LC正弦波振蕩器的設(shè)計

1、高頻電子線路課程設(shè)計報告高頻電子線路課程設(shè)計報告 題題 目目: : LCLC 正弦波振蕩器的設(shè)計正弦波振蕩器的設(shè)計 學(xué)學(xué) 院院: : 專業(yè)班級專業(yè)班級: : 姓姓 名名: : 學(xué)學(xué) 號號: : 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師: : 二二 一一 三三 年年 一月八日一月八日2摘要摘要：振蕩器（英文：oscillator）是用來產(chǎn)生重復(fù)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

2、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(yīng)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(shè)計。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：高頻 三點式 正弦波 振蕩器。3目錄目錄1 系統(tǒng)方案設(shè)計系統(tǒng)方案設(shè)計 .41.1設(shè)計說明及任務(wù)要求.41.1.1 設(shè)計說明.41.1.2 設(shè)計要求.51.2 方案1.61.3 方案2.62 電路設(shè)計電路設(shè)計 .82.

3、1工作原理.82.2設(shè)計內(nèi)容.92.2.1 原理圖.92.2.2 參數(shù)計算.92.2.2 注意事項.103 系統(tǒng)測試系統(tǒng)測試 .103.1振蕩器正常工作.103.2實現(xiàn)輸出頻率可變功能.104 結(jié)論結(jié)論 .115 參考文獻參考文獻 .116 附錄附錄 .116.1元器件明細表.116.2電路圖圖紙.126.2.1Altium Designer 原理圖設(shè)計.126.2.2PCB 制作 .136.2.3 成品展示.136.3電路使用說明.1341 系統(tǒng)方案設(shè)計系統(tǒng)方案設(shè)計1.1 設(shè)計說明及任務(wù)要求設(shè)計說明及任務(wù)要求1.1.1 設(shè)計說明1.1.1.1 構(gòu)成一個振蕩器必須具備的條件1. 任何一個振蕩回

4、路，包含兩個或兩個以上儲能元件。在這兩個儲能元件中，當一個釋放能量時，另一個就接收能量。接收和釋放能量可以往返進行，其頻率決定于元件的數(shù)值。2. 電路中必須要有一個能量來源，可以補充由振蕩回路電阻所產(chǎn)生的損耗。在電容三點式振蕩器中，這些能量來源就是直流電源。3.必須要有一個控制設(shè)備，可以使電源在對應(yīng)時刻補充電路的能量損失，以維持等幅振蕩。這是由有源器件（電子管，晶體管或集成管）和正反饋電路完成的。1.1.1.2 正反饋的觀點來決定振蕩的條件利用正反饋方法來獲得等幅的正弦振蕩, 這就是反饋振蕩器的基本原理。反饋振蕩器是由主網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)組成的一個閉合環(huán)路。其主網(wǎng)絡(luò)一般由放大器和選頻網(wǎng)絡(luò)組成, 反

5、饋網(wǎng)絡(luò)一般由無源器件組成。5當振蕩器接通電源后，即開始有瞬變電流產(chǎn)生。這瞬變電流所包含的頻帶極寬，但由于諧振回路的選擇性，它只選出了本身諧振頻率的信號。由于正反饋作用，諧振信號越來越強，但它不可能無限制的增長，而是達到一定的數(shù)值后，便自動穩(wěn)定下來，即形成穩(wěn)定的振蕩。振蕩器的平衡條件：當反饋信號等于放大器的輸入信號時，振蕩電路的輸出電壓不再發(fā)生變化，電路達到平衡狀態(tài)。 振蕩的平衡條件包括振幅平衡條件和相位平衡條件初始信號中，滿足相位平衡條件的某一頻率0的信號應(yīng)該被保留，成為等幅振蕩輸出信號。然而，一般初始信號很微弱，很容易被干擾信號淹沒，不能形成一定幅度的輸出信號。因此，起振階段要求： 2)()

6、(0f0an1.1.1.3 振蕩器的平衡條件上面所討論的振蕩平衡條件只能說明振蕩可能在在某一狀態(tài)平衡，但不能說明振蕩的1|FA2nfa1)()(00FA6平衡狀態(tài)是否穩(wěn)定。已建立的振蕩能否維持，還必須看平衡狀態(tài)是否穩(wěn)定。振蕩器穩(wěn)定平衡的概念：振蕩器的穩(wěn)定平衡是指在外因作用下，振蕩器在平衡點附近可重新建立新的平衡狀態(tài)，一旦外因消失，它即能自動恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)。穩(wěn)定條件：振幅穩(wěn)定、相位穩(wěn)定要保證外界因素變化時振幅相對穩(wěn)定，就是要：當振幅變化時，AF 的大小朝反方向變化振幅平衡的穩(wěn)定條件1.1.2 設(shè)計要求1、基本部分通過 LC 正弦波振蕩器的設(shè)計進一步鞏固高頻電子線路的相關(guān)知識，并在設(shè)計制作的

7、過程中運用并熟悉 multisim10 電子仿真軟件，在實踐的過程中培養(yǎng)我們發(fā)現(xiàn)問題，并利用所學(xué)知識或利用一切可以利用的資源解決問題的能力，掌握振蕩器的工作原理知識，設(shè)計一個 LC 正弦波振蕩器，要求該電路輸出穩(wěn)定的正弦波信號，輸出頻率范圍10M100MHZ。2、發(fā)揮部分（1）輸出頻率可以改變；（2）工藝結(jié)構(gòu)精致，具有一定的現(xiàn)場實用價值；為實現(xiàn)整個設(shè)計，在此考慮了兩種方案，分別一一介紹如下。1.2 方案方案 1方案一：電感反饋式三端振蕩器0:omQomomVVVA振幅穩(wěn)定條件7其振蕩頻率為 f=,式中 L=+2M。LC211L2L優(yōu)點：由于 L1與 L2之間有互感存在，所以比較容易起振。其次是

8、改變回路電容來調(diào)整頻率時，基本上不影響電路的反饋系數(shù)，比較方便。主要缺點：與電容反饋振蕩電路相比，其振蕩波形不夠好。這是因為反饋支路為感性支路，對高次諧波成高阻抗，故對于 LC 回路中高次諧波反饋較強，波形失真較大。其次是當工作頻率較高時，由于 L1和 L2上的分布電容和晶體管的極間電容均并聯(lián)于 L1與 L2兩端，這樣反饋系數(shù) F 隨頻率變化而改變。工作頻率越高，分布參數(shù)的影響越嚴重，甚至可能使 F 減小到滿足不了起振條件。1.3 方案方案 2方案二：電容反饋式三端振蕩器8圖是電容三點式振蕩器，其主要特點就是在回路電感 L 兩端并聯(lián)了一個可變電容 C4，而 C3 為固定值的電容器，且滿足 C1

9、、C2 遠大于 C3，C1、C2 遠大于 C4。回路的總等效電容為 4332141111CCCCCCC振蕩頻率 4302121CCLLCf優(yōu)點：這種振蕩器較易起振，振蕩頻率也較為穩(wěn)定，波形失真較小，當參數(shù)設(shè)置得當時，其頻率覆蓋系數(shù)較大?；谝陨戏治?，我們決定選用方案二。92 電路設(shè)計電路設(shè)計2.1 工作原理工作原理接通電源后，電路中就產(chǎn)生了噪聲，噪聲中包含了豐富的頻率分量。輸入端的各噪聲分量經(jīng)過晶體管放大后，到達輸出負載回路。由于 LC 振蕩回路的 Q 值很高，帶寬很窄，因而只有振蕩頻率與 LC 回路固有頻率相同或接近的噪聲分量，才能在回路兩端產(chǎn)生較大的正弦波電壓 V0,，其余的噪聲分量都被濾

10、除。V0通過反饋網(wǎng)絡(luò)將其中一部分輸出反饋到晶體管基極回路，這就是其實的激勵信號 Vi。盡管這個起始信號比較微弱，但是由于不端對它放大選頻反饋再放大，循環(huán)往復(fù)，一個與 LC 回路固有頻率相同的自激振蕩信號，便由小到大產(chǎn)生。又由于晶體管的非線性，隨著振蕩幅度的增大，放大器會由最初的甲類工作狀態(tài)轉(zhuǎn)向甲乙類甚至乙類、丙類工作狀態(tài)，放大電路的增益逐漸下降，最終達到穩(wěn)定振蕩。102.2 設(shè)計內(nèi)容設(shè)計內(nèi)容2.2.1 原理圖圖 2.2.12.2.2 參數(shù)計算對于一般小功率自動穩(wěn)幅 LC 振蕩器，靜態(tài)工作點要遠離飽和區(qū)，靠近截止區(qū)，以得到較大的輸出阻抗。一般根據(jù)具體電路和電源電壓大小集電極電流一般取 14mA,

11、在實際偏置參數(shù)選定時，在可能條件下發(fā)射極偏置電阻盡可能取大一好。此處特取 ICQ 2mA，UCEQ6V故 R3+R4=(Vcc-UCEQ)/ICQ=(12-6)/2=3K 取 R4=1K，R3=2K參數(shù)選擇主要是根據(jù)滿足振蕩頻率，滿足起振條件并有足夠的振蕩幅度和規(guī)定的頻率穩(wěn)定性等因素加以考慮。若以頻穩(wěn)性角度出發(fā)回路電容應(yīng)取大一些，有利于減少并聯(lián)在回路上的管子極間電容等變化的影響。但 C 不能過大，C 過大，L 會變小，Q 值會變低，振蕩幅度也會變小。為了解決頻穩(wěn)和振幅的矛盾，通常用部分接入。前已討論反饋系數(shù)F=C1/C2不能過大或過小，適宜 1/81/2.由于因 UEQ21=2V 所以 UBQ

12、2.7V11所以 R1/(R2+R1)2.7，有 R20.3R1若 R2取 5K，R1 則取 15K有 先令 L=1uH ,又有且 f 的取值范圍 10M4302121CCLLCf100MHz,得(C3+C4)min=63.4PF, (C3+C4)max=254PF,取 C3=50PF，則 C4min=13.4PF,C4max=204PF,則取 C4=240PF 的可變電容。因要滿足 C1,C2C3,C4 ;C1/C2=1/81/2取 C1=200PF,C2=510PFCb的確定：Cb提供交流等效通路，即 Cb交流等效分析短路，故 Cb取 0.01F。2.2.2 注意事項另外需要注意的是：西勒

13、電路中 C3的大小對電路的性能有很大的影響，因為頻率調(diào)節(jié)是靠改變 C4實現(xiàn)的，所以 C3不能選擇太大，否則頻率就主要由 C3和 L 決定，因而限制了頻率的可調(diào)范圍。同時，C3過大也不利于消除 C0和 Ci對頻率穩(wěn)定的影響。反之，C3選擇過小，介入系數(shù) P 就會降低，振蕩幅度就會比較小。因此在設(shè)計時應(yīng)特別注意 C3的取值。 3 系統(tǒng)測試系統(tǒng)測試3.1 振蕩器正常工作振蕩器正常工作如圖 3-1 所示。圖 3-13.2 實現(xiàn)輸出頻率可變功能實現(xiàn)輸出頻率可變功能如圖 3-2 所示。 圖 3-2 124 結(jié)論結(jié)論本次設(shè)計要求是設(shè)計一個 LC 正弦波振蕩器，根據(jù)現(xiàn)在所掌握的相關(guān)知識，有兩大類可以選擇：一是采用電感反饋式三端振蕩器；二是采用電容反饋三段式振蕩器。但是由于電感反饋式三端振蕩器輸出波形失真比較大，所以傾向于選擇電容反饋式三端振蕩器，并行了改進，得出最終方案。根據(jù)正振蕩器的原理在 mutisim10 仿真軟件上畫出了其原理圖，并根據(jù)設(shè)計要求，適當選擇了元器件，然后計算出各元器件的參數(shù)，隨后進行仿真調(diào)試，得出最終波形數(shù)據(jù)。經(jīng)檢測，符合設(shè)計要求。 5 參考文獻參考文獻【1】張肅文.高頻電子線路第五版北京：高等教育出版社 2009.5【2】王連英.基于 multisim10 的電子仿真實驗與設(shè)計北京：北京郵電大學(xué)出版社 2009.8【3】郭云