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正弦波振荡器（LC 振荡器和晶体振荡器）实验一、实验目的1．掌握电容三点式LC 振荡电路和晶体振荡器的基本工作原理，熟悉其各元件的功能； 2．掌握LC 振荡器幅频特性的测量方法；3．熟悉电源电压变化对振荡器振荡幅度和频率的影响；通过实验进一步了解调幅的工作原理。
4．了解静态工作点对晶体振荡器工作的影响，感受晶体振荡器频率稳定度高的特点。
二、实验仪器1.100M 示波器 一台2.高频信号源 一台3.高频电子实验箱 一套三、实验电路原理1.基本原理振荡器是指在没有外加信号作用下的一种自动将直流电源的能量变换为一定波形的交变振荡能量的装置。
正弦波振荡器在电子技术领域中有着广泛的应用。
在信息传输系统的各种发射机中，就是把主振器（振荡器）所产生的载波，经过放大、调制而把信息发射出去的。
在超外差式的各种接收机中，是由振荡器产生一个本地振荡信号，送入混频器，才能将高频信号变成中频信号。
振荡器的种类很多。
从所采用的分析方法和振荡器的特性来看，可以把振荡器分为反馈式振荡器和负阻式振荡器两大类。
此实验只讨论反馈式振荡器。
根据振荡器所产生的波形，又可以把振荡器分为正弦波振荡器与非正弦波振荡器。
此实验只介绍正弦波振荡器。
常用正弦波振荡器主要由决定振荡频率的选频网络和维持振荡的正反馈放大器组成，这就是反馈振荡器。
按照选频网络所采用元件的不同，正弦波振荡器可分为LC 振荡器、RC 振荡器和晶体振荡器等类型。
（1）反馈型正弦波自激振荡器基本工作原理以互感反馈振荡器为例，分析反馈型正弦波自激振荡器的基本原理，其原理电路如图2-1所示。
b V bE cE -1L 2L f V bV '+-图 2-1反馈型正弦波自激振荡器原理电路当开关K 接“1”时，信号源b V 加到晶体管输入端，构成一个调谐放大器电路，集电极回路得到了一个放大了的信号F V 。
当开关K 接“2”时，信号源b V 不加入晶体管，输入晶体管是F V 的一部分b V '。
正弦波振荡器分析1．振荡器的振荡特性和相应特性如如下面图，试分析该振荡器的建立过程，并判定A、B两平衡点是否稳定。
解：依据振荡器的平衡稳定条件能够判定出A点是稳定平衡点，B点是不稳定平衡点。
因此，起始输进信号必须大于U iB振荡器才有可能起振。
图9.10 图2．具有自偏效应的相应振荡器如如下面图，从起振到平衡过程u BE波形如如下面图，试画出相应的i C和I c0波形。
解：相应的和波形如如下面图。
图9.12 图3．振荡电路如如下面图，试分析以下现象振荡器工作是否正常：〔1〕图中A点断开，振荡停振，用直流电压表测得V B＝3V，V E＝。
接通A点，振荡器有输出，测得直流电压V B＝，V E＝。
〔2〕振荡器振荡时，用示波器测得B点为余弦波，且E点波形为一余弦脉冲。
解：〔1〕A点断开，图示电路变为小信号谐振放大器，因此，用直流电压表测得V＝3V，V E＝。
当A点接通时，电路振荡，由图所示的振荡器从起振到平衡的过程B中能够瞧出，具有自偏效应的相应振荡器的偏置电压u BEQ，从起振时的大于零，等于零，直到平衡时的小于零〔也能够不小于零，但一定比停振时的u BEQ小〕，因此，测得直流电压V B＝，V E＝是正常的，讲明电路已振荡。
〔2〕是正常的，因为，振荡器振荡时，u be为余弦波，而i c或i e的波形为余弦脉冲，所示E点波形为一余弦脉冲。
4．试咨询仅用一只三用表，如何判定电路是否振荡？解：由上一题分析可知，通过测试三极管的偏置电压u BEQ即可判定电路是否起振。
短路谐振电感，令电路停振，要是三极管的静态偏置电压u BEQ增大，讲明电路差不多振荡，否那么电路未振荡。
5．一相应振荡器，假设将其静态偏置电压移至略小于导通电压处，试指出接通电源后应采取什么措施才能产生正弦波振荡，什么缘故？解：必须在基极加一个起始鼓舞信号，使电路起振，否那么，电路可不能振荡。
6．振荡电路如如下面图，试画出该电路的交流等效电路，标出变压器同名端位置；讲明该电路属于什么类型的振荡电路，有什么优点。
LC 正弦波振荡（虚拟实验）1、 电容三点式（1）121100,400,10C nF C nF L mH ===示波器频谱仪（2）121100,400,5C nF C nF L mH ===示波器频谱仪（3）121100,1,5C nF C F L mH μ===示波器频谱仪数据表格: （C1, C2, L1） （C 1，C 2，L 1） O U •i U •增益A 相位差 谐振频率f 0 测量值 理论值 测量值 理论值 （100nF,400nF,10mH ）5.972V1.486V44.0191806.025kHz5.627（100nF,400nF,5mH ） 4.698V 1.161V 4 4.047 180 7.995 kHz 7.958 （100nF,1uF,5mH ）7.116V711.458mV1010.0021807.897 kHz7.465实验数据与理论值间的差异分析:增益差别不大但谐振频率差别较大, 主要是由于读数是的精度有限造成的。
由于游标以格为单位, 因此读数时选取的幅值最大的点可能与实际有差, 因而谐振频率的测量也有误差。
2、 电感三点式（1）1225,100,200L mH L H C nF μ===示波器频谱仪（2）1225,100,100L mH L H C nF μ===示波器频谱仪（3）1222,100,100L mH L H C nF μ===示波器频谱仪数据表格:（L1, L2, C2）（L1，L2，C2）OU•(V)iU•(mV)增益A 相位差谐振频率f0测量值理论值测量值(kHz)理论值(kHz)（5mH,100uH,200nF） 4.497V 89.938mV 50.001 50 180 5.039kHz 4.983 （5mH,100uH,100nF） 4.504V 90.070 mV 50.005 50 180 7.010kHz7.047（2mH,100uH,100nF） 4.483V 224.150mV 20.000 20 180 10.951kHz10.983实验数据与理论值间的差异分析:误差均较小, 主要由于电路不够稳定以及读数精度造成。
第八章 正弦波振荡电路分析振荡产生的机理和条件，讨论正弦波振荡电路的一般结构和分析方法，介绍常见的RC 、LC 和石英晶体正弦波振荡电路的组成和工作原理。
第一节 正弦波振荡电路的基本原理一个放大电路通常在输入端外加信号时才有输出。
如果在它的输入端不外接信号的情况下，在输出端仍有一定频率和幅度的信号输出，这种现象就是放大电路的自激振荡。
自激振荡对于放大电路是有害的，它破坏了放大电路的正常工作状态，需要加以避免和消除。
但在振荡电路中，自激却是有益的。
对于自激振荡的频率和幅度加以选择和控制，就可构成正弦波振荡器。
振荡电路既然不需外接输入信号，那么它的输出信号从何而来？这就是我们要讨论的振荡电路能产生自激振荡的原因和条件。
一、振荡的条件在图6－1中，A是放大电路，F 是反馈网络。
当将开关S 接在端点1上时，就是一般的开环放大电路，其输入信号电压为i U ，输出信号电压为o U 。
如果将输出信号o U 通过反馈网络反馈到输入端，反馈电压为f U ，并设法使f U＝i U ，即两者大小相等，相位相同。
那么，反馈电压f U就可以代替外加输入信号电压i U ，来维持输出o U 。
也就是说将开关S 接在端点2，除去外加信号而接上反馈信号，输出信号仍将保持不变，即不需输入而靠反馈来自动维持输出。
这时，放大器就变为自激振荡器了。
由以上的讨论可知，要维持自激振荡，必须满足f U＝i U ，即反馈信号与输入信号大小相等，相位相同。
由于放大电路的开环电压放大倍数为i o A U U = o f F U U =若i f U U ＝，则F A＝o fi oU U U U ＝1（F A称为环路增益）。
因此，振荡电路维持自激振荡的条件是：F A＝１ 即F A＝１称为幅值平衡条件。
其物理意义为：信号经放大电路和反馈网络构成的闭环回路后，幅值保持不变，既无增加也无衰减。
f a ϕϕ＋＝2n π（n ＝0，1，2……）称为相位平衡条件。
正弦波振荡电路是一种电路设计，能够产生稳定的正弦波输出。
为了实现振荡，正弦波振荡电路需要满足以下条件：
放大增益条件：振荡电路中的放大器必须具有足够的放大增益。
放大器将输入信号放大，并将一部分输出信号反馈到输入端，以维持振荡。
放大增益必须大于1，以补偿电路的损耗和反馈信号的衰减。
正反馈条件：振荡电路需要具有正反馈回路。
正反馈会将一部分输出信号反馈到输入端，形成自激振荡。
反馈信号必须足够强以保持振荡。
相位条件：正弦波振荡电路的反馈回路必须具有相位延迟为360度的特性。
相位延迟确保反馈信号与输入信号同相或反相，从而维持振荡的稳定性。
振荡频率条件：振荡电路的频率由电路元件和参数决定。
为了产生稳定的正弦波输出，电路的增益和相位特性必须在特定频率上产生正反馈。
振荡起始条件：振荡电路需要一定的启动条件，以开始振荡。
这可以通过外部信号或电路内部的初始扰动实现。
这些条件的具体实现方式和参数取决于所使用的正弦波振荡电路的类型和拓扑结构。
常见的正弦波振荡电路包括RC相移振荡器、LC谐振振荡器、晶体振荡器等。
每种电路都有其特定的振荡条件和设计要求。
正弦波振荡器分析1．振荡器的振荡特性和反馈特性如图9.10所示，试分析该振荡器的建立过程，并判断A、B两平衡点是否稳定。
解：根据振荡器的平衡稳定条件可以判断出A点是稳定平衡点，B点是不稳定平衡点。
因此，起始输入信号必须大于U iB振荡器才有可能起振。
图9.10 图9.112．具有自偏效应的反馈振荡器如图9.11所示，从起振到平衡过程u BE波形如图9.12所示，试画出相应的i C和I c0波形。
解：相应的和波形如图9.13所示。
图9.12 图9.13 3．振荡电路如图9.11所示，试分析下列现象振荡器工作是否正常：（1）图中A点断开，振荡停振，用直流电压表测得V B＝3V，V E＝2.3V。
接通A点，振荡器有输出，测得直流电压V B＝2.8V，V E＝2.5V。
（2）振荡器振荡时，用示波器测得B点为余弦波，且E点波形为一余弦脉冲。
解：（1）A点断开，图示电路变为小信号谐振放大器，因此，用直流电压表测得V＝3V，V E＝2.3V。
当A点接通时，电路振荡，由图9.12所示的振荡器从起振到平B衡的过程中可以看出，具有自偏效应的反馈振荡器的偏置电压u BEQ，从起振时的大于零，等于零，直到平衡时的小于零（也可以不小于零，但一定比停振时的u BEQ小），因此，测得直流电压V B＝2.8V，V E＝2.5V是正常的，说明电路已振荡。
（2）是正常的，因为，振荡器振荡时，u be为余弦波，而i c或i e的波形为余弦脉冲，所示E点波形为一余弦脉冲。
4．试问仅用一只三用表，如何判断电路是否振荡？解：由上一题分析可知，通过测试三极管的偏置电压u BEQ即可判断电路是否起振。
短路谐振电感，令电路停振，如果三极管的静态偏置电压u BEQ增大，说明电路已经振荡，否则电路未振荡。
5．一反馈振荡器，若将其静态偏置电压移至略小于导通电压处，试指出接通电源后应采取什么措施才能产生正弦波振荡，为什么？解：必须在基极加一个起始激励信号，使电路起振，否则，电路不会振荡。
6．振荡电路如图9.14所示，试画出该电路的交流等效电路，标出变压器同名端位置；说明该电路属于什么类型的振荡电路，有什么优点。
若L＝180μH，C2＝30pF，C的变化范围为20～270pF，求振荡器的最高和最低振荡频率。
1图9.14解：画交流通路时，只需将耦合电容、旁路电容短路，电源接地即可，如图9.15所示。
根据振荡器相位平衡条件，变压器的同名端标注的位置见图9.15。
该电路属于共基调射型变压器反馈式振荡器，具有结构简单、易起振、输出幅度较大、调节频率方便、调节频率时输出幅度变化不大和调整反馈时基本上不影响振荡频率等优点。
因为163.6（pF）43.9（pF）所以振荡器的最高振荡频率和最低振荡频率分别为）1.79（MHZ）0.93（MHZ7．试将图9.16所示变压器耦合反馈式振荡器交流通路画成实际振荡电路，并注明变压器的同名端。
解：参考的实际振荡电路如图9.17所示。
8．试从振荡的相位平衡条件出发，分析如图9.18所示的各振荡器的交流通路中的错误，并说明应如何改正。
解：图（a）为反馈式振荡器，同名端位置错误。
图（b）、（c）、（d）、（e）、（f）为三点式振荡器，不满足三点式振荡器组成原则。
改正后的交流通路（参考）如图11.19所示。
图9.18图9.199．电路如图9.20所示，已知L1＝40μH，L2＝15μH，M＝10μH，C＝470pF。
（1）画出其交流通路（偏置电路和负载电路可不画出），并用相位条件判别该电路能否振荡。
图中电容C B、C E、C C和C L为隔直、耦合或旁路电容。
（2）电路如能振荡，试指出电路类型，并计算振荡器的振荡频率f0。
（3）说明图中L3在电路中的作用。
解：（1）交流通路如图9.21所示。
该电路满足相位平衡条件，有可能振荡。
（2）电路类型为电感三点式振荡器，其振荡频率为（3）图中L3为高频扼流圈，对直流提供通路，可接近短路，对交流接近开路，从而减小这一支路对谐振回路的影响。
图9.20 图9.2110．画出图9.22所示振荡器的交流通路，指出电路的振荡类型，并估算其振荡频率。
图9.22解：交流通路如图9.23所示。
该电路为改进型电容三点式振荡器（西勒振荡器）。
（pF）（MH）Z图9.23 图9.2411．图9.24为三谐振回路振荡器的交流通路，设三回路的谐振频率分别为f01、f02和f03。
试分析在电路参数满足下述关系的情况下，该电路能否振荡？若能振荡，则属于哪种类型的振荡器？比较其振荡频率f0与f01、f02、f03的大小。
（1）L1C1＞L2C2＞L3C3；（2）L1C1=L2C2＜L3C3；（3）L2C2＞L3C3＞L1C1。
解：（1）能振荡，属电容三点式振荡器。
因为L1C1＞L2C2＞L3C3，则f01＜f02＜f03，当f01＜f02＜f0＜f03时，L1C1回路、L2C2回路都呈容性，L3C3呈感性，因此，电路能振荡。
（2）能振荡，属电感三点式振荡器。
因为L1C1=L2C2＜L3C3，则f01=f02＞f03，当f01=f02＞f0＞f03时，L1C1回路、L2C2回路都呈感性，L3C3呈容性，因此，电路能振荡。
（3）不能振荡。
12．试分析影响LC振荡器频率稳定度的原因及稳频措施。
解：（1）影响振荡器振荡频率变化的原因：温度、湿度、电源电压、负载的变化以及机械振动、元件器的老化、周围磁场等都会使振荡频率发生变化，而温度是其中最重要的因素。
这是因为LC振荡器的振荡频率主要取决于振荡回路的参数：电感L、电容C、品质因数Q e和串联损耗电阻r（其中主要的是L、C），而管子的参数和寄生参数对振荡频率也有一定的影响。
此外，电路中任一相位的变化（主要回路相位φ的变化），也会使振荡频率发生变化。
因此，温度、湿度、电源电压、负载的变化以及机械振动、元件器的老化、周围磁场等外部因素，都有可能引起决定振荡频率的回路元件参数（L、C、Q e、r）、管子的参数和相位（主要回路相位φ的变化）的变化，从而使振荡频率发生变化，后者是引起频率不稳定的内因。
（2）稳频措施为一是减少外界因素的变化。
例如，将振荡器或回路元件置于恒温槽内来减小温度的变化，采用密封工艺来减小湿度的变化，采用高稳定的稳压电源来减小电源电压的变化，采用减振装置来减小机械振动，采用屏蔽罩来减小周围磁场的影响，在振荡器与负载之间插入跟随器来减小负载变化等。
二是合理选择元器件。
例如，选择f T高且性能稳定可靠的振荡管，不但有利于起振（因在振荡频率上β较高），而且由于极间电容小，相移小，使振荡频率更接近回路的固有谐振频率，有利于提高频率稳定度；选择温度系数小、Q值高的回路电感L（如在高频瓷骨架上用烧渗银法制成的电感）和电容C，一方面使L和C在温度改变时变化很小，振荡频率的变化也很小，另一方面由于Q值高，其频率稳定度也高；采用贴片元器件，可减小分布参数的影响，有利于振荡频率的稳定。
此外，L一般具有正温度系数，若选用适当负温度系数的电容（如陶瓷电容器）进行温度补偿，就可以使温度改变时振荡频率的变化大大减小。
为了防止元器件老化带来的振荡频率变化，在组装电路前应对元器件进行老化处理。
三是合理设计振荡电路。
例如，减小管子与回路之间的耦合，如采用部分接入法，可有效减小管子参数和分布参数对回路的影响，使回路电感和电容变化小，且Q值下降很少，起到稳定振荡频率的作用；适当增加回路总电容，可减小管子的输入、输出电容在总电容中的比重，从而提高回路总电容的稳定性，则频率的稳定度也提高了；采用稳定静态工作点的偏置电路，可减小振荡管参数和工作状态的变化，也可使振荡频率的变化减小。
13．振荡电路如图9.25所示，已知L＝25μH，Q＝100，C1＝500pF，C2＝1000pF，C为可变电容，且调节范围为10～30pF，试求振荡器振荡频率f0的变化范围。
3解：此电路为克拉泼振荡器。
图9.2510（MH）Z5.8（MH）Z14．石英晶片的参数为：L q＝4H，C q＝9×10－2pF，C0＝3pF，r q＝100Ω，求：（1）串联谐振频率f s。
（2）并联谐振频率f p与f s相差多少，并求它们的相对频差。
）解：（1）（MHZ（2）0.269（MH）Zf－f s=0.269－0.265=0.004（MH Z）=4（kH Z）p或（kH）Z相对频差为1.5%）晶体振荡器，输出频率为15．如图9.26所示电路为五次泛音（晶体基频为1MHZ5MHz。
（1）试画出振荡器的交流等效电路；（2）说明LC回路的作用；（3）输出信号为什么要由V输出。
2图9.26 图9.27解：（1）振荡器的交流通路如图9.27所示。
（2）此电路为并联型晶体振荡器，晶体等效为一个大电感。
由L和C组成的并联谐振回路，其谐振频率为（MHZ）晶体的基频为1MHZ ，则振荡器若振荡在其五次泛音即5MHZ频率上，此时LC回路呈容性，符合振荡器的相位平衡条件。
（3）输出信号由V2的射极输出，是利用V2组成的射极输出器，起到隔离负载对电路影响的作用。
16．晶体振荡电路如图9.28所示，已知，，试分析电路能否振荡，若能振荡，试指出振荡频率f0与f1、f2之间的关系。
解：能振荡。
晶体振荡电路的交流通路如图9.29所示，可见，此电路如能振荡，一定为并联型晶体振荡器，即晶体等效为电感， L1C1并联回路呈容性，L2C2串联回路也必须呈容性。
这就要求f02＞f0＞f01。
图9.28 图9.2917．试分析图9.30所示电路能否产生正弦波振荡？若能产生振荡，其振荡频率是多少？图9.30解：在图（a）所示电路中，LC串联网络接在运放的输出端与同相输入端之间，引入反馈。
当f等于LC串联网络的谐振频率时，其阻抗最小，且呈纯电阻特性，电路将引入较深的正反馈。
调节R3，当正反馈作用强于R3引入的负反馈作用时，电路将产生正弦振荡。
振荡频率为图（b）所示电路中，LC并联网络引入负反馈，但是还有电阻R3接在运放输出端与同相输入端之间，引入正反馈。
对于频率等于LC并联谐振频率f0的信号，该网络发生并联谐振，阻抗最大，负反馈作用被削弱，若其作用比R3引入的正反馈弱，电路就可以产生正弦振荡。
其振荡频率为18．试判断图9.31所示各RC振荡电路中，哪些能振荡，哪些不能振荡，并改正错误使之能振荡。
图9.31解：由于一节RC移相网络移相不超过90°，三节RC移相网络移相不超过270°。
因此，图9.31（a）电路不能振荡，同相放大器加小于270°相移，不满足相位平发射极的输出电压衡条件，改正后见图9.32（a）；图9.31（b）电路可能振荡，V2基极的电压反相，三节RC移相网络可移相180°，满足相位平衡条件；图9.31与V1（c）电路不能振荡，差分对管组成同相放大器，三节RC移相网络的相移小于270°，不满足相位平衡条图9.32件，改正后见图9.32（c）；图9.31（d）电路不能振荡， RC串并联网络在时的相移为0°，必须与同相放大器一起才可构成振荡器，而 V1，V2组成反相放大器，可见电路不能振荡，改正后见图9.32（d）。
