

(

2

1

π

f总是处在

p

f与

s

f两频率之间，调节C可使

f产生很微小的变动。无论怎样调节C，0

f总是处于晶体

p

f与

s

f的两频率之间。但是，只有在

p

f附近，晶体才具有并联谐振回路的特点。

1