高頻實驗報告（三）——電容三點式振蕩器與變容二極管直接調頻電路設計成員座位號16實驗時間周一上午目錄一、 實驗目的 3二、 實驗原理 32.1 電容三點式振蕩器基本原理 32.2 變容二極管調頻原理 52.3 寄生調制現象 82.4 主要性能參數及其測試方法 9三、 實驗內容 10四、 實驗參數設計 11五、 實驗參數測試 14六、 思考題 15實驗目的掌握電容三點式LC振蕩電路的基本原理。掌握電容三點式LC振蕩電路的工程設計方法。了解高頻電路中分布參數的影響及高頻電路的測量方法。熟悉靜態工作點、反饋系數、等效Q值對振蕩器振蕩幅度和頻譜純度的影響。掌握變容二極管調頻電路基本原理、調頻基本參數及特性曲線的測量方法。實驗原理電容三點式振蕩器基本原理電容三點式振蕩器基本結構如圖所示：圖3.1電容三點式振蕩器基本結構在諧振頻率上，必有X1+X2+X3=0，由于晶體管的vb與vc反相，而根據振蕩器的振蕩條件|T|=1，規定vbe＝－vce，即iX1=iX2，所以規定X1與X2為同性質的電抗。綜合上述兩個條件，可以得到晶體管LC振蕩器的一般構成法則如下：在發射極上連接的兩個電抗為同性質電抗，另一個為異性質電抗。原理電路如圖3.2所示：圖3.2原理電路共基極實際電路如圖3.3所示：圖3.3共基極實際電路求的等效電路如下圖3.4的等效電路其中：（3-1）為諧振回路導納，Q0為回路固有品質因數。回路諧振時有：（3-2）（3-3）是諧振回路廣義失諧其中：以上討論中，忽略Cob的影響。振幅起振條件：，（3-4）即，（3-5）運用小信號等效電路分析，可以將起振條件表達為（3-6）其中：（3-7）可得到振幅起振條件（3-8）考慮到將上式改寫為（3-9）相位起振條件：（3-10）亦即：（3-11）當忽略等參數影響時，上述條件實際就是。此時，振蕩頻率為：（3-12）精確推導振蕩頻率需要解方程。實際的振蕩頻率略高于。由于共基接法的晶體管電路，其頻率響應要明顯高于共發射極電路，所以此接法的晶體管振蕩電路的振蕩頻率可以高于共發射極接法電路，在實際使用中多采用此電路。變容二極管調頻原理實現調頻的方法有兩大類，即直接調頻與間接調頻。LC調頻振蕩器是直接調頻電路。直接調頻的基本原理是運用調制信號直接線性地改變載波振蕩的瞬時頻率。假如受控振蕩器是產生正弦波的LC振蕩器，則振蕩頻率重要取決于諧振回路的電感和電容。將受到調制信號控制的可變電抗與諧振回路連接，就可以使振蕩頻率按調制信號的規律變化，實現直接調頻。可變電抗器件的種類很多，其中應用最廣的是變容二極管，作為電壓控制的可變電容元件，它有工作頻率高、損耗小和使用方便等優點。本實驗采用變容二極管直接調頻電路。變容二極管的Cj-v特性曲線如圖3.5所示。（3-13）Cj0是二極管在零偏壓時的結電容v是加在二極管兩端的反向電壓VD是二極管PN結的勢壘電壓γ是變容二極管的變容指數，普通PN結，超突變結γ=1～5。γ與頻偏的大小有關(在小頻偏情況下，選γ＝1的變容二極管可近似實現線性調頻)；在大頻偏情況下，必須選γ=2的超突變結變容二極管，才干實現較好的線性調頻)；v為變容管兩端所加的反向電壓。（3-14）圖3.5變容二極管的Cj-v特性曲線典型變容二極管直接調頻電路如圖所示：L、C1、C2構成電容三點式振蕩電路，C3、D與C1、C2并聯，調頻電路由變容二極管D及耦合電容C3組成。R1與R2為變容二極管提供靜態時的反向直流偏置電壓，即。變容二極管上疊加有直流偏置電壓VDQ與調制信號電壓。高頻扼流圈L1阻斷振蕩器信號對調制信號的干擾。圖3.6電容三點式振蕩電路加入調制信號＝后，變容二極管節電容為（3-15）（3-16），為結電容調制度。假定C3很大，又有，則可認為變容二極管電容為回路總電容。（3-17）式稱為變容二極管的調制特性方程，顯然，當采用γ=2的超突變結變容二極管，能實現較好的線性調頻。其中，是處在靜態工作點時的振蕩頻率。變容管作為振蕩回路總電容時，它的最大優點是調制信號變化能力強，即調頻靈敏度高，較小的M值就能產生較大的相對頻偏。但同時，因溫度等外界因素變化引起VQ變化時，導致載波頻率的不穩定也必然相對地增大。并且振蕩回路上的高頻電壓又所有加到變容管上。為了克服這些缺陷，在直接調頻的LC正弦振蕩電路中，一般都采用變容管部分接入的振蕩回路。圖中當C3較小，與Cj相比不可忽略時，變容二極管部分接入。圖3.6變容二極管部分回路總電容為（3-18）振蕩頻率（3-19）冪級數展開，取到2次項，有（3-20）其中（3-21）部分接入后的最大頻偏為（3-22）與非部分接入的相比，可等效成變容二極管的變容指數下降為（3-23）所以，部分接入的電路規定變容二極管的變容指數大于2。部分接入的優點是穩定性提高，可以減小寄生調制效應，從而減小調制失真。缺陷是調制靈敏度下降。寄生調制現象高頻電壓加在變容二極管兩端，導致在高頻電壓一周內結電容的變化，使得振蕩波形不對稱，稱為寄生調制實際電路中，采用變容二極管反向串聯，所以由于高頻載波電壓導致的電容變化互相抵消，可以減輕寄生調制效應。圖3.7寄生調制消除電路重要性能參數及其測試方法實驗測量電路如圖3.8：圖3.8測量電路1．中心頻率LC振蕩器的輸出頻率稱為中心頻率或載波頻率。用數字示波器監測振蕩波形。同時測量回路的諧振頻率，諧振電壓，測試點如圖3.8所示，在A點、C點及射級輸出端分別測量電壓、波形和頻率；研究示波器的接入對電路產生的影響。2．頻率穩定度主振頻率的相對穩定性用頻率穩定度表達。雖然調頻信號的瞬時頻率隨調制信號改變，但這種變化是以穩定的載頻為基準的。若載頻不穩，則有也許使調頻信號的頻譜落到接受機通帶之外。因此，對于調頻電路，不僅要滿足一定頻偏規定，并且振蕩頻率必須保持足夠高的頻率穩定度。電容三點式改善型電路，其可達。測量頻率穩定度的方法是，在一定的時間范圍(如1小時)內或溫度范圍內每隔幾分鐘讀一個頻率值，然后取其范圍內的最大值與最小值，則頻率穩定度小時 (3-24)3．最大頻偏指在一定的調制電壓作用下所能達成的最大頻率偏移值，稱為相對頻偏。用于調頻廣播、電視伴音、移動式電臺等的相對頻偏較小，一般，頻偏在50kHz~75kHz內。最大線性頻偏 (3-25)M越大，頻偏越大4．調制靈敏度(3-26)3、4兩項可采用描繪變容二極管變頻曲線的方法來測試。下面介紹一種變容二極管測量方法。變容二極管的特性曲線Cj-v如圖3.5所示。變容二極管的性能參數、、及Q點處的斜率kc等可以通過Cj-v特性曲線估算。測量Cj-v曲線的方法如下：先不接變容二極管，用數字示波器測量射級跟隨器的輸出信號頻率；再接入C5、變容管D1，D2及其偏置電路，其中電位器R6用來改變變容管的靜態直流偏壓，測出不同時相應的輸出頻率。由式(3-5)或下式計算相應的回路總電容，即(3-27)再由式(3-7)計算變容管的結電容Cj。然后將VQ與Cj的相應數據列表并繪制Cj-v曲線。不同型號的變容管，其Cj-v曲線相差較大，性能參數也不相同。使用前一定要測量(或查閱手冊)變容管的Cj-v曲線，得到工作點Q處的斜率式。實驗內容設計一LC高頻振蕩器與變容二極管調頻電路。LC調頻振蕩器已知條件：+Vcc=+9V，高頻三極管Q2N3904，變容二極管，調制信號峰峰值1V。重要技術指標：中心頻率=90MHz，頻率穩定度≤5×10-4/小時，主振級的輸出電壓Vo≥3V，調制靈敏度≥10kHz／V，最大頻偏=20kHz。圖3.10實驗電路環節：按照選定的實驗電路，分別設計90Mhz及27Mhz的振蕩器電路。根據上述設計的參數，在實驗板上插入相應的器件。通電后通過測量R3上的直流壓降來監視靜態工作點電流。假如靜態工作點不正常，必須排除故障后才干進行以下的測量。觀測并測量靜態工作點、等效Q值、反饋系數等因素對振蕩器振蕩幅度和頻譜純度的影響。設計二極管直接調頻電路。測量調頻電路基本參數及變容二極管特性曲線實驗參數設計1．擬定電路形式，設立靜態工作點；交流等效電路如下：取IEQ=1mA，這里取電路靜態工作點由下式擬定：取, 實驗時，為了能相對較大地調整靜態工作點，適當將取大，取=33k，=1.5k，由18k電阻和47k電位器串連，以便調整靜態工作點。2．計算主振回路元件值：根據電感L1的值以及電容三點式振蕩器的起振條件，選擇合適的諧振電容C2和C3，其中為電路規定的振蕩頻率，為電路空載時的品質系數。電路的負載導納，一般在105，可忽略。振蕩器輸出一般接設計跟隨器，阻抗很大，一般在105，可忽略。這樣可得，其中相比較，也可忽略，所以可以認為由起振條件得：＝則可得起振條件顯然在很寬得范圍內都可滿足起振條件，一般情況下，取＝1/（2～8）當振蕩頻率為37.7MHz由于振蕩器諧振頻率實際電感取值為0.9uH，已知則取＝1/4，由于從而求得，實際取，，采用固定電容和可調電容并聯方式，以便調節。當振蕩頻率為90MHz由于振蕩器諧振頻率實際電感取值為0.2uH，已知則取＝1/4，由于從而求得，實際取，，采用固定電容和可調電容并聯方式，以便調節。實驗參數測試當f＝37.7Mhz時，測得Vopp=3.04V振蕩頻率f0=37.68～37.70Mhz頻率穩定度：當f＝90Mhz時，測得Vopp=2.26V振蕩頻率f0=90.02～90.78Mhz頻率穩定度：3、變容二極管直接調頻電路電壓頻率0.40187.730.75289.361.5191.842.0594.512.3898.693.04101.483.57102.364.05103.004.33103.594.91103.785.52104.566.00103.646.47105.116.69105.597.38106.057.98106.388.43106.55用matlab擬合以后圖形如下：思考題1．LC振蕩器的靜態工作點在(0.5～4)mA之間變化時，輸出頻率，輸出電壓Vo及振蕩波形有何變化?為什么?用實驗說明。答：一方面，對于頻率，隨著Ic的增大，頻率呈下降趨勢。但是在實驗中，我們發現這種影響不是很大，對于頻率的影響重要來自電路中的電感和電容。第二，對于輸出電壓Vo則隨靜態工作點的增大顯現出上升趨勢，這是由于，隨著Ic的增大，也增大，進而使得增大。但當Ic增大到一定限度時，由于受晶體管放大器動態范圍的限制，使波形失真加重，頻率穩定性變差，甚至會出現限幅失真。此時，|Ａ|會隨著輸出電壓幅度的增大而下降，當時，振蕩器達成平衡，輸出幅度最終穩定。當靜態工作點電流增大時，|Ａ|變大，而F不變，最終輸出峰峰值會變大。實際的振蕩電路在中心頻率擬定之后，其振幅的增長重要是靠提高振蕩管的靜態電流值，靜態電流越大，輸出幅度越大。但是假如靜態電流取得太大，不僅會出現波形失真現象，并且由于晶體管的輸入電阻變小同樣會使振蕩幅度變小。而在實驗中，我們通過調節電阻R3來調節靜態工作點，最后R3的選擇在幾百歐姆，小于實驗設計時的1.5KΩ的理論值，此時，輸出的峰峰值可以到達2.5V左右。2．反饋系數過大或過小時，對振蕩器起振有無影響?對輸出電壓的幅度有無影響?用實驗說明。答：根據實驗原理公式，反饋系數：，而起振條件是，由于不等式的右邊沒有最大值，所以，反饋系數過大或者過小，都可以使上式不成立，從而電路不滿足起振條件振蕩器停振。另一方面，對于輸出電壓，輸出幅度也受反饋系數的影響。在起振范圍內，由于在最大平坦下的輸出電壓將急劇下降。在實驗中改變反饋系數時，我們能觀測到輸出電壓有變化，反饋系數下降時，輸出電壓峰峰值略微增大。3．變容二極管的接入系數如過大或過小，對振蕩回路有何影響?用實驗說明。答：根據實驗原理公式，反饋系數：，而起振條件是，由于不等式的右邊沒有最大值，所以，反饋系數過大或者過小，都可以使上式不成立，從而電路不滿足起振條件振蕩器停振。另一方面，對于輸出電壓，輸出幅度也受反饋系數的影響。在起振范圍內，由于在最大平坦下的輸出電壓將急劇下降。在實驗中改變反饋系數時，我們能觀測到輸出電壓有變化，反饋系數下降時，輸出電壓峰峰值略微增大。4．影響載波頻率及輸出電壓Vo的重要因素有哪些?用實驗說明。答：根據實驗原理公式，反饋系數：，而起振條件是，由于不等式的右邊沒有最大值，所以，反饋系數過大或者過小，都可以使上式不成立，從而電路不滿足起振條件振蕩器停振。另一方面，對于輸出電壓，輸出幅度也受反饋系數的影響。在起振范圍內，由于在最大平坦下的輸出電壓將急劇下降。在實驗中改變反饋系數時，我們能觀測到輸出電壓有變化，反饋系數下降時，輸出電壓峰峰值略微增大。如何測量變容二極管的特性曲線，如何選擇靜態工作點Q，并擬定斜率?答：根據實驗原理公式，反饋系數：，而起振條件是，由于不等式的右邊沒有最大值，所以，反饋系數過大或者過小，都可以使上式不成立，從而電路不滿足起振條件振蕩器停振。另一方面，對于輸出電壓，輸出幅度也受反饋系數的影響。在起振范圍內，由于在最大平坦下的輸出電壓將急劇下降。在實驗中改變反饋系數時，我們能觀測到輸出電壓有變化，反饋系數下降時，輸出電壓峰峰值略微增大