高频电子线路课程设计

毕业论文设计题目改进型电容三点式振荡器院别电气与信息技术学院专业电子信息工程姓名学号班级电子信息起讫时间指导教师黑龙江职业学院摘要振荡器是不需外信号激励、自身将直流电能转换为交流电能的装置。凡是可以完成这一目的的装置都可以作为振荡器。一个振荡器必须包括三部分放大器、正反馈电路和选频网络。放大器能对振荡器输入端所加的输入信号予以放大使输出信号保持恒定的数值。正反馈电路保证向振荡器输入端提供的反馈信号是相位相同的，只有这样才能使振荡维持下去。选频网络则只允许某个特定频率F能通过，使振荡器产生单一频率的输出。振荡器能不能振荡起来并维持稳定的输出是由以下两个条件决定的；一个是反馈电压UF发和输入电压UI要相等，这是振幅平衡条件。二是UF和UI必须相位相同，这是相位平衡条件，也就是说必须保证是正反馈。一般情况下，振幅平衡条件往往容易做到，所以在判断一个振荡电路能否振荡，主要是看它的相位平衡条件是否成立。振荡器的用途十分广泛，它是无线电发送设备的心脏部分，也是超外差式接收机的主要部分各种电子测试仪器如信号发生器、数字式频率计等，其核心部分都离不开正弦波振荡器。功率振荡器在工业方面例如感应加热、介质加热等的用途也日益广阔。正弦波是电子技术、通信和电子测量等领域中应用最广泛的波形之一。能够产生正弦波的电路称为正弦波振荡器。通常，按工作原理的不同，正弦振荡器分为反馈型和负载型两种，前者应用更为广泛。在没有外加输入信号的条件下，电路自动将直流电源提供的能量转换为具有一定频率、一定波形和一定振幅的交变振荡信号输出。关键词振荡器正反馈平衡条件目录1设计任务与要求32实验原理421电路框图422振荡的原理423电容三点式振荡器63改进型电容三点式振荡电路设计731考毕兹振荡器732串联型改进电容三端式振荡器克拉泼电路833西勒振荡器104改进型电容三点式电路设计1341电路选择1342原理图设计13421电路结构13422静态工作点的设置14423选管14424振荡回路元件的确定155结论166心得体会171设计任务与要求11设计一个电容三点式振荡器其输出振荡频率为4MHZ；12利用仿真软件绘制电路输出波形；13分析有关元件参数对电路的影响；2实验原理21电路框图滤波网络滤除电源中的交流成分是外加电源中只含有直流成分，因为振荡器所要求的加在电路上的电能是直流电能，而实际电源很难达到纯粹的直流，所以需要加这样一个电路将其中可能的交流成分滤除。放大网络放大网络就是通过加在基极的直流电压来控制集电极的电压输出。放大网络对于靠近谐振频率的信号，有较大增益，对于远离谐振频率的信号，增益迅速下降。选频网络由电感及电容组成的选频网络分为两类，一类是串联谐振回路，另一类是并联谐振回路，回路谐振时，电感线圈中的磁能与电能中的磁能周期性的转换着。电抗元件不消耗外交电动势能量。外加电动势只提供回路电阻所消耗的能量，以维持回路中的等幅振荡。正反馈网络反馈，指将系统的输出返回到输入端并以某种方式改变输入，进而影响系统功能的过程，即将输出量通过恰当的检测装置返回到输入端并与输入量进行比较的过程。正反馈使输出起到与输入相似的作用，使统偏差不断增大，使系统振荡，可以放大控制作用。正反馈网络是电感反馈三点式振荡网络中比较重要的一个环节。22振荡的原理三点式LC正弦波振荡器的组成法则（相位条件）是与晶体管发射极相连的两个电抗元件应为同性质的电抗，而与晶体管集电极基极相连的电抗元件应与前者性质相反。图11所示为满足组成法则的基本电容反馈LC振荡器共基极接法的典型电路。当电路参数选取合适，满足振幅起振条件时，电路起振。当忽略负载电阻、晶体管参数及分布电容等因素影响时，振荡频率可近似认为等于谐振回路的固有振荡频率，OSCFOF即（1）12OSCFLC式中近似等于与的串联值C1（2）12图11电容反馈LC振荡器由图11所画出的分析起振条件的小信号等效电路如图12所示。图12分析起振条件的小信号等效电路由图12分析可知，振荡器的起振条件为（3）ELELMNGGNG11式中0,/LERR为LC振荡回路的等效谐振电阻；0E电路的反馈系数（4）12FCKN由式（3）看出，由于晶体管输入电阻对回路的负载作用，反馈系数并不是越ERFK大越容易起振，反馈系数太大会使增益A降低，且会降低回路的有载值，使回路的Q选择性变差，振荡波形产生失真，频率稳定性降低；所以，在晶体管参数一定的情况下，可以调节负载和反馈系数，保证电路起振。的取值一般在0105之间。FK图1所示的振荡器，由于晶体管各电极直接和振荡回路元件L、并联，而1C2晶体管的极间电容（主要是结电容）又随外界因素（如温度、电压、电流等）的变化而变化，因此振荡器的频率稳定性不够高。为了提高振荡器的频率稳定性，实际中更多的采用能够减小晶体管与回路之间耦合的改进型电容反馈振荡器。23电容三点式振荡器电容三点式振荡器的基本电路如图13所示图21电容三点式振荡器由图可见与发射极连接的两个电抗元件为同性质的容抗元件C1和C2；与基极和集电极连接的为异性质的电抗元件L，根据前面所述的判别准则，该电路满足相位条件。其工作过程是振荡器接通电源后，由于电路中的电流从无到有变化，将产生脉动信号，因任一脉冲信号包含有许多不同频率的谐波，因振荡器电路中有一个LC谐振回路，具有选频作用，当LC谐振回路的固有频率与某一谐波频率相等时，电路产生谐振。虽然脉动的信号很微小，通过电路放大及正反馈使振荡幅度不断增大。当增大到一定程度时，导致晶体管进入非线性区域，产生自给偏压，使放大器的放大倍数减小，最后达到平衡，即AF1，振荡幅度就不再增大了。于是使振荡器只有在某一频率时才能满足振荡条件，于是得到单一频率的振荡信号输出。该振荡器的振荡频率OF为12OCFL反馈系数F为12F若要它产生正弦波，必须满足F1/21/8，太小不容易起振，太大也不容易起振。一个实际的振荡电路，在F确定之后，其振幅的增加主要是靠提高振荡管的静态电流值。但是如静态电流取得太大，振荡管工作范围容易进入饱和区，输出阻抗降低使振荡波形失真，严重时，甚至使振荡器停振。所以在实用中，静态电流值一般ICO05MA4MA。电容三点式振荡器的优点是1）振荡波形好。2）电路的频率稳定度较高。工作频率可以做得较高，可达到几十MHZ到几百MHZ的甚高频波段范围。电路的缺点振荡回路工作频率的改变，若用调C1或C2实现时，反馈系数也将改变。使振荡器的频率稳定度不高。3改进型电容三点式振荡电路设计电容三点式课分为三种考毕兹振荡器、克拉泼振荡器、西勒振荡器。31考毕兹振荡器电容三点式振荡器（又称考毕兹振荡器）如图21所示。图21考毕兹振荡器理论计算振荡器的频率为观察到的振荡波形如图22所示从波形看出其震荡极不稳定，测试其波形频率为F65MHZ调解C1C2改变频率时，反馈系数也改变。由于极间电容对反馈振荡器的回路电抗均有影响，所以对振荡器频率也会有影响。而极间电容受环境温度、电源电压等因素的影响较大，所以电容三点式振荡器的频率稳定度不高。为克服共基电容三点式振荡器的缺点，可对其进行改进，即克拉泼电路和西勒电路。MHZLCF7210图22考毕兹振荡器输出信号波形32串联型改进电容三端式振荡器克拉泼电路电容三点式改进型“克拉泼振荡器”如图23所示。图23克拉泼振荡电路电路特点是在共基电容三点式振荡器的基础上，用一电容C3，串联于电感L支路。功用主要是以增加回路总电容和减小管子与回路间的耦合来提高振荡回路的标准性。使振荡频率的稳定度得以提高。因为C3为可调电容远小于C1或C2，所以电容串联后的等效电容约为C3。电路的振荡频率为31/2OFLC与共基电容三点式振荡器电路相比，在电感L支路上串联一个电容。但它有以下特点1、振荡频率改变可不影响反馈系数；2、振荡幅度比较稳定。3、电路中C3为可变电容，调整它即可在一定范围内调整期振荡频率。但C3不能太小，否则导致停振，所以克拉泼振荡器频率覆盖率较小，仅达1214；为此，克拉泼振荡器适合与作固定频率的振荡器。观察到的振荡波形如图24所示图24克拉波振荡器输出信号波形改进后的电路波形比原电容三点式振荡器稳定度高了很多，这是因为晶体管一部分接入的形式与回路连接，接入系数P越小，耦合越弱。减弱了晶体管对回路的影响。33西勒振荡器电容三点式的改进型“西勒振荡器”如图25所示图25西勒振荡器电路特点是在克拉泼振荡器的基础上，用一电容C4，并联于电感L两端。功用是保持了晶体管与振荡回路弱藕合，振荡频率的稳定度高，调整范围大。电路的振荡频率为特点1振荡幅度比较稳定；2振荡频率可以比较高，如可达千兆赫；频率覆盖率比较大，可达1618；所以在一些短波、超短波通信机，电视接收机中用的比较多。频率稳定度是振荡器的一项十分重要技术指标，它表示在一定的时间范围内或一定的温度、湿度、电压、电源等变化范围内振荡频率的相对变化程度，振荡频率的相对变化量越小，则表明振荡器的频率稳定度越高。改善振荡频率稳定度，从根本上来说就是力求减小振荡频率受温度、负载、电源等外界因素影响的程度，振荡回路是决定振荡频率的主要部件。因此改善振荡频率稳定度的最重要措施是提高振荡回路在外界因素变化时保持频率不变的能力，这就是所谓的提高振荡回路的标准性。1234OFLC提高振荡回路标准性除了采用稳定性好和高Q的回路电容和电感外，还可以采用与正温度系数电感作相反变化的具有负温度系数的电容，以实现温度补偿作用。输出信号的幅值、频率等用实时监测法测试，信号波形如图26所示，调整C6、C3观测震荡信号的波形和频率变化。图26西勒振荡器输出信号波形4改进型电容三点式振荡电41电路选择从以上的讨论，分析不同振荡电路的性能指标及电路复杂程度。采用西勒振荡电路，因为西勒振荡器的接入系数与克拉泼振荡器的相同，由于改变频率主要通过C4完成的，C4的改变并不影响接入系数P，所以波段内输出较平稳。而且C4改变，频率变化较明显，故西勒振荡器的频率覆盖系数较大，可达1618。42原理图设计图31改进型电容三点式振荡电路原理图421电路结构总的电路结构如图31所示。电路由三部分组成1三极管放大器；（起能量控制作用）2正反馈网络；（由三点式回路组成）3选频网络；（由三点式回路的谐振特性完成选频功能）。422静态工作点的设置合理地选择振荡器的静态工作点，对振荡器的起振，工作的稳定性，波形质量的好坏有着密切的关系。般小功率振荡器的静态工作点应选在远离饱和区而靠近截止区的地方。根据上述原则，一般小功率振荡器集电极电流ICQ大约在084MA之间选取，故本实验电路中选ICQ2MAVCEQ6V100则有为提高电路的稳定性RE值适当增大，取RE1K则RC2K因UEQICQRE则UEQ2MA1K2V因IBQICQ/则IBQ2MA/100002MA一般取流过RB2的电流为510IBQ,若取10IBQ因BQBIVR270EQ则取标称电阻12K。因423选管由于高频振荡器的振荡频率较高，在选管时应注意选超高频小功率三极管。特征频率FT也要比音频振荡管的要求高。通常选FT310F0F0为振荡器的中心频率。FT高则管子的高频性能好，晶体管内部相移小，有利于稳频。在高频工作时，振荡器的增益仍较大，易于起振。本次课设选用9014NPN型号的晶体管，满足了振荡器的频率和功率要求。424振荡回路元件的确定回路中的各种电抗元件都可归结为总电容C和总电感L两部分。确定这些元件参量的方法，是根据经验先选定一种，而后按振荡器工作频率再计算出另一种电抗元件量。从原理来讲，先选定哪种元件都一样，但从提高回路标准性的观点出发，以保证回路电容CP远大于总的不稳定电容CD原则，先选定CP为宜。若从频率稳定性角度出发，回路电容应取大一些，这有利于减小并联在回路上的晶体管的极间电容等变化的影响。但C不能过大，C过大，L就小，Q值就会降低，使振荡幅度减小，为了解决频稳与幅度的矛盾，通常采用部分接入。反馈系数FC1/C2，不能过大或过小，适宜1/81/2。KICQECE3261K5130721BBQCBRVKVB341271因振荡器的工作频率为当LC振荡时，F04MHZL10H本电路中，则回路的谐振频率FO主要由C4、C6决定，即213F有取C475PF，C682PF，因要遵循C2，C3C4,C6，C2/C31/81/2的条件，故取C2680PF，则C3680PF。对于晶体振荡，只需和晶体并联一可调电容进行微调即可。为了尽可能地减小负载对振荡电路的影响，振荡信号应尽可能从电路的低阻抗端输出。例如发射极接地的振荡电路，输出宜取自基极；如为基级接地，则应从发射极输出。改进后的电路波形如图27所示图27改进后电容三点式振荡器输出波形PFL57464F21043元件清单明细表5结论按照PCB板相应的位置接入12V电源，在C7的一端接频率计，观察频率计的读数，可发现振荡频率在3842MHZ附近浮动，在误差允许范围内符合本电路设计的4MHZ的设计要求。振荡电路接通电源后，有时不起振，或者在外界信号强烈触发下才起振（硬激励），在波段振荡器中有时只在某一频段振荡，而在另一频段不振荡等。所有这些现象无非是没有满足相位平衡条件或振幅平衡条件。如果在全波段内不振荡，首先要看相位平衡条件是否满足。对三端振荡电路要看是否满足对应的相位平衡判断标准。此外，还要在振幅平衡条件所包含的各种因素中找原因。1、静态工作点选的太小。序号元件符号规格数量个1电阻R143K12电阻R210K13电阻R32K14电阻R41K15电阻R551K16电容C101UF17电容C2680PF18电容C3680PF19电容C475PF110电容C501UF111电容C682PF112电容C710000PF113电感L110UH114三极管Q12N390412、电源电压过低，使振荡管放大倍数太小。3、负载太重，振荡管与回路间耦合过紧，回路Q值太低。4、回路特性阻抗或介入系数PCE太小，使回路谐振阻抗RO太低。5、反馈系数KF太小，不易满足振幅平衡条件。但KF并非越大越好，应适当选取。有时在某一频段内高频端起振，而低频端不起振，这多半是在用调整回路电容来改变振荡频率的电路中，低端由于C增大而L/C下降，致使写真阻抗降低所起。反之，有时低端振高端不振，原因可能有1、选用晶体管FT不够高。2、管的电流放大倍数太小。6心得体会通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关高频电子线路方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。过而能改，善莫大焉。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下，终于游逆而解。在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。同时，设计让我感触很深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课程设计，我掌握了常用元件的识别；了解了电路的连线方法；以及如何提高电路的性能等等。我认为，在这学期的实验中，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，在实验课上，我们学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。这对于我们的将来也有很大的帮助。以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。就像中国提倡的艰苦奋斗一样，我们都可以在实验结束之后变的更加成熟，会面对需要面对的事情。回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。实验过程中，也对团队精神的进行了考察，让我们在合作起来更加默契，在成功后一起体会喜悦的心情