高頻振蕩器課程設(shè)計

1、 高頻電子線路 課程設(shè)計說明書題目： 振蕩器的設(shè)計學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 院 （系）： 專 業(yè)： 電子信息工程 指導(dǎo)教師： 周麗麗 2015年1月5日目 錄1 選題背景12 課程設(shè)計目的13 課程設(shè)計題目描述和要求13.1 課程設(shè)計題目描述13.2 課程設(shè)計要求14 課程設(shè)計報告內(nèi)容24.1 設(shè)計方案的論證：24.2 元器件參數(shù)的計算104.3 仿真結(jié)果與分析124.4 仿真注意事項185 結(jié)論19附錄21參考文獻24振蕩器設(shè)計1 選題背景振蕩器（Oscillator）是一種能量轉(zhuǎn)換裝置。它的能量來源一般是直流形式（振蕩器電路的直流供電電源）。經(jīng)過振蕩器轉(zhuǎn)換后，此直流能量轉(zhuǎn)換為一定頻率、一定幅度

2、和一定波形的交流能量輸出。這種電能的“轉(zhuǎn)換”過程被稱作“振蕩”(Oscillation）。振蕩器的作用是產(chǎn)生特定的輸出信號，因此也常常被稱為信號發(fā)生器（signal creator）。振蕩器的類型繁多，按照振蕩過程是否依賴于外部激勵信號的參與，可以分為他激振蕩器和自激振蕩器；按照波形分類有正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器；按照振蕩器振蕩頻率的高低，可以分為低頻振蕩器、高頻振蕩器、超高頻振蕩器等；按照振蕩器的選頻元件分類，則有RC振蕩器、LC振蕩器、石英晶體振蕩器等。晶體振蕩器作為電子設(shè)備的重要器件，對電子設(shè)備的總體性能指標(biāo)起著非常重要的作用。本文介紹高頻高精度正弦波振蕩器的研制，高頻高精度振蕩器具

3、有體積小、中心頻率穩(wěn)定、輸出幅度穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定度高、非線性失真小的特點。振蕩器是一種能自動的將直流能量轉(zhuǎn)換成有一定波形的振蕩器信號能量的轉(zhuǎn)換電路。它與放大器的區(qū)別在于無需外加激勵信號就能產(chǎn)生具有一定頻率，一定波形和一定振幅的交流信號。振蕩器輸出的信號頻率、波形、幅度完全由電路自身的參數(shù)決定。振蕩器在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。例如，在無線電通信、廣播、電視設(shè)備中用來產(chǎn)生所需的載波信號和本地振蕩信號；在電子測量和自動控制系統(tǒng)中用來產(chǎn)生各種頻段的正弦波信號等。正弦波振蕩器主要有決定振蕩頻率的選頻網(wǎng)路和維持振蕩的正反饋放大器組成，這就是正反饋振蕩器。高頻正弦波振蕩器可分為LC振蕩器、石英晶體振

4、蕩器等。正弦波振蕩器的主要性能指標(biāo)是振蕩頻率的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度、振蕩幅度的大小其穩(wěn)定性、振蕩波形的非線性失真、振蕩器的輸出功率和效率。2 課程設(shè)計目的設(shè)計一個石英晶體震蕩器和一個電容式三端震蕩器。設(shè)計采用正弦波發(fā)生電路,正弦波發(fā)生電路通常稱為正弦波振蕩器。不需要外加任何輸入信號就能根據(jù)要求而輸出特定頻率的正弦波信號。3 課程設(shè)計題目描述和要求3.1 課程設(shè)計題目描述本次設(shè)計采用正弦波發(fā)生電路,正弦波發(fā)生電路通常稱為正弦波振蕩器。是模擬電子電路的一種重要形式。特點是不需要外加任何輸入信號就能根據(jù)要求而輸出特定頻率的正弦波信號。這種特點稱為“自激振蕩”。波形發(fā)生電路是非常典型的正反饋放大電路。與放大

5、器一樣,震蕩器也是一種能量轉(zhuǎn)換器,但不同的是振蕩器無需外部激勵就能自動地將直流電源提供的功率轉(zhuǎn)換為指定的頻率和振幅的交流信號功率輸出。振蕩器一般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。3.2 課程設(shè)計要求設(shè)計要求：1）設(shè)計一個晶振振蕩器 主要技術(shù)指標(biāo)：晶振頻率為20MHz，輸出信號幅度5V（峰-峰值），可調(diào) 2)設(shè)計一個電容三點式振蕩器 主要技術(shù)指標(biāo)：振蕩頻率為1520MHz，輸出信號幅度5V（峰-峰值），可調(diào)；頻穩(wěn)度優(yōu)于10-4K（S）4 課程設(shè)計報告內(nèi)容4.1 設(shè)計方案的論證：圖4-1 反饋型振蕩器原理框圖4.1.1 產(chǎn)生自激振蕩的條件1）平衡條件反饋振蕩器的原理框圖如圖，先通

6、過輸入一個正弦波信號，產(chǎn)生一個輸出信號，此時，以極快的速度使輸出信號，通過反饋網(wǎng)絡(luò)送到輸入端，且使反饋信號與原輸入信號“一模一樣”，同時切斷原輸入信號，由于放大器本身不能識別此時的輸入究竟來自信號源，還是來自本身的輸出，既然切換前后的輸入信號“一模一樣”，放大器就一視同仁地給予放大，形成：輸出反饋輸入放大輸出反饋；這是一個循環(huán)往復(fù)的過程，放大器就構(gòu)成了一個“自給自足”的自激振蕩器。上述假設(shè)指出：只有反饋到輸入端的信號與原輸入信號“一模一樣”。才能產(chǎn)生自激振蕩，“一模一樣”就是自激振蕩的條件亦稱平衡條件。因為是正弦波，而描述正弦波的三要素是：振幅、頻率和相位。振幅相等；相位相同（若相位總相同，則

7、頻率和初相一定都相等）因為自激振蕩是一個正反饋放大器，故可用反饋的概念來描述振蕩條件。現(xiàn)以單調(diào)諧諧振放大器為例來看K（j）與F（j）的意義，若U0=UC，Ui=Ub,則：Kj=U0Ui=UcUb=IcUbUcIc=-Y(j)ZL（4-1）式中，ZL為放大器的負載阻抗ZL=-UcIc=RLejL（4-2）Yf(j)為晶體管的正向轉(zhuǎn)移導(dǎo)納。Yfj=IcUb=Yfejf （4-3）T(j)=KF=1 （4-4）此式要成立，則必有KjF(j)=1T(j)=KjF(j)=1 振幅平衡條件T=f+L+F'=2n n=0,1,2, 相位平衡條件2）起振條件在自激振蕩器中，起始瞬間的輸入電壓Xi的產(chǎn)生

8、原因有兩種：一是在電路接通電源時取得。因為接通電源時，電路各處都存在瞬變過程，在輸人端的瞬變電壓即可作為起始輸人電壓；二是放大器中存在各種微小的電擾動和噪聲電壓。這兩種原因所取得的起始電壓包含著極為豐富的各種頻率分量）它們中總會有符合相位條件的某個頻率成分，最終成為自激信號的最初來源。至于振幅條件更容易滿足，由于開環(huán)放大倍數(shù)A是無窮大，很容易滿足起振條件KFl的要求。為了保證電路在指定的頻率上振蕩起來，常常為這種自激振蕩器安排一個諧振在指定頻率上的選頻回路，使電路更容易在指定的頻率上滿足產(chǎn)生自激振蕩的條件。放大器獲得起始瞬時榆入電壓了Xi后，接著產(chǎn)生輸出信號電壓和正反饋電壓，并且經(jīng)過放大器的選

9、頻后，指定頻率的輸出電壓幅度增大了，反饋電壓的幅度也增大，經(jīng)過電路的正反饋、放大、再反潰、再放大的循環(huán)過程，使振蕩電壓由小到大逐漸建立起來。起振的最初來源是振蕩器在接通電源不可避免地存在的電沖擊及各種熱噪聲等，例如：在加電時晶體管電流由零突然增加，突變的電流包含有很寬的頻譜分量，在他們通過負載電路時，由諧振回路的性質(zhì)即只有頻率等于回路諧振頻率的分量可以產(chǎn)生較大的輸出電壓，而其他頻率成分不會產(chǎn)生壓降，因此負載回路上只有頻率為回路諧振頻率的成分產(chǎn)生壓降，該壓降通過反饋網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生較大的正反饋電壓，反饋電壓又加到放大器的輸入，進行放大，反饋,不斷地循環(huán)下去，諧振負載上將得到頻率等于回路諧振頻率的輸出信號

10、。在振蕩開始時由于激勵信號較弱，輸出電壓的振幅U0較小，經(jīng)過不斷放大，反饋循環(huán)，輸出幅度U0逐漸增大，否則輸出信號幅度過小，沒任何價值。為了使振蕩過程中輸出幅度不增加，應(yīng)使反饋回來的信號比輸入到放大器的信號大，即振蕩開始時應(yīng)為增幅振蕩。T(j)=>1（4-5）稱為自激振蕩的起振條件也可寫為T(j)=YRLF>1 （4-6）T=f+L+F'=2n n=0,1,2,（4-7）上式分別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。3）穩(wěn)定條件處于平衡狀態(tài)的振蕩器應(yīng)考慮其工作穩(wěn)定性，這是因為振蕩器在工作過程不可避免地要受到外界各種因素的影響，如溫度改變，電源電壓的波

11、動等等，這些變化將使放大器放大器啊倍數(shù)和反饋系數(shù)改變，破壞了原來的平衡狀態(tài)，對振蕩器的正常工作將會產(chǎn)生影響。如果通過放大和反饋的不斷循環(huán)，振蕩器能在原平衡點附近建立起新的平衡狀態(tài)，而且當(dāng)外界因素消失后，振蕩器能自動回到原來平衡狀態(tài)，則原來平衡點是穩(wěn)定的；否則平衡點為不穩(wěn)定。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。要使振蕩穩(wěn)定，振蕩器在其平衡點必須具有阻止振幅變化的能力。具體來說既是，在平衡點附近，當(dāng)不穩(wěn)定因素使振幅增大時，環(huán)路增益的模值T應(yīng)減小，形成減幅振蕩，從而阻止振幅的增大，達到新的平衡，并保證新平衡點在原平衡點附近，否則，若振幅增大,T也增大, 則振幅將持續(xù)增大,遠離元原平衡點,

12、不能形成新的平衡,振蕩器不穩(wěn)定；而當(dāng)不穩(wěn)定因素使振幅減小時，T應(yīng)增大，形成增幅振蕩，阻止振幅的減小，再遠平衡點附近建立起新的平衡，否則振蕩器將是不穩(wěn)定的。因此振幅穩(wěn)定條件為TUi u i = u iA<0（4-8）由于反饋網(wǎng)絡(luò)為線性網(wǎng)絡(luò)，即反饋系數(shù)大小F不隨輸入信號改變，故振蕩器條件又可寫為KUi u i = u iA<0（4-9）式中K為放大器增益大小。由于放大器的非線性，只要電路設(shè)計合理，振幅穩(wěn)定一般很容易滿足。若振蕩器采用自偏壓電路，并工作到截止?fàn)顟B(tài)，其|K/U i|大，振蕩穩(wěn)定性好。再解釋振蕩器的相位穩(wěn)定性前，我們必須清楚，一個正弦信號的相位和它的頻率W之間的關(guān)系W= dd

13、t（4-10）=wdt （4-11）可見，相位的變化必然要引起頻率的變化，頻率的變化也必然要引起相位的變化。設(shè)振蕩器原在w=w1時處于相位平衡狀態(tài)，即有圖4-2 振蕩器穩(wěn)定工作時回路的相頻特性Lw1+f+F'=0,現(xiàn)因外界原因使振蕩的反饋電壓Ub'的相位超前原輸入信號Ub 。由于反饋相位提前（既每一周期中Ub'的相位均超前Ub ），振蕩周期要縮短，振蕩頻率要提高，比如提高到W2,W2>W1。當(dāng)外界因素消失后顯然W2處不滿足相位平衡條件，這時，f+F'不變，但由于W2>W1，L要下降，即這時Ub'相對于Ub 的幅角Lw1+f+F'<

14、;0（4-12）這表示Ub'落后于Ub ，導(dǎo)致振蕩周期增長，振蕩頻率降低，即又恢復(fù)到原來的振蕩頻率w1。上述相位穩(wěn)定是靠w增加，L降低來實現(xiàn)的，即并聯(lián)振蕩回路的相位特性保證了相位穩(wěn)定。因此相位穩(wěn)定條件為Lw w = w1<0（4-13）回路Q值越高，Lw值越大，其相位穩(wěn)定性越好。4.1.2 電容反饋式三端振蕩器基本電路就是通常所說的三端式(又稱三點式)的振蕩器,即LC回路的三個端點與晶體管的三個電極分別連接而成的電路,如圖根據(jù)諧振回路的性質(zhì),諧振時回路應(yīng)呈純電阻性,因而一般情況下,回路Q值很高,因此回路電流遠大于晶體管的基極電流?b、集電極電流?c以及發(fā)射極電流?e,故由圖有Ub

15、=jXIUc=-jXI圖4-3 三端式振蕩器的組成F=-X2X1 （4-14）因此X1、X2應(yīng)為同性質(zhì)的電抗元件。即構(gòu)成原則為：射同余異三端式振蕩器有兩種基本電路,如圖所示。圖(a)中X1和X2為容性,X3為感性,滿足三端式振蕩器的組成原則,反饋網(wǎng)絡(luò)是由電容元件完成的,稱為電容反饋振蕩器,也稱為考必茲(Colpitts)振蕩器。圖(b)為電感反饋振蕩器,也稱為哈特雷(Hartley)振蕩器。圖4-4 兩種基本的三端式振蕩器（a）電容反饋振蕩器；（b）電感反饋振蕩器1）三端電容反饋振蕩器 圖(a)是一電容反饋振蕩器的實際電路,將 視為開路，將 視為短路圖，則是其交流等效電路如圖(b)。圖4-5

16、電容反饋振蕩電路（a）實際電路；（b）交流等效電路振蕩頻率：高Q時 f=f0=12LCC=C1C2C2+C2（4-15）與電感三端震蕩電路想比，電容三端振蕩器的優(yōu)點是輸出波形較好，這是因為集電極和基極電流可通過對諧波為低阻抗的電容支路回到發(fā)射極，所以高次諧波的反饋減弱，輸出的諧波分量減少，波形更加接近于正弦波。其次，該電路中的不穩(wěn)定電容（分布電容、器件的結(jié)電容等）都是與該電路并聯(lián)的，因此適當(dāng)?shù)募哟蠡芈冯娙萘?，就可以減弱不穩(wěn)定因素對振蕩器的影響，從而提高了頻率穩(wěn)定度。最后，當(dāng)工作頻率較高時，甚至可以只利用器件的輸入和輸出電容作為回路電容。因而本電路適用于較高的工作頻率。這種電路的缺點是:調(diào)或來改

17、變震蕩頻率時，反饋系數(shù)也將改變。但只要在L兩端并上一個可變電容器，并令與為固定電容，則在調(diào)整頻率時，基本上不會影響反饋系數(shù)。2）改進型電容三點式(a)(b)圖4-6 克拉潑振蕩器電路（a）實際電路；（b）交流等效電路 (1)如圖是克拉潑振蕩器的實際電路和交流等效電路它的特點是在前述的電容三點式振蕩諧振回路電感支路中增加了一個電容C3，其取值比較小，要求C3<<C1，C3<<C2。先不考慮各極間電容的影響，這時諧振回路的總電容量C為C1、C2和C3的串聯(lián)，即1C=1C1+1C2+1C3C3C1C21C3 （4-16）F=C1C2 PC3C1 （4-17）RL=P2R0C3

18、C12R0 （4-18）f012LC12LC3 （4-19）使上式成立的條件是C1和C2都要選得比較大，由此可見，C1、C2對振蕩頻率的影響顯著減小，那么與C1、C2并接的晶體管極間電容的影響也就很小了，提高了振蕩頻率的穩(wěn)定度。(2)西勒電路是在克拉潑電路的L兩端并聯(lián)上一個電容得到的，有效的改善了克拉潑電路可調(diào)范圍小的缺點，電路圖如圖所示：圖4-7 西勒振蕩器電路(a) 實際電路；（b）交流等效電路(a)(b)C=C4+11C1+1C2+1C3C3+C4（4-20）所以振蕩頻率f012LC12LC3+C4（4-21）該電路頻率穩(wěn)定性非常高，振幅穩(wěn)定，頻率調(diào)節(jié)方便，適合做波段振蕩器。通過對以上的

19、幾種電路的分析，可以看出：a.電感反饋式三端振蕩器：容易起振，調(diào)頻方便，但波形失真較大；b.電容反饋式三端振蕩器：波形好，頻率穩(wěn)定性好，但調(diào)頻不方便；c.克拉潑振蕩器：調(diào)頻方便但可調(diào)范圍??；d.西勒振蕩器：頻率穩(wěn)定性高，振幅穩(wěn)定，調(diào)頻方便。所以，在本設(shè)計中擬采用并聯(lián)改進型的西勒電路振蕩器。4.1.3 石英晶體振蕩器1）主要成分： 天然的石英晶體有六個側(cè)面，呈六棱雙角錐形。經(jīng)過適當(dāng)?shù)那懈睿色@得石英晶體薄片晶片。不同切向得到的晶片特性不同固有諧振頻率不同。2）主要特性：壓電效應(yīng)在晶片上加電場，晶片會產(chǎn)生機械變形，加交變電場，晶片會產(chǎn)生機械變形振動機械振蕩，同時，它的機械振蕩又會產(chǎn)生交變電場。換句

20、話說，晶片能實現(xiàn)電能和機械能的相互轉(zhuǎn)換。這種能量轉(zhuǎn)換的過程與LC并聯(lián)諧振回路中：電感的磁場能與電容的電場能相互轉(zhuǎn)換的情況相類似。晶片的這種物理特征稱為“壓電效應(yīng)”。當(dāng)外加交變電壓的頻率等于晶片的固有頻率時，石英晶體振蕩的振幅會突然增加，晶體呈現(xiàn)出純電阻性質(zhì)，損耗極小，Q值極高，這種現(xiàn)象稱為“壓電諧振”，所以石英晶體實際上是一種電機械的諧振子。3）電路符號及等效電路圖4-8 石英晶體電路符號：中間表示石英晶片，晶片表面鍍一層金屬膜，焊上金屬電極。其等效電路分為靜態(tài)等效電路和動態(tài)等效電路。靜態(tài)時：石英晶體相當(dāng)于一個平板電容器，晶片相當(dāng)于介質(zhì)，金屬膜相當(dāng)于兩個極板，等效電路為：C0：晶體的靜態(tài)電容，

21、皮法數(shù)量級動態(tài)時：石英晶體相當(dāng)于一個振蕩電路，其等效電路如圖L：晶體電感，反映晶體的慣性，10210-3H圖4-9 石英晶體動態(tài)電路圖C：晶體電容，反映晶體的彈性，10-110-2PF R：晶體的損耗電阻，幾歐幾百歐。分析：由于L很大，C、R很小，所以 這樣大的Q0值是一般的LC回路所做不到的。從等效電路可以看出。(1)串聯(lián)諧振狀態(tài)：諧振頻率fs=12LC (4-22)(2)并聯(lián)諧振狀態(tài)：諧振頻率fP=12LCC0=12LCC0C+C0=fs1+CC0(4-23)從數(shù)量級上看， ，因此，fs和fP兩個頻率非常接近。石英晶體的電抗頻率特性曲線。在 頻率區(qū)間內(nèi)，晶體呈感性；在其余的頻率區(qū)間內(nèi)，晶體

22、呈容性。石英晶體諧振器具有優(yōu)良的特性,具體表現(xiàn)為：a.石英晶體諧振器具有很高的標(biāo)準(zhǔn)性。圖4-10石英晶體的電抗頻率特性曲線b.石英晶體諧振器與有源器件的接入系數(shù)p很小,一般為10-3=10-4。c.石英晶體諧振器具有非常高的Q值。4）根據(jù)晶體在電路中的作用,可以將晶體振蕩器歸為兩大類:并聯(lián)型晶體振蕩器和串聯(lián)型晶體振蕩器。（1)并聯(lián)型晶體振蕩器圖示出了一種典型的晶體振蕩器電路,當(dāng)振蕩器的振蕩頻率在晶體的串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率之間時晶體呈感性,該電路滿足三端式振蕩器的組成原則,而且該電路與電容反饋的振蕩器對應(yīng),通常稱為皮爾斯(Pierce)振蕩器。圖4-11 皮爾斯振蕩器由于晶體的品質(zhì)因數(shù)Q很

23、高,故其并聯(lián)諧振電阻Ro也很高,雖然接入系數(shù)p較小,但等效到晶體管CE兩端的阻抗RL仍較高,所以放大器的增益較高,電路很容易滿足振幅起振條件。b-e型并聯(lián)晶體振蕩器的典型電路如圖所示，該電路是一個雙回路振蕩器，它的固有諧振頻率略高于振蕩器的工作頻率，負載回路選用的是并聯(lián)諧振回路，可以抑制其他諧波，有利于改善輸出波形，并且電路的輸出信號較大，但頻率穩(wěn)定度不如b-c型振蕩電路，因為在b-e型電路中，石英晶體則接在輸入阻抗低的b-e之間，降低了石英晶體的標(biāo)準(zhǔn)性。其等效電路如圖(b)所示。和一般LC振蕩器相比，石英晶體振蕩器在外界因素變化而影響到晶體的回路固有頻率時，它還具有使頻率保持不變的電抗補償能

24、力，原因是石英晶體諧振器的等效電感Le與普通電感不同，當(dāng)頻率由wq變wo化到時，等效電感值將由零變到無窮大，這段曲線十分陡峭，而振蕩器又剛好被限定在工作在這段線性范圍內(nèi)，也就是說，石英晶體在這個頻率范圍內(nèi)具有極陡峭的相頻特性曲線，因而它具有很高的電感補償能力。（2)串聯(lián)型晶體振蕩器 在串聯(lián)型晶體振蕩器中,晶體接在振蕩器要求低阻抗的兩點之間,通常接在反饋電路中。如圖是一串聯(lián)型晶體振蕩器的實際線路和等效電路。圖4-12 一種串聯(lián)型晶體振蕩器在串聯(lián)型晶體振蕩器中，晶體接在振蕩器要求低阻抗的兩點之間，通常接在反饋電路中。由串聯(lián)型振蕩器的實際路線和等效電路?？梢钥闯?，如果將石英晶體短路，該電路即為電容反

25、饋的振蕩器。電路的實際工作原理為：當(dāng)回路的諧振頻率等于晶體的串聯(lián)諧振頻率時，晶體的阻抗最小，近似為一短路線，電路滿足相位條件和振幅條件，故能正常工作；當(dāng)回路的諧振頻率距串聯(lián)諧振頻率較遠時，晶體阻抗增大，是反饋減弱，從而使電路不能滿足振幅條件，電路不能正常工作。串聯(lián)型晶體震蕩器的工作頻率等于晶體的串聯(lián)諧振頻率，不需要外加負載電容CL,通常這種晶體標(biāo)明其負載電容為無窮大，在實際制作中，若fq有小的誤差，則可以通過回路調(diào)諧來微調(diào)。串聯(lián)型晶體振蕩器只能適應(yīng)高次泛音工作，這是由于晶體只起到控制頻率的作用，對回路沒有影響，只要電路能正常工作，輸出幅度就不受晶體控制。晶體的精確度極高，所以串聯(lián)晶體振蕩器足以

26、滿足實際要求，而且串聯(lián)振蕩容易設(shè)計電路容易搭建所以本次設(shè)計選串聯(lián)諧振電路來實現(xiàn)。4.2 元器件參數(shù)的計算4.2.1 席勒振蕩器參數(shù)的計算1）確定三極管靜態(tài)工作點如圖是要設(shè)計的電路及其交流等效電路合理地選擇振蕩器的靜態(tài)工作點，對振蕩器的起振，工作的穩(wěn)定性，波形質(zhì)量的好壞有著密切的關(guān)系。般小功率振蕩器的圖靜態(tài)工作點應(yīng)選在遠離飽和區(qū)而靠近截止區(qū)的地方。根據(jù)上述原則，由附錄三極管2n3904的參數(shù)的選取ICQ=2mA，VCEQ=6V，=100；圖4-13 西勒振蕩器電路(a) 實際電路；（b）交流等效電路則有Re+Rc=UCC-UCEQICQ=12-62=3K為提高電路的穩(wěn)定性Re值適當(dāng)增大，取Re=

27、1K則Rc2K因：UEQ=ICQRe 則：UEQ=2mA×1K=2V因： IBQ=ICQ 則：I BQ=2mA/100=0.02mA一般取流過Rb2的電流為510I BQ,若取10I BQ因：R2=UBQ10IBQUBQ=UEQ+0.7所以: R2=2.7V10*IBQ=2.7V10*0.0.2mA=13.5K所以取標(biāo)稱電阻為12K。因：R1=VCC-UBQUBQ R2則：R1=12V-2.7V2.7V12K=41.3K2)交流參數(shù)的確定回路中的各種電抗元件都可歸結(jié)為總電容C和總電感L兩部分。確定這些元件參量的方法，是根據(jù)經(jīng)驗先選定一種，而后按振蕩器工作頻率再計算出另一種電抗元件量。

28、從原理來講，先選定哪種元件都一樣，但從提高回路標(biāo)準(zhǔn)性的觀點出發(fā)，以保證回路電容Cp遠大于總的不穩(wěn)定電容Cd原則，先選定Cp為宜。若從頻率穩(wěn)定性角度出發(fā)，回路電容應(yīng)取大一些，這有利于減小并聯(lián)在回路上的晶體管的極間電容等變化的影響。但C不能過大，C過大，L就小，Q值就會降低，使振蕩幅度減小，為了解決頻穩(wěn)與幅度的矛盾，通常采用部分接入。反饋系數(shù)F=C1/C2，不能過大或過小，適宜0.10.5。因振蕩器的工作頻率為：當(dāng)LC振蕩時，按題目要求fo=1520MH，本次選20MH本電路中，則回路的諧振頻率 主要由C3、C4、L決定，即f012LC12LC3+C4有L*C3+C4=14*2*20*106=6.

29、33×10-17=63.3×10-6×10-12為了計算簡便取64×10-6×10-12則取C3+C4=8pF，L=8H取C3=C4=4pF，因要遵循C1，C2>>C3,C4，C1/C2=0.10.5的條件，故取C1=40pF則C2=60pF。4.2.2 串聯(lián)石英晶體振蕩器的計算1）確定三極管靜態(tài)工作點如圖是要設(shè)計的電路及其交流等效電路正確的靜態(tài)工作點是振蕩器能夠正常工作的關(guān)鍵因素，靜態(tài)工作點主要影響晶體管的工作狀態(tài)，若靜態(tài)工作點的設(shè)置不當(dāng)則晶體管無法進行正常的放大，振蕩器在沒有對反饋信號進行放大時是無法工作的。振蕩器主電路的靜態(tài)工

30、作點主要由R1、R2、Re決定，將電感短路，電容斷路，得到直流通路。圖4-12 一種串聯(lián)型晶體振蕩器根據(jù)上述原則，由附錄三極管2n3904的參數(shù)的選取ICQ=2mA，VCEQ=6V， =100；則有Rc=UCC-UCEQICQ=12-62=3K因：UEQ=ICQRe 則：UEQ=2mA×3K=6V因： IBQ=ICQ 則：I BQ=2mA/100=0.02mA一般取流過Rb2的電流為510I BQ ,若取10I BQ因：R2=UBQ10IBQUBQ=UEQ+0.7則 R2=6.7V10*IBQ=6.7V10*0.0.2mA=33.5K因：R1=VCC-UBQUBQ R2則：R1=12

31、V-6.7V6.7V33.5K26.4K2)交流參數(shù)的確定對于振蕩器，當(dāng)電路接為串聯(lián)型振蕩器時，晶體起到短路電阻的作用，輸出頻率應(yīng)為20MHZ；主要頻率由石英晶體決定，諧振回路只起微調(diào)的作用。由于沒有20MHZ的石英晶體所以所以選25MHZ的石英晶體通過諧振電路來微調(diào)到20MHZ。本電路中，則回路的諧振頻率 主要由C1、C2、L微調(diào)，即f=12LC=12L(C1C2)有L*C1C2=14*2*20*106=6.33×10-17=63.3×10-6×10-12有為了計算簡便取64×10-6×10-12則取C3C4=8pF，L=8H本應(yīng)去取C1=C

32、2=8pF，L=8H但為了微調(diào)頻則取C1=8pF，C2=10pF，L=10H4.2.2 克拉潑振蕩器的計算它的特點是在前述的電容三點式振蕩諧振回路電感支路中增加了一個電容C7，其取值比較小，要求C7<<C4，C7<<C5。先不考慮各極間電容的影響，這時諧振回路的總電容量C為C4、C5和C7的串聯(lián)震蕩回路的總電容為：C=11C5 +1C4 +1C7 C7所以可以得到振蕩頻率為：f0=12LC有LC7=1 2f02 =1(2×3.14×20×106)2 可取L=10H,取C4=C5=100pF, C2=C3=10nF4.3 仿真結(jié)果與分析4.3

33、.1軟件簡介Multisim是一個專門用于電子線路設(shè)計與仿真的EDA工具軟件，它是加拿大IIT公司（Interactive Image Technologise Ltd.）推出的繼EWB之后的版本。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。NI 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(shè)計和驗證。學(xué)生可以很方便地把剛剛學(xué)到的理論知識用計算機仿真真實的再現(xiàn)出來，并且可以用虛擬儀器技術(shù)創(chuàng)造出真正屬于自己的儀表。Multisim軟件特點:1)直觀的圖形界面：整個操作界面就像一個電子實驗工作臺，繪制電路所需的元器件和仿

34、真所需的測試儀器均可直接拖放到屏幕上，輕點鼠標(biāo)可用導(dǎo)線將它們連接起來，軟件儀器的控制面板和操作方式都與實物相似，測量數(shù)據(jù)、波形和特性曲線如同在真實儀器上看到的一樣。2)豐富的元器件庫：Multisim大大擴充了EWB的元器件庫， 包括基本元件、半導(dǎo)體器件、運算放大器、TTL和CMOS數(shù)字IC、DAC、ADC及其他各種部件，且用戶可通過元件編輯器自行創(chuàng)建或修改所需元件模型，還可通過liT公司網(wǎng)站或其代理商獲得元件模型的擴充和更新服務(wù)。3)豐富的測試儀器：除EWB具備的數(shù)字萬用表、函數(shù)信號發(fā)生器、雙通道示波器、掃頻儀、字信號發(fā)生器、邏輯分析儀和邏輯轉(zhuǎn)換儀外，Multisim新增了瓦特表、失真分析儀

35、、頻譜分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀。尤其與EWB不同的是：所有儀器均可多臺同時調(diào)用。4)完備的分析手段：除了EWB提供的直流工作點分析、交流分析、瞬態(tài)分析、傅里葉分析、噪聲分析、失真分析、參數(shù)掃描分析、溫度掃描分析、極點一零點分析、傳輸函數(shù)分析、靈敏度分析、最壞情況分析和蒙特卡羅分析外，Multisim新增了直流掃描分析、批處理分析、用戶定義分析、噪聲圖形分析和射頻分析等，基本上能滿足一般電子電路的分析設(shè)計要求。5)強大的仿真能力：Multisim既可對模擬電路或數(shù)字電路分別進行仿真，也可進行數(shù)?；旌戏抡?，尤其是新增了射頻(RF)電路的仿真功能。仿真失敗時會顯示出錯信息、提示可能出錯的原因，仿真結(jié)果可隨

36、時儲存和打印。4.3.2 西勒振蕩器的仿真以下為Multisim對西勒振蕩器的仿真：圖14-13 西勒振蕩器仿真圖1）仿真結(jié)果圖4-14 示波器波形圖4-15 頻率計讀數(shù)圖4-16 測量探針讀數(shù)2）仿真分析仿真結(jié)果達到了預(yù)期效果（主要技術(shù)指標(biāo)：振蕩頻率15-20MHz,輸出信號幅度5(峰峰值)，可調(diào)；頻率穩(wěn)定度優(yōu)于10-4）輸出幅度可以通過調(diào)節(jié)負載上的滑動變阻器來改變。4.3.3 串聯(lián)石英晶體自激振蕩器的仿真以下為Multisim對晶體振蕩器的仿真圖4-17 晶體振蕩器仿真圖1）仿真結(jié)果圖4-18 示波器波形圖4-19 頻率計讀數(shù)圖4-20 測量探針讀數(shù)2）仿真分析仿真結(jié)果達到了預(yù)期效果（主要

37、技術(shù)指標(biāo)：晶振頻率為20MHz，輸出信號幅度5V(峰峰值)，可調(diào)）輸出幅度可以通過調(diào)節(jié)負載上的滑動變阻器來改變。4.3.4 克拉潑振蕩器的仿真以下為Multisim對克拉潑振蕩器的仿真：圖4-21克拉潑振蕩器的仿真圖1）仿真結(jié)果圖4-22 示波器波形圖4-23頻率計讀數(shù)圖4-24 測量探針讀數(shù)2）仿真分析隨著C7的逐漸增大，振蕩波逐漸穩(wěn)定。當(dāng)C7較小時，如，震蕩波不太穩(wěn)定，且太小時將不再起振。當(dāng)C7較大時，震蕩波比較穩(wěn)定。因此，C7不能太小，一般應(yīng)較大些。4.4 仿真注意事項4.4.1 間歇振蕩防止方法：起振時KF不要太大外，主要方法是適當(dāng)選取偏壓電路中Cb、Ce的值。圖4-21 間歇振蕩時U

38、b與Eb的波形4.4.2 頻率拖曳現(xiàn)象頻率拖曳是在緊耦合的振蕩器中，當(dāng)變化一個回路的諧振頻率時，振蕩頻率具有非單值的變化。防止方法：減小兩回路的耦合。圖4-22 變壓器反饋振蕩器(a)實際電路; (b)耦合回路的等效電路4.4.3 振蕩器的頻率占據(jù)現(xiàn)象在一般LC振蕩器中,若從外部引入一頻率為fs的信號,當(dāng)fs接近振蕩器原來的振蕩頻率f1時,會發(fā)生占據(jù)現(xiàn)象。4.4.4 寄生振蕩在高頻放大器或振蕩器中,由于某種原因,會產(chǎn)生不需要的振蕩信號,這種振蕩稱為寄生振蕩。產(chǎn)生寄生振蕩的形式和原因是各種各樣的,有單級和多級振蕩,有工作頻率附近的振蕩或者是遠離工作頻率的低頻或超高頻振蕩。圖4-23 低頻寄生振蕩

39、的等效電路和波形5 結(jié)論這次課程設(shè)計歷時兩個星期左右，通過學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)了自己的很多不足，自己知識的很多漏洞，理論知識還不夠扎實。這次的課程設(shè)計也讓我看到了個人力量的渺小，我認為一個人工作是很艱難的工作，自己犯了錯誤是很難發(fā)現(xiàn)的，只有等到做完在同學(xué)們檢查以后才知道還有許多不足之處。我需要團隊，需要合作，需要幫助。剛開始的時候，按照老師給的任務(wù)書，去找了資料，后來又積極的查詢了相關(guān)資料，自己就動手開始一星期的設(shè)計。在課程設(shè)計中一個人知識的有限性往往是導(dǎo)致最終設(shè)計的片面，甚至是失敗。而這次設(shè)計也正好鍛煉我們這一點，這也是非常寶貴的。在這個過程中，我也曾經(jīng)因為無從下手，對設(shè)計問題的迷茫而失落過，也曾經(jīng)為成功的畫了一個原理圖而熱情高漲過。生活就是這樣，汗水預(yù)示著結(jié)果也見證著收獲。勞動是人類生存生活永恒不變的話題。雖然這只是一次的極簡單的課程設(shè)計，可是平心而論，也耗費了我不少的心血，這就讓我不得不佩服