高頻課程設計-高頻電感三點式正弦波振蕩器.doc

此文檔收集于網(wǎng)絡，如有侵權(quán)，請聯(lián)系網(wǎng)站刪除目錄摘要11 設計目的及任務要求21.1 設計目的21.2 任務要求21.3 軟件簡介22 理論基礎32.1 振蕩器32.2 三點式振蕩器32.3 電感三點式（哈特萊）振蕩器42.4 振蕩器工作原理53 電路設計63.1 設計概述63.2 電感振蕩部分73.3 輸出緩沖級部分83.4 整體電路94 仿真結(jié)果105 結(jié)果分析13心得體會14參考文獻15摘要振蕩器（英文：oscillator）是用來產(chǎn)生重復電子訊號（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，能將直流信號轉(zhuǎn)換為具有一定頻率的交流電信號輸出。振蕩器的種類很多，按振蕩激勵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、科學研究等方面。三點式振蕩器是指LC回路的三個端點與晶體管的三個電極分別連接而組成的一種振蕩器。 三點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, 是一種廣泛應用的振蕩電路, 其工作頻率可達到幾百兆赫。本文將圍繞高頻電感三點式正弦波振蕩器進行具有具體功能的振蕩器的理論分析與設計。關(guān)鍵詞：高頻 電感三點式 正弦波 振蕩器 緩沖級1 設計目的及任務要求1.1 設計目的培養(yǎng)較為扎實的電子電路的理論知識及較強的實踐能力；加深對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計能力及基本調(diào)試能力；強化使用實驗儀器進行電路的調(diào)試檢測能力。1.2 任務要求1、采用晶體三極管或集成電路、場效應管構(gòu)成高頻電感三點式正弦波振蕩器；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，在100歐姆負載下，振蕩器輸出電壓 1 V (D-P)；1.3 軟件簡介本次設計將主要使用Multisim10軟件進行仿真。Multisim10是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設計工作。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大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對電路進行設計和驗證。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)標準SPICE模擬器模仿電路行為。2 理論基礎2.1 振蕩器振蕩器是一種能自動地將直流電源能量轉(zhuǎn)換為一定波形的交變振蕩信號能量的轉(zhuǎn)換電路，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點主要分為RC，LC振蕩器和晶體振蕩器。其中采用RC網(wǎng)絡作為選頻移相網(wǎng)絡的振蕩器統(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)絡的正反饋振蕩器稱為LC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。在本次設計實驗中，我們主要研究的是LC三點式振蕩器。LC振蕩器可以分為如下幾類：變壓器耦合式：單管LC正弦振蕩器；差分對管LC正弦振蕩器；三點式：電容三點式(考畢茲)振蕩器；電感三點式(哈特萊)振蕩器 ；改進三點式：克拉潑振蕩器；西勒振蕩器；2.2 三點式振蕩器三點式振蕩器是指LC回路的三個端點與晶體管的三個電極分別連接而組成的一種振蕩器。 三點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, 是一種廣泛應用的振蕩電路, 其工作頻率可達到幾百兆赫。根據(jù)具體元件選擇與接法的不同又可以分為電容三點式振蕩器（考畢茲振蕩器）與電感三點式（哈特萊振蕩器）兩種，其主要特點如下：電容三點式：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。電感三點式：便于用改變電容的方法來調(diào)整振蕩頻率，而不會影響反饋系數(shù)，但是反饋電壓中高次諧波分量比較多，輸出波形差。2.3 電感三點式（哈特萊）振蕩器電感三點式振蕩電路是指原邊線圈的3個段分別接在晶體管的3個極。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-電感三點式（哈特萊）振蕩電路圖2.3.2-電感三點式振蕩器交流等效電路該電路具有如下特點：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，作為集電極交流負載。諧振回路的三個端點分別與晶體管的三個電極相連，符合三點式振蕩器的組成原則。由于反饋信號由電感線圈L2取得，故稱為電感反饋三點式振蕩器。采用與電容三點式振蕩電路相似的方法可求得起振條件的公式為 (1)式中，各符號的含義仍與考畢茲振蕩器相同，只是反饋系數(shù)F的表達式有所不同，此處F定義如下： (2)其中M為L1、L2 的互感系數(shù)當線圈繞在封閉瓷芯的瓷環(huán)上時，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，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。 以上是對電感三點式振蕩電路的基本分析，由于此次設計要根據(jù)要求加入跳線開關(guān)及緩沖級，使頻率具較大的變化范圍并在在100歐姆負載下，振蕩器輸出電壓 1 V (D-P)，因此還需要有一些輔助電路。3 電路設計3.1 設計概述本次設計的電路主要由電感振蕩電路部分與輸出緩沖級部分構(gòu)成。電感振蕩電路部分振蕩器有基本放大器、選頻網(wǎng)絡和正反饋網(wǎng)絡三個部分組成；輸出緩沖級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)絡和正反饋網(wǎng)絡三個部分組成。 為了維持震蕩，放大器的環(huán)路增益應該等于1，即AF=1，因為在諧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該是A=C2/C1電容三點式振蕩器的諧振頻率為 f0=1/2L(C1C2/(C1+C2) )/2在實驗中可通過測量周期T來測定諧振頻率，即f0=1/T放大器的電壓增益可通過測量峰值輸出電壓Vop和輸入電壓Vip來確定，即A=Vop/Vip 濾波網(wǎng)絡:濾除電源中的交流成分是外加電源中只含有直流成分，因為振蕩器所要求的加在電路上的電能是直流電能，而實際電源很難達到純粹的直流，所以需要加這樣一個電路將其中可能的交流成分濾除。 放大網(wǎng)絡：放大網(wǎng)絡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)絡對于靠近諧振頻率的信號，有較大的增益，對于遠離諧振頻率的信號，增益迅速下降。 選頻網(wǎng)絡：由電感及電容組成的選頻網(wǎng)絡分為兩類，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，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勢能量。外加電動勢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，回路中電流達到最大值，并聯(lián)諧振中，負載電壓達到最大值。正反饋網(wǎng)絡：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，進而影響系統(tǒng)功能的過程，即將輸出量通過恰當?shù)臋z測裝置返回到輸入端并與輸入量進行比較的過程。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)絡是電感反饋三點式振蕩網(wǎng)絡中比較重要的一個環(huán)節(jié)。3.3 輸出緩沖級部分圖3.3.1-輸出緩沖級電路模塊輸出緩沖級是在電路的輸出端加一射極跟隨器，從而提高回路的帶負載能力。以滿足設計要求的100歐姆負載。 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，帶負載能力強，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，因而可以減小負載對于振蕩回路的影響。輸出緩沖級完成對所產(chǎn)生的振蕩信號進行輸出，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，它們的帶負載都不是很強，負載值改變時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，輸出緩沖級的作用就是提高整個振蕩器的帶負載能力，也就是使振蕩器的輸出特性不受負載影響，或影響較小。因此要使在100歐姆負載下，振蕩器輸出電壓 1 V (D-P)，加入輸出緩沖級才能滿足設計要求。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，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時的仿真結(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，基本滿足實驗要求。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，接近標準正弦波，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，接近標準正弦波，同樣無明顯失真。這證明了電感三點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，而不會影響反饋系數(shù)。 圖4.4-仿真圖形4但當電容C很?。ㄈ绠敎p少到1nF或更小）時，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，導致輸出波形差。另一方面，當電容C增大至一定程度（如當增加到1uF或更大）時，則會發(fā)現(xiàn)振蕩器起振很緩慢，但最終能穩(wěn)定在一個固定的振幅；但是當電容C增大至1mF時，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）。5 結(jié)果分析 原電路在無緩沖級時，即作為傳統(tǒng)哈特萊振蕩電路時也可以產(chǎn)生比較不錯的正弦振蕩波，但是有微小失真，且電壓較高，不符合最終要求。當增加緩沖級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，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，帶負載能力強，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，從而減小負載對于振蕩回路的影響。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時的振蕩頻率大概為200nF時的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，故可以認為本次仿真在誤差允許的范圍內(nèi)是準確的。心得體會本次課程設計的題目是高頻電感三點式正弦波振蕩器的設計，主要應用了高頻電子線路三點式振蕩器電路內(nèi)容。因為高頻的知識本來就不容易懂，所以查找資料和查閱基礎知識，花了很長的時間。這些都應歸咎于自己基礎知識的匱乏。通過查找資料，結(jié)合書本中所學的知識，我最終完成了課程設計的內(nèi)容。把書中所學的理論知識和具體的實踐相結(jié)合，有利于我們對課本中所學知識的理解，并加強了我們的動手能力。這次設計讓我更好地掌握了常用元件的識別和測試，更加深刻地理解了課本知識。在此次做課程設計的過程中，我深深地感受到了自己所學到知識的有限和自身的不足，并且學會了對所找內(nèi)容的取舍及分析?？傊?，從中我學習到了如何解決遇到的困難，而且進一步熟悉了晶體管的應用并掌握了其工作原理和具