學子專區—ADALM2000活動：脈衝振盪器

目標

本實驗活動的目標是研究振盪器的特性。振盪器可產生脈衝輸出（短週期脈衝）並由輸入方波控制。

背景知識

正弦波振盪器會以預設的頻率無限期地產生輸出波形；也就是說，它會持續不斷地運行。諸如雷達等設備中的許多電子電路要求振盪器在特定時間內開啟，並在之後的時間保持關閉狀態，直到需要時再開啟。此類電路被稱為脈衝振盪器或振鈴振盪器。這些其實是在特定時間開啟和關閉的正弦波振盪器。圖1顯示了脈衝振盪器的電路圖，諧振電路位於發射極電路中。V_GATE 上的正輸入會使Q1深度導通，電流流經L1。因此，振盪無法發生。負向輸入脈衝（簡稱「閘控」）會切斷Q1，諧振電路發生振盪或振鈴，直到閘控輸入結束或振鈴消失或停止（以先發生者為準）。

要瞭解此電路的工作原理，首先可假設LC諧振電路的Q值夠高，能夠防止阻尼。當輸入閘控脈衝呈負跳變時（T0到T1和T2到T3期間），電路會產生輸出。其餘時間（T1到T2）電晶體深度導通，電路則無輸出。輸入閘控脈衝的寬度用於控制輸出訊號的持續時間。閘控脈衝越寬，輸出振盪或振鈴的時間便越長。

LC諧振電路的諧振頻率由公式1得出：

脈衝振盪器有多種類型，適用於不同的應用場景。圖1所示為發射極負載式脈衝振盪器的原理圖。諧振電路也可以放在集電極中，這種情況稱為集電極負載式脈衝振盪器。發射極負載式振盪器和集電極負載式振盪器的區別在於輸出訊號。發射極負載式NPN脈衝振盪器的第一個週期是負週期。集電極負載式脈衝振盪器的第一個週期是正週期。如果使用PNP，則發射極負載式振盪器和集電極負載式振盪器的第一個週期均會反向。

您可能已經注意到，我們的討論中沒有提到回饋。請記住，正回饋是振盪器維持振盪的必要條件。針對脈衝振盪器，其僅在極短時間內產生振盪。但請注意，當增加輸入閘控脈衝（用於關斷電晶體）的寬度時，由於缺乏回饋，正弦波的幅度在門控週期快要結束時會開始減小（阻尼）。如果某個特定應用需要較長的振盪週期，則振盪器電路需要使用回饋。在這種情況下，工作原理保持不變，只是回饋網路會讓振盪週期維持所需的時間。

材料

• ADALM2000主動學習模組
• 無焊試驗板
• 跳線
• 一個小訊號NPN電晶體(2N3904)
• 一個470 kΩ電阻
• 一個100 µH電感
• 一個100 pF電容
• 一個0.1 µF電容

說明

在無焊試驗板上建構圖2所示的脈衝振盪器電路。方塊表示連接ADALM2000模組AWG、示波器通道和電源的位置。請確保在反覆檢查接線之後，再打開電源。

硬體設定

將AWG1設定為方波，峰對峰值幅度為1.4 V，偏移為零。將頻率設定為50 kHz，工作週期設定為50%（方波在週期的50%時間內為高位準）。將兩個示波器輸入均設定為500 mV/div，並將時間軸設定為2 µs/div。之後將觸發訊號設定為通道1的降緣。試驗板連接參見圖3。

程式步驟

打開+5 V電源，並啟動AWG。觀察輸出波形。其應該由若干週期的正弦波脈衝組成，從AWG 1方波的降緣開始，到升緣結束。參見圖4。

請注意，輸出正弦波以地(0 V)為中心，在正負方向上擺動。測量輸出正弦波的頻率。測量輸出正弦波脈衝的第一個和最後一個週期的峰對峰值幅度。從脈衝開始到結束，其幅度下降了多少？

問題

1. 什麼是脈衝振盪器？
2. 脈衝振盪器有哪些常見用途？

答案請參閱學子專區部落格。