调基振荡器电路设计—调基振荡器电路设计.doc

高频电子线路课程设计（论文） I 高频电子线路课程设计高频电子线路课程设计（论文）（论文） 题目：题目： 调基振荡器电路设计调基振荡器电路设计 高频电子线路课程设计（论文） II 摘 要 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。调基型振荡器是众多振荡器中的一种，它电路简单、应用方便、 灵活性大，它能够产生正弦波，各种电子测试仪器如信号发生器、数字式频率计 等，它们均可以由调基型振荡器来完成。调基振荡器电路，简单地说，是由放大 器和选频网络组成，必须满足起振、平衡和稳定条件。因为本设计工作在高频段， 故选择了 LC 振荡器，调基型振荡器是将LC 振荡回路置于基极电路,通过 调节基极的振荡器的电感或电容,从而改变振荡器的振荡频率,产生等 幅的正弦波形 ,使电路出现谐振。 完成电路的原理设计后，在 EWB 软件上 进行仿真。 关键词：调基振荡器；LC 振荡电路; 等幅振荡；EWB 仿真 高频电子线路课程设计（论文） III 目 录 第 1 章 绪论 1 1.1 调基振荡器电路设计意义 .1 1.2 调基振荡器电路设计要求及指标 .1 1.3 设计方案论证 .2 1.4 总体设计方案框图分析 .3 第 2 章 调基型振荡器整体电路设计 4 2.1 调基振荡电路图及工作原理设计 .4 2.2 整体电路的仿真 .6 2.3 调基振荡器电路的条件 .6 2.4 调基振荡器电路参数分析 .7 2.5 调基型振荡器的稳定问题8 第 3 章 设计总结 .10 参考文献 11 附录 12 高频电子线路课程设计（论文） 1 第 1 章 绪论 1.1 调基振荡器电路设计意义 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。调基型振荡器是众多振荡器中的一种，而且电路简单、应用方 便、灵活性大，它能够产生正弦波，各种电子测试仪器如信号发生器、数字式频 率计等，它们均可以由调基型振荡器来完成。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。调基型振荡器也是一种必不可少的振荡 器，振荡器是不需外信号激励、自身将直流电能抓换为交流电能的装置。调基振 荡电路频率在较宽的范围变化时，振幅较平稳，应用非常广泛。调基型振荡器的 设计要求及性能指标在无线电发明初期所用的火花发射机,电弧发生器等 都需要调基型振荡器,它带给人们的生活十分便利,它是人们发展起来的 一个重要里程碑 . 1.2 调基振荡器电路设计要求及指标 振荡器是不需要外信号激励,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。大多数振荡器都是利 用 LC 回路来产生振荡 ,调基型振荡器是将LC 振荡回路置于基极电路, 通过调节基极的振荡器的电感或电容,从而改变振荡器的振荡频率,产 生等幅的正弦波形 ,使电路出现谐振 。根据用途的不同有的方面需要谐 振我们就需要采取一定的方法维持谐振,在其它方面不需要谐振,就要 求我们去除谐振 。要是振荡器产生振荡必须具备以下几个条件： 1)要有产生振荡的条件 2)要有产生振荡的相位平衡条件 3)要有一个完整的电路设计图 设计要求： 1.分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应 用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。 2 .确定合理的总体方案。以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制 作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。 高频电子线路课程设计（论文） 2 3.设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐 个设计。 4.组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左 进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。 技术指标 : 电路中各元件参数的正确选择,使电路产生振荡 ,画出所需要的正 弦波形记录产生的振荡频率,调节振荡元件使电路出现失谐,经过调整 让电路再次呈现稳定状态并维持稳定状态. 1.3 设计方案论证 根据振荡器电路组成的不同，可分为以下三种。 1) 共基调集型：晶体管基极交流接地，选频网络接于集电极电路。 2) 共射调基型：晶体管发射极交流接地，选频网络接于基极电路。 3) 共基调射型：晶体管基极交流接地，选频网络接于发射极电路。 所以调集型振荡器属于共射调基型。低频振荡电路几乎都采用 RC 振荡方式。振 荡电路用的定时元件也可以使用电感与电容既 LC，但低频时若使用 LC 元件，电 感量要很大，所以形状当然也很大。从要求小型、轻量、低成本来看，这是所不 希望的。 现如今高频振荡中多使用 LC 元件。然而，有时也会超过集成电路使用的频 段。因此，现在仍然采用与晶体管组合的电路。高频振荡即使是数百千赫至数兆 赫，若对于稳定度有要求，则要在 LC 谐振回路增设次级线圈，可简单构成反耦 合振荡电路，该电路的特征是元件少。这样的振荡电路，即在晶体管基极配置 LC 并联谐振回路，集电极线圈 L2 与线圈 L1 进行耦合，构成正反馈电路，该电 路称为调基振荡器电路。 电路主要由放大器、反馈网络构成，放大器可由晶体管电路即三极管来完成， 由 LC 回路为振荡电路，又与 L1,M 等组成晶体管的正反馈电路，完成控制作用。 电路组成简单，成本低廉，制作容易，功能稳定，元件应用较少便能完成振 荡功能输出稳定振幅。所以此方法可行性高。 高频电子线路课程设计（论文） 3 1.4 总体设计方案框图分析 构成一个振荡器必须具备下列三个条件： 1）一套振荡回路，包含两个或两个以上的储能元件。在这两个元件中，当 一个释放能量时，另一个就接受能量。释放和接受能量可以往返进行，其频率决 定于元件的数值。 2）一个能量来源，可以补充有振荡回路电阻产生的能量损失。在晶体管振 荡器中，这能量源就是电源 Vcc。 3）一个控制设备，可以使电源功率在正确的时刻补充电路的能量损失，以 维持等幅振荡。 图 1.1 主体框图 Uf 放大器 A（s） 反馈网络 F(s) UsUi Uo 图 1.1 发射级接地电路 图 1.2 集电极接地电路 高频电子线路课程设计（论文） 4 第 2 章 调基型振荡器整体电路设计 2.1 调基振荡电路图及工作原理设计 调基型振荡器是众多振荡器中的一种，而且电路简单、应用方便、灵活性大， 它能够产生正弦波，各种电子测试仪器如信号发生器、数字式频率计等，它们均 可以由调基型振荡器来完成。调基型振荡器也是一种必不可少的振荡器，振荡器 是不需外信号激励、自身将直流电能抓换为交流电能的装置。调基振荡电路频率 在较宽的范围变化时，振幅较平稳，应用非常广泛。 图 2.1 是基极调试振荡电路，该电路不用作信号振荡器，电路中，晶体管 T1 是利用基极-发射极间二极管特性当作二极管使用，这样，主振荡用晶体管 T2 设 定的直流偏置与晶体管 T1 的 Vbe 的温度系数抵消。由于基极和发射极之间输入 阻抗较小，为避免回路值降低过多，故在两回路中晶体管与振荡回路间采用部分 接入耦合。R1 为 T2 的基极偏置电阻，用该电阻的 R1 设定振荡开始必要的集电 极电流，但由于它与 LC 谐振回路并联。因此，要求用高阻值，使谐振电路的 Q 值不降低。 若电路满足相位平衡，幅度平衡就可以发生振荡。为了获得等幅振荡，就必 须设法使 LC 回路中的电阻等于零。由于实际的 LC 回路本身总是有正电阻的， 因此就必须人为地引入一个负电阻，将回路本身的正电阻完全抵消，已获得等幅 振荡。实际上在回路中引入一个正反馈即等效于引入一个负电阻。当 R 为负值时， 振荡振幅将随时间而增长；当 R 的负值不变时，则振幅将继续无限制地增大， . 但这实际上是不可能的。因为一个振荡器振荡时，回路的等效串联电阻为负值 （由有源器件供给负阻） ，随着振荡振幅的增长，有源器件的工作状态逐渐改变， 负电阻的绝对值逐渐减小。最后负电阻与回路本身正电阻正好互相抵消时，整个 串联等效电阻变为零，振荡器可产生等幅振荡，它的振荡频率取决于电路参数 L、C、R 的值。 高频电子线路课程设计（论文） 5 图 2.1 整体电路图 高频电子线路课程设计（论文） 6 2.2 整体电路的仿真 下图为经过原理设计后，应用软件 EWB 仿真出来的波形，是等幅的波形， 结果表明，本次课设很成功。 2.3 调基振荡器电路的条件 任何振荡电路并不需要借助于外部信号源激励，完全可以自动振荡起来，比 如通电瞬间的电冲击，虽然它不是正弦信号，但它是由很多不同频率的正弦信号 组合而成的。这些不同频率的正弦信号在放大和反馈过程中通过选频网络，只有 其中一个频率的信号幅度最大且满足正反馈的相位条件。这个频率的信号再经过 图 2.2 整体电路仿真图 高频电子线路课程设计（论文） 7 放大,输出信号会比原来更大。如此往复反馈,放大,信号的幅度越来越大，振荡就 建立起来了，显然在振荡的建立过程中，反馈信号的振幅必须大于前一次输入信 号的振幅，即 UfUi。由图可知 Uf=FUo=AFUi 从而可得振荡电路的起振条件为： AF1 上式中的 AF 包括选频网络的传输系数。 当电路起振后，信号不断增大，三极管将逐渐工作到非线性区，放大能力减 小。若再继续增大输入信号，输出幅度增加很少。当满足 AF=1，就得到了稳定 的振荡输出，这时 Uf=Ui。说明振荡达到了平衡。为了获得等幅振荡，就必须设 法使 LC 回路中的电阻等于零。由于实际的 LC 回路本身总是有正电阻的，因此 就必须人为地引入一个负电阻，将回路本身的正电阻完全抵消，已获得等幅振荡。 实际上在回路中引入一个正反馈即等效于引入一个负电阻。当 R 为负值时，振荡 振幅将随时间而增长；当 R 的负值不变时，则振幅将继续无限制地增大，但这实 际上是不可能的。因为一个振荡器振荡时，回路的等效串联电阻为负值（由有源 器件供给负阻） ，随着振荡振幅的增长，有源器件的工作状态逐渐改变，负电阻 的绝对值逐渐减小。最后负电阻与回路本身正电阻正好互相抵消时，整个串联等 效电阻变为零，振荡器可产生等幅振荡，它的振荡频率取决于电路参数 L、C、R 的值。所以振荡的振幅平衡条件是：AF=1。 相位平衡条件是电路振荡的必要条件，因此判断一种电路是否是振荡器，首 先要判断它是否要满足相位条件，即是否是正反馈。 2.4 调基振荡器电路参数分析 振荡开始动作由线圈 L1 与 L2 匝比及线圈的 Q 值等决定，因此，在发射极 接可调电阻进行调整。 基极调谐式电路的振荡频率 f0由线圈 L1 的电感及与此并联的电容 C1 决定， 即 f01121CL 先决定 L1 或 C1 当中任何一个参数均可。但该值决定并不是很适当，应该是 决定电抗为数百欧的常数。这数百欧的值没有特别的根据，但于数兆赫的频带的 振荡电路相比，设定线圈 L1 的电抗非常大，原因是考虑到较大的 Q 值。 谐振频率的阻抗 Z0 可表示为 Z0=2f0LQ 高频电子线路课程设计（论文） 8 近接开关用的振荡电路是利用阻抗的变化的性质，因此，设计时 Z0的值要尽 量高，这样更有利。 假定 XL=500,f0=450KHZ,则有 L1=XL/2f0=176uH 因此，450KHz 谐振时电容 C1 值变为 C1=1/w2L1=710pF 然而根据线圈 L1 是绕在磁心上的匝数决定的最大电感的关系，对其进行修 正 L1=125uH，则有 XL=2f0L1=353 C1=1000pF 线圈的匝比与正反馈量有关，但 L2 线圈一般为 L1 的 20%左右（L1=125uH 时线圈 50 圈，L2 绕 10 圈） 。 电阻 R1 阻值与通常偏置电阻的算法不同，这是振荡开始供给必要基极电流 （Ic/hFE）的电阻，电流为数十微安即可，这里 R1 选用 100k 以上的电阻。 2.5 调基型振荡器的稳定问题 振荡器的频率稳定问题是极重要的技术指标。因为通信设备、电子测量仪器 等的频率是否稳定，取决于这些设备中的主震荡器的频率稳定度。通信系统的频 率不稳，就会影响通信的可靠性，测量仪器的频率不稳，就会引起较大的误差。 特别是空间技术的迅速发展，对振荡器频率稳定度的要求就更高。 评价振荡器频率的主要指标有两个，即准确度和稳定度。 振荡器实际工作频率 f 与标称频率 f0 之间的偏差，称为振荡频率准确度。通 常分为绝对频率准确度与相对频率准确度两种，其表达式为 绝对准确度 0fff 相对准确度 振荡器的频率稳定度是指在一定时间间隔内，频率准确度的变化，所以实际 上是频率“不稳定度” 。但习惯上都叫它“稳定度” 。 高频电子线路课程设计（论文） 9 应该指出，在准确度与稳定度两个指标中，稳定度更为重要。因为只有频率 “稳定” ，才能谈得上准确。也就是说，一个频率源的准确度是由它的稳定度来 保证的。因此，主要讨论频率稳定度。 根据所指定的时间间隔不同，频率稳定度可分为长期频率稳定度、短期频率 稳定度的瞬间频率稳定度三种。 长期频率稳定度，一般指一天以上乃至几个月的相对频率变化的最大值。它 主要用来评价天文台或计量单位的高精度频率标准和计时设备的稳定指标。 短期频率稳定度，一般指一天以内频率的相对表化最大值。外界因素引起的 频率变化大都属于这一类。通常称为频率漂移。短期频率稳定度，一般多用来评 价测量仪器和通讯设备中主振荡器的频率稳定指标。 瞬间频率稳定度，指秒或毫秒内随机频率变化，即频率的瞬间无规则变化。 通常称为振荡器的相位抖动或相位噪声。 尽管这种所谓长期、短期和瞬间频率稳定度的划分直到现在仍没有严格的统 一规定，但是，这种大致的区别还是有一定实际意义的。短期频率稳定度主要是 与温度变化、电压变化和电路参数不稳定性等因素有关。长期频率稳定度主要取 决与有源器件、电路元件和石英晶体等老化特性，而与频率的瞬间变化无关。至 于瞬间频率稳定度主要是由于频率源内部噪声而引起的频率起伏，它与外界条件 和长期频率漂移无关。 要想使振荡器的振荡频率稳定，应首先考虑影响振荡频率的因素，有三种因 素：即振荡回路参数 L 和 C、回路电阻 r 和有源器件的参数。消除这些因素的方 法分别为温度补偿法、要求振荡器的负载必须极轻且稳定不变、采用稳压电源和 恒温措施。 高频电子线路课程设计（论文） 10 第 3 章 设计总结 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。本次课程设计的调基振荡电路，是一种不需要外信号激励 , 自身将直流电能转换为交流电能的装置。调基振荡器是由放大器和反馈 电路组成，必须满足起振条件，稳定条件和平衡条件，使其输出稳定的等 幅波形。 调基型振荡器是众多振荡器中的一种，而且电路简单、应用方便、灵 活性大，它能够产生正弦波，各种电子测试仪器如信号发生器、数字式频率计等， 它们均可以由调基型振荡器来完成。大多数振荡器都是利用LC 回路来产生 振荡 ,调基型振荡器是将LC 振荡回路置于基极电路,通过调节基极的振 荡器的电感或电容 ,从而改变振荡器的振荡频率,产生等幅的正弦波形,使 电路出现谐振。 调基振荡电路频率在较宽的范围变化时，振幅较平稳，应用非 常广泛。调基型振荡器的设计要求及性能指标在无线电发明初期所用的火花发 射机 ,电弧发生器等都需要调基型振荡器,它带给人们的生活十分便利,它 是人们发展起来的一个重要里程碑。 通过设计调基型振荡器电路，对高频电子线路这门课有了更深刻的了解，对 振荡电路的认识也不再停留在字面上，实现了从理论到实践的飞跃。了解到了理 论和实践