LC調(diào)頻振蕩器說明書

通信電子線路課程設(shè)計說明書LC調(diào)頻振蕩器院、部：電氣與信息工程學(xué)院學(xué)生姓名：陳超指導(dǎo)教師：張松華職稱副教授學(xué) 號： 11401340322專業(yè)：通信工程完成時間：2013年12月09日摘要 LC正弦波振蕩器是各種接收機(jī)和發(fā)射機(jī)中一種常見的電路，在無線電通信、廣播、電視設(shè)備中用來產(chǎn)生所需要的載波和本機(jī)振蕩信號。其典型形式為“三點(diǎn)式”振蕩電路，電路簡單、頻率穩(wěn)定度較高，其工作原理是建立在正反饋基礎(chǔ)上將直流電源提供的能量變成正弦交流輸出?？死瓭娬袷幤魇歉倪M(jìn)型“電容三點(diǎn)式”振蕩器，其減小了晶體管極間電容對諧振的影響，其振蕩頻率更加穩(wěn)定。直接調(diào)頻:調(diào)頻電路是發(fā)射機(jī)中常見的一種電路，調(diào)頻分為直接調(diào)頻和間接調(diào)頻，本設(shè)計直接調(diào)頻，直接調(diào)頻是用調(diào)制電壓去控制LC回路參數(shù)，其特點(diǎn)是：振蕩調(diào)制同時進(jìn)行，故頻率穩(wěn)定性較差，但其頻偏大，電路簡單。常用的是變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路和電抗管調(diào)頻。LC調(diào)頻振蕩器是LC振蕩器和調(diào)頻電路的連接,常用于發(fā)射機(jī)中，通過調(diào)制信號對高頻振蕩信頻率的調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了頻譜的非線性變換。關(guān)鍵詞：克拉潑振蕩器；調(diào)頻電路；LC調(diào)頻振蕩器；Multisim仿真

ABSTRACT

目錄279291課程設(shè)計任務(wù)書 5270021.1設(shè)計任務(wù) 5185421.2主要技術(shù)指標(biāo) 5145901.3設(shè)計思想 5250822概論 6200162.1設(shè)計目的 637082.2LC振蕩電路的實(shí)現(xiàn)方法 62.3調(diào)頻電路實(shí)現(xiàn)方法 725383各部分設(shè)計及原理分析 8236763.1LC振蕩器電路的設(shè)計 8146803.2調(diào)頻電路的設(shè)計 954653.3LC調(diào)頻振蕩器電路的設(shè)計 10303123.3.1總設(shè)計思路 1018653.3.2電路原理圖 1125384元件參數(shù)的確定 11236764.1LC振蕩器電路參數(shù)的確立 1118654.1.1設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn) 1118654.1.2確定振蕩回路元件值 11236764.2調(diào)頻電路參數(shù)的確定 125仿真與調(diào)試 1384715.1電路仿真 1318655.1.1仿真電路 1318655.1.2仿真圖形及結(jié)果 1334795.2實(shí)物電路調(diào)試 1529667結(jié)束語 179996致謝 1824344參考文獻(xiàn) 1824344附錄 192概論1.1設(shè)計目的1、通過理論設(shè)計和實(shí)物制作解決相應(yīng)的實(shí)際問題，鞏固和運(yùn)用在《高頻電子線路》中所學(xué)的理論知識和實(shí)驗(yàn)技能，掌握常用電路的一般設(shè)計方法，提高設(shè)計能力和實(shí)踐動手能力。 2、掌握電子電路分析和設(shè)計的基本方法。根據(jù)設(shè)計任務(wù)和指標(biāo)初選電路；調(diào)查研究和設(shè)計計算確定電路方案；選擇元件、安裝電路、調(diào)試改進(jìn)；分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果、寫出設(shè)計總結(jié)報告。3、通過嚴(yán)格的科學(xué)訓(xùn)練和設(shè)計實(shí)踐，逐步樹立嚴(yán)肅認(rèn)真、一絲不茍、實(shí)事求是的科學(xué)作風(fēng)，并逐步建立正確的生產(chǎn)觀、經(jīng)濟(jì)觀和全局觀，能對實(shí)驗(yàn)結(jié)果獨(dú)立地進(jìn)行分析，進(jìn)而做出恰當(dāng)?shù)脑u價。1.2設(shè)計任務(wù)設(shè)計一個LC調(diào)頻振蕩器1.3主要技術(shù)指標(biāo)（1）主振頻率=10；（2）頻率穩(wěn)定度；（3）輸出電壓；（4）最大頻偏；（5）調(diào)制靈敏度；2設(shè)計方案2.1設(shè)計思想LC調(diào)頻振蕩器的設(shè)計，是根據(jù)LC調(diào)頻振蕩器的中心頻率、頻率穩(wěn)定度/、輸出電壓Uo、最大頻偏、調(diào)制靈敏度等性能指標(biāo)要求，正確地確定出LC正弦波振蕩器、變?nèi)荻O管調(diào)頻電路中所用元器件的性能參數(shù)，從而合理的選擇這些器件。LC調(diào)頻振蕩器的設(shè)計可以分兩個方向進(jìn)行：1）LC正弦波振蕩器的確定根據(jù)給定的技術(shù)指標(biāo)：中心頻率=10，頻率穩(wěn)定度確定LC振蕩電路的形式為電容三點(diǎn)式的克拉潑電路。本設(shè)計采用2N2222和LC設(shè)計的振蕩電路。2）變?nèi)荻O管調(diào)頻電路的確定根據(jù)頻率穩(wěn)定度/、最大頻偏選擇線路，采用直接調(diào)頻，再確定變?nèi)荻O管的接入系數(shù)，確定調(diào)制信號電壓。2.2LC振蕩器電路的實(shí)現(xiàn)方法1）平衡條件振蕩建立起來之后，振蕩幅度不會無限制地增長下去，因?yàn)殡S著振蕩幅度的增長，放大器的動態(tài)范圍就會延伸到非線性區(qū)，放大器的增益將隨之下降，振蕩幅度越大，增益下降越多，最后當(dāng)反饋電壓正好等于原輸入電壓時，振蕩幅度不再增大而進(jìn)入平衡狀態(tài)。平衡條件是研究振蕩器的理論基礎(chǔ)，利用振幅平衡條件可以確定振蕩幅度，利用相位平衡條件可以確定振蕩頻率。式（2-1）、（2-2）即為相位平衡條件和振幅平衡條件：(n=0，1，2，...)（2-1）T=︱A0F︱=1（2-2）2）起振條件為了確保振蕩器能夠起振，設(shè)計的電路參數(shù)必須滿足︱AoF︱>1的條件。而后，隨著振蕩幅度的不斷增大，Ao就向A過渡，直到AF=1時，振蕩達(dá)到平衡狀態(tài)。顯然，AoF越大于1，振蕩器越容易起振，并且振蕩幅度也較大。但AoF過大，放大管進(jìn)入非線性區(qū)的程度就會加深，那么也就會引起放大管輸出電流波形的嚴(yán)重失真。所以當(dāng)要求輸出波形非線性失真很小時，應(yīng)使AoF的值稍大于1。式（2-3）和（2-4）分別稱為振蕩器起振的相位條件和振幅條件：(n=0，1，2，...)（2-3）（2-4）2.3調(diào)頻電路的實(shí)現(xiàn)方法實(shí)現(xiàn)調(diào)頻的方法有兩大類，即直接調(diào)頻與間接調(diào)頻。1）直接調(diào)頻法直接調(diào)頻就是用調(diào)制信號直接控制振蕩器的振蕩頻率，使其與調(diào)制信號成線性規(guī)律變化。在LC正弦振蕩器中，由于振蕩頻率近似等于振蕩回路諧振頻率，在振蕩回路中接入可控電抗元件，用調(diào)制信號去控制可變電抗元件的電抗值，從而使振蕩頻率隨調(diào)制信號變化，實(shí)現(xiàn)直接調(diào)頻。直接調(diào)頻優(yōu)點(diǎn)是頻偏較大，但中心頻率不易穩(wěn)定。其組成框圖如圖1：可控電抗元件克拉潑可控電抗元件克拉潑振蕩器調(diào)制電壓調(diào)制電壓圖1直接調(diào)頻電路組成框圖2）間接調(diào)頻法先將調(diào)制信號進(jìn)行積分，然后用它對載波進(jìn)行調(diào)相，從而獲得調(diào)頻信號，稱為間接調(diào)頻法。間接調(diào)頻實(shí)現(xiàn)的原理框圖如圖2所示： 圖2間接調(diào)頻電路組成框圖我們主要技術(shù)要求是：頻偏盡量大，并且與調(diào)制信號保持良好的線性關(guān)系；中心頻率的穩(wěn)定性盡量高；寄生調(diào)幅盡量??；調(diào)制靈敏度盡量高。根據(jù)題目要求，其頻率穩(wěn)定度/≤，最大頻偏，我們決定采用直接調(diào)頻法來設(shè)計電路。3原理圖設(shè)計3.1LC振蕩器電路的設(shè)計LC正弦波振蕩器的作用是產(chǎn)生高頻正弦波。在本設(shè)計中用于產(chǎn)生10MHz的正弦振蕩信號。如圖3所示，由晶體管Q1及LC諧振回路組成改進(jìn)型“電容三點(diǎn)式”振蕩器即克拉潑振蕩電路，它被結(jié)為共基組態(tài)。圖3LC正弦波振蕩原理圖為基極耦合電容，其靜態(tài)工作點(diǎn)又RB1,RB2,RE及Rc決定，即：（3-1）（3-2）（3-3）（3-4）小功率振蕩器的靜態(tài)工作電流一般為1～4mA，偏大，振蕩幅度增加，但波形失真加重,頻率穩(wěn)定性變差。L1、C1與C2、C3組成并聯(lián)諧振回路，其中C3兩端的電壓構(gòu)成振蕩器的反饋電壓,以滿足相位平衡條件。F=C2/C3決定反饋電壓的大小，電路起振條件為F>1，當(dāng)F=1時，振蕩器滿足相位平衡條件。反饋系數(shù)F一般取1/8到1/2。為減少晶體管的極間電容對回路振蕩頻率的影響，要求C1<<C2，C1<<C3,則回路振蕩頻率主要由C1決定,即：（3-5）C1越小，振蕩頻率穩(wěn)定度越高，放大倍數(shù)越小，但如C1過小，振蕩器不滿足振幅起振條件而停止振蕩。3.2調(diào)頻電路的設(shè)計變?nèi)荻O管通過C4部分接入振蕩回路，有利于提高中心頻率fo的穩(wěn)定度，減小調(diào)制失真。圖4為變?nèi)莨懿糠纸尤苏袷幓芈返牡刃щ娐?。變?nèi)莨芎虲4串聯(lián)，再和C3并聯(lián)構(gòu)成振蕩回路總電容C：（3-6）式中Cj為變?nèi)荻O管的結(jié)電容。它與外加電壓的關(guān)系為（3-7）圖4變?nèi)荻O管部分接入的等效電路3.3LC調(diào)頻振蕩器電路的設(shè)計3.3.1總設(shè)計思路LC調(diào)頻振蕩器的工作流程如下：LC調(diào)頻振蕩器一般由LC正弦波振蕩器與變?nèi)荻O管調(diào)頻電路兩大部分組成。其中，LC正弦波振蕩器用于產(chǎn)生一定頻率和幅度的信號，無須外加輸入信號的控制，就能自動將電能轉(zhuǎn)換為所需要的交流能量輸出，即自激振蕩；將變?nèi)荻O管通過電容Cc耦合接入LC振蕩回路中，而變?nèi)荻O管電容的改變是由調(diào)制信號決定的，從而實(shí)現(xiàn)對LC正弦波振蕩器頻率的調(diào)制，實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。LC調(diào)頻振蕩器組成框圖，如圖5所示：圖5LC調(diào)頻振蕩器的組成框圖3.3.2電路原理圖電路原理圖如圖6示：圖6電路原理圖調(diào)頻電路由變?nèi)荻O管和它的偏置電路組成。其中R1與R2為變?nèi)荻O管提供靜態(tài)時的反向直流偏置電壓VQ，它給變?nèi)荻O管提供反向偏壓。VQ=[R2/(R1+R2)]Vcc。電阻R3為隔離電阻，常取R3>>R1，R3>>R2,以減小加入變?nèi)荻O管偏置電路后對振蕩回路Q值的影響。高頻扼流圈ZL2與C6給u(t)提供通路，C5起高頻濾波作用。4電路元件參數(shù)確定4.1LC振蕩器電路參數(shù)的確定4.1.1設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)振蕩器的靜態(tài)工作點(diǎn)取ICQ=2mA，VCEQ=6V，測得晶體管=60。因RE+RC=(Vcc-VCEQ)/ICQ，為提高電路的穩(wěn)定性，RE的值可適當(dāng)增大，取RE=1kΩ，則RC=2kΩ。因

VEQ=ICQ×RE=2V(4-1)

若取流過RB2的電流IB2=10IBQ=10ICQ/=0.33Ma(4-2)

則

RB2=VBQ/IB2≈8.2kΩ(4-3)因 (4-4)即

RB1=vccRB2/VBQ-RB2=28.2kΩ (4-5)RB1用24kΩ電阻與22kΩ電位器串聯(lián)，以便調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)。4.1.2確定振蕩回路元器件值若取C1=50pF，且fo=10MHz，由公式

得

L1=5μH

電容C2、C3由反饋系數(shù)F及電路條件C1<<C2，C1<<C3決定，若取C2=510pF，由F=C2/C3=1/8～1/2，則取C3=3600pF，取耦合電容CB=0.01uF。4.2調(diào)頻電路參數(shù)的確定變?nèi)莨艿撵o態(tài)反偏壓U由電阻R1與R2分壓決定，即VQ={R2/(R1+R2)}Vcc已知VQ=4V，若取R2=10K，則R1=(Vcc/VQ-1)R2=20K實(shí)驗(yàn)時R1用24kΩ電阻與22kΩ電位器串聯(lián)，以便調(diào)整靜態(tài)偏壓U。隔離電阻R3應(yīng)遠(yuǎn)大于R1、R2，取R3=150kΩ。

低頻調(diào)制信號U的耦合支路電容C5及電感L2應(yīng)對U提供通路，一般的頻率為幾十赫至幾十千赫茲，故取C5=4.7uF，L2=47uH（固定電感）。高頻旁路電容C6應(yīng)對調(diào)制信號U呈現(xiàn)高阻，取C6=5100pF。5仿真與調(diào)試5.1電路仿真5.1.1仿真電路圖7仿真電路5.1.2仿真圖形及結(jié)果LC振蕩器的輸出頻率fo稱為主振頻率或載波頻率。用數(shù)字頻率計測量回路的諧振頻率fo，高頻電壓表測量諧振電壓Uo，示波器檢測振蕩波形。起振波形如圖8所示。調(diào)頻測試電路如圖9所示，幅值及頻率分別如圖10和圖11所示。圖8起振波形圖9LC振蕩器波形圖10輸出電壓Uo圖11頻率fo5.2實(shí)物電路調(diào)試圖12實(shí)物振蕩波形由波形得振蕩波形f=10.31MHz誤差S%=（10.31-10）/10=3.1%圖11實(shí)物調(diào)頻數(shù)據(jù)分析由圖9、圖10知頻率fo為10MHZ，電Uo為693mV,對比技術(shù)指標(biāo)中心頻率fo=10MHZ知符合技術(shù)要求指標(biāo)，所得波形為高頻正弦波，符合LC正弦波振蕩器所得波形。主振頻率fo的相對穩(wěn)定性用頻率穩(wěn)定度/表示。我們在仿真圖10每隔幾分鐘讀一個頻率值，然后取其范圍內(nèi)的最大值max與最小值min，則頻率穩(wěn)定度求得其頻率穩(wěn)定度大約為（～）/小時，對比課題中給出的頻率穩(wěn)定度為/≤知此電路符合要求。靈敏度：SF=d（△f）/d（uΩ）得靈敏度滿足SF≥10KHz/V誤差分析1)誤差計算fo%=（10.001-10.000）100%/10.000=0.0001%2)誤差原因由于調(diào)頻振蕩器的工作頻率較高，三極管的結(jié)點(diǎn)電容、電感、電容的分布及測量儀器對實(shí)驗(yàn)結(jié)果會有一定的影響。電路中測量儀器的影響，電路參數(shù)的可調(diào)性大。LC振蕩器使用中不可避免地會受到各種外界因數(shù)的影響，使得這些參數(shù)發(fā)生變化導(dǎo)致振蕩頻率不穩(wěn)定。調(diào)試中的問題實(shí)驗(yàn)中振蕩電路接通電源后，有時不起振，但有時在外界信號強(qiáng)烈觸發(fā)下會起振，或者在波段振蕩器中有時只在某一頻段振蕩，而在另一頻段不振蕩。經(jīng)過討論分析，知道這些現(xiàn)象無非是沒有滿足相位平衡條件或振幅平衡條件。如果在全波段內(nèi)不振蕩，首先要看相位平衡條件是否滿足。此外，還要在振幅平衡條件所包含的各種因素中找原因，例如：1、靜態(tài)工作點(diǎn)選的太小。2、電源電壓過底，使振蕩管放大倍數(shù)太小。3、負(fù)載太重，振蕩管與回路間耦合過緊，回路Q值太低。5、反饋系數(shù)太小，不易滿足振幅平衡條件。但反饋系數(shù)并非越大越好，應(yīng)適當(dāng)選取。結(jié)束語通過近一個月對理論的研究，設(shè)計思路的摸索，我們成功做成了LC調(diào)頻振蕩器，無比興奮。以我們目前掌握的知識顯然應(yīng)對課程設(shè)計是很困難的，我們小組收集到很多很好的資料，從設(shè)計原理到設(shè)計過程、思路都給我們很大的幫助，同時也加深了對理論知識的理解，尤其是振蕩與調(diào)頻電路增進(jìn)了理解。這次設(shè)計，根據(jù)課題的技術(shù)指標(biāo)，在進(jìn)行了數(shù)據(jù)計算，基本上完成了設(shè)計的整體方案。我們團(tuán)體協(xié)作，共同完成了LC