高频电子线路课程设计--高频电容三点式正弦波振荡器.docxVIP

武汉理工大学高频电子线路设计报告书课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 电子 指导教师： 工作单位： 信息工程学院题 目：高频电容三点式正弦波振荡器初始条件：具较扎实的电子电路的理论知识及较强的实践能力；对电路器件的选型及电路形式的选择有一定的了解；具备高频电子电路的基本设计能力及基本调试能力；能够正确使用实验仪器进行电路的调试与检测。要求完成的主要任务：1采用晶体三极管或集成电路，场效应管构成一个正弦波振荡器；2额定电源电压5.0v ，电流13ma; 输出中心频率 6 mhz （具一定的变化范围）；3通过跳线可构成发射极接地、基极接地及集电极接地振荡器；4有缓冲级，在100欧姆负载下，振荡器输出电压 1 v (d-p);5完成课程设计报告（应包含电路图，清单、调试及设计总结）。时间安排：12011年6月3日分班集中，布置课程设计任务、选题；讲解课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求；课设答疑事项。22011年6月4日 至2011年6月9日完成资料查阅、设计、制作与调试；完成课程设计报告撰写。3. 2011年6月10日提交课程设计报告，进行课程设计验收和答辩。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日14目录摘要iabstractii1.方案论证11.1.采用dds数字频率直接合成的方式11.2.采用高频振荡器的方式12.反馈式振荡器的设计22.1.振荡器的原理22.2.振荡器的平衡条件32.3.振荡器的起振条件32.4 电容三点式参数42.4.1.发射接地的振荡器42.4.2.集电极接地的振荡器62.4.3.基极接地的振荡器73.电路设计与组装84 .调试与总结95.心得体会10参考文献11附录i 电路原理总图12附录ii元件清单13摘要 本文阐述了能够产生高频正弦波信号的电容反馈式振荡器的原理，以及其函数发生器的具体实现。高频正弦波在通信电子线路及信号处理中应用十分广泛：通信发射机中的指定频率的载波信号，接收机中作为混频所需的本地振荡信号或作为解调所需的恢复的载波信号。与放大器 一样，振荡器也是一种能量转换器，但它不需要外部激励就能自动的将直流电源供给的能量转换为指定频率和振幅的交流信号输出，振荡器一般由晶体管等有源器件和具有某种选频能力的无源网络组成。关键词：高频正弦信号 电容反馈式振荡器 放大器 选频网络abstract in this paper, can produce high frequency signal oscillator, the principle of capacitive feedback, as well as the concrete realization of the function generator. high frequency electronic circuits in the communications and signal processing is widely used:communication transmitter in the designated frequency carrier signal, the receiver as a mixing local oscillator signals required for the necessary recovery or as a demodulated carrier signal. and amplifiers, oscillator is a kind of energy converter, but it does not need external motivation will be able to automatically convert the energy of the dc power supply for a specified frequency and amplitude of the ac signal output, the oscillator transistors and other active devices generally and with a passive frequency selective network of capacity.keywords:high-frequencysinusoidalsignal capacitivefeedbacktype oscillator amplifiers frequency selectivenetwork 1.方案论证 1.1.采用dds数字频率直接合成的方式 dds数字频率直接合成【1】的原理是将所要产生的信号经过数值采样，然后存放到存储器内，利用控制器通过查表，将取得的幅值输出到da转换器的输入端，只要输出的频率足够，就能够产生完全不失真的信号，通过控制查表得频率就能控制输出信号的频率。 1.2.采用高频振荡器的方式振荡器【2】是不需要外部信号激励、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、正反馈电路与选频网络。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。正反馈电路保证想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。振荡器的用途十分广泛，它是无线电发射设备的核心部分，也是超外差接收机的主要部分各种电子测试仪如信号发生器、数字频率计等，其核心部分都离不开正弦波振荡器。鉴于本次设计是对高频电子线路这门课程学习的实践，并基于此加深对高频电子线路理论的理解，高频电路主要利用器件的非线性。所以本次设计选用高频振荡器来实现，具体来说是选用电容反馈式振荡器（电容三点式振荡器）。电容三点式振荡器是自己振荡器的一种，由串联电容与电感回路及正反馈放大器组成。因振荡回路两串联电容的三个端点与振荡管三个管脚分别相接而得名。它的优点是：反馈电压取自电容，而电容对晶体管非线性特性产生的高次谐波呈现低阻抗，所有反馈电压中高次谐波分量很小，因而输出波形很好。其缺点是：反馈系数因与回路电容有关，如果用改变电容的方法来调整振荡频率，必将改变反馈系数，从而影响振荡。为了提高稳定度，需要对电路作改进，以减少晶体管机间电容的影响，可以通过采用减弱晶体管与回路之间耦合的方法，可以运用西勒振荡器。2.反馈式振荡器的设计 2.1.振荡器的原理 反馈型振荡器原理框图3如下所示，反馈型振荡器是由放大器和正反馈网络组成的一个闭合回路，放大器通常是以某种选频网络作为负载，是以调谐放大器，反馈网络一般是有无源的线性网络。为了能够产生自己振荡，必须有正反馈，即反馈到输入端的信号与放大器输入端的信号相位相同。 图1上图中，设放大器的放大倍数为k(s),反馈网络的电压反馈系数为f（s),闭环电压放大倍数为kus，则 kus=uo(s) us（s） ks=uo(s)ui(s) fs=ui(s)uo（s) uis=uss+ui(s) kus=k(s)1-ksf(s）=k(s)1-t(s) 其中 ts=ksts称为系统的环路增益。用s=jw带入，就得到稳态下的传输系数和环路增益。若在某一频率w=w1上t(jw1)等于1，ku(jw)将趋于无穷大，这表明即使没有外加信号，也可以维持振荡输出。因此自己振荡的条件就是环路增益为1，即 t=k+f=2n n=0,1,2 2.2.振荡器的平衡条件 当振荡器稳定输出时有 tjw=kjwfjw=1也可以表示为 t(jw)=kf=1 t=k+f=2n n=0,1,2 以上分别称为振幅平衡条件和相位平衡条件。2.3.振荡器的起振条件 振荡的最初来源是振荡器在接通电源时不可避免的存在的点冲击及各种噪声等。例如：在加电时晶体管电流由零突然增加，突变的电流包含有很宽的频谱分量，在它们通过负载回路时，由谐振回路的性质即只有频率分量可以产生较大的输出电压，而其它频率成分不会产生压降，因此负载回路只有频率为谐振频率的成分产生压降，该压降通过反馈网络产生出较大的正反馈电压，反馈电压又加到放大器的输入端，进行放大、反馈、不断地循环下去，谐振负载将得到频率等于回路谢振频率的输出信号。要实现起振，必要 tjw1 称为自己振荡的奇珍条件，也可以具体为 t(jw)1 t=k+f=2n n=0,1,2 当放大器进行小信号放大时必须工作在晶体管的线性放大区，即起振时放大器工作在线性区，此时放大器的输出信号随输入信号的增加而线性增加，放大器逐渐由放大区进入饱和去或截止区，进入非线性状态，此时的输出信号幅度增加有限，即增益随输入信号的增加而下降。振荡器工作到一定阶段，环路增益将下降。当tjw=kjwfjw=1，振幅的增长过程将停止，振荡器到达平衡状态，进行等幅振荡。 2.4 电容三点式参数2.4.1.发射接地的振荡器三点式电容振荡器是自激振荡器中的射极接地振荡器。由串联电容与电感回路及正反馈放大器组成。因振荡回路两串联电容的三个端点与振荡管三个管脚分别相接而得名。反馈电压取自电容，而电容对晶体管非线性特性产生的高次谐波呈现低阻抗，所有反馈电压中高次谐波分量很小，因而输出波形很好；其缺点是：反馈系数因与回路电容有关，如果用改变电容的方法来调整振荡频率，必将改变反馈系数，从而影响起振。 图2由振荡器谐振频率计算公式：根据设计指标，fo=6mz分配合适的电容和电感。lc振荡器有基本放大器、选频网络和正反馈网络三个部分组成。为了维持震荡，放大器的环路增益应该等于1，即，因为在谐振频率上振荡器的反馈系数为f=c1c2所以维持振荡所需的电压增益应该是：a=c2c1电容三点式振荡器的谐振频率为 由c1=100pf,c2=400pf的电感的电感系数大约l=8.75uh,故在仿真时根据既定的电容值选取电感值在8.75uh附近的电感。2.4.2.集电极接地的振荡器 如图3所示为晶体管集电极接地电容反馈式振荡器。 图3在交流通路之中，由于电容c3的旁路作用，晶体管的集电极接地，反馈电压取自电容c2与电感的交接处，由基极输入，发射极输出，满足正反馈的条件，因此，只要电路中各元件的参数设置合适，电路就会满足起振的条件，从而逐步建立起稳定的振荡并输出。2.4.3.基极接地的振荡器 如图4所示为基极接地的振荡器。 图4 电路中，晶体管的基极通过电容c4连接到地端，反馈电压取自c2的电压，经晶体管的发射极输入，而由晶体管的集电极输出，电路不满足正反馈条件，故可知，这种电路不能起振。3.电路设计与组装将以上电路再与一级放大级电路和一级缓冲电路连接起来，如下图所示 图5在电路中，第二个晶体管电路为放大级电路，将振荡器输出的信号予以一定的放大。第三个晶体管电路为一个射极跟随器，使电压增益几乎为1；输入阻抗高；输出阻抗低；失真系数低。振荡器在接通电源的一瞬间，晶体管会产生一个从零到某一数值的电流阶跃，该电流阶跃的成分十分丰富，选频网络会选出满足正反馈的频率在经过正反馈建立信号。4 .调试与总结 在设计完成电路后，运用mutisium【4】【5】软件对振荡电路进行仿真，对其产生的波形进行分析。振荡器波形如下图 图6在仿真的过程中，经常遇到不能产生波形，或者波形出现失真，说明电路不起振。这需要我们去分析，对电路元件参数进行调整，并最终得到结果。在波形出现失真饱和失真，要减小的值，消除饱和失真。最终经过调整各种电路参数，得到较为理想的波形见下图：其中，第一个波形为振荡器的输出，其波形较好，第二个波形为放大级的输出，第三个波形为通过射极跟随器连接负载的波形输出，它有一些失真，这是由于，晶体管的输入为大信号输入，故有可能同时产生饱和失真与截止失真。图75.心得体会在本次课程设计中，我从各方面的设计和构思中学到了许多知识，了解到理论和实践结合的难度。在本学期学习高频这门课程时，芯片的使用只是很局限的运用。在课程设计中我发现很多芯片，元器件，电路都有很奇妙的作用。它们以前的作用只是一个最基本的运用，更多的运用会出现在各个实际电路中。对于电路的设计过程我以为电容三点式振荡器的设计很难，设计比较烦琐，有静态工作点的要求，各电阻、电容值的设计，还有好多要求，看起来十分复杂。后来通过查资料，才了解到先要计算好各电阻的值，再根据各电容的作用，确定电容的值，画出电路图，一切都会变得简单。同样，在这次课程设计中也遇到了不少问题，集中体现在word运用极不熟练，尤其是编辑公式时，操作不灵便，编辑好的文档没有及时保存，以至于从头再来，浪费了很多时间。但吃一堑长一智，现在遇到这些问题，及时解决，以后再做这类事情就会多一点经验，就会少出一些类似问题。 经过这次课程设计，让我对前面的路有了更多的信心，因为在这个过程中，我学到了不少实用的东西，对于高频电子电路有了更深层次的掌握，并且提高了独立解决问题的能力。虽然这次课程设计中我对电路进行了仿真，并且认真的对电路的每一部分进行了修正，但最后出来的波形还是不很稳定。本次课程设计没有要求制作电路板并且对其进行调试，但我相信要是调试的话也一定回去的满意的效果。参考文献1 谭博学.集成电路原理与应用.北京.电子工业出版社.20072 吴友宇.模拟电子技术基础.北京.清华大学出版社.20093 曾兴雯.高频电路原理与分析.西安.西安电子科技大