西勒（正弦波)振荡器的设计毕业设计（论文）word格式.doc

高频电子线路课程设计报告高频电子线路课程设计报告 西勒（正弦波西勒（正弦波) )振荡器的设计振荡器的设计 姓 名： 朱金环 学 号： 310608030303 专业班级： 电信 06-3 班 指导老师： 胡松华 所在学院：电气工程与自动化学院 2009 年 6 月 16 日 河南理工大学本科课程设计报告 1 目录目录 摘要摘要3 3 1 1 选题意义选题意义 4 4 2 2 系统总体方案系统总体方案 5 5 2.1 三点式振荡器构成法则 5 2.2 电路组成及器件选择 5 2.3 系统框图及逻辑功能 7 3 3 各部分设计及原理分析各部分设计及原理分析 8 8 3.1 放大器电路 8 3.2 选频网络 9 3.3 反馈网络 .10 4 4 参数选择参数选择 1010 5 5 试验仿真结果试验仿真结果 1111 5.1 实验仿真结果 .11 6 6 结论结论 1414 参考文献参考文献1515 河南理工大学本科课程设计报告 2 摘摘 要要 正弦波振荡器的作用是产生频率稳定、幅度不变的正弦波输出。基于频率 稳定度、反馈系数、输出波形、起振等因素的综合考虑，本设计采用的是电容 三点式振荡器的两种改进型振荡器之一的西勒振荡器。其具有输出波形好、工 作频率高、改变 c 调节频率时不影响反馈系数等优点，适用于宽波段、频率可 调的场合。 西勒振荡器由起能量控制作用的放大器、将输出信号送回到输入端的正反 馈网络以及决定振荡频率的选频网络组成。但没有输入激励信号，而是由本身 的正反馈信号来代替。当振荡器接通电源后，即开始有瞬变电流产生，经不断 地对它进行放大、选频、反馈、再放大等多次循环，最终形成自激振荡，把输 出信号的一部分再回送到输入端做输入信号，从而就会产生一定频率的正弦波 信号输出。 河南理工大学本科课程设计报告 3 1 1 选题意义选题意义 1.1 正弦振荡器的广泛应用 正弦波振荡器的作用是产生频率稳定、幅度不变的正弦波输出。广泛应用 于各种电子设备中，特别是在通信系统中起着重要作用。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；并在自动控制装置 和医疗设备等许多技术领域也得到了广泛的应用。 1.2 西勒振荡器的优点 西勒振荡器电路简单，易起振。与电感三点式振荡器比较，它具有频率稳 定度高、振荡频率高、输出波形好、改变 c 调节频率时不影响反馈系数等优点， 因而西勒振荡器比电感三点式振荡器更广泛的应用在宽波段、频率可调的场合。 综上所述，本设计在现实生产和生活中具有非常重要的实际意义。 河南理工大学本科课程设计报告 4 x1x2 x3 2 2 系统总体方案系统总体方案 2.1 三点式振荡器构成法则 三点式振荡器名称的由来是选频网络由 3 个电抗元件组成，回路的 3 个点 分别与晶体管的 3 个极相连。如图 2-1 所示。 三点式振荡器的构成法则是：x1 与 x2 的符号相同，x3 的符号则相反。凡 是违反这一准则的电路都不能产生振荡。 图 2-1 三点式电抗图 2.2 电路组成及器件选择 该西勒振荡器电路由放大器电路、选频网络、反馈网络三部分组成，如附 1：系统原理总图。其等效电路如图 2-2 所示。 该电路振幅起振条件： （2-1） 相位起振条件为： （2-2） 1)()( 00 fa fa n2)()( 00 河南理工大学本科课程设计报告 5 v c2c1 c3 c4 l 振幅平衡条件： af = 1 （2-3） 相位平衡条件： （2-4） 图 2-2 西勒振荡器交流等效电路图 放大器电路由晶体三极管 v、高频扼流圈 zl、高频旁置电容 ce、集电极偏 置电阻 r1、基极偏置电阻 r2、射极偏置电阻 r3 组成。放大器可选用有源器件 如电子管、晶体管等，本设计采用晶体三极管 v 作为能量控制的放大器。 选频网络用来决定振荡频率，本设计采用 lc 并联谐振回路，由 c1、c2、c3、l、c4 组成，要求 c1c3; c2c4。 反馈网络是将输出信号送回到输入端的电容分压式正反馈网络，c2 和 cb 构成正反馈。 2.3 系统框图及逻辑功能 设计出能产生频率稳定、幅度不变的正弦波振荡器。振荡器也是一种能量 转换器，它无需外加输入信号，本身就能自动地将直流电能转换为特定频率、 fa n2)()( 00 河南理工大学本科课程设计报告 6 波形、幅度的交变电能输出。本设计属于反馈型振荡器，是在放大器中引入正 反馈，当正反馈足够强时，放大器就变成了振荡器，通过反馈振荡电路中的选 频网络，就可以得到一定频率的正弦波信号输出。 这种方案设计出的正弦波振荡器电路简单，在改变 c 调节频率时不影响反 馈系数，频率可调。其系统框图如图 2-3 所示。 放大器选频网络 反馈网络 图 2-3 系统框图 河南理工大学本科课程设计报告 7 3 3 各部分设计及原理分析各部分设计及原理分析 3.1 放大器电路 放大器电路由晶体三极管 v、高频扼流圈 zl、高频旁置电容 ce、集电极偏 置电阻 r1、基极偏置电阻 r2、射极偏置电阻 r3 组成，如图 3-1 所示。 放大器能对振荡器输入端所加的输入信号予以放大，使输出信号保持一定 的数值。在图 2-2 中，由于放大器的倒相作用它的输出电压 vo 与 vi 相差 180，又由于集电极与基极是接于回路的相对两端，因此两者对发射极电位的 变化相差 180，亦即 vo 与反馈电压 vf 相差 180。因此可以得出 vo 与 vi 同 相，满足了振荡所需的相位条件： （3-1） 图 3-1 放大器电路 fa n2)()( 00 河南理工大学本科课程设计报告 8 3.2 选频网络 选频网络由 c1、c2、c3、可变电容 c4 以及电感 l 组成。如图 3-2 所示选 频网络其实质是一 lc 并联谐振电路，因为 c1c3， c2c4，所以振荡频 率为： （3-2） （3-3） 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再经过正 反馈建立信号。 图 3-2 选频网络 3.3 反馈网络 反馈网络由分压电容 c2 和电容 cb 组成。由其等效电路图 2-2 可知，反馈 网络是通过分压电容 c2 将一部分输出电压回送到信号输入端即晶体三极管的基 )( 11 43 0 ccllc 434 2013 111 1 ccc ccccc c i 河南理工大学本科课程设计报告 9 极，成为输入信号，完成一次循环。由于输入电压与输出电压同相，所以也成 为正反馈。 4 4 参数选择参数选择 通过以上分析可知，本设计满足振荡器的起振条件和平衡条件，振荡器的 另外一个重要指标则是频率稳定度，因此在本次设计中各器件参数的选择必须 满足频率稳定度的要求。 （1）振荡回路参数 l 与 c。l 和 c 如有变化，必然引起振荡频率的变化， 为了维持 l 和 c 的数值不变化，首先应该选取标准性高，不易发生机械形变的 原件；其次，应尽量维持振荡器的环境恒定。为了满足谐振要求，各器件实际 值为：c1=1000pf,c2=0.033uf,c3=47pf,c4=470pf,l=1mh.满足 c1c3 和 c2c3，振荡角频率 w=500rad/s,振荡频率 f=25khz. (2)回路电阻 r。r 是由振荡器的负载决定的，负载重时，r 大；负载轻时， r 小。当负载变化时，振荡频率也将随之变化。为了减小 r 的影响，要求振荡 器的负载必须轻且稳定不变。 （3）有源器件的参数。采用晶体管作为有源器件时，其极间电容将影响频 率稳定度，在设计电路时应尽可能减小晶体管和回路之间的耦合。另外应选择 f(310)fmax,fmax 为振荡器最高频率。晶体管应工作在放大区，工作电流 ic 过大过小，对振荡器的性能都会有影响。实践证明，三极管振荡器工作电流 ic 应控制在 15ma 比较合适。 （4）其它参数。高频扼流圈 zl=22mh, 高频旁置电容 ce=0.68uf,集电极偏 置电阻 r1=15kohm,基极偏置电阻 r2=5.1kohm,射极偏置电阻 r3=2kohm. 河南理工大学本科课程设计报告 10 5 5 试验仿真结果试验仿真结果 5.1 实验仿真结果 根据附 1：系统原理总图，在仿真软件 multisim10.0 中绘制电路图并进行 仿真试验。其仿真结果如图 4-1 所示。 图 4-1 仿真结果输出 由仿真结果输出可知，此电路输出为一正弦波，但波形有一定的失真，对 其进行交流和噪声分析。 首先对输入示波器的电压进行交流分析，在 multisim10.0 的 simulate（仿真）菜单中的 analysis 菜单进行交流分析，其幅频特性和相频特 性曲线如图 4-2 和图 4-3 所示。 河南理工大学本科课程设计报告 11 图 4-2 幅频特性曲线 图 4-3 相频特性曲线 河南理工大学本科课程设计报告 12 由于波形有失真，因此分析晶体三极管噪声对电路的影响，如题 4-4 所示。 图 4-4 晶体三极管噪声分析 河南理工大学本科课程设计报告 13 6 6 结论结论 由实验仿真结果可知，西勒振荡器最终输出结果为一正弦波，由于存在元 器件噪声的影响，输出波形发生了失真。 振荡器的频率稳定度是一个极其重要的性能指标，例如通信系统中频率不 稳定，会影响通信的可靠性。通常元器件的内部噪声会影响振荡器的瞬间稳定 度，因此会造成一定程度的失真，就如试验结果所示。 因此在器件选择上，要选取参数稳定的元器件，以提高振荡器的频率稳定 性。 河南理工大学本科课程设计报告 14 参考文献参考文献 【1】张肃文. 高频电子线路. 北京：高等教育出版社（第四版） ， 2006 【2】【2】黄扬帆. 高频电路实验. 重庆：重庆大学出版社， 2007.10 【3】张 澄. 高频电子电路学习指导. 北京：人民邮电出版社， 2008 【4】李银华. 电子线路设计指导. 北京：北京航空航天大学出版社， 2005 河南理工大学本科课程设计报告