正弦振蕩器設(shè)計(jì)

1、 高頻電子線路課程設(shè)計(jì)報(bào)告 題 目： 電感三點(diǎn)式振蕩器課題設(shè)計(jì) 院 系： 培黎工程技術(shù)學(xué)院電子工程系 專 業(yè)： 電子信息科學(xué)與技術(shù) 班 級(jí)： 電信111本 姓 名： 王晶 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 趙宇杰 報(bào)告成績(jī)： 2013年12月20日 前言 振蕩器用于產(chǎn)生一定頻率和振幅的信號(hào)，它不需要外加輸入信號(hào)的控制，就能自動(dòng)地將直流電能轉(zhuǎn)換為需要的交流能量輸出。其構(gòu)成的電路叫振蕩電路。振蕩器的種類很多，根據(jù)產(chǎn)生振蕩波形的不同，可分為正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器；按振蕩激勵(lì)方式可分為自激振蕩器、他激振蕩器；按電路結(jié)構(gòu)可分為阻容振蕩器、電感電容振蕩器、晶體振蕩器、音叉振蕩器等；按輸出波形可分為正弦波、方波、

2、鋸齒波等振蕩器。廣泛用于電子工業(yè)、醫(yī)療、科學(xué)研究等方面。 以LC諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)的反饋振蕩器稱為L(zhǎng)C正弦振蕩器，常用的電路有變壓器反饋振蕩器和三點(diǎn)式振蕩器。 三點(diǎn)式振蕩器是LC回路的三個(gè)端點(diǎn)與晶體管的三個(gè)電極分別連接而組成的一種振蕩器。三點(diǎn)式振蕩器電路用電容耦合或自耦變壓器耦合代替互感耦合, 可以克服互感耦合振蕩器振蕩頻率低的缺點(diǎn), 是一種廣泛應(yīng)用的振蕩電路, 其工作頻率可達(dá)到幾百兆赫。所以，本次設(shè)計(jì)的目的：培養(yǎng)較為扎實(shí)的電子電路的理論知識(shí)及較強(qiáng)的實(shí)踐能力；加深對(duì)電路器件的選型及電路形式的選擇的了解；提高高頻電子線路的基本調(diào)試能力；強(qiáng)化使用實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行電路的調(diào)試檢測(cè)能力。本文將圍繞高頻電感

3、三點(diǎn)式正弦波振蕩器進(jìn)行具有具體功能的振蕩器的理論分析與設(shè)計(jì)。 目錄 前言2目錄31、正弦波振蕩器41.1 反饋振蕩器的工作原理41.2 振蕩的平衡條件和起振條件51.3 振蕩的穩(wěn)定條件62、電感三點(diǎn)式電路設(shè)計(jì)72.1 三點(diǎn)式振蕩器的基本工作原理72.2 電感三點(diǎn)式振蕩電路72.3 振蕩器設(shè)計(jì)的模塊分析93、系統(tǒng)仿真調(diào)試與結(jié)果113.1 仿真113.2 仿真分析134、主要元器件與設(shè)備155、課程設(shè)計(jì)心得體會(huì)與建議166、參考資料17 1、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(wú)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

4、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(wú)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勵(lì)信號(hào)，而是由本身的正反饋信號(hào)來(lái)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。1.1 反饋振蕩器的工作原理反饋振蕩器實(shí)質(zhì)上是建立在放大和反饋基礎(chǔ)上的，這是目前應(yīng)用最多的一類振蕩器。圖1.1是反饋振蕩器構(gòu)成框圖。由圖可知，當(dāng)開(kāi)關(guān)S在1的位置時(shí)，放大器的輸入端外加一定頻率和振幅的正弦波信號(hào)Ui，這一信

5、號(hào)經(jīng)過(guò)放大器放大后在輸出端產(chǎn)生輸出信號(hào)U0，若U0經(jīng)過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)并在反饋網(wǎng)絡(luò)輸出端得的反饋信號(hào)Uf與Ui不僅大小相等，而且相位也相同，若此時(shí)除去外加信號(hào)源，將開(kāi)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)閉合回路，那么，再?zèng)]有外加輸入信號(hào)的情況下，輸出端仍可維持一定幅度的電壓U0輸出，從而產(chǎn)生了自激振蕩。為了使振蕩器的輸出U0一個(gè)固定頻率的正弦波，就是說(shuō)，自激振蕩只能在某一頻率上產(chǎn)生，而在其他頻率上不能產(chǎn)生，則圖1.1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)產(chǎn)生滿足Uf 和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相同條件而不產(chǎn)生振蕩。選頻網(wǎng)絡(luò)可與

6、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)。如上所述，反饋振蕩器是把反饋電壓作為輸入電壓，以維持一定的輸出電壓的閉環(huán)正反饋系統(tǒng)，實(shí)際上它是不需要通過(guò)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換由外加信號(hào)激發(fā)產(chǎn)生輸出信號(hào)的。1.2 振蕩的平衡條件和起振條件 （1）振蕩的平衡條件當(dāng)反饋信號(hào)Uf等于放大器的輸入信號(hào)Ui，或者說(shuō)，反饋信號(hào)Uf恰好等于產(chǎn)生輸出電壓U0所需的輸入電壓Ui，這時(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)，因此，將Uf =Ui稱為振蕩的平衡條件。相位平衡條件：T =a +f = 2n （n=0,1,2,3）上式說(shuō)明，放大器與反饋網(wǎng)絡(luò)的總相移必須等于的整數(shù)倍，使反饋電壓與輸入電壓相位相

7、同，以保證環(huán)路構(gòu)成正反饋。振幅平衡條件： T=|AF|=1上式說(shuō)明，由放大器與反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的閉合環(huán)路中，其環(huán)路增益的模值數(shù)應(yīng)等于1，以使反饋電壓與輸入電壓大小相等。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?。画h(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。振蕩的起振條件 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(lái)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(kāi)始時(shí)激勵(lì)信號(hào)很弱，為使振蕩過(guò)程中輸出幅度不斷增加，應(yīng)使反饋回來(lái)的信

8、號(hào)比輸入到放大器的信號(hào)大，即振蕩開(kāi)始時(shí)應(yīng)為增幅振蕩，即要求在振蕩幅度由小增大時(shí)，反饋電壓相位必須與放大器輸入電壓同相，反饋電壓幅度必須大于輸入電壓的幅度。得 T =a +f = 2n （n=0,1,2,3） T=|AF |>1分別稱為相位起振條件和振幅起振條件。1.3 振蕩的穩(wěn)定條件 當(dāng)振蕩器收外部因素的擾動(dòng)，破壞了原平衡狀態(tài)，振蕩器應(yīng)具有自動(dòng)恢復(fù)到平衡狀態(tài)的能力，這就是振蕩器的穩(wěn)定條件。振幅穩(wěn)定條件 在振幅平衡點(diǎn)上，當(dāng)不穩(wěn)定因素使振蕩振蕩振幅增大時(shí)，環(huán)路增益的模值應(yīng)減小，使T<1，Uf <Ui,形成減幅振蕩，然后再原平衡點(diǎn)附近建立起新的平衡點(diǎn)；當(dāng)不穩(wěn)定因素使振蕩振幅減小時(shí)，

9、T值應(yīng)增大，Uf>Ui,形成增幅振蕩，同樣也能在原平衡點(diǎn)附近建立起新的平衡點(diǎn)。由此可得振幅穩(wěn)定條件為： 即在平衡點(diǎn)，T對(duì)Ui的變化率為負(fù)值。相位平衡條件 相位平衡的穩(wěn)定條件是指相位平衡遭到破壞時(shí)，電路本身能重新建立起相位平衡的條件。要使相位平衡點(diǎn)穩(wěn)定，必須要求在相位平衡點(diǎn)附近環(huán)路相位T隨頻率的變化率為負(fù)值，即相位穩(wěn)定條件為 因此相位平衡的穩(wěn)定條件實(shí)質(zhì)上是頻率穩(wěn)定條件。 2、電感三點(diǎn)式電路設(shè)計(jì)2.1 三點(diǎn)式振蕩器的基本工作原理三點(diǎn)式振蕩器的基本結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。圖中放大器件采用晶體管，X1、X2、X3三個(gè)電抗元件組成LC諧振回路，回路有三個(gè)引出端點(diǎn)分別與晶體管的三個(gè)電極相連，使諧振回路既

10、是晶體管的集電極負(fù)載，又是正反饋選頻網(wǎng)絡(luò)，所以把這種電路稱為三點(diǎn)式振蕩器。Ui為放大器的輸入電壓，U0為放大器的輸出電壓,Uf為反饋電壓，I為回路諧振電流。一般情況下，回路Q值很高，因此回路諧振電流I遠(yuǎn)大于晶體管的基極、集電極、發(fā)射極電流，由圖得 Uf = jIX2 , U0 = -jIX1所以，為了使Uf與U0反相，必須要求X1和X2為性質(zhì)相同的電抗元件，即同為感性或容性電抗元件。2.2 電感三點(diǎn)式振蕩電路 三點(diǎn)式振蕩器組成一般原則為：X1與X2電抗性質(zhì)必須相同，X3與X1、X2的電抗性質(zhì)必須相異。根據(jù)這個(gè)法則構(gòu)成的三點(diǎn)式振蕩器的基本形式有兩種，分別為電感三點(diǎn)式和電容三點(diǎn)式，如圖2.2.1（

11、a）和（b）所示。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。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 式中L為回路的總電感，L=L1+L2+2M（M為互感），由相位平衡條件知，振蕩器的頻率為式中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)

12、容易起振；(2)調(diào)整頻率方便；（3）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。2.3 振蕩器設(shè)計(jì)的模塊分析 圖2.3 振蕩電路模塊原理圖 如圖2.3所示即為設(shè)計(jì)的主要模塊振蕩電路模塊。與前面的對(duì)振蕩器電路的分析一樣，圖2.3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，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

13、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(wèn)題：1） 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。同時(shí)希望電流放大系數(shù)大些，這樣既容易振蕩，也便于減小晶體管和回路之間的耦合。雖然不要求振蕩器中的晶體管輸出多大的功率，但要考慮到穩(wěn)頻等因素，晶體管的額定功率應(yīng)足夠大。 因此，在本次設(shè)計(jì)中將會(huì)選取BC107BP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，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） 直流線路選擇 為了保證振蕩器起

14、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)，而不是飽和區(qū)，否則回路的有載品質(zhì)因素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。對(duì)于小功率晶體管，集電極電流約為1-4mA。3） 振蕩回路元件的選擇 從穩(wěn)頻出發(fā)，振蕩回路中電容C應(yīng)盡可能大，但C過(guò)大，不利于波段工作，因此，電路中各電容均選為100nF已經(jīng)可以滿足電路的設(shè)計(jì)要求。而電感原本也應(yīng)盡可能大，但L大后，體積大，分布電容大，L過(guò)小，回路的品質(zhì)因素過(guò)小，因此應(yīng)該合理選擇L的大小。按圖所示選取L1=5mH，L2=100uH應(yīng)該能滿足設(shè)計(jì)要求。 3、系統(tǒng)仿真調(diào)試與結(jié)果3.1 仿真 在課

15、程設(shè)計(jì)中，使用的仿真軟件為Multisim10.0。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)。仿真電路圖如下圖所示： 圖3.1振蕩電路原理圖取電感L1，L2的值為5mH 100uH,只要開(kāi)環(huán)增益A>1,即可起振。若使振蕩頻率f=16MHz，由公式的C=100pF。為保證三極管能夠正常放大，要合理設(shè)置靜態(tài)偏置，取R1=150k，R2=30 k，Vb=R2/（R1+R2），Ve=Vb-0.7，Ve=1V，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

16、，故接一濾波電容以消除影響。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10uF，起到隔直流、通交流的作用。仿真示波器顯示圖如下圖3.2： 圖3.2示波器仿真顯示 從仿真結(jié)果，可以看出正弦波明顯變得平滑，失真度變小，頻率未變，滿足實(shí)驗(yàn)要求。 修改參數(shù)可以使震蕩頻率達(dá)到20MHZ，但是信號(hào)質(zhì)量不好，有嚴(yán)重的失真。仿真示波器顯示如下圖 圖3.3 波形失真顯示 當(dāng)電容C很小時(shí)，輸出頻率可以達(dá)到很高（20MZH），但是輸出波形產(chǎn)生了越來(lái)越明顯的失真，如上圖所示。這說(shuō)明電感三點(diǎn)式正弦波振蕩器在很高振蕩頻率

17、狀態(tài)下的反饋電壓中高次諧波分量較多，從而導(dǎo)致輸出波形差。3.2 仿真分析由仿真波形可見(jiàn)，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(guò)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(wèn)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?。欢鴮?duì)電感反饋振蕩器，反

18、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。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率時(shí)，并不影響反饋系數(shù)，工作頻帶較電容反饋振蕩器的寬。但電感反饋振蕩器的工作頻帶不會(huì)很寬，因?yàn)楦淖冾l率將改變電路的諧振阻抗，可能使振蕩器停振。 4、主要元器件與設(shè)備（1）BC107BP型號(hào)的三極管（2）雙蹤示波器（3）+12V直流電源（4）電阻R1、R2、R3、R4阻值分別為150K、30K、15K、3.6K（5）10uF、50uF、100nF、1uF、10uF的電容C1、C2、C3、C4（6）5mH、100uH、5mH的電感L1、L2、L3 5、課程設(shè)計(jì)心得體會(huì)與建議 這次高頻課程設(shè)計(jì), 首先，提高了我們的邏輯思維能力，使我們?cè)诟哳l電路的分析與設(shè)計(jì)上有了很大的進(jìn)步；其次，查閱參考書的獨(dú)立思考的能力以及培養(yǎng)非常重要，我們?cè)谠O(shè)計(jì)電路時(shí)，遇到很多不理解的東西，有的我們通過(guò)查閱參考書弄明白，有的通過(guò)網(wǎng)絡(luò)查到，但由于時(shí)間和資料有限，我們更多的還是獨(dú)立思考；最后，相互討論共同研究也是很重要的，經(jīng)常出現(xiàn)一些問(wèn)題，比如電路仿真時(shí)，一開(kāi)始的時(shí)候波形嚴(yán)重失真，和