在电子技术的学习与研究领域，振荡器是一个关键的组成部分，它有着多种不同的形式。本次学子专区论坛将聚焦于 ADALM2000 实验中的 Colpitts 振荡器。Colpitts 振荡器特别擅长在 30 kHz 至 30 MHz 的 RF 范围内产生低失真的正弦波信号，这一特性使其在众多电子应用中具有重要价值。
　　背景知识
　　Colpitts 振荡器的标志性特点是其使用带抽头的电容分压器（图 1 中的 C1 和 C2）。振荡频率可以像任何并联谐振电路一样，使用公式 1 来计算。需合理选择两个串联电容的值，使其串联总电容 (CTOT) 满足公式 2 的计算结果。图 1 为典型的 Colpitts 振荡器，决定频率的并联谐振调谐电路由 C1、C2 和 L1 组成，用作共基极放大器 Q1 的集电极负载阻抗。这使得放大器仅在谐振频率下具有高增益。Colpitts 振荡器的这种配置使用了共基极放大器，Q1 的基极通过电阻分压器 R1 和 R2 偏置到适当的直流电平，但通过 C3 直接连到交流地。在共基极模式下，集电极处的输出电压波形与发射极处的输入信号同相，这确保了 C1 和 C2 之间节点的输出信号的一部分从调谐集电极负载反馈到发射极，从而提供所需的正反馈。需要注意的是，此反馈仅为交流反馈，集电极与发射极之间不存在直流路径。
　　　C1 和 C2 的组合电容还与发射极电阻 R3 共同作用产生一个低频时间常数，从而提供与 Q1 发射极处的反馈信号幅度成比例的平均直流电压电平。这样就能自动控制放大器的增益，从而去调节振荡器的闭环增益。与所有振荡器一样，必须遵循 Barkhausen 准则，即总增益为 1，且从输入到输出的相移为 0 度。因为发射极节点用作共基极放大器的输入，所以发射极电阻 R3 未去耦。基极通过 C3 连接到交流地，在振荡器频率下其电抗非常低。
　　实验前仿真
　　要构建图 1 所示 Colpitts 振荡器的仿真原理图。首先需要计算偏置电阻 R1 和 R2 的值，确保当发射极电阻 R3 设置为 1 kΩ 时，NPN 晶体管 Q1 中的集电极电流约为 1 mA。假设电路采用 10 V 电源供电，要确保 R1 和 R2 之和（总电阻大于 10 kΩ）在合理范围内达到最高值，从而尽可能降低电阻分压器中的静态电流。注意，C3 在 Q1 的基极处提供一个交流地。将基极去耦电容 C3 和输出交流耦合电容 C4 设置为 0.1 μF。计算 C1 和 C2 的值，确保当 L1 设置为 100 μH 时，谐振频率接近 500 kHz。执行瞬态仿真，并保存这些结果，将它们与实际电路的测量结果进行比较，将比较结果随附在实验报告中。
　　实验材料
　　本次实验所需的材料包括：
　　ADALM2000 主动学习模块
　　无焊试验板和跳线套件
　　一个 2N3904 NPN 晶体管
　　两个 10 ?H 电感
　　两个 100 ?H 电感
　　一个 1 nF 电容（标记为 102）
　　一个 4.7 nF 电容（标记为 472）
　　两个 0.1 ?F 电容（标记为 104）
　　一个 1 kΩ 电阻
　　所需的其他电阻、电容和电感
　　实验说明
　　使用无焊试验板构建图 2 所示的 Colpitts 振荡器。从器件套件中选择偏置电阻 R1 和 R2 的标准值，使得发射极电阻 R3 设置为 1 kΩ 时，NPN 晶体管 Q1 中的集电极电流约为 1 mA。根据所选择的 C1、C2 和 L1 值，振荡器的频率可以在大约 500 kHz 到 2 MHz 的范围内变化。首先设置 L1 = 100 μH、C1 = 4.7 nF 且 C2 = 1 nF。此振荡器电路可产生超过 10 V p-p 的正弦波输出，其频率近似于由所选 L1 值设定的频率。
　　　　硬件设置
　　试验板电路参见图 3，图 2 中的方块表示连接 ADALM2000 模块 AWG、示波器通道和电源的位置。在进行实验时，务必确保在反复检查接线之后，再打开电源，以保障实验的安全性和准确性。
　　　　程序步骤
　　完成 Colpitts 振荡器的构建之后，需要检查电路是否正确振荡。先打开 + 5 V 和 - 5 V 两个电源，并将其中一个示波器通道连接到输出端。在实验过程中可能会发现，R3 的值相当关键，选择不当可能会导致电路产生较大且失真的波形，或者产生间歇性低输出，甚至完全没有输出。为了找到更合适的 R3 值，可以用 1 kΩ 或 5 kΩ 电位计代替它进行试验，以寻找波形更优、幅度更可靠的电阻值。R3 的最优值可能随着谐振频率的变化而变化。图 4 为使用 R1 = 10 kΩ、R2 = 1 kΩ、C1 = 4.7 nF 且 C2 = 1 nF 时的波形示例。
　　　　实验问题思考
　　为了帮助学子更好地理解 Colpitts 振荡器，我们提出以下问题供大家思考：
　　Colpitts 振荡器的主要功能是什么？
　　哪些实际应用使用 Colpitts 振荡器？
　　通过本次 ADALM2000 实验，学子们能够更加深入地了解 Colpitts 振荡器的原理和应用，提升自己在电子技术领域的实践能力和理论水平。