高頻課程設(shè)計(jì) (LC正弦波振蕩器)

1、高頻電子線路課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)題目：LC正弦波振蕩器專業(yè)班級(jí)學(xué) 號(hào)學(xué)生姓名指導(dǎo)教師教師評(píng)分目錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求.1二、總體方案.1三、設(shè)計(jì)內(nèi)容.43.1 LC振蕩電路工作原理.43.1.1構(gòu)成振蕩器的條件.43.1.2 由正反饋的觀點(diǎn)來(lái)決定振蕩的條件.43.1.3 振蕩器平衡和穩(wěn)定條件.53.1.4 LC三端式振蕩器相位平衡條件的判斷準(zhǔn).63.1.5 西勒電路工作原理.73.2仿真結(jié)果與分析.7 3.2.1各種條件下仿真波形圖.7 3.2.2 參數(shù)計(jì)算10四、電路制作和調(diào)試.11 4.1 元器件清單及參數(shù).11五、總結(jié).12六、主要參考文13LC正弦波振蕩器的設(shè)計(jì)一、 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求：通過(guò)LC

2、正弦波振蕩器的設(shè)計(jì)進(jìn)一步鞏固高頻電子線路的相關(guān)知識(shí)，并在設(shè)計(jì)制作的過(guò)程中運(yùn)用并熟悉multisim10電子仿真軟件，在實(shí)踐的過(guò)程中培養(yǎng)我們發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并利用所學(xué)知識(shí)或利用一切可以利用的資源解決問(wèn)題的能力，掌握振蕩器的工作原理知識(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)LC正弦波振蕩器，要求該電路輸出穩(wěn)定的正弦波信號(hào)，輸出頻率可調(diào)范圍為10M20MHZ。二、 總體設(shè)計(jì)方案：LC振蕩電路采用三端式振蕩，其中包括電感反饋式哈特萊振蕩器、電容反饋式克拉潑振蕩器、改進(jìn)型電容反饋式西勒振蕩器。方案一：電感反饋式三端振蕩器哈特萊振蕩器Rb1ReLVTCbCeCL1L2VTL1L2CVCCRb2(a) 原理電路(b) 交流等效電路哈特萊振蕩

3、器其振蕩頻率為f=,式中L=+2M。優(yōu)點(diǎn)：由于L1與L2之間有互感存在，所以比較容易起振。其次是改變回路電容來(lái)調(diào)整頻率時(shí)，基本上不影響電路的反饋系數(shù)，比較方便。主要缺點(diǎn)：與電容反饋振蕩電路相比，其振蕩波形不夠好。這是因?yàn)榉答佒窞楦行灾罚瑢?duì)高次諧波成高阻抗，故對(duì)于LC回路中高次諧波反饋較強(qiáng)，波形失真較大。其次是當(dāng)工作頻率較高時(shí)，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(yán)重，甚至可能使F減小到滿足不了起振條件。方案二：電容反饋式三端振蕩器考畢茲振蕩器LLcL（a）原理電路（b）交流等效電路bce其中：反饋

4、系數(shù)F的表達(dá)式不考慮各極間電容的影響，這時(shí)諧振回路的總電容量C為C1、C2的串聯(lián)，即振蕩頻率的近似為優(yōu)點(diǎn)：輸出波形好，這是因?yàn)榧姌O和基極電流可通過(guò)對(duì)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，輸出的諧波分量減小，波形更加接近于正弦波。其次，該電路中的不穩(wěn)定電容都是與該電路并聯(lián)的，因此適當(dāng)加大回路電容量，就可以減弱不穩(wěn)定因素對(duì)振蕩頻率的影響，從而提高了頻率穩(wěn)定度缺點(diǎn)：調(diào)節(jié)C1、C2改變頻率時(shí)，反饋系數(shù)也改變。由于極間電容對(duì)反饋振蕩器的回路電抗均有影響，所以對(duì)振蕩器頻率也會(huì)有影響?？死瓭娬袷幤鲌D(a) 為克拉潑振蕩器原理電路，(b)為其交流等效電路。它的特點(diǎn)是在前述的電容三點(diǎn)式振蕩

5、諧振回路電感支路中增加了一個(gè)電容C3，其取值比較小，要求C3<< C1，C3<< C2。(a) 原理電路(b) 交流等效電路VTC1C2LC3ReRb2CbRb1RcVCCLC3C1C2CieCoeVTCcb其中：先不考慮各極間電容的影響，這時(shí)諧振回路的總電容量C為C1、C2 和C3的串聯(lián)振蕩頻率為使式成立的條件是C1和C2都要選得比較大，優(yōu)點(diǎn)：C1和C2都要選得比較大，則C1、C2對(duì)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。缺點(diǎn)：在振蕩范圍較寬時(shí)，輸出幅度不均勻，且頻率升高后不易起振，其主要用于固定頻率或波段

6、范圍較窄的場(chǎng)合。方案三：電容反饋式三端振蕩器西勒振蕩器VTLReCbRb1RcVCCLC3C1C2CbeCceVTC4(a) 原理電路(b) 交流等效電路C4C3C1C2Rb2西勒振蕩器圖是另一種改進(jìn)型的電容三點(diǎn)式振蕩器，稱為西勒振蕩器。它可以認(rèn)為是克拉潑電路的改進(jìn)電路。其主要特點(diǎn)就是在回路電感L兩端并聯(lián)了一個(gè)可變電容C4，而C3為固定值的電容器，且滿足C1、C2遠(yuǎn)大于C3，C1、C2遠(yuǎn)大于C4?；芈返目偟刃щ娙轂檎袷庮l率優(yōu)點(diǎn)：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(dāng)參數(shù)設(shè)置得當(dāng)時(shí)，其頻率覆蓋系數(shù)較大?；谝陨戏治觯覀儧Q定選用方案三。三 、設(shè)計(jì)內(nèi)容3.1 LC振蕩器的基本工作

7、原理3.1.1 構(gòu)成一個(gè)振蕩器必須具備下列三個(gè)條件：1. 任何一個(gè)振蕩回路，包含兩個(gè)或兩個(gè)以上儲(chǔ)能元件。在這兩個(gè)儲(chǔ)能元件中，當(dāng)一個(gè)釋放能量時(shí)，另一個(gè)就接收能量。接收和釋放能量可以往返進(jìn)行，其頻率決定于元件的數(shù)值。2. 電路中必須要有一個(gè)能量來(lái)源，可以補(bǔ)充由振蕩回路電阻所產(chǎn)生的損耗。在電容三點(diǎn)式振蕩器中，這些能量來(lái)源就是直流電源。3. 必須要有一個(gè)控制設(shè)備，可以使電源在對(duì)應(yīng)時(shí)刻補(bǔ)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。3.1.2由正反饋的觀點(diǎn)來(lái)決定振蕩的條件利用正反饋方法來(lái)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)

8、和反饋網(wǎng)絡(luò)組成的一個(gè)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, 反饋網(wǎng)絡(luò)一般由無(wú)源器件組成。當(dāng)振蕩器接通電源后，即開(kāi)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(hào)。由于正反饋?zhàn)饔茫C振信號(hào)越來(lái)越強(qiáng)，但它不可能無(wú)限制的增長(zhǎng)，而是達(dá)到一定的數(shù)值后，便自動(dòng)穩(wěn)定下來(lái)，即形成穩(wěn)定的振蕩。振蕩器的平衡條件當(dāng)反饋信號(hào)等于放大器的輸入信號(hào)時(shí)，振蕩電路的輸出電壓不再發(fā)生變化，電路達(dá)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(hào)中，滿足相位平衡條件的某一頻率w0的信號(hào)應(yīng)該被保留，成為等幅振蕩輸出信號(hào)。然而，一般初始信號(hào)很微弱，很容易被干擾信

9、號(hào)淹沒(méi)，不能形成一定幅度的輸出信號(hào)。因此，起振階段要求起振條件3.1.3 振蕩器平衡狀態(tài)和穩(wěn)定條件上面所討論的振蕩平衡條件只能說(shuō)明振蕩可能在在某一狀態(tài)平衡，但不能說(shuō)明振蕩的平衡狀態(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(diǎn)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(dòng)恢復(fù)到原來(lái)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(shí)振幅相對(duì)穩(wěn)定，就是要：當(dāng)振幅變化時(shí)，AF的大小朝反方向變化振幅平衡的穩(wěn)定條件相位平衡的穩(wěn)定條件3.1.4 LC三端式振蕩器相位平衡條件的判斷準(zhǔn)則在三點(diǎn)式電路中, 回路中與發(fā)

10、射極相連接的兩個(gè)電抗元件必須為同性質(zhì), 另外一個(gè)電抗元件必須為異性質(zhì)。這就是三點(diǎn)式電路組成的相位判據(jù), 或稱為三點(diǎn)式電路的組成法則。3.1.5 西勒電路工作原理VTLReCbRb1RcVCCLC3C1C2CbeCceVTC4(a) 原理電路(b) 交流等效電路C4C3C1C2Rb2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(guò)晶體管放大后，到達(dá)輸出負(fù)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除。V0通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)將其中一部分輸出反饋到晶體管

11、基極回路，這就是其實(shí)的激勵(lì)信號(hào)Vi。盡管這個(gè)起始信號(hào)比較微弱，但是由于不端對(duì)它放大選頻反饋再放大，循環(huán)往復(fù)，一個(gè)與LC回路固有頻率相同的自激振蕩信號(hào)，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(huì)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(dá)到穩(wěn)定振蕩。3.2 電路仿真3.2.1各種條件下仿真波形圖西勒振蕩器仿真原理圖靜態(tài)工作點(diǎn)適當(dāng)時(shí)靜態(tài)工作點(diǎn)過(guò)高時(shí)靜態(tài)工作點(diǎn)過(guò)低時(shí)3.2.2 參數(shù)計(jì)算對(duì)于一般小功率自動(dòng)穩(wěn)幅LC振蕩器，靜態(tài)工作點(diǎn)要遠(yuǎn)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,在實(shí)際

12、偏置參數(shù)選定時(shí)，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 Rc+Re=(Vcc-UCEQ)/ICQ=(12-6)/2=3K取 Re=1K，Rc=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(guò)大，C過(guò)大，L會(huì)變小，Q值會(huì)變低，振蕩幅度也會(huì)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(guò)大或過(guò)小，適宜1/81/2.由于因UEQ2×1=2V 所以 UBQ2.7V所以

13、 Rb1/(Rb2+Rb1)2.7，有Rb20.3Rb1若Rb2=R2取5K，Rb1則取15K,有先令L=1uH ,又有且f的取值范圍為10M20MHZ，計(jì)算得(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,C2>>C3,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。四、電路制作與調(diào)試4.1 元器件清單及參數(shù)數(shù)量描述參考標(biāo)識(shí)封裝類型1RESIST

14、OR, 15kRb1Carbon Film1RESISTOR, 5kRb2Carbon Film1CAPACITOR, 10nFCb1RESISTOR, 1kReCarbon Film1RESISTOR, 3kRcCarbon Film1POWER_SOURCES, VCCVCCGeneric1CAPACITOR, 200pFC11CAPACITOR, 510pFC21POWER_SOURCES, GROUND0Generic1CAPACITOR, 50pFC31INDUCTOR, 1uHL11VARIABLE_CAPACITOR, 240pFC41BJTNPNQ1GenericTO-92儀表

15、：頻率計(jì)、示波器、探針五、總結(jié)本次設(shè)計(jì)要求是設(shè)計(jì)一個(gè)LC正弦波振蕩器，根據(jù)現(xiàn)在所掌握的相關(guān)知識(shí)，有兩大類可以選擇：一是采用電感反饋式三端振蕩器（哈特萊振蕩器）；二是采用電容反饋三段式振蕩器（考畢茲振蕩器）。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，并在考慮考畢茲振蕩器缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，即為：克拉潑振蕩器。而后又對(duì)克拉潑振蕩器的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，并在分析的基礎(chǔ)上，又加以改進(jìn)，得出了最終方案：西勒振蕩器。根據(jù)西勒振蕩器的原理圖，我在mutisim10仿真軟件上畫(huà)出了其原理圖，并根據(jù)設(shè)計(jì)要求，適當(dāng)選擇了元器件，然后計(jì)算出各元器件的參數(shù)，隨后進(jìn)行仿真調(diào)試，得出最終波形數(shù)據(jù)。經(jīng)檢測(cè)，符合設(shè)計(jì)要求。建議另外需要注意的是：西勒電路中C3的大小對(duì)電路的性能有很大的影響，因?yàn)轭l率調(diào)節(jié)是靠改變C4實(shí)現(xiàn)的，所以C3不