山东大学信息学院高频电子线路实验

4.1  常用高频电子实验仪器的使用

一、实验目的

常用的高频电子线路实验仪器主要有示波器、高频信号发生器、扫频仪等。正确使用这些仪器是做好高频实验和综合设计以及课程设计的基本要求。所以该实验的目的是：

1、了解常用示波器（双踪示波器、数字示波器）、EE1系列函数信号发生器/计数器、频率计、高频毫伏表、BT—3频率特性测试仪、直流稳定电源等仪器的工作原理、主要技术性能以及面板上各旋钮的功能。

2、学会上述仪器的正确使用方法，特别是用示波器、频率特性测试仪观察和测量电子线路的性能参数及其幅频特性。

3、掌握仿真软件 Multisim8的使用方法。

二、实验仪器及设备

1、示波器

2、高频信号发生器

3、频率特性测试仪

4、高频毫伏表

5、频率计

三、常用高频测量仪器的原理及使用

常用高频电子线路实验仪器参见第二章的有关内容。

四、Multisim8的使用

熟悉Multisim8的使用方法。

五、实验内容

1、示波器的使用

2、高频信号发生器的使用

3、频率特性测试仪的使用

4、高频毫伏表的使用

5、频率计的使用

6、用Multisim8仿真图4.1所示LC谐振回路的选频特性。

            图4.1      LC谐振回路的选频特性分析

六、预习要求

认真阅读上述仪器的内容介绍，熟悉各仪器的面板旋钮的作用及其位置。

七、实验报告要求

1、试画出用频率特性测试仪测试LC谐振回路幅频特性的连线图，并画出幅频特性曲线。

2、简述用示波器测量波形周期或频率的方法。

八、思考题

1、用示波器观察输出波形，测量波形周期（频率），如何提高测量精度？

2、用频率特性测试仪测试有源网络的幅频特性时应注意什么？

4.2  高频小信号放大器

高频小信号放大器的作用是放大通信设备中的高频小信号，以便作进一步变换或处理。所谓“小信号”，主要是强调放大器应工作在线性范围。高频与低频小信号放大器的基本构成相同，都包括有源器件（晶体管、集成放大器等）和负载电路，但有源器件的性能及负载电路的形式有很大差异。高频小信号放大器的基本类型是以各种选频网络作负载的谐振（频带）放大器；在某些场合，也采用宽频带放大器，宽频带放大器以无选频作用的宽带网络（如传输线变压器）作负载。

4.2.1  高频小信号谐振放大器

一、实验目的

    1、了解高频小信号谐振放大器的电路组成、工作原理。

2、进一步理解高频小信号放大器与低频小信号放大器的不同。

3、掌握用Multisim8分析、测试高频小信号放大器的基本性能。

4、掌握谐振放大器的调试方法。

5、掌握用示波器测试小信号谐振放大器的基本性能。

6、学会用扫频仪测试小信号谐振放大器幅频特性的方法。

二、实验仪器

双踪示波器 

数字频率计 

高频毫伏表

频率特性测试仪BT—3

直流稳压电源 

万用表  

高频信号发生器

三、实验原理

高频小信号谐振放大器最典型的单元电路如图4.2.1所示，由LC单调谐回路作为负载构成晶体管调谐放大器。晶体管基极为正偏，工作在甲类状态，负载回路调谐在输入信号的频率10.7MHz上。该放大电路能够对输入的高频小信号进行反相放大。LC调谐回路的作用主要有两个： 

一是选频滤波，选择放大的工作信号频率，抑制其它频率的信号。

二是提供晶体管集电极所需的负载电阻，同时进行阻抗匹配变换。

高频小信号频带放大器的主要性能指标有：

（1）中心频率：指放大器的工作频率。它是设计放大电路时，选择有源器件、计算谐振回路元件参数的依据。   

（2）增益：指放大器对有用信号的放大能力。通常表示为在中心频率上的电压增益和功率增益。

电压增益                                （4.2.1）

图4.2.1   晶体管单调谐回路调谐放大器

功率增益                                 ( 4.2.2）

式中、分别为放大器中心频率上的输出、输入电压，、分别为放大器中心频率上的输出、输入功率。

增益通常用分贝表示为

                                      ( 4.2.3）

                                      ( 4.2.4）

（3）通频带：指放大电路增益由最大值下降3db时所对应的频带宽度，用BW0,7表示。它相当于输入不变时，输出电压由最大值下降到0.707倍或功率下降到一半时对应的频带宽度，如图4.2.2所示。

（4）选择性：指放大器对通频带之外干扰信号的衰减能力。通常有两种表征方法：

（A）用矩形系数说明邻近波道选择性的好坏。设放大器的幅频特性如图4.2.3示，矩形系数定义为：

                                     ( 4.2.5）

图4.2.2  放大器的频率特性及通频带           图4.2.3   放大器的实际频率特性与理想特性的比较

式中为相对电压增益（或相对电压输出幅度）下降到0.7时的频带宽度，亦即放大器的通频带BW0.7；为相对电压增益下降到0.1时的频带宽度。显然，理想矩形系数应为1，实际矩形系数均大于1。

（B）用抑制比来说明对带外某一特定干扰频率信号抑制能力的大小，其定义为中心频率上功率增益与特定干扰频率上的功率增益之比。

                                  ( 4.2.6））

用分贝表示，则为：  

                           ( 4.2.7）

还有其它一些性能指标参数，如工作稳定性，噪声系数等，在此不再赘述。   

四、Multisim8仿真

在Multisim8电路窗口中，创建图4.2.4所示的高频小信号放大电路，其中晶体管T1选用2N2222A晶体管。单击“仿真”按钮，就可以从示波器中观察到输入与输出的信号波形如图4.2.5所示。

1、单谐振回路放大器的性能分析

（1）利用Simulate菜单中的Analyses中的DC Operating Point…进行直流工作点分析，结果记录入表4.2.1中。

表4.2.1

（3）放大倍数的计算，利用虚拟示波器的测量波形，计算出该放大器的放大倍数。

（4）观察负载电阻对电路性能的影响（分别接通开关J1、J2、J3）。

（5）利用虚拟仪器波特图仪测量电路的频率特性，并求出通频带和矩形系数。

（6）高频小信号谐振放大器的选频作用分析。

将高频小信号谐振放大器的输入信号由单一频率改为多频率，信号频率分别为10.7MHz及其2、3、4、8次谐波（21.4MHz、32.1MHz、42.8MHz、85.6 MHz），此时电路如图4.2.6所示。用虚拟示波器观察输出信号波形，并分析电路的选频滤波作用。

2、双谐振回路放大器的性能分析

    单回路谐振放大器的矩形系数远大于1，约为9.95，滤波特性不理想。利用双调谐回路作为晶体管的负载，可以改善放大器的滤波特性，使矩形系数减少到3.2。

在Multisim8电路窗口中，创建图4.2.7所示的双调谐高频小信号放大电路图。虚拟示波器的连接如图4.2.7所示。单击“仿真”按钮，就可以从示波器中观察到输入与输出的信号波形如图4.2.8所示。仿真如下内容：

（1）利用Simulate菜单对电路分别进行交流分析、瞬态分析和噪声分析。

（2）放大倍数的计算，利用虚拟示波器的测量波形，计算出该放大器的放大倍数。

图4.2.4    高频小信号放大电路

图4.2.5  高频小信号放大电路输入与输出的信号波形

图4.2.6   多输入信号的高频小信号谐振放大器      

（3）利用虚拟仪器波特图仪测量电路的频率特性，并求出通频带和矩形系数。

（4）双谐振回路放大器的选频作用分析。

图4.2.7      双调谐高频小信号放大电路

图4.2.8      双调谐高频小信号放大电路的输入输出信号波形

图4.2.9   多输入信号的双回路高频小信号谐振放大器

将高频小信号谐振放大器的输入信号由单一频率改为多频率，信号频率分别为1.593MHz及其2、3、4、8次谐波（3.186MHz、4.779MHz、6.372MHz、12.744MHz），此时电路如图4.2.9所示。用虚拟示波器观察输入、输出波形并加以分析电路的选频滤波作用。

3、参差谐振放大器的性能分析

利用参差调谐放大器，同样可以改善放大器的滤波特性。

双参差调谐放大电路的总级数是二的整数倍，每二级组成一组。实际上，还有三参差放大电路，而且三参差放大电路在电视接收机的图像中频放大器中有着广泛的应用，目前已经研究出三参差调谐的晶体滤波器，使用极为方便。图4.2.10为采用双参差调谐的放大电路，通过这个试验主要掌握参差调谐放大器的电路组成及其主要性能。由图4.2.10可见，参差调谐放大器的各级都包含有放大器、调谐回路、偏置电路等。从外观上看与多级级联的谐振放大器没有任何差别，但该放大器中的第一级回路调谐在上，第二级回路调谐在上，其中为输入信号频率，即工作频率。为了展宽放大器的通频带宽度，应合理选择的值，值太小起不到展宽频带的作用，值太大幅频特性曲线中间将出现凹陷。

               图4.2.10  双参差调谐放大电路

图4.2.11  双参差调谐放大电路的输入输出波形

在Multisim8电路窗口中，创建图4.2.10所示的双参差调谐放大电路图。单击“仿真”按钮，就可以从示波器中观察到输入与输出的信号波形如图4.2.11所示。仿真如下内容：

（1）利用Simulate菜单对电路分别进行交流分析、瞬态分析和噪声分析。

（2）放大倍数的计算，利用虚拟示波器的测量波形，计算出该放大器的放大倍数。

（3）利用虚拟仪器波特图仪测量电路的频率特性，并求出通频带和矩形系数。

五、实验任务

参照图4.2.1所示的实验电路，自行设计测试电路。要求当信号频率分别为4MHz、430kHz时，计算回路元件参数。熟悉测试电路的布局、识别电路中的元器件及其作用，完成如下操作：

1、熟悉频率特性测试仪的原理与使用方法（见第二章）。

2、熟悉示波器的原理与使用方法（见第二章）。

3、测量并调整单调谐回路谐振放大器（工作频率为4MHz）的静态工作点，将结果记录在表4.2.1中。

4、观察单调谐回路谐振放大器（工作频率为4MHz）的输入、输出信号的波形，注意幅度变化和相位关系。（此时应调节回路元件至谐振状态）。 

5、用示波器测量单调谐回路谐振放大器（工作频率为4MHz）的频频特性曲线、增益并计算通频带宽度。

注意：这是用逐点法测量谐振放大器的幅频特性。测量时，应首先调节回路元件使输出为最大，即使回路处于谐振状态。

在保持输入信号幅度不变的情况下，等间隔改变输入信号频率，测量输出信号幅度，记录下各频率值所对应的输出电压大小并将数据填入自行设计的表格内，并做出相应的幅频特性曲线，由此得到Vo(峰——峰值)与频率f的关系。由此计算出放大器的增益、通频带和Q值。

（1）测试条件：输入信号频率4MHz，幅度，阻尼电阻（开路）；

（2）测试条件：输入信号频率4MHz，幅度，阻尼电阻；

（3）测试条件：输入信号频率4MHz，幅度，阻尼电阻；

由此讨论对回路的影响。

6、用频率特性测试仪直接观察幅频特性曲线。

注意：扫频仪的连接；扫频仪的中心频率应在信号频率上，同时应注意扫频仪的“输出衰减”、“频率偏移”、“Y轴增益”旋钮应处的位置。

测量方法及条件如下：

（1）调节好扫频仪的输出基准（5格）。

（2）将扫描仪输出加到放大器输入端，把放大器的输出通过扫频仪检波探头接到扫频仪输入端，此时扫频仪屏幕上将有膨起的曲线。

（3）改变扫频仪输出衰减使曲线的顶端正好与基准线同高，由衰减器指示的衰减数就是放大器的放大倍数，显示的曲线为谐振放大器幅频特性曲线，由曲线可以得到放大器的中心频率及通频带宽度。将所得到的结果与实验任务5所得到的结果比较。

7、若放大器的输入信号是调幅度为30%的调幅信号时，用示波器观察输出波形并测量输出信号的m值。

六、预习要求

1、认真阅读示波器、高频信号发生器、频率特性测试仪等各种仪器面板旋钮的作用及位置。

2、预习有关小信号谐振放大器的工作原理和性能分析方面的内容。

3、对照电原理图、印刷版图熟悉电路中各元件的位置、作用，弄懂电路原理。

4、自拟实验步骤及实验所需的各种表格。

5、完成Multisim8的仿真，记录仿真结果。

七、实验报告要求

1、画出测试电路的交流通路。

2、整理数据、画出各相应的频率特性曲线并计算增益、通频带及矩形系数。

3、回答思考题提出的问题。

    八、思考题

1、图4.2.8双调谐高频小信号放大电路中电容C9的作用是什么？

2、用示波器观察输出波形时，以何种特征作为回路谐振状态的标志？

3、单调谐回路谐振放大器的电压增益与哪些因素有关？改变阻尼电阻的阻值时，放大器的增益、通频带应如何变化？

4、实验电路中若要实现阻抗匹配，电路应如何连接？

4.2.2  高频集成放大器

一、实验目的

    1、了解宽频带高频放大器集成电路的电路组成、工作原理、特点及使用。

2、掌握用Multisim8分析、测试宽频带高频放大器的基本性能。

3、进一步掌握用示波器测试高频放大器增益的方法。

4、进一步掌握扫频仪的使用方法。

二、实验仪器

双踪示波器 

数字频率计 

晶体管毫伏表

频率特性测试仪BT—3

直流稳压电源    

万用表  

高频信号发生器

三、实验原理

高频集成放大器，通常以电阻或宽带高频变压器作负载，如图4.2.12（a）所示为由单运放OP—37构成的简易宽频带非选频的高频集成小信号放大器。图中OP--37的引脚功能如图4.2.12（b）所示，其增益带宽积可达63MHz。该电路的信号由2脚输入，6脚输出，电路的放大倍数为

                      ( 4.2.8）

   （a）由单运放OP—37构成的简易宽频带小信号放大器       （b）  OP—37的引脚功能

图4.2.12  单运放OP—37构成的简易宽频带小信号放大器

四、高频小信号宽频带放大器的Multisim8仿真

在Multisim8电路窗口中，创建如图4.2.13所示的高频宽带放大电路图。单击“仿真”按钮，就可以从示波器中观察到输入与输出的信号波形如图4.2.14所示。仿真如下内容：

图4.2.13    高频宽频带放大电路

图4.2.14    高频宽频带放大器的输入、输出波形

（1）利用Simulate菜单对电路分别进行交流分析、瞬态分析和噪声分析。

（2）放大倍数的计算，利用虚拟示波器测量的波形，计算出该放大器的放大倍数。

（3）利用虚拟仪器波特图仪测量电路的频率特性。

（4）高频宽带放大器的选频作用分析。

将高频宽带放大器的输入信号由单一频率改为多频率，信号频率分别为465kHz及其2、4次谐波（930kHz、1860kHz），此时电路如图4.2.15所示。用虚拟示波器观察输入、输出信号的波形并分析电路的选频滤波作用。

图4.2.15    多频率输入的高频宽带放大器

五、实验任务

参照图4.2.12所示的实验电路，熟悉并识别电路中的元器件及其作用和测试电路的布局，完成如下操作：

1、熟悉实验电路板的布局及电路中各元件的作用和位置，确定测试点。 

2、用示波器测量宽带放大器在工作频率附近的电压增益。

3、当输入信号频率变化时（保持输入幅度不变），用示波器观察输出信号波形的幅度变化情况，分析幅频特性。

4、用扫频仪观察放大器的幅频特性。

六、预习要求

1、估算测试电路的放大倍数。

2、对照测试电原理图、印刷版图熟悉电路中各元件的位置、作用，弄懂电路原理。

3、自拟实验步骤及实验所需的各种表格。

4、完成Multisim8的仿真并记录仿真结果。

七、实验报告要求

整理数据、画出相应的频率特性曲线并计算增益、通频带。

    八、思考题

1、图4.2.15高频宽带放大电路中电容C2的作用是什么？

4.2.3  集中选频放大器

一、实验目的

    1、了解集中选频高频小信号放大电路的组成、工作原理、特点及使用。

2、了解陶瓷滤波器的选频特性及其使用。

3、进一步掌握用示波器测试集中选频高频小信号放大电路增益的方法。

二、实验仪器

双踪示波器 

数字频率计 

晶体管毫伏表

频率特性测试仪BT—3

直流稳压电源    

万用表  

高频信号发生器

三、实验原理

图4.2.16为集成宽频带放大器LM733（F733 BG733 FX733）的内部电路，L733的特点是可以放大0～120MHz的电压信号，而无需外加补偿电路。该电路可以采用双端输入、输出，也可以采用单端输入、输出方式，被广泛用作弱信号的前置放大器、宽带放大器、中频放大器等。改变第一级差放的负反馈电阻，可以调节整个电路的电压增益。将引出端11和4短接，增益可达400倍；将引出端12和3短接，增益可达100倍。各引出端均不短接，增益为10倍。以上三种情况的上限频率依次为40MHz、90MHz、120MHz。 

图4.2.16   集成宽带放大器LM733（F733）的内部电路

图4.2.17给出了LM733用作可调增益放大器时的典型接法。图中电位器R是用于调节电压增益和带宽的。当R调到零时，4与11短接，片内T1、T2发射极短接，增益最大，上限截止频率最低；当R调到最大时，片内T1、T2发射极之间共并接了5个电阻，即片内、、、和外接电位器R，这时交流负反馈最强，增益最小，上限截止频率最高。可见，这种接法使得电压增益和带宽连续可调。

   （a）LM733外接电路的典型接法图            （b）LM733外引线图

图4.2.17    F733外接电路图及外引线图

图4.2.18是由L733集成宽频带放大器和10.7MHz的陶瓷滤波器构成的集中选频放大器。

            图4.2.18    由LM733和陶瓷滤波器构成的集中选频放大器电路

五、实验任务

1、用示波器测量集中选频放大器在工作频率附近的电压增益。

2、当输入信号频率变化时（保持输入幅度不变），用示波器观察输出信号波形的幅度变化情况，分析幅频特性。

3、用扫频仪观察放大器的幅频特性，并测量放大器的中心频率及其频带宽度。

4、当输入为三角波信号时，观察并记录输入、输出信号的波形，分析产生变化的原因。

5、观察放大器的幅频特性，调整100Ω电位器R的值改变放大器的增益和改善特性曲线的形状。

六、预习要求

1、对照测试电原理图、印刷版图熟悉电路中各元件的位置、作用，弄懂电路原理。

2、自拟实验步骤及实验所需的各种表格。

七、实验报告要求

1、简要说明集中选频高频小信号放大器的工作原理。

2、画出放大器的幅频特性，并标出中心频率、频带宽度，记录增益。

3、回答思考题提出的问题。

八、思考题

    1、该实验电路属于窄带放大器还是宽带放大器。其频带宽度主要取决于哪个元件？

2、你知道该电路主要应用在什么场合吗？陶瓷滤波器主要影响FM接收机的哪项技术指标？

4.3  正弦波振荡器

正弦波振荡器（Sine wave Oscillator）是一种能将直流电源提供的能量自动的转换为特定频率和振幅的正弦交变能量的电路。

正弦波振荡器产生振荡的起振条件是：

振幅起振条件                                 （4.3.1 a)

相位起振条件     (n=０, １, ２, …)        （4.3.1 b)

即在保证电路为正反馈的条件下，在起振过程中，直流电源补充的能量大于整个环路消耗的能量，使振荡的幅度不断增加。

平衡条件为：

   振幅平衡条件                                        （4.3. 2 a)

     相位平衡条件         (n=０, １, ２, …)            （4.3.2 b）

即当振荡幅度增大到使晶体管进入非线性区域时，由于自偏压的作用达到平衡，而保持等幅振荡。

4.3.1  LC正弦波振荡器

一、实验目的

    1、学会数字频率计的使用方法。

2、掌握常用正弦波振荡器（如基本电容三点式（Coplitts）振荡器、克拉泼振荡器、西勒振荡器）的基本工作原理及特点。 

3、掌握正弦波振荡器的基本设计、分析和测试方法。

4、研究不同反馈系数、不同静态工作点对正弦波振荡器的起振、振荡幅度和振荡波形的影响。观察外界因素变化对振荡幅度、振荡频率的影响。从而理解正弦波振荡器的基本性能特点。

5、掌握用Multisim8仿真各种类型的正弦波振荡器，并测试振荡器的振荡频率。

二、实验仪器

双踪示波器 

数字频率计 

晶体管毫伏表

直流稳压电源    

万用表  

三、实验原理

1、电容三点式电路（又称考毕兹电路,Coplitts）

图4.3.1为电容三点式振荡器的一种常见形式。电路的振幅起振条件可表示为 

                    （4.3.3）

其中        ， 

       （因为）

图4.3.1    电容三点式电路    

电路的反馈系数                                    （4.3.4）

对于反馈系数，并不是越大越好。由式（4.3.4）知，由于，反馈系数太大会使增益A降低。而且反馈系数太大，还会使输入阻抗对回路的接入系数变大，降低回路的有载值，使回路的选择性变差，振荡波形产生失真，频率稳定性降低。的取值一般为。

  该电路谐振回路的Q值为

                                        （4.3.5）

由式（4.3.3）、（4.3.5）知，应合理选择放大器的工作点。

该振荡器的振荡角频率

                    （4.3.6）

上面的分析是基于理想状态的，当考虑到实际因素时，电路的振荡器的振荡角频率为

      （4.3.7）

振幅起振条件为

                              （4.3.8）

上式（4.3.7）表明，电容三点式振荡器的振荡角频率不仅与有关，还与、即回路固有谐振电阻、外接电阻和三极管输入电阻有关，且。在实际电路中，一般满足

因此，工程估算时可近似认为： 

2、电感三点式电路（又称哈特莱电路，Hartley）

图4.3.2为电感三点式振荡器电路。 

图4.3.2 电感三点式振荡器电路

利用类似于电容三点式振荡器的分析方法，也可以求得电感三点式振荡器振幅起振条件和振荡频率，区别在于这里以自耦变压器耦合代替了电容耦合。

3、改进型电容反馈振荡器

基本电容三点式振荡器，由于晶体管各极直接和LC回路元件L、C1、C2并联，而晶体管的极间电容（结点容）又随外界因素（如温度、电源电压等）的变化而变化，因此造成振荡器的频率稳定度差。为了提高振荡器的频率稳定度，可以采用改进型的电容三点式振荡器。

（1）克拉泼（Clapp）电路

图4.3.3是克拉泼电路的实用电路，其中，所以、、三个电容串联后的等效电容

图4.3.3   克拉泼振荡电路

，                 （4.3.9）

于是，振荡角频率                           （4.3.10）

由此可见，克拉泼电路的振荡频率几乎与、无关，提高了振荡器的频率稳定度。该电路的缺陷是：若通过C3改变振荡器的振荡频率，将同时改变电路的接入系数，使环路增益发生变化，从而影响电路的起振，所以克拉泼电路不适合作波段振荡器。

（2）西勒（Selier）电路

实用的西勒电路如图4.3.4所示，西勒电路是在克拉泼电路的基础上，在电感L两端并接一个可变电容C4，此时回路总电容

          （4.3.11）

所以，振荡频率

              （4.3.12）

                      图4.3.4   实用西勒振荡电路

在西勒电路中，由于与Ｌ并联，所以的变化不会影响回路的接入系数， 如果使固定，可以通过变化来改变振荡频率，因此，西勒振荡电路可用作波段振荡器，其波段覆盖系数为1.6~1.8左右。西勒电路适用于较宽波段工作，在实际中用得较多。

四、LC正弦波振荡器的Multisim8仿真

1、电感三端式正弦波振荡器的仿真

在Multisim8电路窗口中，创建如图4.3.5所示的电感反馈振荡电路，其中晶体管T1选用2N2222A晶体管。单击“仿真”按钮，就可以从示波器中观察到振荡器的输出的信号波形如图4.3.6所示。

图4.3.5   电感反馈振荡电路

图4.3.6    电感反馈振荡器的输出的信号波形

（1）利用Simulate菜单中的Analyses中的DC Operating Point…进行直流工作点分析，结果记录入自备的表格中。

（2）用虚拟示波器和数字频率计测试电路的振荡频率。

（3）改变回路电容C3的数值，再次测试电路的振荡频率。

（4）若在三极管的发射极串接一1kHz的电位器（交流负反馈电阻），逐渐加大交流反馈量，用虚拟示波器观察输出波形的变化，记录变化情况并说明原因。

（5）估算该电路的振荡频率，并与仿真结果比较。

2、电容三端式正弦波振荡器的仿真

在Multisim8电路窗口中，创建如图4.3.7所示的电容三端式振荡电路，其中晶体管T1选用2N2222A晶体管。单击“仿真”按钮，就可以从示波器中观察到振荡器的输出信号波形如图4.3.8所示。

（1）利用Simulate菜单中的Analyses中的DC Operating Point…进行直流工作点分析，结果记录入自备的表格中。

（3）用虚拟示波器和数字频率计测试电路的振荡频率。

（4）改变回路电容C3的数值，再次测试电路的振荡频率。

（5）改变三极管T2的发射极的电阻R8，用虚拟示波器观察输出波形的变化，记录变化情况并说明原因。

注意：振荡器起振的过渡时间较长，需要经过一段时间后才能输出稳定的正弦信号。另外，若创建的振荡电路仿真时没有输出，可以单击键盘A按钮，给电路一个触发，就可以使电路产生振荡。

图4.3.7 电容三端式振荡电路

图4.3.8   电容三端式振荡器输出信号波形

3、克拉泼电路的仿真

在Multisim8电路窗口中，创建如图4.3.9所示的克拉泼振荡电路，其中晶体管T1选用2N2222A晶体管。单击“仿真”按钮，就可以从示波器中观察到振荡器的输出信号波形如图4.3.10所示。

（1）利用Simulate菜单中的Analyses中的DC Operating Point…进行直流工作点分析，结果记录入自备的表格中。

（2）用虚拟示波器和数字频率计测试电路的振荡频率。

（3）改变回路电容（分别接入C5和C7）的数值，再次测试电路的振荡频率。

注意：克拉泼振荡器起振的过渡时间较长，需要经过一段时间后才能输出稳定的正弦信号。另外，若创建的振荡电路仿真时没有输出，可以单击键盘A或B或C按钮，给电路一个触发，就可以使电路产生振荡。

图4.3.9   克拉泼振荡电路

4、西勒电路的仿真

在Multisim8电路窗口中，创建如图4.3.11所示的西勒振荡电路，其中晶体管T1选用2N2222A晶体管。单击“仿真”按钮，就可以从示波器中观察到振荡器的输出信号波形如图4.3.12所示。完成以下操作：

注意：西勒振荡器起振过渡时间同样较长，需要经过一段时间后才能输出稳定的正弦信号。另外，若创建的振荡电路仿真时没有输出，可以单击键盘A或B或C按钮，给电路一个触发，就可以使电路产生振荡。

图4.3.10    克拉泼振荡电路输出信号波形

图4.3.11  西勒振荡电路

（1）用虚拟示波器和数字频率计测试电路的振荡频率。

（2）改变回路电容（分别接入C5和C7）的数值，再次测试电路的振荡频率。

（3）改变C4测量振荡频率的范围。

图4.3.12     西勒振荡电路的输出信号波形

五、实验任务

1、克拉泼电路的测试

（1）静态工作点的测试：改变晶体管的静态偏置，观察振荡器的振荡频率、幅度和波形的影响，并将结果填入自拟的表格内。并选择合适的静态工作点。

（2）观察电路的反馈系数变化时对振荡器的振荡频率、幅度和波形将的影响，并将结果填入自拟的表格内。

（3）改变C3测量振荡器的频率范围。

（4）观察负载变化对振荡器振荡频率、幅度和波形的影响，并将结果填入自拟的表格内。

2、西勒电路的测试

（1）改变晶体管的静态偏置，观察振荡器的振荡频率、幅度和波形的影响，并将结果填入自拟的表格内。

（2）观察电路的反馈系数变化时对振荡器的振荡频率、幅度和波形将的影响，并将结果填入自拟的表格内。

（3）改变C4测量振荡器的频率范围。

（4）观察负载变化对振荡器振荡频率、幅度和波形的影响，并将结果填入自拟的表格内。

六、预习要求

1、认真阅读频率计面板旋钮的作用及位置。

2、复习LC正弦波振荡器的工作原理，了解反馈元件、回路元件、和晶体管直流工作点对振荡器工作的影响，了解提高频率稳定度的措施。

3、画出测试电路的交流通路，估算振荡频率。

4、对照测试电原理图、印刷版图熟悉电路中各元件的位置、作用，弄懂电路原理。

5、自拟实验步骤及实验所需的各种表格。

6、画出图4.3.9、图4.3.11所示电路的高频交流通路并说明个元件的作用，估算静态工作点电流IEQ的范围。

6、估算图4.3.9、图4.3.11所示振荡电路的频率及频率覆盖系数。

7、完成Multisim8的仿真并记录仿真结果。

七、实验报告要求

1、整理数据表格，画出各相应的振荡波形。有数据表格得到相应的结论。

2、对各种电路进行频率的近似估算。

3、回答思考题中的问题。

    八、思考题

1、在克拉泼电路中，若将电阻R6增大到某一值时，电路将停振，试说明停振的原因。

2、在克拉泼电路中，当电容C3减少到某一值时，振荡器就会停振，试说明停振的原因。

3、同一振荡电路，当静态工作点不同时，振荡器的输出幅度也各不相同，为什么？

4、为什么反馈系数太大都会影响振荡器的起振？

5、测量频率的方法可以用频率计，也可以用示波器，它们各有什么优缺点？

6、西勒电路与克拉泼电路的差别在何处，它们各自有何特点？

7、西勒电路与克拉泼电路都较难起振，为什么？

8、如果改变电源电压或使晶体管温度升高，振荡器的输出幅度和频率是否会发生变化，为什么？

4.3.2  石英晶体振荡器

一、实验目的

    1、进一步学习数字频率计的使用方法。

2、掌握并联型晶体振荡器的工作原理及特点。 

3、掌握晶体振荡器的设计、调试方法。

4、观察并研究外界因素变化对晶体振荡器工作的影响。

5、掌握用Multisim8仿真并联型晶体振荡器，并测试振荡器的振荡频率。

二、实验仪器

双踪示波器 

数字频率计

晶体管毫伏表

直流稳压电源

万用表

三、实验原理

振荡器的频率稳定度是振荡器的一项重要指标。所谓频率稳定度，就是在各种外界条件发生变化的情况下，振荡器的实际工作频率与标称频率之间的偏差。当然，这种偏差越小，电路性能越好。

振荡器的频率稳定度主要取决于振荡回路的标准性和品质因数。LC振荡器由于受到LC回路的标准性和品质因数的，其频率稳定度只能达到量级，很难满足实际应用的要求。

石英晶体振荡器为采用石英晶体谐振器作为选频回路的振荡器，其振荡频率主要由石英晶体决定。 与LC回路相比，石英晶体谐振器具有很高的标准性和品质因数，使石英晶体振荡器可以获得极高的频率稳定度。由于采用石英晶体的精度和稳频措施不同，石英晶体振荡器可以获得高达量级的频率稳定度。

石英晶体谐振器的等效电路和电抗频率特性如图4.3.13所示。

图4.3.13  石英晶体谐振器的等效电路和电抗频率特性

由等效电路可知，晶体谐振器是一串、并联谐振回路，串、并联谐振频率、分别为

                              （4.3.13）

                            （4.3.14）

由于，与相差很小，

                    （4.3.15）

一般石英晶体的很大，很小，与同样频率的LC元件构成的回路相比，、与LC元件数值要相差4—5个数量级；同时，晶体谐振器的品质因数也非常大。晶体在工作频率附近阻抗变化率大，有很高的并联谐振阻抗。

在晶体振荡器中，把石英晶体谐振器用作等效感抗，振荡频率必处于与之间的狭窄频率范围内。由于石英晶体的高Q特性，等效感抗X随的变化率极其陡峭，它对频率的变化非常敏感。因而在晶体振荡器的振荡系统中出现频率不稳定因素影响，使振荡系统的时，石英晶体具有极高的频率补偿能力，晶体振荡器的振荡频率主要有极微小的变化，就足以保持振荡系统的。因此，晶体振荡器的工作频率非常稳定。

晶体振荡器的电路类型很多，根据晶体在电路中的作用，可以将晶体振荡器归为两大类：并联型晶体振荡器和串联型晶体振荡器。

1、并联型晶体振荡器

图4.3.13是目前应用最广的并联型晶体振荡器——皮尔斯（Pirece）晶体振荡电路。为了减少测量或其他负载对振荡回路的影响，可采用射随器电路作为输出级。

振荡频率                  （4.3.16）

式中，是和晶体两端并联的外电路各电容的等效值，为根据产品所要求的负载电容。在实用时，一般需加入微调电容，用以微调回路的谐振频率，保证电路工作在晶体外壳上所注明的标称频率上。

图4.3.14所示为采用微调电容的晶体振荡电路，适当调节图中的C4值，可以使振荡器工作在晶体的标称频率上，使外接电容更接近出厂时规定的负载电容值。此外，若串联电容C为变容二极管，还可构成电压控制型晶体振荡器。

图4.3.13  皮尔斯晶体振荡器电路                     图4.3.14  采用微调电容的晶体振荡电路

2、串联型晶体振荡电路                         

串联型晶体振荡电路如图4.3.15所示，这种振荡器与三点式振荡器基本类似，只不过在正反馈支路上增加了一个晶体。Ｌ、、和组成并联谐振回路而且调谐在晶体的串联谐振频率上。

图4.3.15   实用串联型单管晶体振荡器电路

四、石英晶体振荡器的Multisim8仿真

在Multisim8电路窗口中，创建如图4.3.16所示的石英晶体振荡器，接入虚拟示波器和数字频率计。单击“仿真”按钮，就可以从示波器中观察到振荡器的输出信号波形如图4.3.17所示。

图4.3.16   皮尔斯晶体振荡器

图4.3.17   皮尔斯晶体振荡器的输出信号波形

（1）用虚拟示波器和数字频率计测试电路的振荡频率。

（2）改变负载电阻的数值（分别接通开关1、2、3），再次测试电路的振荡频率，分析负载变化对振荡频率的影响。

五、实验任务

1、改变晶体管的静态偏置，观察对振荡器的振荡频率、幅度和波形的影响，并将结果填入自拟的表格内。

2、改变C3测量振荡器的频率范围。

3、观察负载变化对振荡器振荡频率、幅度和波形的影响，并将结果填入自拟的表格内。

4、将实验结果3与实验4.3.1的结果比较，说明负载变化对两种振荡器的不同影响。

六、预习要求

1、对照测试电原理图、印刷版图熟悉电路中各元件的位置、作用，弄懂电路原理。

2、画出测试电路的交流通路。

3、自拟实验步骤及实验所需的各种表格。

4、完成Multisim8的仿真并记录仿真结果。

七、实验报告要求

1、整理数据表格，画出各相应的振荡波形。有数据表格得到相应的结论。

2、对各种电路进行频率的近似估算。

3、回答思考题中的问题。

八、思考题

1、 晶体振荡器的振荡频率比LC振荡器的频率稳定的多，为什么？

2、若采用泛音晶振，使振荡于某一泛音频率，图4.3.16中的电路将作哪些主要改变？

4.3.3  RC正弦波振荡器

当要求产生频率在几十千赫以下的正弦波信号时，需采用ＲＣ电路作选频网络，同时采用晶体管或集成电路作为放大器，组成RC振荡器。

一、实验目的

    1、掌握RC振荡器的基本工作原理及特点。

2、掌握RC正弦波振荡器的基本设计、分析和测试方法。

3、掌握用Multisim8仿真RC正弦波振荡器，并测试振荡器的振荡频率及其范围。

二、实验仪器

双踪示波器 

数字频率计 

晶体管毫伏表

直流稳压电源    

万用表  

三、实验原理

文氏电桥振荡器是应用最广泛的RC正弦波振荡器，它采用同相集成运算放大器与串并联选频电路组成，如图4.3.18所示。由于二极管的导通电阻具有随外加正偏电压增加而减小的非线性特性，所以振荡器的起振条件为

                        （4.3.17）

当适当减小，提高负反馈深度，调整输出信号幅度，即可实现稳定输出信号幅度的目的。

振荡器的振荡角频率                           （4.3.18）  

图4.3.18    文氏电桥振荡器

欲产生振荡频率符合式（4.3.18）的正弦波，要求所选的运放的单位增益带宽积至少大于振荡频率的3倍。电路选用的电阻均应在千欧姆数量级，并尽量满足平衡电阻的条件。

四、文氏桥氏振荡器的Multisim8仿真

在Multisim8电路窗口中，创建如图4.3.19所示的文氏桥式振荡电路。在开关A闭合的情况下，单击“仿真”按钮，就可以从示波器中观察到振荡器的输出信号波形如图4.3.20所示。

1、用虚拟示波器和数字频率计测试电路的振荡频率。

2、改变回路电容（分别接通开关A、B、C）的数值，测试电路的振荡频率。

3、同时改变电阻（注意应配合开关A、B、C）R4、R5，用虚拟数字频率计测量电路的振荡频率范围。

4、改变电阻R3的大小，记录对振荡器的输出幅度和波形的影响。

五、实验任务

参照仿真结果，搭建图4.3.19所示的文氏桥式振荡器实验电路，检查无误后接通电源，完成如下电路的测试： 

1、改变电阻R3的大小，观察对振荡器的输出幅度和波形的影响，测量电路的振荡频率、输出幅度及振荡波形，并将结果填入自拟的表格内。

2、观察电路的反馈系数变化（开关A、B、C分别闭合）时对振荡器的振荡频率、幅度和波形将的影响，并将结果填入自拟的表格内。

3、测量振荡器的频率范围。

4、移去两只二极管，观察输出幅度的变化，说明二极管的稳幅效果。

六、预习要求

1、对照测试电原理图、印刷版图熟悉电路中各元件的位置、作用，弄懂电路原理。

2、自拟实验步骤及实验所需的各种表格。

3、完成Multisim8的仿真分析，记录仿真结果。

4、估算电路产生振荡的振幅平衡条件、相位平衡条件以及振荡频率。

七、实验报告要求

1、整理数据表格，画出各相应的振荡波形。有数据表格得到相应的结论。

2、对电路进行频率的近似估算。

3、回答思考题中的问题。

4、将仿真结果与实验结果进行比较。

图4.3.19  文氏桥式振荡电路

图4.3.20   文氏桥式振荡的输出信号波形

八、思考题

1、为了得到稳定（频率、振幅）的正弦信号，振荡电路应包含哪几部分？它们的作用是什么？

  2、写出振荡电路的振幅平衡条件和相位平衡条件。

  3、在RC正弦波振荡器中，当输出稳定的正弦信号时，运算放大器是工作在线性状态还是非线性状态？当或0时，分别输出何种信号？试总结出输出波形随变化的趋势。