學(xué)子專(zhuān)區(qū)論壇-ADALM2000實(shí)驗(yàn)：Hartley振蕩器

目標(biāo)

振蕩器有多種形式。本次實(shí)驗(yàn)活動(dòng)將研究Hartley配置，該配置使用帶抽頭的電感分壓器來(lái)提供反饋路徑。

背景知識(shí)

Hartley振蕩器特別擅長(zhǎng)在30 kHz至30 MHz的RF范圍內(nèi)產(chǎn)生失真相當(dāng)?shù)偷恼也ㄐ盘?hào)。Hartley配置的標(biāo)志性特點(diǎn)是其使用帶抽頭的電感分壓器（圖1中的L1和L2）。振蕩頻率可以像任何并聯(lián)諧振電路一樣，使用公式1來(lái)計(jì)算：

其中，L=L1+L2

圖1為典型的Hartley振蕩器。決定頻率的并聯(lián)諧振調(diào)諧電路由L1、L2和C1組成，用作共基極放大器Q1的集電極負(fù)載阻抗。這使得放大器僅在諧振頻率下具有高增益。Hartley振蕩器的這種配置使用了共基極放大器。Q1的基極通過(guò)電阻分壓器R1和R2偏置到適當(dāng)?shù)闹绷麟娖?，但通過(guò)C3直接連到交流地。在共基極模式下，集電極處的輸出電壓波形與發(fā)射極處的輸入信號(hào)同相。這確保了從L1和L2之間節(jié)點(diǎn)的輸出信號(hào)的一部分，通過(guò)耦合電容C2從調(diào)諧集電極負(fù)載反饋到發(fā)射極，從而提供所需的正反饋。

圖1 基礎(chǔ)的Hartley振蕩器

C2還與發(fā)射極電阻R3共同作用產(chǎn)生一個(gè)低頻時(shí)間常數(shù)，從而提供與Q1發(fā)射極處的反饋信號(hào)幅度成比例的平均直流電壓電平。這樣就能自動(dòng)控制放大器的增益，提供振蕩器所需的1倍閉環(huán)增益。因?yàn)榘l(fā)射極節(jié)點(diǎn)用作共基極放大器的輸入，所以發(fā)射極電阻R3未去耦?；鶚O通過(guò)C3連接到交流地，在振蕩器頻率下其電抗非常低。

實(shí)驗(yàn)前仿真

構(gòu)建圖1所示Hartley振蕩器的仿真原理圖。計(jì)算偏置電阻R1和R2的值，確保當(dāng)發(fā)射極電阻R3設(shè)置為1 kΩ時(shí)，NPN晶體管Q1中的集電極電流約為1 mA。假設(shè)電路由10 V電源供電。確保R1和R2之和（總電阻大于10 kΩ）在合理范圍內(nèi)達(dá)到最高值，從而盡可能降低電阻分壓器中的靜態(tài)電流。注意，C3在Q1的基極處提供一個(gè)交流地。將基極去耦電容C3和輸出交流耦合電容C4設(shè)置為0.1 μF。計(jì)算C1的值，確保當(dāng)L1設(shè)置為1 μH、L2設(shè)置為10 μH時(shí)，諧振頻率接近750 kHz。執(zhí)行瞬態(tài)仿真。保存這些結(jié)果，將它們與實(shí)際電路的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較并將比較結(jié)果隨附在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中。

材料

●   ADALM2000主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊

●   無(wú)焊試驗(yàn)板和跳線(xiàn)套件

●   一個(gè)2N3904 NPN晶體管

●   一個(gè)1 μH電感

●   一個(gè)10 μH電感

●   一個(gè)100 μH電感

●   一個(gè)1 nF電容（C1可選值如下所列）

●   兩個(gè)0.1 μF電容（標(biāo)記為104）

●   兩個(gè)0.01 μF電容（標(biāo)記為103）

●   一個(gè)1 kΩ電阻

●   所需的其他電阻、電容和電感

說(shuō)明

使用無(wú)焊試驗(yàn)板構(gòu)建圖2所示的Hartley振蕩器。從器件套件中選擇偏置電阻R1和R2的標(biāo)準(zhǔn)值，使得發(fā)射極電阻R3設(shè)置為1 kΩ時(shí)，NPN晶體管Q1中的集電極電流約為1 mA。根據(jù)所選擇的L1、L2和C1值，振蕩器的頻率可以在大約500 kHz到2 MHz的范圍內(nèi)變化。從L1 = 10 μH且L2 = 100 μH開(kāi)始。此振蕩器電路可產(chǎn)生超過(guò)10 V p-p的正弦波輸出，其頻率近似于由所選C1值設(shè)定的頻率。試驗(yàn)過(guò)C1的各種值后，將L1改為1 μH，將L2改為10 μH。

圖2 Hartley振蕩器

硬件設(shè)置

綠色區(qū)域表示連接ADALM2000模塊AWG、示波器通道和電源的位置。確保在反復(fù)檢查接線(xiàn)之后，再打開(kāi)電源。參見(jiàn)圖3所示的試驗(yàn)板電路。

程序步驟

完成Hartley振蕩器的構(gòu)建之后，檢查電路是否正確振蕩，先打開(kāi)+5V和-5 V兩個(gè)電源，并將其中一個(gè)示波器通道連接到輸出端。R3的值可能相當(dāng)關(guān)鍵，選擇不當(dāng)可能會(huì)導(dǎo)致電路產(chǎn)生較大且失真的波形，或者產(chǎn)生間歇性低輸出，甚至完全沒(méi)有輸出。為了找到更合適的R₃值，可以用1 kΩ電位計(jì)代替它進(jìn)行試驗(yàn)，以尋找波形更優(yōu)、幅度更可靠的電阻值。圖4為使用R₁= 10kΩ、R₂=1kΩ、R₃=100Ω、C1=4.7nF時(shí)的波形示例。

圖3 Hartley振蕩器試驗(yàn)板電路

問(wèn)題

1.Hartley振蕩器的主要功能是什么？

2.哪些實(shí)際應(yīng)用正在使用Hartley振蕩器？

圖4 Hartley振蕩器圖

作者簡(jiǎn)介

Antoniu Miclaus是ADI公司的軟件工程師，負(fù)責(zé)為L(zhǎng)inux和無(wú)操作系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)嵌入式軟件，同時(shí)從事ADI教學(xué)項(xiàng)目、QA自動(dòng)化和流程管理工作。他于2017年2月在羅馬尼亞克盧日-納波卡加盟ADI公司。他擁有巴比什-波雅依大學(xué)軟件工程碩士學(xué)位，以及克盧日-納波卡技術(shù)大學(xué)電子與電信工程學(xué)士學(xué)位。