改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器要點(diǎn)

1、課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目： 改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器 學(xué)生姓名： * 學(xué)生學(xué)號(hào)： * 系 別： 電氣信息工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)： 通信工程 屆 別： 2014屆 指導(dǎo)教師： * 電氣信息工程學(xué)院制2013年3月 改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器學(xué)生：*指導(dǎo)教師：*電氣信息工程學(xué)院 通信工程專(zhuān)業(yè)前言高頻信號(hào)發(fā)生器主要用來(lái)向各種電子設(shè)備和電路提供高頻能量或者高頻標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，以便測(cè)試各種電子設(shè)備和電路的電氣特性。高頻信號(hào)發(fā)生器主要是產(chǎn)生高頻正弦振蕩波，振蕩器的功能是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)源，廣泛應(yīng)用于各類(lèi)電子設(shè)備中。為此，振蕩器是電子技術(shù)領(lǐng)域中最基本的電子線路，也是從事電子技術(shù)工作人員必須要熟練掌握的基本電路。振蕩器主要分為晶體振蕩

2、器和LC振蕩器，LC振蕩器中的基本電路就是通常所說(shuō)的三端式振蕩器，根據(jù)反饋網(wǎng)絡(luò)由電容還是電感完成的分為電容反饋振蕩器和電感反饋振蕩器。同時(shí)為了提高振蕩器的穩(wěn)定度，通過(guò)對(duì)電容三端式振蕩器的改進(jìn)可以得到克拉潑振蕩器和西勒振蕩器兩種改進(jìn)型的電容反饋振蕩器。高頻電子元器件，高頻集成電路的工藝技術(shù)指標(biāo)有長(zhǎng)足進(jìn)步，并正在迅速的向多功能,高功率，模塊化，可集成和可編程的方向發(fā)展，且計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，信號(hào)處理技術(shù)也廣泛引入通信電路的設(shè)計(jì)中。集成電路具有體積小、功耗低、可靠性高、性能好以及易于使系統(tǒng)整機(jī)實(shí)現(xiàn)少調(diào)整和不調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)，通信電路正迅速向急方向發(fā)展。系統(tǒng)集成它改變了用通用元、器件組裝電子系統(tǒng)的傳統(tǒng)方法，

3、而直接將系統(tǒng)制作在芯片上，從而大大促進(jìn)了系統(tǒng)、電路與工藝的結(jié)合。正弦波振蕩器的作用是產(chǎn)生頻率穩(wěn)定、幅度不變的正弦波輸出?；陬l率穩(wěn)定度、反饋系數(shù)、輸出波形、起振等因素的綜合考慮，此次采用的是電容三點(diǎn)式振蕩器的兩種改進(jìn)型振蕩器之一的西勒振蕩器，其具有輸出波形好、工作頻率高、改變電容調(diào)節(jié)頻率時(shí)不影響反饋系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，適用于寬波段、頻率可調(diào)的場(chǎng)合。西勒振蕩器由起能量控制作用的放大器、將輸出信號(hào)送回到輸入端的正反饋網(wǎng)絡(luò)以及決定振蕩頻率的選頻網(wǎng)絡(luò)組成。但沒(méi)有輸入激勵(lì)信號(hào)，而是由本身的正反饋信號(hào)來(lái)代替。當(dāng)振蕩器接通電源后，即開(kāi)始有瞬變電流產(chǎn)生，經(jīng)不斷地對(duì)它進(jìn)行放大、選頻、反饋、再放大等多次循環(huán)，最終形成自激

4、振蕩，把輸出信號(hào)的一部分再回送到輸入端做輸入信號(hào)，從而就會(huì)產(chǎn)生一定頻率的正弦波信號(hào)輸出。1振蕩器的基本原理及其電路 1.1振蕩器的介紹在電子線路中，除了要有對(duì)各種電信號(hào)進(jìn)行放大的電子線路外，還需要有在沒(méi)有激勵(lì)信號(hào)的情況下產(chǎn)生周期性振蕩信號(hào)的電子線路，這種電子線路就是振蕩器。 振蕩器是一種能量轉(zhuǎn)換器，它不需要外部激勵(lì)就能自動(dòng)地將直流電源共給的功率轉(zhuǎn)換為制定頻率和振幅的交流信號(hào)功率輸出。振蕩器一般由晶體管等有源器件和某種具有選頻能力的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)組成。 振蕩器的種類(lèi)很多，根據(jù)工作原理可分為反饋型振蕩器和負(fù)阻型振蕩器，根據(jù)所產(chǎn)生的波形可分為正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器；根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)可分為L(zhǎng)C振蕩器晶體振

5、蕩器RC振蕩器等。1.2振蕩器的基本原理 振蕩器LC回路的三個(gè)端點(diǎn)與晶體管的三個(gè)電極分別連接構(gòu)成的電路即為三端式振蕩器，其示意圖如下圖所示圖1一般的三點(diǎn)式振蕩器三點(diǎn)式LC正弦波振蕩器的組成法則是：與晶體管發(fā)射極相連的兩個(gè)電抗元件應(yīng)為同性質(zhì)的電抗，而與晶體管集電極基極相連的電抗元件應(yīng)與前者性質(zhì)相反。也就是說(shuō)上圖中、與的性質(zhì)必須相反振蕩器才能起振。 設(shè)：、為純電抗元件 負(fù)號(hào)表示產(chǎn)生180o相移與Vbe和E間的180o相移合成.為360o相移，滿足正反饋條件。 為此，Xce、Xeb必為同名電抗，而Xcb須是Xce與Xeb的異名電抗。1.3電容三點(diǎn)式振蕩器 電容三點(diǎn)式的原理示意圖如下圖所示 圖2電容三

6、點(diǎn)式振蕩器由圖可見(jiàn)：與發(fā)射極連接的兩個(gè)電抗元件為同性質(zhì)的容抗元件C1和C2；與基極和集電極連接的為異性質(zhì)的電抗元件L，根據(jù)前面所述的班別準(zhǔn)則為，該電路滿足相位條件。 其工作過(guò)程是：振蕩器接通電源后，由于電路中的電流從無(wú)到有變化 ，將產(chǎn)生脈動(dòng)信號(hào)。振蕩器電路中有一個(gè)LC諧振回路，具有選頻作用，當(dāng)LC諧振回路的固有頻率與某一諧振頻率相等是，電路產(chǎn)生諧振。雖然脈動(dòng)的信號(hào)很微小，通過(guò)電路放大及正反饋使振蕩幅度不斷增大。當(dāng)增大到一定程度時(shí)，導(dǎo)致晶體管進(jìn)入非線性區(qū)域，產(chǎn)生自給偏壓，使放大器倍數(shù)減小，最后達(dá)到平衡，此時(shí)振蕩幅度不再增大。于是使振蕩器只有在某一頻率時(shí)才能滿足振蕩條件，于是得到單一頻率的振蕩信號(hào)

7、輸出。該振蕩器的振蕩頻率為：， 反饋系數(shù)F為：， 若要它產(chǎn)生正弦波，滿足F=1/21/8,太小或者太大均不容易起振。一個(gè)實(shí)際的振蕩電路，在F確定后，其振幅增加的主要是靠提高振蕩管的靜態(tài)電流值。但是如果靜態(tài)電流值取得太大，振蕩管工作范圍容易進(jìn)入飽和區(qū)，輸出阻抗降低使振蕩波形失真。嚴(yán)重時(shí)，甚至使振蕩器停振。所以在實(shí)用中，靜態(tài)電流值一般取Ico=0.5mA4mA。 電容三點(diǎn)式的優(yōu)點(diǎn)是振蕩波形好；電路的頻率穩(wěn)定度高，工作頻率可以做得較高，達(dá)到幾十赫茲到幾百赫茲的甚高波段范圍。 電路缺點(diǎn)是若調(diào)用C1或C2改變振蕩回路的工作頻率，反饋系數(shù)也將改變使振蕩器的頻率穩(wěn)定度不高。2改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路設(shè)計(jì) 改

8、進(jìn)型的電容三點(diǎn)式分為兩種：克拉潑振蕩器、西勒振蕩器。2.1克拉潑振蕩器 電容三點(diǎn)式改進(jìn)型克拉潑振蕩器如下圖所示圖3克拉潑振蕩器電路圖電路的特點(diǎn)是在共基電容三點(diǎn)式振蕩器的基礎(chǔ)上，用一電容C5，串聯(lián)于電感L的支路上。其作用是增加回路總電容和減小管子與回路間的耦合來(lái)提高振蕩回路的標(biāo)準(zhǔn)性。使振蕩頻率的穩(wěn)定度得到提高。 因?yàn)镃5為可調(diào)電容遠(yuǎn)小于C1或C2，所以電容串聯(lián)后的等效電容約為C3。電路的振蕩頻率為：與基本電容三點(diǎn)式振蕩電路相比，在電感L支路上串聯(lián)一個(gè)電容后有以下特點(diǎn)：1.振蕩頻率可改變不會(huì)影響反饋系數(shù)；2.振蕩幅度比較穩(wěn)定； 3.電路中的C5為可變電容，調(diào)整它即可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整振蕩頻率。但是

9、C5不能太小否則會(huì)導(dǎo)致停振，所以克拉破振蕩器頻率覆蓋率較小，僅達(dá)1.21.4；為此，克拉潑振蕩器適合與做固定頻率振蕩器。2.2西勒振蕩器 電容三點(diǎn)式改進(jìn)型西勒振蕩器如下圖所示:圖4西勒振蕩器電路圖電路的特點(diǎn)是字克拉潑電路的基礎(chǔ)上，用一電容C4，并聯(lián)于電感L兩端。作用是保持了晶體管與振蕩回路弱耦合，振蕩頻率的穩(wěn)定度高，調(diào)整范圍大。電路的振蕩頻率為：, 西勒振蕩電路有以下特點(diǎn)：振蕩幅度比較穩(wěn)定；振蕩頻率可以較高；頻率覆蓋率較大，可達(dá)1.61.8，因而在一些短波超、短波通信機(jī)，電視接收機(jī)中用的較多。該電路振幅起振條件： 該電路相位起振條件： 振幅平衡條件： 相位平衡條件： 放大器電路由晶體三極管2N

10、222、濾波電容、高頻旁置電容、集電極旁置電阻R1、基極旁置電阻R2、R3、射極旁置電阻R5組成。放大器可選用如電子管、晶體管等，本設(shè)計(jì)采用晶體三極管2N222作為能量控制的放大器。選頻網(wǎng)絡(luò)用來(lái)決定振蕩頻率，本設(shè)計(jì)采用LC并聯(lián)諧振回路，由C2、C3、C4、L、C5組成，要求C2，C3>>C4，C5。反饋網(wǎng)絡(luò)是將輸出信號(hào)送回到輸入端的電容分壓式正反饋網(wǎng)絡(luò)，C3和晶體管構(gòu)成正反饋。3改進(jìn)型電容三點(diǎn)式電路設(shè)計(jì)3.1改進(jìn)型電路選擇 不需外加輸入信號(hào)，便能自行產(chǎn)生輸出信號(hào)的電路稱(chēng)為振蕩器。按照產(chǎn)生的波形，振蕩器可以分為正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器。按照產(chǎn)生振蕩的工作原理，振蕩器分為反饋式振蕩

11、器和負(fù)阻式振蕩器。所謂反饋式振蕩器，就是利用正反饋原理構(gòu)成的振蕩器，是目前用的最廣泛的一類(lèi)振蕩器。所謂 負(fù)阻式振蕩器， 就是利用正反饋有負(fù)阻特性的器件構(gòu)成的振蕩器， 在這種電路中， 負(fù)阻所起的作用，是將振蕩器回路的正阻抵消以維持等幅振蕩。 反饋式振蕩電路，有變壓器反饋式振蕩電路，電感三點(diǎn)式振蕩電路，電容三點(diǎn)式振蕩電路和石英晶體振蕩電路等。 本次設(shè)計(jì)我們采用的是電容三點(diǎn)式振蕩電路，有與電容三點(diǎn)式振蕩電路有一些缺陷，通過(guò)改進(jìn)，得到了西勒振蕩器西勒振蕩器的接入系數(shù)與克拉潑振蕩器相同。西勒振蕩器的頻率改變主要通過(guò)改變C4完成，C4的改變并不影響接入系數(shù)p，因而波段內(nèi)輸出較平穩(wěn)。而C4改變，頻率變化較明

12、顯，使得西勒振蕩器的頻率覆蓋系數(shù)較大。本次課設(shè)選擇西勒振蕩電路作為正弦波發(fā)生電路。4.2電路原理圖設(shè)計(jì) 電路原理圖如下圖所示圖5改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器原理圖3.2電路結(jié)構(gòu) 上圖中的電路主要由3部分構(gòu)成：1.起能量放大作用的三極管放大器；2.三點(diǎn)式回路組成的正反饋網(wǎng)絡(luò)；3.射極跟隨器構(gòu)成的緩沖級(jí)。3.3靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置 合理選擇振蕩器的靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)振蕩器的起振、工作的穩(wěn)定性和波形質(zhì)量的好壞有著密切的關(guān)系。一般小功率振蕩器的靜態(tài)工作點(diǎn)應(yīng)選在遠(yuǎn)離飽和區(qū)而靠近截至區(qū)的地方。根據(jù)上述原則，一般小功率振蕩器集電極電流ICQ大約在0.8mA4mA之間選取，故本實(shí)驗(yàn)電路中： 選擇ICQ=1.5mA , =0.5

13、V ， =40則 為提高電路的穩(wěn)定性值適當(dāng)增大，取=1，則=2又 取流過(guò)Rb2的電流為10mA，則, 取4可取=5，這樣額定電流是2mA,滿足任務(wù)要求。4.3.振蕩回路元件確定 回路中的電抗元件分為電容C和電感L兩部分。通常滿足接入系數(shù)C2/C3不能過(guò)大或者過(guò)小，否則不容易起振，一般適宜1/81/2。 振蕩器工作頻率為：當(dāng)f0=6MHz , L=10uH本電路中，回路諧振頻率f0主要C4和C5決定，即 取C4=30pf,C5為100pf可調(diào)電容，因?yàn)橐裱瑿2,C3C4,C5， C2/C3=1/81/2的條件，故取C2=120pf，c3=560pf。4 Mutisim10系統(tǒng)仿真和調(diào)試4.1仿

14、真軟件介紹Multisim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(yǔ)言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對(duì)電路進(jìn)行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復(fù)雜內(nèi)容，這樣工程師無(wú)需懂得深入的SPICE技術(shù)就可以很快地進(jìn)行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計(jì)，這也使其更適合電子學(xué)教育。通過(guò)Multisim和虛擬儀器技術(shù)，PCB設(shè)計(jì)工程師和電子學(xué)教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計(jì)和測(cè)試這樣一個(gè)完整的綜合設(shè)計(jì)流程。4.2

15、系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)在Multisim軟件中繪制改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器的電路圖，并更改好各元件數(shù)值連接好虛擬示波器和頻率計(jì)，如下圖所示：圖6 Multisim10繪制的系統(tǒng)電路圖其中起振電路示波器XSC2顯示波形如圖所示：圖7三點(diǎn)式振蕩器的輸出波形由圖可見(jiàn)振蕩器輸出波形比較理想，輸出頻率接近6MHz。為滿足任務(wù)要求加上100的負(fù)載，在振蕩器后接上射極跟隨器以達(dá)到放大輸出信號(hào)和減小輸出內(nèi)阻的目的，使其能夠驅(qū)動(dòng)100的負(fù)載。加上100的負(fù)載后輸出波形如下圖所示：圖8加載100負(fù)載后的波形輸出5總結(jié)5.1設(shè)計(jì)小結(jié)由加載100負(fù)載的仿真結(jié)果，可以看出波形輸出器的波形輸出大體保持了原有波形，波形基本上為正弦波，

16、基本上無(wú)失真，所以波形的失真應(yīng)與緩沖器有關(guān)，可見(jiàn)單一的射極跟隨器無(wú)法完整的保持波形不變。由圖可知加載100負(fù)載后輸出電壓大于1V，滿足任務(wù)需求。且通過(guò)調(diào)節(jié)C5可以改變輸出頻率，使其輸出范圍在6MHz左右變化，滿足了設(shè)計(jì)任務(wù)的需求。5.2設(shè)計(jì)體會(huì)高頻電子線路的課程設(shè)計(jì)看似簡(jiǎn)單，實(shí)際深究起來(lái)卻相當(dāng)復(fù)雜。本次選題的三點(diǎn)式看似十分簡(jiǎn)單，然而緩沖級(jí)的設(shè)計(jì)卻有很大的拓展空間。在這方面，參考資料顯得十分重要。課本上只是簡(jiǎn)單的介紹西勒振蕩器的基本原理，而跟多的任務(wù)要求實(shí)現(xiàn)需要我們?nèi)ゲ殚嗁Y料和聯(lián)系各個(gè)知識(shí)點(diǎn)。 通過(guò)這次設(shè)計(jì)我對(duì)各種元件的識(shí)別和測(cè)試有了更深的了解，對(duì)以前很少接觸的電感元件的色環(huán)識(shí)別也有了一定的認(rèn)識(shí)

17、。對(duì)課本中寥寥頁(yè)的三點(diǎn)式正弦波振蕩器工作原理和相關(guān)參數(shù)的關(guān)系也有了進(jìn)一步的了解。在此次課設(shè)過(guò)程中，我深刻地感受到了自己理論知識(shí)的有限和自身的不足，并且學(xué)會(huì)了對(duì)資料的取舍和分析。在整個(gè)課設(shè)過(guò)程中，同學(xué)之間相互經(jīng)驗(yàn)的借鑒也十分重要，往往也是成功的突破口?？傊?，通過(guò)這次課設(shè)我學(xué)習(xí)到了如何解決高頻線路中的相關(guān)困難，更進(jìn)一步地熟悉了晶體管的應(yīng)用和具體使用方法，增強(qiáng)了對(duì)實(shí)驗(yàn)的思考能力，培養(yǎng)了我細(xì)心的科學(xué)態(tài)度和不厭其煩的耐心。同時(shí)本次課設(shè)也暴露了我的很多不足，在今后的學(xué)習(xí)中，我將進(jìn)一步發(fā)揚(yáng)優(yōu)點(diǎn)，克服缺點(diǎn)。我們?cè)趯W(xué)習(xí)理論知識(shí)的同時(shí)還要努力培養(yǎng)自己的動(dòng)手操作能力，對(duì)于通信工程的我們更是如此，通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)我也看到了自己的差距，今后會(huì)努力提高自己的動(dòng)手操作能力，以求真正領(lǐng)會(huì)各種專(zhuān)業(yè)知識(shí)，為將來(lái)的工作打下良好的基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)1 吳友宇. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ). 清華大學(xué)出版社，20092 謝家奎電子線路非線性部分高等教育出版社，20103 熊偉.