本地振荡器设计实验报告通信电路.doc

通信电路实验报告报告内容：第一部分 预习报告附: 原始数据记录第二部分 终结报告第三部分 联调报告第四部分 实验总结 王璟 2001010224 无322007.06.28第一部分 预习报告【实验目的】1、掌握晶体振荡器的设计方法。2、培养设计、制作、调测振荡器的能力。3、学会对电路性能进行研究。【设计要求】1、 设计一个串联型晶体振荡器（克拉泼或西勒电路），工作频率在14MHz左右，本实验所选晶体为14.31818MHz；2、 振荡器的工作点连续可调，调节范围满足：0.5mAIE=800mV。【实验原理】1、晶体振荡器原理利用石英晶体的压电和反压电效应对正弦振荡频率进行控制的振荡器，频率稳定度和准确度很高。频率稳定度可以比较容易地实现10-410-6。利用石英晶片压电效应制成的谐振器件，振荡器的振荡频率就被控制和稳定在石英片的机械振动频率上，稳频度可以达到10-5以上。晶体振荡具有多谐性，除了基频振动外，还有奇次谐波的泛音振动。2、晶体振荡电路、并联型晶体振荡电路：电路中晶体代替三点式振荡器中的电感；晶体在振荡环路中起高Q电感器的作用。如： 、串联型晶体振荡电路：电路中晶体起高Q短路器的作用。电路的结构图 等效电路图 、泛音晶体振荡器：20MHz以上的更高的工作频率时，一般均采用泛音晶体，泛音次数通常选为37次泛音。振荡环路中必须包含两个振荡回路：其中一个作为放大器的选择性负载，即作泛音选择电路，该电路仅在所限定的泛音振荡频率上符合振荡的相位（或振幅）平衡条件。泛音选择电路设计在n次泛音和（n-2）次泛音之间。【实验电路设计】晶体振荡电路有两种实现形式，即串联型和并联型。在串联晶振电路中，晶体起着高Q短路器的作用；而在并联晶振电路中，晶体起着高Q电感器的作用。本实验采用了前一形式的电路，原因在于串联晶振电路的工作点可方便地由分压电路来调节，且其起振调节比较方便。可先将晶体短路后将三点式振荡电路调谐在晶体的串联谐振频率点上，然后将晶体接入电路即可。具体电路如下：电路的工作原理叙述如下：整个电路是一个共基接法的反馈振荡电路，晶振在其中当高Q短路器的作用。电阻R4和R3用来调整晶体管的直流工作点，使其工作在放大的状态。C3是旁路电容。交流情况下，电容C0、C1、C2和电感L1构成三点式振荡器的振荡环路，晶体在振荡频率上相当于短路线，把输出返回到输入。整个电路的交流等效电路如下：总的电容值得到理论上的振荡频率：可以通过微调L1，使其谐振在14.318MHz上。第二部分 终结报告【实验数据整理及结果分析】1 测出工作点的变化范围，研究工作点变化对振荡频率及振荡幅度的影响，找出最佳工作点。调节变阻器，改变三极管基极电位， 其中，RE1K，IEVE/RE，C1/C2=220/330（为合适反馈系数），对不同工作点对应的振荡幅度、振荡频率进行比较如下：VE（V）0.751.623.213.814.905.205.505.70IE（mA）0.751.623.213.814.905.205.505.70Vopp（V）0.30.81.501.702.051.40.75fo(MHz)14.313914.313914.314014.314014.314014.314014.3140振荡状态起振合适最大不失真停振（1）对振荡幅度的影响由数据可知，晶体振荡器工作时有一个最佳工作点，此处最佳的合适工作点IEopt=3.81mA；在此工作点处电路的输出幅度达到最大。当实际工作点偏离此最佳工作点时，输出电压幅度将下降。偏离得较多时，还可能引起电路不振荡。三极管基极电位升高后，基极电流增大，动态电阻变小，放大系数A增大，平衡点右移，振荡幅度增大。当工作点增大到一定值时，再继续增大工作点就会使晶体管进入饱和区了。因此即使当此时晶体管的输出幅度继续增大它的波形也不标准，而且波峰会出现稍稍内陷的现象。（2）对振荡频率影响的数据分析由上表可以看出，振荡频率随工作点基本不变化。由起振时的振荡频率和最佳工作点的振荡频率均为14.313914.3140MHz可知，振荡电路的振荡频率十分稳定，保持在14MHz附近基本不变，这是因为晶体具有很大的等效电感和很小的等效电容及损耗电阻，从而使得晶体的Q值很高，选择性很好，因此外界元件与其相连接时，对石英谐振器的固有谐振特性的影响是十分微弱的，这就是为什么晶体振荡电路如此稳定的原因。由于直流工作点变化，晶体管的结电容会发生变化，从而造成电路输入输出电容的变化。但由于晶体振荡器的振荡回路结构特殊，输入输出电容变化对振荡频率的影响可以忽略。2 研究反馈系数大小对振荡器振荡幅度的影响。其中IE=IEopt=3.81mA，为使比较更合理，这里C1值固定为220pF，通过改变C2改变反馈系数。由此对不同反馈系数F对应的振荡幅度进行比较如下：C1(pF)220220220220220220C2(pF)220330390470560820F(反馈系数)0.500.400.360.320.280.21Vopp(V)1.211.701.541.400.95停振数据分析：实验电路采取共基接法，反馈系数为射基电压比上集基电压：理论上来说，当取比较适中的反馈系数F时，只需要较小的射极电压VEQ即能够使电路起振，也就是存在电路最容易起振的点，这是符合理论的，因为从通信电路原理中可知，当反馈系数过小时，反馈不足，回路能量的补充不足以弥补回路的损耗，使振荡最终不能建立；反馈系数过大，输入回路和输出回路耦合太紧，使电感Q值降低，增益减小，环路负担过重，振荡也难以发生，因而必然存在最合适的反馈系数F，使电路最容易起振。从数据上可以看出：反馈系数的不同将会导致输出电压幅度的不同，但有一个最佳点。在F=0.4附近，输出电压幅度达到最大值。F继续增大时，输出电压减小；F减小时，输出电压幅度也会下降。这就验证了电路是存在一个最佳反馈系数F的。3 研究反馈系数不变，反馈元件值大小对振荡器振荡频率和振荡幅度的影响。其中IE=IEopt=3.81mA，为便于固定反馈系数，研究反馈元件值变化时的振荡性能，取反馈电容C1=C2=C(电容值)，即固定反馈系数为F=0.5。由此对不同反馈电容值C对应的振荡频率和振荡幅度进行比较如下：C1=C2=C(pF)180220240270290300fo(MHz)14.314814.314514.314214.314014.313914.3138Vopp(V)0.8851.211.301.050.8100.775（1）反馈元件值对振荡频率的影响：当电容变大时，振荡频率也相应降低，但是变化的极为有限。因为当反馈电容C1、C2增大时，将会增大，从而导致回路振荡频率的降低。这一点和我们的实验数据是相符的（请见上面表格）。但是，C0远小于C1、C2，故C1、C2的变化对频率影响极为有限。（2）反馈元件值对振荡幅度的影响：当反馈元件增大时，输出电压幅度总的来说呈下降趋势。这是因为，反馈元件值越大，则落在电容C0上的电压增大，而分配在C1与C2上的电压减小，使得反馈量变小，从而使输出电压幅度减小。综上所述，输出电压幅度随反馈元件总体下降趋势，但如元件值过小那么输出幅度也会下降，也就是存在着一个合适点。4 研究负载阻抗变化对振荡器振荡频率和振荡幅度的影响。其中IE=IEopt=3.81mA(1) 纯阻负载对负载为纯阻时，不同阻值RL对应的振荡频率和振荡幅度进行比较如下：RL (k)0.5115.110fo(MHz)14.313914.313914.313914.3139Vopp(V)1.461.701.851.90可见，随着纯阻负载值的增加，振荡频率基本不变，但振荡幅度呈增加趋势，因为增加负载电阻值可以增加回路的Q值。(2) 带容性负载当振荡器带容性负载时，为研究其带容性负载的能力，对负载阻抗的电阻部分固定为RL=5.1k，改变所带容性负载CL的容抗值，对相应的振荡频率和振荡幅度进行比较如下：CL (pF)273647fo(MHz)14.313814.313714.3135Vopp(V)1.621.521.12可见，容抗值增加将使振荡频率下降而发生偏移，这点很容易理解，因为负载电容相当于并在了电感的两端，它会使回路的谐振频率发生偏移。负载电容增大到一定值之后，回路谐振频率偏离晶体的串联谐振频率较远，电路有可能根本不起振。可以采取互感耦合输出来减弱负载电容的影响，将会使电路的带负载能力得到增强。第三部分 联调报告【联调过程】1各单元参数设置高放工作中心频率：16.455MHz本振频率：14.310MHz中频频率：2.145MHz2联调结果：设置调制频率（KHz）1.451.702.033.104.09实测解调频率（KHz）1.4511.7012.0283.094.10具体运行界面如下：当设置频偏为1.45kHz时，实测界面如下：当设置频偏为1.70kHz时，实测界面如下：当设置频偏为2.03kHz时，实测界面如下：当设置频偏为3.10kHz时，实测界面如下：当设置频偏为4.09kHz时，实测界面如下：3联调中的主要问题及调试各单元电路连接后，输出波形异常。经过研究，由于正交鉴相器的中心频率采用参考值2.455MHZ，与实际中频频率2.145MHZ有差距，所以不能实现正确解调。然后，针对第四个单元电路进行调试，使其中心频率为2.145MHZ左右。再次进行联调，结果正确。第四部分 实验总结本次实验设计的晶体振荡器工作在14MHz，采用晶体串联连接方式以方便实验时进行工作点的调节。由于属于高频振荡电路，因此分布参数的影响很大。实际在插电路板时，电线、电阻、电容等元件都紧贴着电路板，线与线之间不交叉，以尽量减少分布电容和分布电感对电路性能的影响。本次实验经历了一些波折，前后两次对电路进行了修改。究其原因，还是在电路设计之初没有从理论上对电路进行仔细的研究。通过实验，对振荡电路的实现形式、振荡条件等都有了更深刻的理解。通过不断的设计修改思考、请教老师修改，对电路设计中需要注意的问题有了深刻的印象。比如说：晶体振荡电路中一定要保证电感的高Q性能，这就要求负载，三极管集电极限流电阻等均不会对电感的Q造成影响。实际上，本实验就由于此而导致振荡电路两次出现问题。电路的工作点一定要调好，工作点不正确将会导致电路不发生振荡。在保证电路振荡的情况下来调节工作点和反馈系数使电路处于最佳状态等。电路模拟的结果和实际测量有很大的出入。模拟时电路的输出振荡幅度一直上不去；而在实际中，输出电压的幅度到达3V。故不可过分依赖软件的模拟结果，而应从中研究电路的参数变化对电路性能的影响；并不需要十分精确，只需要了解其趋势即可。本次实验的联调部分总体做得很顺利，通过联调，对整个通信系统的设计有了一个更宏观的认识。总体而言，本次实验收获很大。对上学期学习的高频振荡电路有了一次直观的经历。在电路的设计修改过程中，由于不断的思考和总结，对相关知识有了更深入的理解。同时，实践与理论存在一定的差距。用理论来指导实践；用实践来深化理论。本次实验，在学习理论知识时一些没有注意的细节问题在此处被凸现了出来。理论与实践相结合才能考察自己的哪部分内容理解正确，哪部分内容理解错误，才能使学到的知识更加牢靠。