通信電子線路課程設(shè)計(jì)報(bào)告——電感三點(diǎn)式正弦波振蕩器要點(diǎn)

1、課程設(shè)計(jì)報(bào)告課題名稱 通信電子線路課程設(shè)計(jì) _學(xué) 院電子信息學(xué)院專 業(yè)班 級(jí)學(xué) 號(hào)姓 名指導(dǎo)教師3目錄摘要 I1 緒論 12 正弦波振蕩器 22.1 反饋振蕩器產(chǎn)生振蕩的原因及其工作原理 22.2 平衡條件 32.3 起振條件 32.4 穩(wěn)定條件 43 電感三點(diǎn)式振蕩器 53.1 三點(diǎn)式振蕩器的組成原則 53.2 電感三點(diǎn)式振蕩器 53.3 振蕩器設(shè)計(jì)的模塊分析 64 仿真與制作 104.1 仿真 104.2 分析調(diào)試 125 心得體會(huì) 13=參考文獻(xiàn) 14摘要反饋振蕩器是一種常用的正弦波振蕩器，主要由決定振蕩頻率的選頻網(wǎng)絡(luò)和維持振蕩 的正反饋放大器組成。按照選頻網(wǎng)絡(luò)所采用元件的不同，正弦波振

2、蕩器可分為LC 振蕩器、RC振蕩器和晶體振蕩器等類型。本文介紹了高頻電感三點(diǎn)式振蕩器電路的原理及設(shè)計(jì)， 電 感三點(diǎn)式容易起振，調(diào)整頻率方便，變電容而不影響反饋系數(shù)。正弦波振蕩器在各種電子設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用。 例如，無線發(fā)射機(jī)中的載波信號(hào)源， 接收設(shè)備中的本地振蕩信號(hào)源，各種測(cè)量儀器如信號(hào)發(fā)生器、頻率計(jì)、 fT 測(cè)試儀中的核心 部分以及自動(dòng)控制環(huán)節(jié)，都離不開正弦波振蕩器。根據(jù)所產(chǎn)生的波形不同，可將振蕩器分 成正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器兩大類。前者能產(chǎn)生正弦波，后者能產(chǎn)生矩形波、三角 波、鋸齒波等。本文將簡單介紹一種利用一款名為 Multisim 11.0 的軟件作為電路設(shè)計(jì)的仿真軟件， 電

3、容電感以及其他電子器件構(gòu)成的高頻電感三點(diǎn)式正弦波振蕩器。電路中采用了晶體三極管 作為電路的放大器，電路的額定電源電壓為 5.0 V，電流為13 mA，電路可輸出輸出頻率 為 8 MHz （該頻率具有較大的變化范圍） 。關(guān)鍵詞 ：高頻、電感、振蕩器1 緒論在現(xiàn)代社會(huì)中，信息傳遞的作用日益變的重要。這就要求我們改進(jìn)信息傳遞的方式， 從而使信息的傳遞更加迅速，更加準(zhǔn)確，更加安全。無線電通信的發(fā)展，信息加密技術(shù)的 改進(jìn)這些為迅速準(zhǔn)確的通信帶來了便利。毋庸置疑，無線電技術(shù)帶來了信息交流方面 的一次偉大變革。在本課程設(shè)計(jì)中，著眼于無線電通信的基礎(chǔ)電路一一LC正弦振蕩器的分析和研究。通 過對(duì)電感反饋式三端振

4、蕩器的分析、討論。以求得到一些對(duì)實(shí)際應(yīng)用電路有幫助的結(jié)論。 在課程設(shè)計(jì)中， 使用的仿真軟件為 multisim11.0 。該軟件提供了功能強(qiáng)大的電子仿真設(shè)計(jì) 界面和方便的電路圖和文件管理功能。能夠讓使用者全面的收集電路的相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)而有 助于對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)。常用正弦波振蕩器主要由決定振蕩頻率的選頻網(wǎng)絡(luò)和維持振蕩的正反饋放大器組成， 這就是反饋振蕩器。 按照選頻網(wǎng)絡(luò)所采用元件的不同， 正弦波振蕩器可分為 LC 振蕩器、 RC 振蕩器和晶體振蕩器等類型。其中 LC 振蕩器和晶體振蕩器用于產(chǎn)生高頻正弦波。正 反饋放大器既可以由晶體管、場效應(yīng)管等分立器件組成，也可以由集成電路組成。LC 振蕩器中除了有

5、互感耦合反饋型振蕩器之外，其最基本的就是三端式（又稱三點(diǎn) 式）的振蕩器。而三點(diǎn)式的振蕩器中又有電容三點(diǎn)式振蕩器和電感三點(diǎn)式振蕩器這兩種基 本類型。本文所要介紹的正是電感三點(diǎn)式振蕩器。152正弦波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。與放大器的區(qū)別：無需外加激勵(lì)信號(hào)，就能產(chǎn)生具有一定頻率、波形和振幅的交流 信號(hào)。由晶體管等有源器件和具有某種選頻能力的無源網(wǎng)絡(luò)組成。正弦波振蕩器按工作原理可分為反饋式振蕩器與負(fù)阻式振蕩器兩大類。反饋式振蕩器 是在放大器電路中加入正反饋，當(dāng)正反饋?zhàn)銐虼髸r(shí)，放大器產(chǎn)生振蕩，變成振蕩器。所謂 產(chǎn)生振蕩是指這時(shí)放大器不需要外加激

6、勵(lì)信號(hào)，而是由本身的正反饋信號(hào)來代替外加激勵(lì) 信號(hào)的作用。負(fù)阻式振蕩器則是將一個(gè)呈現(xiàn)負(fù)阻特性的有源器件直接與諧振電路相接，產(chǎn) 生振蕩。2.1反饋振蕩器產(chǎn)生振蕩的原因及其工作原理反饋型振蕩器是通過正反饋聯(lián)接方式實(shí)現(xiàn)等幅正弦振蕩的電路。這種電路由兩部分組成，一是放大電路，二是反饋網(wǎng)絡(luò)。圖 2.1所示為反饋振蕩器構(gòu)成方框圖及相應(yīng)電路。由 圖可知，當(dāng)開關(guān)S在1的位置，放大器的輸入端外加一定頻率和幅度的正弦波信號(hào) 這一信號(hào)經(jīng)放大器放大后，在輸出端產(chǎn)生輸出信號(hào) u o，若U o經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)并在反饋網(wǎng) 絡(luò)輸出端得到的反饋信號(hào) Uf 與Ui不僅大小相等，而且相位也相同，即實(shí)現(xiàn)了正反饋。 若此時(shí)除去外加信號(hào)，將開

7、關(guān)由1端轉(zhuǎn)接到2端，使放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系 統(tǒng)，那么，在沒有外加信號(hào)的情況下，輸出端仍可維持一定幅度的電壓u。輸出，從而實(shí)現(xiàn)了自激振蕩的目的。圖2.1反饋振蕩器的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)圖為了使振蕩器的輸出U。為一個(gè)固定頻率的正弦波，圖2.1所示的閉合環(huán)路內(nèi)必須含 有選頻網(wǎng)絡(luò)，使得只有選頻網(wǎng)絡(luò)中心頻率的信號(hào)滿足 Uf與Ui相同的條件而產(chǎn)生自激振 蕩，對(duì)其他頻率的信號(hào)不滿足 Uf與Ui相同的條件而不產(chǎn)生振蕩。 選頻網(wǎng)絡(luò)可與放大器 相結(jié)合構(gòu)成選頻放大器，也可與選頻網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合構(gòu)成選頻反饋網(wǎng)絡(luò)。2.2平衡條件振蕩器的平衡條件即為 T( j ) = K( j')F( j') =1也可以表示為|

8、T(jm)| =KF =1T 二 K F =2n二n -0,1,2 -即為振幅平衡條件和相位平衡條件。平衡狀態(tài)下，電源供給的能量正好抵消整個(gè)環(huán)路 損耗的能量，平衡時(shí)輸出幅度將不在變化：振幅平衡條件決定了振蕩器輸出信號(hào)振幅的大 小；環(huán)路只有在某一特定的頻率上才能滿足相位平衡條件：相位平衡條件決定了振蕩器輸 出信號(hào)頻率的大小。2.3起振條件振蕩器在實(shí)際應(yīng)用時(shí)不應(yīng)有外加信號(hào)，而應(yīng)是一加上電后即產(chǎn)生輸出；振蕩的最初來 源是振蕩器在接通電源時(shí)不可避免地存在的電沖擊及各種熱噪聲。振蕩開始時(shí)激勵(lì)信號(hào)很 弱，為使振蕩過程中輸出幅度不斷增加，應(yīng)使反饋回來的信號(hào)比輸入到放大器的信號(hào)大， 即振蕩開始時(shí)應(yīng)為增幅振蕩。

9、由5'(陽|5(冋 可知，T(j°1稱為自激振蕩的起振條件, 也可寫為Tj) =YfRF、1T 二：f L ：f 2n二n =0,1,2,分別稱為起振的振幅條件和相位條件，其中起振的相位條件即為正反饋條件。22.4穩(wěn)定條件振蕩器的穩(wěn)定條件分為振幅穩(wěn)定條件和相位穩(wěn)定條件。(1)振幅穩(wěn)定條件要使振幅穩(wěn)定，振蕩器在其平衡點(diǎn)必須具有阻止振幅變化的能力。具體來說，就是在平衡點(diǎn)附近，當(dāng)不穩(wěn)定因素使振幅增大時(shí)，環(huán)路增益將減小，從而使振幅減小。.K.:UiUdiA-0(2)相位穩(wěn)定條件振蕩器的相位平衡條件是© T(® 0)=2n n。在振蕩器工作時(shí),某些不穩(wěn)定因素 可能破

10、壞這一平衡條件。如電源電壓的波動(dòng)或工作點(diǎn)的變化可能使晶體管內(nèi)部電容參數(shù)發(fā) 生變化，從而造成相位的變化，產(chǎn)生一個(gè)偏移量 ©。由于瞬時(shí)角頻率是瞬時(shí)相位的導(dǎo)數(shù)，所以瞬時(shí)角頻率也將隨著發(fā)生變化。為了保證 相位穩(wěn)定，要求振蕩器的相頻特性© T (w)在振蕩頻率點(diǎn)應(yīng)具有阻止相位變化的能力。 具體來說，在平衡點(diǎn)w =w 0附近，當(dāng)不穩(wěn)定因素使瞬時(shí)角頻率 w增大時(shí)，相頻特性© T(w 0)應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)- © ,從而產(chǎn)生一個(gè)-Aw ,使瞬時(shí)角頻率w減小。3電感三點(diǎn)式振蕩器3.1三點(diǎn)式振蕩器的組成原則基本電路就是通常所說的三端式(又稱三點(diǎn)式)的振蕩器，即LC回路的三個(gè)端點(diǎn)與晶

11、體 管的三個(gè)電極分別連接而成的電路，如圖 3.1所示。XI、X2、X3三個(gè)電抗元件構(gòu)成了決定 振蕩頻率的并聯(lián)諧振回路，同時(shí)也構(gòu)成了正反饋所需的反饋網(wǎng)絡(luò)。(2) X3 與 XI、根據(jù)諧振回路的性質(zhì)，諧振時(shí)回路應(yīng)呈純電阻性，因而有X1 X2 X0三個(gè)電抗元件不能同時(shí)為感抗或容抗，必須 由兩種不同性質(zhì)的電抗元件組成。三端式振蕩器能否振蕩的原則：(1)X1和X2的電抗性質(zhì)相同; X2的電抗性質(zhì)相反。即射同余異，源同余異。3.2電感三點(diǎn)式振蕩器X1和X2為感性，X3為容性，滿足三端式振蕩器的組成原則，反饋網(wǎng)絡(luò)是由電感元件 完成的，稱為電感反饋振蕩器，也稱為哈特萊 (Hartley)振蕩器。圖3.2是兩種

12、基本的三端式振蕩器(a)電谷反饋振蕩器；(b)電感反饋振蕩器bu上圖是電感反饋振蕩器電路的（a）實(shí)際電路；（b）交流等效電路；（c）咼頻等效電路電感反饋振蕩器中，電感通常是繞在同一帶磁芯的骨架上，它們之間存在互感，用M表示。同電容反饋振蕩器的分析一樣，振蕩器的振蕩頻率可以用回路的諧振頻率近似表示， 即 r - °二1 式中的L為回路的總電感，Li L2 2M由相位平衡條件分析，1° V LC振蕩器的振蕩頻率表達(dá)式為帥=12；LC - gie（goe g（LiL2-M2）式中的g'L與電容反饋振蕩器相同，表示除晶體管以外的電路中所有電導(dǎo)折算到CE兩端后的總電導(dǎo)。振蕩頻

13、率近似用回路的諧振頻率表示時(shí)其偏差較小，而且線圈耦合越緊，偏差越小。電感反饋式三端振蕩器優(yōu)點(diǎn)（1）容易起振（2）調(diào)整頻率方便，變電容而不影響反饋系數(shù)。 缺點(diǎn)（1）振蕩波形不夠好，高次諧波反饋較強(qiáng)， 波形失真較大。（2）不適于很高頻率工作。3.3振蕩器設(shè)計(jì)的模塊分析如圖所示即為設(shè)計(jì)的第一個(gè)模塊，也是此次設(shè)計(jì)的主要模塊一一振蕩電路模塊。G1TFlOOnFR2 lOQkQ：圖 振蕩電路模塊原理圖2M2222-G5C3X±Opl:IOOiiFn-'L3 330hH與前面的對(duì)振蕩器電路的分析一樣，圖 3.2中的R1、R2和R3均為電路的偏置電阻， C1、C2分別為旁路電容和隔直流電容，

14、而 C1、L1和L2的連接方式也符合電感三點(diǎn)式振蕩 器的原則，因此整個(gè)電路就構(gòu)成了設(shè)計(jì)所需要的振蕩電路。由振蕩器的原理可以看出，振蕩器實(shí)際上是一個(gè)具有反饋的非線性系統(tǒng)，精確計(jì)算是 很困難的，而且也是不必要的。因此，振蕩器的設(shè)計(jì)通常是進(jìn)行一些設(shè)計(jì)考慮和近似估算， 選擇合理的線路和工作點(diǎn)，確定元件的參數(shù)值，而工作狀態(tài)和元件的準(zhǔn)確數(shù)值需要在調(diào)試 中最后確定。設(shè)計(jì)時(shí)一般都要考慮一下一些問題：晶體管的選擇從穩(wěn)頻的角度出發(fā)，應(yīng)選擇 fT較高的晶體管，這樣的晶體管內(nèi)部相移較小。通常選 擇fT>(310) flmax。同時(shí)希望電流放大系數(shù) '大些，這既容易振蕩，也便于減小晶體管 和回路之間的耦合

15、。算然不要求振蕩器中的晶體管輸出多大的功率，但考慮到穩(wěn)頻等因素，晶體管的額定功率也應(yīng)有足夠的余量。因此，在本次設(shè)計(jì)中將會(huì) 選取2N2222作為振蕩電路的三極管。該三極管的集電極電 流最大值為800mA在25C時(shí)其功率可達(dá)到0.5 W最大集電極電壓可達(dá)30V,足夠滿足此 次設(shè)計(jì)的各方面要求。2.直流饋電線路的選擇為保證振蕩器起振的振幅條件，起振工作點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在線性放大區(qū)；從穩(wěn)頻出發(fā)，穩(wěn)定狀態(tài)應(yīng)該在截至區(qū)，而不應(yīng)在飽和區(qū)，否則回路的有載品質(zhì)因數(shù)Ql將降低。所以，通常應(yīng)將晶體管的靜態(tài)偏置點(diǎn)設(shè)置在小電流區(qū)，電路應(yīng)采用自偏壓。對(duì)于小功率晶體管，集電 極電流約為14mA3振蕩回路元件的選擇從穩(wěn)頻出發(fā)，振蕩回

16、路中電容 C應(yīng)盡可能大，但C過大，不利于波段工作，因此，前 頁圖3.2中各電容均選為0.1uF已經(jīng)可以滿足電路的設(shè)計(jì)要求。而電感 L原本也應(yīng)盡可能 大，但L大后，體積大，分布電容大，L過小，回路的品質(zhì)因數(shù)過小，因此應(yīng)該合理選擇 L的大小。根據(jù)此次設(shè)計(jì)的要求，輸出頻率為8MHz由計(jì)算公式L22沢(式中F = = 0.1 0.5L=L1+L2+2M,M為L1和L2之間的互感)以及反饋系數(shù) LV M L1的要求，按照?qǐng)D3.2中所示選取L1=2.2uH,L2=0.5uH應(yīng)該能夠滿足設(shè)計(jì)的要求。3.4射極跟隨器模塊分析相對(duì)前面介紹的振蕩電路模塊而言，射極跟隨器模塊就顯得非常簡單了，它是有一個(gè) 反饋電阻和

17、一個(gè)晶體三極管共同組成，如圖所示。三極管在電路中基本上不會(huì)對(duì)輸入的信 號(hào)產(chǎn)生太大的影響，也不會(huì)對(duì)電路輸出的振蕩信號(hào)起多大的放大作用，其主要功能就是構(gòu) 成射極跟隨器，提高電路的帶負(fù)載能力。- - * * %:* 3B4«*iH«¥*B4+»-1->ioako:E*«»9 ' * * 1fea*a«+»ae*-eQ2«+4-BE4¥»<-1* * 1 * * *F2N2222圖射極跟隨器模塊原理圖4仿真與制作4.1仿真在課程設(shè)計(jì)中，使用的仿真軟件為multisim9.0

18、。該軟件提供了功能強(qiáng)大的電子仿真設(shè)計(jì)界面和方便的電路圖和文件管理功能。能夠讓使用者全面的收集電路的相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn) 而有助于對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)。仿真電路如圖：C1100nF1R3 IQkO2tl2222-J- C2：1D0VCC5VVCC(3 BOOpR5 lOdkQ:tOOnF,L3320nHL1WOiiH 2xsciBel Trig取電感L1, L2的值為0.33UH 0.1UH,只要開環(huán)增益 A>1,即可起振。若使振蕩頻率f=8MHz有公式=1/ . LC得，此時(shí)電感 C=800PF為保證三極管能夠正常放大，要合理設(shè)置靜態(tài)偏置，取R仁10kQ , R2=100 kQ ,Vb=R2/( R1

19、+R2 ,Ve=Vb-0.7,Ve=5V,Ve>Vb>Vc,發(fā)射級(jí)正偏，集電極反偏，三極管處于放 大區(qū)。為了防止高頻信號(hào)干擾直流電源，故接一濾波電容C5以消除影響。由于頻率較高，如果在輸出端直接接示波器，由于示波器電容的影響，振蕩回路頻率將發(fā)生變化。為了減少示波器對(duì)振蕩回路的影響，故加入射級(jí)跟隨器。旁路電容C4 C6均取0.1uf，起到隔直通交的作用仿真示波器顯示如圖:Oscilloscope-XSClTimeChannel_AChannel J0a.000 s21,000mV0.000 s21.000mV0,000 s0,000VT2-T1Ext. triggerTimebase

20、Scale:100 ns/t)ivX pos,(piv 0回剛打盼(小Channel A匪日足：500 mV/Div¥ 0Channel BScale t 2 V/DivY0藥可百Triggere：( a jrnt iLevel:0vType Sjnn， Noc Auto None4.2分析調(diào)試由仿真波形可見，電感電感三點(diǎn)式振蕩器存在一定的失真，這是由其本身的缺點(diǎn)造成 的。由于晶體管存在極間電容，對(duì)電感反饋振蕩器，極間電容與回路電感并聯(lián)，在頻率高 時(shí)極間電容影響大，有可能使電抗的性質(zhì)改變，電感反饋振蕩器的工作頻率不能過高；電 容反饋振蕩器，其極間電容與回路電容并聯(lián)，不存在電抗性質(zhì)改變的問題，工作頻率可以 較高。振蕩器在穩(wěn)定振蕩時(shí)，晶體管工作在非線性狀態(tài)，在回路中除有基波電壓外還存在少 量諧波電壓（其大小與回路 Q 值有關(guān)）。對(duì)電容反饋振蕩器，由于反饋是由電容產(chǎn)生的， 所以高次諧波在電容上產(chǎn)生的反饋壓降較??； 而對(duì)電感反饋振蕩器， 反饋是由電感產(chǎn)生的， 所以高次諧波在電感上產(chǎn)生的反饋壓降較大，因此電容反饋振蕩器的輸出波形比電感反饋 振蕩器的輸出波形要好。 5改變電容能夠調(diào)整振蕩器的工作頻率。電容反饋振蕩器在改變頻率時(shí)，反饋系數(shù)也將 改變，會(huì)影響振蕩器的振幅起振條件，故電容反饋振蕩器一般工作在固定頻率；電感反饋 振蕩器在改變頻