正弦波振荡器和频率调制设计
正弦波振荡器和频率调制设计
实验目的
- 加深对各种正弦波振荡器工作原理的理解。
- 掌握直接调频的工作原理和调频波的性质。
实验内容
- 观察石英晶体振荡器输出频率；
- 观察变容二极管的直接调频效果；
- 调频波性质分析。
实验原理概述
反馈型正弦波振荡器我们在课程中进行了详细讲解，包括三端式振荡器中的哈特莱振荡器、考毕兹振荡器、克拉泼振荡器和西勒振荡器，也包括石英晶体振荡器中的并联型、串联型和泛音型，它们的工作原理不再赘述。直接看实验电路。
图1为电容反馈式三端振荡器实验电路。图中，左侧部分为LC振荡器，右侧部分为射极跟随器。
三极管2Q1为振荡器的振荡管，2R21、2R22和2R24为三极管2Q1的直流偏置电阻，以保证振荡管2Q1正常工作。图中开关2K1打到“S”位置时，为克拉泼振荡电路，打到“P”位置时，为西勒振荡电路。图中2D2为变容二极管，调整2W2即可改变变容管上的直流电压，从而改变变容管的电容，也即控制着振荡频率的变化。电位器上方的器件为三端可调稳压电源，调整2W1可改变振荡器三极管2Q1的电源电压。
当需要LC振荡器输出时，需将2P2、2P4用短铆孔线连接起来。三极管2Q3为射极跟随器，以提高带负载的能力。电位器2W4用来调整振荡器输出幅度。2TP5为输出测量点，2P5为振荡器输出口。
图2为晶体振荡器实验电路，2Q2为振荡管，2W3、2R27、2R28和2R30为三极管2Q2 直流偏置电阻，以保证2Q2正常工作，调整2W3可以改变2Q2的静态工作点。图中2R31、2C23为去藕元件，2C22 为旁路电容，并构成共基接法。2L2、2C24、2C25成振荡回路，其谐振频率应与晶体频率基本一致。2C26为输出耦合电容。2TP3为晶体振荡器测试点。该晶体振荡器的交流电路与图1基本相同。
图中2Q3构成的射极跟随电器与LC振荡器共用。当需要晶体振荡器输出时，需将2P3、2P4用铆孔线连接起来，经射随后由2P5输出。
直接调频法是在三端式正弦波振荡器的基础上，利用消息信号修改电容值，引起振荡频率的变化，即振荡器频率随消息信号的变化而变化，如果这种关联变化呈现很好的线性关系，则调频性能良好。
变容二极管调频器实验电路如图3所示。图中，4Q1本身为电容三点式振荡器，它与4D1（变容二极管）一起组成了直接调频器。4Q2为放大器，4Q3为射极跟随器。4W1用来调节变容二极管偏压，4W2用来调整输出幅度。
由图3可见，加到变容二极管上的直流偏置就是+12V经由4W1、4R8和4R6分压后，从4R6得到的电压，因而调节4W1即可调整偏压。由图可见，该调频器本质上是一个电容三端式振荡器，由于电容4C5对高频短路，因此变容二极管实际上与4L1相并。调整电位器4W1，可改变变容二极管的偏压，也即改变了变容二极管的容量，从而改变其振荡频率。
因此变容二极管起着可变电容的作用。
图中4P1为音频信号（消息信号）输入口，音频信号通过4E1、4R7、4R5加到变容管4D1的负端，对输入音频信号而言，4C5开路，从而音频信号可加到变容二极管两端。当变容二极管加有音频信号时，其等效电容按音频规律变化，因而振荡频率也按音频规律变化，从而达到了调频的目的。
实验步骤
- 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。点击显示屏，选择“实验系统”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。 - 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，测试2P3振荡输出最小。这一步可以先不管）
只观察验证西勒电路。
用短铆孔线将2P2与2P4相连，示波器接2TP5,频率计与2P5相连。开关2K1(位于实验模块上，需手动拨动)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。（点击2W4，旋转2SS1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。 晶体振荡器实验
点击显示屏，选择“实验系统”中的“高频原理实验”，然后再选择“振荡器实验”中的“晶体振荡器实验”，显示屏会显示晶体振荡器原理实验图。图中的可调元件可通过点击选择和旋转编码器2SS1来调节。
（1）用铆孔线将2P3与2P4相连，将示波器探头接到2TP5端，观察晶体振荡器波形，如果没有波形，应调整2W3电位器。然后用频率计测量其输出端2P5频率，确定石英晶振的谐振频率，确定振荡器电路类型，说明晶振相当于什么器件（实验报告要求）。 也可以调节2W3改变晶体管静态工作点，观察振荡波形及振荡频率有无变化。经频率计测量，测得输出端2P5频率为8.998MHZ。
由电路结构知，该电路为电容反馈式三端振荡器。
谐振回路的谐振频率应等于石英晶体的串联谐振频率，在正常工作下晶振相当于短路器件。调频
（可能要先更换电路板），点击显示屏，选择“实验系统”中“高频原理实验”，然后再选择“变容二极管调频实验”，显示屏上会显示出变容二极管调频原理实验图，图中各可调电位器可通过点击该元件和旋转模块右下角编码器4SS1来调整。
（1）静态调制特性测量
输入端先不接音频信号，将示波器接到调频器单元的输出4TP2。将频率计接到调频输出（4P2），用万用表测量4TP1点电位值，按下表所给的电压值调节电位器4W1，使4TP1点电位在0.5—4.5V范围内变化，并把相应的频率值填入表中
| V12P01(V) | 2.29 | 2.48 | 2.675 | 2.865 | 3.060 | 3.257 | 3.453 | 3.65 | 3.486 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| F0(MHZ) | 6.011 | 6.081 | 6.152 | 6.223 | 6.3 | 6.371 | 6.45 | 6.532 | 6.627 |
绘出曲线，其斜率即是灵敏度 ，要求绘图后计算出斜率（实验报告要求）。根据上表绘制静态调制特性散图及拟合曲线如下：
由上图知，斜率为0.3905.因此，=0.3905MHZ/V.（2）动态调制特性测量 ①调整4W1使得变容二极管调频器输出频率f0=6.3MH左右。②以实验箱上的低频信号源作为音频调制信号，输出频率f =2kHz、峰-峰值Vp-p=2v（用示波器监测）的正弦波。③把实验箱上的低频信号源输出的音频调制信号加入到调频器单元的音频输入端4P1，便可在调频器单元的输出端4TP2端上观察到FM波。调频理论波形如下图。
用示波器“Scale”旋钮观察到调频实际波形如下图。
经比对，二者几乎一致。
（3）频谱分析仪的测量
①变容二极管调频器输出频率不变，f0=6.3MH左右。
②以实验箱上的低频信号源作为音频调制信号，输出频率f =10kHz、峰-峰值Vp-p=2v（用示波器监测）的正弦波。
调频器单元的输出端4TP2端用频谱分析仪连接，测量出类似下图的谱线分布（扫频范围和BW要调到合适量程），分析性质。
频谱分析仪测量实际频谱图如下图
将两个游标分别放于频谱图两端得实际带宽BW1=272KHZ，即0.272MHZ.接下来计算理论带宽。由于输出频率f =10kHz、峰-峰值Vp-p=2v，则 =39.05因此，BW2= =0.801MHZ。经对比，二者差别较大，实测带宽约为理论带宽的2.94倍。出现该现象的原因是硬件内部出现干扰等问题所致。性质：调制后尽管部分功率由载频向边频转换，但大部分能量还是集中在载频附近的若干个边频之中。
