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高频电路原理与分析实验报告组员：学号：班级：电子信息工程实验名称：正弦波振荡器指导教师：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；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．实验内容V ，1.用示波器观察LC振荡器和晶体振荡器输出波形，测量振荡器输出电压峰-峰值p p并以频率计测量振荡频率；2.测量LC振荡器的幅频特性；3.测量电源电压变化对振荡器的影响；4.观察并测量静态工作点变化对晶体振荡器工作的影响。
三、实验步骤1、实验准备插装好正弦振荡器与晶体管混频模块，接通实验箱电源，此时模块上电源指示灯和运行指示灯闪亮。
用鼠标点击显示屏，选择“实验项目”中的“高频原理实验”，然后再选择“振荡器实验”中的“LC振荡器实验”，显示屏会显示出LC振荡器原理实验图。
说明：电路图中各可调元件的调整，其方法是：用鼠标点击要调整的原件，模块上对应的指示灯点亮，然后滑动鼠标上的滑轮，即可调整该元件的参数。
利用模块上编码器调整与鼠标调整其效果完全相同。
用编码器调整的方法是：按动编码器，选择要调整的元件，模块上对应的指示灯点亮，然后旋转编码器旋钮，即可调整其参数。
我们建议采用鼠标调整，因为长时间采用编码器调整，可能会造成编码器损坏。
本实验箱中，各模块可调元件的调整，其方法与此完全相同，后面不再说明。
2、LC振荡实验（为防止晶体振荡器对LC振荡器的影响，应使晶振停振，即调2W3使晶振停振。
）（1）西勒振荡电路幅频特性测量用铆孔线将2P2与2P4相连，示波器接2TP5,频率计与2P5相连。
开关2K1拨至“p”（往下拨），此时振荡电路为西勒电路。
调整2W4使输出幅度最大。
（用鼠标点击2W4，且滑动鼠标滑轮来调整。
）调整2W2可调整变容管2D2的直流电压，从而改变变容管的电容，达到改变振荡器的振荡频率，变容官上电压最高时，变容管电容最小，此时输出频率最高。
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 '。
思考题与习题5.1 振荡器是一个能自动将直流电源提供的能量能量转换成交流能量的转换电路，所以说振荡器是一个能量转换器。
5.2 振荡器在起振初期工作在小信号甲类线性状态，因此晶体管可用小信号微变等效电路进行简化，达到等幅振荡时，放大器进入丙类工作状态。
5.3 一个正反馈振荡器必须满足三个条件：起振条件、平衡条件、稳定条件（3）正弦波振荡器的振幅起振条件是；T=A k f >1相位起振条件是2f T A k n ϕϕϕπ=+=;正弦波振荡器的振幅平衡条件是：T=A k f =1,相位平衡条件是：2f T A k n ϕϕϕπ=+=；正弦波振荡器的振幅平衡状态的稳定条件是：0i iAiV V T V =∂<∂，相位平衡状态的稳定条件是:0oscT ωωϕω=∂<∂。
5.4 LC 三点式振荡器电路组成原则是与发射极相连接的两个电抗元件必须性质相同，而不与发射极相连接的电抗元件与前者必须性质相反，且LC 回路满足0ce be cb x x x ++=的条件。
5.5 从能量的角度出发，分析振荡器能够产生振荡的实质。
解：LC 振荡回路振荡在进行电能、磁能相互转换的过程中的能量损耗，由正反馈网络提供补偿，将直流电源提供的直流能量转换为交流输出。
5.6 为何在振荡器中，应保证振荡平衡时放大电路有部分时间工作在截止状态，而不是饱和状态？这对振荡电路有何好处？ 解：之所以将振荡平衡时放大电路有部分时间工作在截止状态，而不是饱和状态是因为在截止状态集电极电流小，功率损耗低。
这样可以保证振荡管安全工作。
5.7 若反馈振荡器满足起振和平衡条件，则必然满足稳定条件，这种说法是否正确？为什么？解：不正确。
因为满足起振条件和平衡条件后，振荡由小到大并达到平衡。
但当外界因素（温度、电源电压等）变化时，平衡条件受到破坏。
若不满足稳定条件，振荡起就不会回到平衡状态，最终导致停振。
5.8 分析图5.2.1(a)电路振荡频率不稳定的具体原因？解：电路振荡频率不稳定的具体原因是晶体管的极间电容与输入、输出阻抗的影响，电路的工作状态以及负载的变化，再加上互感耦合元件分布电容的存在，以及选频回路接在基极回路中，不利于及时滤除晶体管集电极输出的谐波电流成分，使电路的电磁干扰大，造成频率不稳定。
《高频电子线路》正弦波振荡器实验报告课程名称：高频电子线路实验类型：验证型实验项目名称：正弦波振荡器一、实验目的和要求通过实验，学习克拉泼振荡器的工作原理、电路组成和调试方法，学习电容三点式振荡器的设计方法，利用Multisim仿真软件进行仿真分析实验。
二、实验内容和原理（一）实验原理1、正弦振荡器的基本原理；2、产生等幅震荡的两个基本条件：相位条件和幅度条件)1 利用正反馈将电源接入瞬间的一个激励不断通过谐振网络滤波放大得到一个只含有一个频率成分的正弦。
2 振幅条件：环路增益在放大倍率为1时的偏导数（对输出电压）小于0.相位条件：谐振频率的信号输出相位为2π整数倍（二）实验内容（1）设计振荡频率为9.5MHz的克拉泼振荡器。
（2）用Multisim进行仿真，用双踪示波器观察振荡器器输出信号波形，并用频率计测量振荡频率，并与理论计算结果进行对比。
（3）改变电阻R3的阻值，用电压表测量振荡管的直流静态工作电压。
三、主要仪器设备计算机、Multisim仿真软件、双踪示波器、频率计、电压表、直流电源。
四、操作方法与实验步骤及实验数据记录和处理1、设计频率为9.5MHz的克拉泼振荡器电路图。
C11000pF R212kΩR12kΩL110mHR4100ΩXSC3ABExt Trig++__+_L23.2uHC41000pFR310kΩKey=A0 %C31000pF C510µFC610µFV112VL322mH C21µFC7100pFXFC1123Q12N29232、用Multisim 进行仿真，用双踪示波器观察振荡器器输出信号波形，并用频率计测量振荡频率，并与理论计算结果进行对比。
（1）仿真波形和频率测量（2）理论分析计算根据电路图提供的振荡回路参数，计算设计电路的振荡频率与实际测试的振荡频率进行对比。
计算频率值02f LCπ==8.897MHz电路测试频率值f = 9.325MHz 00||100%f f f -=⨯=频率稳定度 5.3%对比分析其产生误差的原因：3、改变电阻R3的阻值，用电压表测量振荡管Q1的直流静态工作电压。
课程设计任务书学生姓名：专业班级：电子1001班指导教师：工作单位：信息工程学院题目：高频晶体正弦波振荡器初始条件：具较扎实的电子电路的理论知识及较强的实践能力；对电路器件的选型及电路形式的选择有一定的了解；具备高频电子电路的基本设计能力及基本调试能力；能够正确使用实验仪器进行电路的调试与检测。
要求完成的主要任务：1. 采用晶体三极管构成一个多功能正弦波振荡器；2. 额定电源电压12V ，电流1～3mA; 输出频率10 MHz；3. 通过跳线可构成串、并联晶体振荡器；4. 有缓冲级，在100欧姆负载下，振荡器输出电压≥1 V (D-P);5. 完成课程设计报告（应包含电路图，清单、调试及设计总结）。
时间安排：1．2013年12月23日分班集中，布置课程设计任务、选题；讲解课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求；课设答疑事项。
2．2013年12月24日至2013年12月26日完成资料查阅、设计、制作与调试；完成课程设计报告撰写。
3. 2013年12月27日提交课程设计报告，进行课程设计验收和答辩。
指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日目录摘要 (1)绪论 (2)1 设计内容及要求 (3)2 石英晶体特性简介 (3)2.1压电效应 (3)2.2等效电路及电抗特性 (4)2.3晶振的优缺点 (5)3 晶体振荡器 (5)3.1起振和稳幅 (5)3.2并联型晶体振荡器 (5)3.3串联型晶体振荡器 (6)3.4输出缓冲级 (7)3.5晶体正弦波振荡器原理图及参数计算 (8)4 电路仿真 (9)4.1高频晶体振荡器输出测试 (9)4.2实物制作与调试 (10)5 元器件清单 (11)6 心得体会 (12)参考文献 (10)摘要石英晶体正弦波振荡器简称晶振，是以高稳定度、高Q值的石英谐振器替代LC振荡器中震荡回路的电感、电容元件而构成的自激正弦波振荡器，它利用石英晶体的压电效应实现机械能与电能的相互转化。
由于晶体振荡器具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点，被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。
本设计对利用石英晶体构成正弦波的振荡器的方法做了较深入的研究，对振荡器的原理及石英晶体振荡器原理做了详细的介绍并通过Multisim 软件设计、仿真出串并联可交换的石英晶体振荡器，最后按照原理图进行实物的连接、调试和参数的计算。
关键词：晶体振荡器、Multisim绪论石英晶体振荡器是利用石英晶体即二氧化硅的结晶体的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。
石英晶体振荡器具有很好的标准性和极高的品质因素，因此利用石英晶体振荡器作滤波原件构成的振荡器，具有很高的频率稳定度，采用高精度的稳频措施后，石英晶体振荡器可以达到很好的频率稳定度。
本次设计通过对并联型晶体振荡器和串联型晶体振荡器各方面的比较，结合两种电路得到我们需要的电路。
1 设计内容及要求1.1设计目的（1）掌握高频电子电路的基本设计能力及基本调试能力，并在此基础上设计一个通过跳线可实现串并联变换的晶体正弦波振荡器。
（2）提高电子电路的理论知识及较强的实践能力，能够正确使用实验仪器进行电路的调试与检测。
1.2 设计任务及要求根据已知条件，完成通过基于石英晶体的正弦波振荡器的设计、连接与仿真。
该振荡器须符合以下要求：（1）采用晶体三极管构成一个多功能正弦波振荡器；（2）额定电源电压12V ，电流1～3mA; 输出频率10 MHz；（3）通过双变跳线可构成克拉勃和西勒的串、并联晶体振荡器；（4）有缓冲级，在100欧姆负载下，振荡器输出电压≥ 1 V (D-P)。
2 石英晶体特性简介2.1 压电效应晶体的基本特性是它具有压电效应。
依靠这种效应，可以将机械能转变为电能；反之，也可以将电能转变为机械能。
所谓压电效应就是在石英晶体打两个电极上加直流电场，晶体就会产生机械形变。
反之，若在晶体的两侧施加一机械压力，则会在晶体相应的方向上产生电场，这种现象称为压电效应。
若是晶体懒得两级上叫交变激励电压，晶体就会产生机械振动，同样晶片的机械振动又会产生交变电场。
且当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率激励下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振。
2.2 等效电路及电抗特性图2-1是石英晶体谐振器的等效电路。
图中Co 是静电电容，代表石英晶体支架静电容量，一般为几至几百皮法；Lq 是动态电感，相当于机械振动的惯性，一般以几十毫亨至几百亨；Cq 是动态电容，相当于晶体的等效弹性模数，很小，一般以百分之几皮法计；Rq 是动态电阻。
相当于晶体的的摩擦损耗，一般以几至几百欧计。
易知：石英晶体的品质因数很高。
石英晶体谐振器有两个谐振频率,当L 、C 、R 支路串联谐振时，等效电路的阻抗最小，串联谐振频率为 fs=1/2πLqCq ，当等效电路并联谐振时，谐振频率为fp= fs Co Cq /1 ，显然，fs < fp ，但由于C << C0，因此fs 和fp 两个频率非常接近。
图2-1 晶体振荡器的等效电路通过石英晶体的等效电路，我们可以得到它的电抗-频率特性曲线如图2-2所示，当f＜fs 或f> fp 时，晶体谐振器显容性；当f 在fs 和fp 之间，晶体谐振器等效为一电感，f=fs 时，是串联谐振点，等效阻抗最小；当f=fp 时，是并联谐振点，等效阻抗最大。
图2-2 晶体的电抗特性曲线2.3 晶振的优缺点优点：使用石英晶体作为震荡回路元件，能够使振荡器的频率稳定度大大提高，原因有三：石英晶体的物理特性和化学特性都十分稳定，因此，它的等效谐振回路有很高的标准性。
它具有正、反压电效应，而且在谐振频率附近，晶体的等效参数L很大、C很小、R也不高，因此，晶体的Q值可高达数百万数量级。
在串、并联谐振频率之间很狭窄的工作频率内，具有极陡峭的电抗特性曲线，因而对频率变化具有极灵敏的补偿能力。
缺点：石英晶体谐振器的主要缺点时它的单频性，即每块晶体只能提供一个稳定的振荡频率，因而不能直接用于波段振荡器。
3 晶体振荡器3.1起振和稳幅在振荡开始时，由于激励信号较弱，输出电压的振幅比较小，此后经过不断的放大与反馈循环，输出幅度开始逐渐增大，为了维持这一过程，必须满足AF≥l的要求。
振荡器接通电源开始起振时，起始信号可能很弱。
此时放大器工作在线性放大区，信号被放大，其振幅逐渐增加，反馈信号的振幅也随之增加。
促使它们不断增大的因素是放大作用和正反馈。
当振幅增大到某种程度后，由于二极管特性的非线性，晶体三极管工作范围将超出放大区．进人饱和区或截止区。
放大器的放大倍数将显著下降，因而使输出信号振幅的增大程度变缓。
另一方面，能量的损耗也会使输出信号振幅的增大程度变缓。
因为振荡器所消耗的能量来自电源，故电路中所能取得的能量总是有限的。
当振荡器输出信号的幅度加大时，其电路各部分的能量消耗也加大了（包括负载的功率输出），由于能量的供给有限，使电路的输出振幅不可能无限增大。
所以振荡器的振幅只能增大到某种程度，此后形成等幅振荡波形输出。
3.2 并联型晶体振荡器这类晶体振荡器的振荡原理和一般反馈式LC振荡器相同，只是把晶体置于反馈网络的振荡回路之中，作为一个感性元件，并与其他回路元件一起按照三端电路的基本准则组成三端振荡器。
根据这种原理，常用的有两种基本类型：c-b型电路和b-e型电路。
c-b型并联晶体振荡器的典型电路如图3-1所示，振荡管的基极对高频接地，晶体接集电极与基极之间，C2和C3是位于回路的另外两个电抗元件，振荡器的回路等效电路如图3-2所示，它类似于克拉泼振荡器。
图3-1 c-b型并联晶体振荡器实际线路图3-2 c-b型并联晶体振荡器等效线路b-e型并联晶体振荡器的典型电路如图3-3所示，该电路晶体接在基极和发射极之间，当晶体呈感性，即并联使用，且LC并联回路也呈感性时，满足电感三点式组成，电路的输出信号较大。
其等效电路如图3-4所示。
图3-3 b-e型并联晶体振荡器实际电路图3-4 b-e型并联晶体振荡器等效电路3.3 串联型晶体振荡器在串联型晶体振荡器中，晶体接在振荡器要求低阻抗的两点之间，通常接在反馈电路中。
图3-5和图3-6显示出了一串联型振荡器的实际路线和等效电路。
可以看出，如果将石英晶体短路，该电路即为电容三点式振荡器。
电路的实际工作原理为：当回路的谐振频率等于晶体的串联谐振频率时，晶体的阻抗最小，近似为一短路线，电路满足相位条件和振幅条件振荡器的工作频率等于晶体的串联谐振频率，故能正常工作；当回路的谐振频率距串联谐振频率较远时，晶体阻抗增大，是反馈减弱，从而使电路不能满足振幅条件，电路不能正常工作。
图3-5 串联型晶体振荡器实际电路图3-6 串联型晶体振荡器等效电路3.4 输出缓冲级常用的输出缓冲级是在电路的输出端加一射极跟随器，从而提高回路的带负载能力。
射极跟随器的特点是输入阻抗高，输出阻抗低，电压放大倍数略低于1，带负载能力强，具有较高的电流放大能力，它可以起到阻抗变换和极间隔离的作用，因而可以减小负载对于振荡回路的影响，射极跟随器的典型电路如图3-7所示。
图3-7 输出缓冲级电路3.5 晶体正弦波振荡器原理图及参数计算图3-8 晶体振荡器总原理图从图3-8中可以看到：R1、R2：为三极管Q1提供偏置电压。
R8：改变阻值的大小可以改变Q1的静态工作点。
C1：用于在振荡器起振时将R2短路从而可以是振荡器可以正常的振荡。
C2、C3：组成反馈分压，用于为振荡器提供反馈信号。
ZL1、ZL2：为高频扼流圈，目的是防止高频信号流经电源。
C6、C7、C8、C9为高频旁路电容，滤除高频部分。
Q2连接成射极跟随器，用于提高系统的带负载能力。
J1上端打开时，J2断开时振荡器为串联型晶体振荡器，此时晶体相当于选频短路线；当J1下端打开，J2接通时振荡器为并联型晶体振荡器，此时晶体相当于一等效电感。
正确的静态工作点是振荡器能够正常工作的关键因素，静态工作点主要影响晶体管的工作状态，若静态工作点的设置不当则晶体管无法进行正常的放大，振荡器在没有对反馈信号进行放大时是无法工作的。
振荡器主电路的静态工作点主要由R1、R2、R3、R8决定，将电感短路，电容断路，得到直流通路如图3-9所示。
图3-9 直流通路等效电路如图3-9所示，其中V1=5V，要使三极管满足起振条件，则静态时它应工作在放大区，故R3两端电压应大于0.7V，一般情况下发射极电流为mA级，基极电流uA级。
