LC调频振荡器设计报告我的.doc

湖南工学院 课题名称: LC调频振荡器设计报告专业名称: 电气与信息工程系学生班级: 电信0702学生姓名: 艾雁飞学 号: 402070221指导老师: 张松华时 间: 2008年5月振荡器的发展前景人类对科技进步的要求总是无止境的，虽然我们已经享受到了电脑、手机、家用电器给我们带来的生活质量上的飞跃，可是我们依旧在抱怨计算机运算速度慢、上网的网速慢、手机信号不好等，这些要求都给石英振荡器出了难题，因为人类对石英振荡器的使用已经达到了极限。最重要的一点就是，石英振荡器的频率已经不能再高了石英振荡器的频率高低，是由它的晶体厚度来决定的，厚度越薄，频率越高。现在的高频石英振荡器已经薄得像纸一样不能再薄了。可是它提供的频率高度依然不能满足人类不断增长的使用要求了。科学技术的发展，因为基础振荡器的极限而使得脚步慢了下来，许许多多的科学家都在致力于解决这一难题。虽然人们相继发明了原子钟、量子钟和其他晶体材料的振荡器，也有人通过电子电路对石英振荡器进行倍频，但都因为价格昂贵或噪声太高等原因，使之不能应用。终于，在上世纪九十年代，科学家姚晓天博士发明了光电振荡器。这种振荡器频率比最快的石英振荡器高近一千倍，而噪声却比石英振荡器还低，且振荡频率不受外界环境影响，成本也能够降得很低。，它是通过光能和电能之间的不断转换而产生振荡，噪声低，频率高，不受外界环境（如温度、电磁辐射等）变化的影响。成为当今振荡器中综合性能最好的振荡器。 纵观振荡器的发展历程，电子振荡器的出现给人类带来了远程通讯。石英振荡器的出现带来了数字电信号的实现，电子技术和人类的生活息息相关。一个性能更加优良的振荡器的问世，那么，他的发展前景是解决无线通信的通信质量、计算机速度、网络速度等现实问题以外，还要向噪声低，频率高，不受外界环境变化的影响提高性价比来为人类服务。设计任务书1 设计目的 (1). 熟悉示波器的原理及用法(2). 理解LC振荡回路并掌握LC振荡器的设计，装载，调试，及其主要性能参数的测试方法和如何选择电路的测试点 (3). 了解并掌握调制信号发生器的使用方法2 设计要求和步骤 (1). 设计一LC调频振荡器，使其包括振荡器和调频电路两部分，当输入的高频信号的频率，振幅变化时其振荡波形波峰两边的毛鞭也随之变化。 (2). 掌握变容二极管特性曲线的测量方法，高频振荡器与高频电路的设计、装调及主要性能参数的测试； (3).了解高频电路分布参数的影响及如何正确选择电路的测试点.。 （4）.电路的基本原理，LC调频振荡器是直接调频电路，是利用调制信号直接线性地改变载波瞬时频率。如果为LC振荡器，则振荡频率主要取决于谐振回路电感和电容。将受到调制信号控制的可变电抗与谐振回路连接，就可以使振荡频率按调制信号规律变化，实现直接调频。目 录 设计方案.51、电路的基本原理. 5.一. 单元参数设计. .71、LC三点式振荡组成原理.72、变容二极管调频原理.8二.调试步骤. . .151、按设计电路安装元器件. .152、测试点选择. .153、调试. . .164、频率稳定度. . .16三供参考选择的元器件. . .17 设计心得和体会. . . . .18参考文献. . . . .19附录. . . . . 20设计方案电路基本原理LC调频振荡器的电路由LC正弦波振荡器与变容二极管调频电路所组成，其中晶体管VT组成电容三点式振荡器。VT接成共基组态 C(B)为基极耦合电容。VT的静态工作点由R(B1)、R(B2)、R（E）及R（C）所决定，即：U（BQ）=R（B2）Ucc/R(B1)+R(B2) （1）U（EQ）=U（BQ）-U（BE）I（CQ）R（E） （2）I（CQ）=Ucc-U（CEQ）/R（B）+R（C） （3）I（BQ）=I（CQ）/ （4）小功率振荡器的静态工作电流I（CQ）一般为14mA。I（CQ）偏大，振荡幅度增加，但波形失真加重，频率稳定性变差。L1、C1与C2、C3组成并联谐振回路，其中C3两端的电压构成振荡器的反馈电压U（BE），以满足相位平衡条件=2n。比值C2/C3=F决定反馈电压的大小，当A（VO）=1时，振荡器满足振荡平衡条件，电路的起振条件为A（VO）F1。为减小晶体管的极间电容对回路振荡频率的影响，C2、C3的取值要大。如果选C1C2，C1C3，则回路的谐振频率f0主要由C1决定，即： f0=1/2L1C1 如果取C1为几十皮法，C2、C3可取几百皮法至几千皮法。反馈系数F一般取1/21/8。调频电路由变容二极管VD（C）及耦合电容Cc组成，R1与R2为变容二极管提供静态时的反向支流偏置电压U（Q），即U（Q）=R2/（R1-R2）Ucc。电阻R3称为隔离电阻，常取R3R2，R2R1，以减小调制信号u（）对U（Q）的影响。C5与高频扼流圈L2给u（）提供通路，C6起高频滤波作用。变容二极管VDc通过Cc部分接入振荡回路，有利于提高主振荡频率f0的稳定性，减小调制失真。变容管部分接入振荡回路的等效电路，接入系数p及回路总电容C（） 分别为： p=Cc/（Cc+Cj） C（）=C1+CcCj/（Cc+Cj） 式中，C（j0）变容二极管的结电容，它与外加电压的关系为： Cj=C（j0）/（1-u/U） 式中，C(j0) 变容管零偏压时的结电容； U(D) 变容管PN结内建电位差（硅管 =0.7V，锗管 =0.3V）；二. 单元参数设计 本设计基于LC振荡器原理，通过变化变容二极管两端的电压来改变电容，以达到改变频率，从而实现设计的要求。完成了调频的要求本设计包括三点式振荡器模块、放大器模两块部分。其系统框图如图所示。LC振荡器模块放大器模块音频信号1、LC三点式振荡组成原理图其振荡频率f=。当 和为容性，为感性时称为电容反馈振荡器，其中C=；当 和为感性，为容性时称为电容反馈振荡器，其中 L=+。当我们相应变化电容值时就能使频率作出相应的变化，以达 左图三点式振荡组成到调频的目的。 此设计的关键是在没有加载音频信号时利用LC振荡器振荡出主频6.5MHz。后面用放大器对调制的信号进行放大。（1）、LC振荡模块设计LC振荡电路采用三点式振荡，其有哈特莱振荡器、克拉泼振荡器、西勒振荡器。方案一：哈特莱振荡器哈特莱振荡器其振荡频率为f=,式中L=+2M，此方案比较容易起振，调整也方便，但输出的波形不好，在频率较高时不易起振。 方案二：克拉泼振荡器克拉泼振荡器其振荡频率为f=，式中C=，此电路的频率稳定度较好，但在振荡范围较宽时，输出幅度不均匀，且频率升高后不易起振，其主要用于固定频率或波段范围较窄的场合。方案三：西勒振荡器西勒振荡器其振荡频率为f=，式中C=+，这种振荡器较易起振，振荡频率也较为稳定，波形失真较小，当参数设置得当时，其频率覆盖系数较大。基于以上分析，我们决定选用方案三。2、变容二极管调频原理所谓调频，就是把要传送的信息（例如语言、音乐）作为调制信号去控制载波（高频振荡信号）的瞬时频率，使其按调制信号的规律变化。设调制信号： ，载波振荡电压为：根据定义，调频时载波的瞬时频率随成线性变化，即 （2-1）则调频波的数字表达式如下：或 （2-2）式中： 是调频波瞬时频率的最大偏移，简称频偏，它与调制信号的振幅成正比。比例常数Kf亦称调制灵敏度，代表单位调制电压所产生的频偏。式中：称为调频指数，是调频瞬时相位的最大偏移，它的大小反映了调制深度。由上公式可见，调频波是一等幅的疏密波，可以用示波器观察其波形。如何产生调频信号？最简便、最常用的方法是利用变容二极管的特性直接产生调频波，其原理电路如图21所示。图2-1 变容二极管调频原理电路变容二极管通过耦合电容并接在回路的两端，形成振荡回路总电容的一部分。因而，振荡回路的总电容C为： （2-3）振荡频率为： （2-4）加在变容二极管上的反向偏压为：变容二极管利用PN结的结电容制成，在反偏电压作用下呈现一定的结电容（势垒电容），而且这个结电容能灵敏地随着反偏电压在一定范围内变化，其关系曲线称曲线，如图22所示。由图可见：未加调制电压时，直流反偏（在教材称）所对应的结电容为（在教材中称）。当反偏增加时，减小；反偏减小时，增大，其变化具有一定的非线性，当调制电压较小时，近似为工作在曲线的线性段，将随调制电压线性变化，当调制电压较大时，曲线的非线性不可忽略，它将给调频带来一定的非线性失真。图2-2 用调制信号控制变容二极管结电容我们再回到图11，并设调制电压很小，工作在 曲线的线性段，暂不考虑高频电压对变容二极管作用。设 （2-5）由图22（c）可见：变容二极的电容随R变化。即： （2-6）由公式（3）可得出此时振荡回路的总电容为由此可得出振荡回路总电容的变化量为： （2-7）由式可见：它随调制信号的变化规律而变化，式中是变容二极管结电容变化的最大幅值。我们知道：当回路电容有微量变化时，振荡频率也会产生的变化，其关系如下： （2-8）式中，是未调制时的载波频率；是调制信号为零时的回路总电容，显然由公式（2-4）可计算出（调频中又称为中心频率）。即： 将（2-7）式代入（2-8）式，可得： （2-19） 频偏： （2-10）振荡频率： （2-11）由此可见：振荡频率随调制电压线性变化，从而实现了调频。其频偏与回路的中心频率成正比，与结电容变化的最大值成正比，与回路的总电容成反比。为了减小高频电压对变容二极管的作用，减小中心频率的漂移，常将图21中的耦合电容的容量选得较小（与同数量级），这时变容二极管部分接入振荡回路，即振荡回路的等效电路如图13所示。理论分析将证明这时回路的总电容为 (2-12)回路总电容的变化量为： (2-12)回路总电容的变化量为： (2-13)频偏: (2-14) 式中，称为接入系数。关于直流反偏工作点电压的选取，可由变容二极管的曲线决定。从曲线中可见，对不同的值，其曲线的斜率（跨导）各不相同。较小时，较大，产生的频偏也大，但非线性失真严重，同时调制电压不宜过大。反之，较大时，较小，达不到所需频偏的要求，所以一般先选在曲线线性较好，且较大区段的中间位置，大致为手册上给的反偏数值，例：2CC1C，。本实验将具体测出实验板上的变容二极管的曲线，并由同学们自己选定值，测量其频偏的大小。2、变容二极管曲线的测量将图11的振荡回路重画于图24，代表不同反偏时的结电容，其对应的振荡频率为。若去掉变容二极管，回路则由、组成，对应的振荡频率为，它们分别为 （2-15） （2-16）图2-4 测量CjVR曲线由式（2-15）、（2-16）可得： (2-17)、易测量，如何求？将一已知电容并接在回路两端，如图2-5所示。此时，对应的频率为，有 (2-18)由式（2-16）、（2-18）可得： (2-19)3、调制灵敏度单位调制电压所引起的频偏称为调制灵敏度，以表示，单位为KHz/V，即 (2-20)式中，为调制信号的幅度（峰值）。为变容管的结电容变化时引起的频率变化量，由于变容管部分接入谐振回路，则引起回路总电容的变化量为 (2-21)频偏较小时，与的关系可采用下面近似公式，即 (2-22)将式（1-22）代入（1-20）中得 (2-23)式中，为变容二极管结电容的变化引起回路总电容的变化量，为静态时谐振回路的总电容，即 (2-24)调制灵敏度可以由变容二极管特性曲线上处的斜率KC及式（2-23）计算，Sf越大，调制信号的控制作用越强，产生的频偏越大。二.调试步骤1、按设计电路安装元器件由于调频振荡器的工作频率较高，晶体管的结电容、引线电感、分布电容及测量仪器对电路的性能影响均不能忽略。因此，在电路装调及测试时应尽量减小这些分布参数的影响。 安装时应合理布局，减小分布参数的影响。电路元件不要排得太松，引线尽量不要平行，否则会在元件或引线之间产生一点的分布参数，引起寄生反馈。多级放大器应排成一条直线，尽量减小未级和前级之间的耦合。地线应尽可能粗，以减小分布电感引起的高频损耗，制印刷电路板时，地线的面积应尽量大。为减小电源内阻形成的寄生反馈，应采用滤波电容(C)及滤波电感（L）组成的（）型或（T）型滤波电路，一般（L）为几十微亨至几百微亨，（C）为几百皮法至几十千皮法。2、测试点选择正确选择测试点，减小仪器对被测电路的影响。在高频情况下，测量仪器的输入阻抗（包含电阻和电容）及连接电缆的分布参数都有可能影响被测电路的谐振频率及谐振回路的Q值，为尽量减小这种影响，应正确选择测试点，使仪器的输入阻抗远大于电路测试点的输出阻抗。对于图2所示电路，高频电压表接于C点，示波器接于E点，数字频率计接于A点，（C4）的值要小，以减小数字频率计的输入阻抗对谐振回路的影响。所有测量仪器如高频电压表，示波器，扫描仪，数字频率计等的地线及输入电缆的地线都要与被测电路的地线连接好，接线尽量短。3、调试一般高频电路的实验板应为印刷电路板，以保证元器件可靠焊接及连接导线固定，使电路的分布参数基本固定。高频电路的调试方法与低频电路的调试方法基本相同，也是先调整静态工作点，然后观测动态波形并测量电路的性能参数。所不同的是按照理论公式计算的电路参数与实际参数可能相差较大，电路的调试要复杂一些。4频率稳定度三、供参考选择的元器件高频信号发生器 1台 数字存储示波器 1台 无感起子 1把 数字万用表 1台 12V直流稳压电源 1台设计心得和体会在这次课程设计中，动手能力得到进一步的提高。和模拟电子技术课程设计比，具有更