高頻課程設(shè)計(jì)-高頻電感三點(diǎn)式正弦波振蕩器.doc

此文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系網(wǎng)站刪除目錄摘要11 設(shè)計(jì)目的及任務(wù)要求21.1 設(shè)計(jì)目的21.2 任務(wù)要求21.3 軟件簡(jiǎn)介22 理論基礎(chǔ)32.1 振蕩器32.2 三點(diǎn)式振蕩器32.3 電感三點(diǎn)式（哈特萊）振蕩器42.4 振蕩器工作原理53 電路設(shè)計(jì)63.1 設(shè)計(jì)概述63.2 電感振蕩部分73.3 輸出緩沖級(jí)部分83.4 整體電路94 仿真結(jié)果105 結(jié)果分析13心得體會(huì)14參考文獻(xiàn)15摘要振蕩器（英文：oscillator）是用來產(chǎn)生重復(fù)電子訊號(hào)（通常是正弦波或方波）的電子元件。其構(gòu)成的電路叫振蕩電路，能將直流信號(hào)轉(zhuǎn)換為具有一定頻率的交流電信號(hào)輸出。振蕩器的種類很多，按振蕩激勵(lì)方式可分為自激振蕩器、他激振蕩器；按電路結(jié)構(gòu)可分為阻容振蕩器、電感電容振蕩器、晶體振蕩器、音叉振蕩器等；按輸出波形可分為正弦波、方波、鋸齒波等振蕩器。廣泛用于電子工業(yè)、醫(yī)療、科學(xué)研究等方面。三點(diǎn)式振蕩器是指LC回路的三個(gè)端點(diǎn)與晶體管的三個(gè)電極分別連接而組成的一種振蕩器。 三點(diǎn)式振蕩器電路用電容耦合或自耦變壓器耦合代替互感耦合, 可以克服互感耦合振蕩器振蕩頻率低的缺點(diǎn), 是一種廣泛應(yīng)用的振蕩電路, 其工作頻率可達(dá)到幾百兆赫。本文將圍繞高頻電感三點(diǎn)式正弦波振蕩器進(jìn)行具有具體功能的振蕩器的理論分析與設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：高頻 電感三點(diǎn)式 正弦波 振蕩器 緩沖級(jí)1 設(shè)計(jì)目的及任務(wù)要求1.1 設(shè)計(jì)目的培養(yǎng)較為扎實(shí)的電子電路的理論知識(shí)及較強(qiáng)的實(shí)踐能力；加深對(duì)電路器件的選型及電路形式的選擇的了解；提高高頻電子電路的基本設(shè)計(jì)能力及基本調(diào)試能力；強(qiáng)化使用實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行電路的調(diào)試檢測(cè)能力。1.2 任務(wù)要求1、采用晶體三極管或集成電路、場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成高頻電感三點(diǎn)式正弦波振蕩器；2、額定電源電壓5.0V ，電流13mA；輸出頻率 8 MHz （頻率具較大的變化范圍）；3、通過跳線可構(gòu)成發(fā)射極接地、基極接地及集電極接地振蕩器；4、有緩沖級(jí)，在100歐姆負(fù)載下，振蕩器輸出電壓 1 V (D-P)；1.3 軟件簡(jiǎn)介本次設(shè)計(jì)將主要使用Multisim10軟件進(jìn)行仿真。Multisim10是美國(guó)國(guó)家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。Multisim軟件結(jié)合了直觀的捕捉和功能強(qiáng)大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。憑借Multisim，可以立即創(chuàng)建具有完整組件庫的電路圖，并利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SPICE模擬器模仿電路行為。2 理論基礎(chǔ)2.1 振蕩器振蕩器是一種能自動(dòng)地將直流電源能量轉(zhuǎn)換為一定波形的交變振蕩信號(hào)能量的轉(zhuǎn)換電路，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要分為RC，LC振蕩器和晶體振蕩器。其中采用RC網(wǎng)絡(luò)作為選頻移相網(wǎng)絡(luò)的振蕩器統(tǒng)稱為RC正弦振蕩器,屬音頻振蕩器；而采用LC振蕩回路作為移相和選頻網(wǎng)絡(luò)的正反饋振蕩器稱為L(zhǎng)C振蕩器。至于晶體振蕩器，則是使用石英晶體作為主要諧振器件的振蕩器。在本次設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中，我們主要研究的是LC三點(diǎn)式振蕩器。LC振蕩器可以分為如下幾類：變壓器耦合式：?jiǎn)喂躄C正弦振蕩器；差分對(duì)管LC正弦振蕩器；三點(diǎn)式：電容三點(diǎn)式(考畢茲)振蕩器；電感三點(diǎn)式(哈特萊)振蕩器 ；改進(jìn)三點(diǎn)式：克拉潑振蕩器；西勒振蕩器；2.2 三點(diǎn)式振蕩器三點(diǎn)式振蕩器是指LC回路的三個(gè)端點(diǎn)與晶體管的三個(gè)電極分別連接而組成的一種振蕩器。 三點(diǎn)式振蕩器電路用電容耦合或自耦變壓器耦合代替互感耦合, 可以克服互感耦合振蕩器振蕩頻率低的缺點(diǎn), 是一種廣泛應(yīng)用的振蕩電路, 其工作頻率可達(dá)到幾百兆赫。根據(jù)具體元件選擇與接法的不同又可以分為電容三點(diǎn)式振蕩器（考畢茲振蕩器）與電感三點(diǎn)式（哈特萊振蕩器）兩種，其主要特點(diǎn)如下：電容三點(diǎn)式：反饋電壓中高次諧波分量很小，因而輸出波形好，接近正弦波。反饋系數(shù)因與回路電容有關(guān)，如果用該變回路的方法來調(diào)整振蕩頻率，必將改變反饋系數(shù)，從而影響起振。電感三點(diǎn)式：便于用改變電容的方法來調(diào)整振蕩頻率，而不會(huì)影響反饋系數(shù)，但是反饋電壓中高次諧波分量比較多，輸出波形差。2.3 電感三點(diǎn)式（哈特萊）振蕩器電感三點(diǎn)式振蕩電路是指原邊線圈的3個(gè)段分別接在晶體管的3個(gè)極。又稱為電感反饋式振蕩電路或哈特萊振蕩電路。其典型電路圖與交流等效電路圖如下圖所示：圖2.3.1-電感三點(diǎn)式（哈特萊）振蕩電路圖2.3.2-電感三點(diǎn)式振蕩器交流等效電路該電路具有如下特點(diǎn)：1.易起振；2.調(diào)節(jié)頻率方便。3.輸出波形較差。2.4 振蕩器工作原理電感三點(diǎn)式振蕩器的原理電路如圖2.3.1所示，圖2.3.2是其交流等效電路。圖2.3.2中， Rb1、Rb2和Re為分壓式偏置電阻；Cb和Ce分別為隔直流電容和旁路電容；L1、L2和C組成并聯(lián)諧振回路，作為集電極交流負(fù)載。諧振回路的三個(gè)端點(diǎn)分別與晶體管的三個(gè)電極相連，符合三點(diǎn)式振蕩器的組成原則。由于反饋信號(hào)由電感線圈L2取得，故稱為電感反饋三點(diǎn)式振蕩器。采用與電容三點(diǎn)式振蕩電路相似的方法可求得起振條件的公式為 (1)式中，各符號(hào)的含義仍與考畢茲振蕩器相同，只是反饋系數(shù)F的表達(dá)式有所不同，此處F定義如下： (2)其中M為L(zhǎng)1、L2 的互感系數(shù)當(dāng)線圈繞在封閉瓷芯的瓷環(huán)上時(shí)，線圈兩部分的耦合系數(shù)接近于1，反饋系數(shù)F近似等于兩線圈的匝數(shù)比，即F=N2/N1。振蕩頻率的近似為 (3)若考慮goe、gie的影響時(shí)，滿足相位平衡條件的振蕩頻率值為 (4)式中，L=L1+L2+2M。由式 (4) 可見，電感三點(diǎn)式振蕩器的振蕩頻率要比式 (3) 所示的頻率值稍低一些，goe、gie越大，耦合越松，偏低得越明顯。 以上是對(duì)電感三點(diǎn)式振蕩電路的基本分析，由于此次設(shè)計(jì)要根據(jù)要求加入跳線開關(guān)及緩沖級(jí)，使頻率具較大的變化范圍并在在100歐姆負(fù)載下，振蕩器輸出電壓 1 V (D-P)，因此還需要有一些輔助電路。3 電路設(shè)計(jì)3.1 設(shè)計(jì)概述本次設(shè)計(jì)的電路主要由電感振蕩電路部分與輸出緩沖級(jí)部分構(gòu)成。電感振蕩電路部分振蕩器有基本放大器、選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng)絡(luò)三個(gè)部分組成；輸出緩沖級(jí)是在電路的輸出端加一射極跟隨器?；痉糯笃骱蜕錁O跟隨器都是由晶體三極管2N2222構(gòu)成，典型電路模型如下圖：圖3.1.1-電感振蕩電路部分圖3.1.2-緩沖級(jí)部分3.2 電感振蕩部分圖3.2.1-電感振蕩電路模塊電感振蕩電路部分振蕩器有基本放大器、選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng)絡(luò)三個(gè)部分組成。 為了維持震蕩，放大器的環(huán)路增益應(yīng)該等于1，即AF=1，因?yàn)樵谥C振頻率上振蕩器的反饋系數(shù)為C1/C2，所以維持振蕩所需的電壓增益應(yīng)該是A=C2/C1電容三點(diǎn)式振蕩器的諧振頻率為 f0=1/2L(C1C2/(C1+C2) )/2在實(shí)驗(yàn)中可通過測(cè)量周期T來測(cè)定諧振頻率，即f0=1/T放大器的電壓增益可通過測(cè)量峰值輸出電壓Vop和輸入電壓Vip來確定，即A=Vop/Vip 濾波網(wǎng)絡(luò):濾除電源中的交流成分是外加電源中只含有直流成分，因?yàn)檎袷幤魉蟮募釉陔娐飞系碾娔苁侵绷麟娔?，而?shí)際電源很難達(dá)到純粹的直流，所以需要加這樣一個(gè)電路將其中可能的交流成分濾除。 放大網(wǎng)絡(luò)：放大網(wǎng)絡(luò)就是通過加在基極的直流電壓來控制集電極的電壓輸出。放大網(wǎng)絡(luò)對(duì)于靠近諧振頻率的信號(hào)，有較大的增益，對(duì)于遠(yuǎn)離諧振頻率的信號(hào)，增益迅速下降。 選頻網(wǎng)絡(luò)：由電感及電容組成的選頻網(wǎng)絡(luò)分為兩類，一類是串聯(lián)諧振回路，另一類是并聯(lián)諧振回路，回路諧振時(shí)，電感線圈中的磁能與電能中的磁能周期性的轉(zhuǎn)換著。電抗元件不消耗外交電動(dòng)勢(shì)能量。外加電動(dòng)勢(shì)只提供回路電阻所消耗的能量，以維持回路中的等幅振蕩。所以在串聯(lián)諧振時(shí)，回路中電流達(dá)到最大值，并聯(lián)諧振中，負(fù)載電壓達(dá)到最大值。正反饋網(wǎng)絡(luò)：反饋，指將系統(tǒng)的輸出返回到輸入端并以某種方式改變輸入，進(jìn)而影響系統(tǒng)功能的過程，即將輸出量通過恰當(dāng)?shù)臋z測(cè)裝置返回到輸入端并與輸入量進(jìn)行比較的過程。正反饋使輸出起到與輸入相似的作用，使統(tǒng)偏差不斷增大，使系統(tǒng)振蕩，可以放大控制作用。正反饋網(wǎng)絡(luò)是電感反饋三點(diǎn)式振蕩網(wǎng)絡(luò)中比較重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。3.3 輸出緩沖級(jí)部分圖3.3.1-輸出緩沖級(jí)電路模塊輸出緩沖級(jí)是在電路的輸出端加一射極跟隨器，從而提高回路的帶負(fù)載能力。以滿足設(shè)計(jì)要求的100歐姆負(fù)載。 射極跟隨器輸入阻抗高，輸出阻抗低，電壓放大倍數(shù)略低于1，帶負(fù)載能力強(qiáng)，具有較高的電流放大能力，它可以起到阻抗變換和極間隔離的作用，因而可以減小負(fù)載對(duì)于振蕩回路的影響。輸出緩沖級(jí)完成對(duì)所產(chǎn)生的振蕩信號(hào)進(jìn)行輸出，不管是并聯(lián)諧振正弦波晶體電路還是串聯(lián)諧振晶體電路，它們的帶負(fù)載都不是很強(qiáng)，負(fù)載值改變時(shí)可能造成振蕩器的輸出頻率變化，也可能影響振蕩器的輸出幅度，輸出緩沖級(jí)的作用就是提高整個(gè)振蕩器的帶負(fù)載能力，也就是使振蕩器的輸出特性不受負(fù)載影響，或影響較小。因此要使在100歐姆負(fù)載下，振蕩器輸出電壓 1 V (D-P)，加入輸出緩沖級(jí)才能滿足設(shè)計(jì)要求。3.4 整體電路整體電路原理圖如下：圖3.4.1-整體電路4 仿真結(jié)果根據(jù)有無緩沖級(jí)，仿真結(jié)果呈現(xiàn)兩種狀態(tài)：圖4.1-仿真圖形1此為未加入輸出緩沖級(jí)時(shí)的仿真結(jié)果，可以看到輸出波形有一定程度的失真（頂部與底部有微小削平跡象），且輸出電壓峰峰值超過10V。圖4.2-仿真圖形2此為加入緩沖級(jí)之后的仿真結(jié)果，可以看出正弦波明顯變得平滑，失真度變小，且輸出電壓峰峰值接近2V，但頻率未變，基本滿足實(shí)驗(yàn)要求。圖4.3-仿真圖形3增大電容C1由100nF至200nF后，觀察仿真結(jié)果可發(fā)現(xiàn)輸出波形振蕩頻率降低，但是波形仍然平滑，接近標(biāo)準(zhǔn)正弦波，無明顯失真；減小電容C1由100nF至51nF后，觀察仿真結(jié)果可發(fā)現(xiàn)輸出波形振蕩頻率升高，但是波形仍然平滑，接近標(biāo)準(zhǔn)正弦波，同樣無明顯失真。這證明了電感三點(diǎn)式正弦波振蕩器可以用改變電容的方法來調(diào)整振蕩頻率，而不會(huì)影響反饋系數(shù)。 圖4.4-仿真圖形4但當(dāng)電容C很?。ㄈ绠?dāng)減少到1nF或更?。r(shí)，輸出波形產(chǎn)生了越來越明顯的失真，如上圖所示。這說明電感三點(diǎn)式正弦波振蕩器在很高振蕩頻率狀態(tài)下的反饋電壓中高次諧波分量較多，導(dǎo)致輸出波形差。另一方面，當(dāng)電容C增大至一定程度（如當(dāng)增加到1uF或更大）時(shí)，則會(huì)發(fā)現(xiàn)振蕩器起振很緩慢，但最終能穩(wěn)定在一個(gè)固定的振幅；但是當(dāng)電容C增大至1mF時(shí)，則發(fā)現(xiàn)振蕩器可以很快起振，但是振蕩幅度非常非常?。ㄖ挥衝V級(jí)）。5 結(jié)果分析 原電路在無緩沖級(jí)時(shí)，即作為傳統(tǒng)哈特萊振蕩電路時(shí)也可以產(chǎn)生比較不錯(cuò)的正弦振蕩波，但是有微小失真，且電壓較高，不符合最終要求。當(dāng)增加緩沖級(jí)即在輸出端加上射極跟隨器之后，振蕩波形振幅降低且失真被稍微修復(fù)，證明射極跟隨器輸入阻抗高，輸出阻抗低，電壓放大倍數(shù)低于1，帶負(fù)載能力強(qiáng)，具有較高的電流放大能力，可以起到阻抗變換和極間隔離的作用，從而減小負(fù)載對(duì)于振蕩回路的影響。之后，改變電容C1的值，由100nF增加至200nF，即電容增大為原來的2倍，發(fā)現(xiàn)振蕩頻率略微降低，大概變?yōu)樵瓉淼?/。而51nF時(shí)的振蕩頻率大概為200nF時(shí)的2倍，滿足公式。此外，電容C增大與減小過程中出現(xiàn)的各種情況也與理論情況接近，故可以認(rèn)為本次仿真在誤差允許的范圍內(nèi)是準(zhǔn)確的。心得體會(huì)本次課程設(shè)計(jì)的題目是高頻電感三點(diǎn)式正弦波振蕩器的設(shè)計(jì)，主要應(yīng)用了高頻電子線路三點(diǎn)式振蕩器電路內(nèi)容。因?yàn)楦哳l的知識(shí)本來就不容易懂，所以查找資料和查閱基礎(chǔ)知識(shí)，花了很長(zhǎng)的時(shí)間。這些都應(yīng)歸咎于自己基礎(chǔ)知識(shí)的匱乏。通過查找資料，結(jié)合書本中所學(xué)的知識(shí)，我最終完成了課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容。把書中所學(xué)的理論知識(shí)和具體的實(shí)踐相結(jié)合，有利于我們對(duì)課本中所學(xué)知識(shí)的理解，并加強(qiáng)了我們的動(dòng)手能力。這次設(shè)計(jì)讓我更好地掌握了常用元件的識(shí)別和測(cè)試，更加深刻地理解了課本知識(shí)。在此次做課程設(shè)計(jì)的過程中，我深深地感受到了自己所學(xué)到知識(shí)的有限和自身的不足，并且學(xué)會(huì)了對(duì)所找內(nèi)容的取舍及分析?？傊?，從中我學(xué)習(xí)到了如何解決遇到的困難，而且進(jìn)一步熟悉了晶體管的應(yīng)用并掌握了其工作原理和具