LC振荡电路研究本科毕业论文.doc

江苏科技大学本科毕业设计 论文 I 江江 苏苏 科科 技技 大大 学学 本本 科科 毕毕 业业 设设 计 论文 计 论文 LC 振荡电路研究振荡电路研究 the research of LC oscillator circuit 学 院 电气与信息工程学院 专 业 电子信息工程 江苏科技大学本科毕业设计 论文 II 摘摘 要要 在通信和电子领域 正弦波振荡器被广泛的应用着 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 很多电子测试仪器其核心部分都离不开 正弦波振荡器 其中 LC 振荡电路是最常见的一种能够产生振荡电流的电路 它指 用电感 电容组成选频网络的振荡电路 用于产生高频正弦波信号 振荡网络由主 网络 选频网络和反馈网络三部分组成 它能够在没有外加激励的情况下 把直流 电源共给的功耗转化为我们所需的指定频率和幅度的交流信号源 常见的 LC 正弦 波振荡电路有变压器反馈式振荡电路 互感耦合 电感三点式振荡电路和电容三点 式振荡电路以及两种两种改进型电容三点式振荡网络 分别是克拉泼振荡电路和西 勒振荡电路 本课题是研究几种振荡网络的特性 并利用其特性设计一个好的振荡电路 首 先选用 multisim12 0 软件进行仿真 再进行试验 得出几种电路的特点 再根据具 体情况设计电路 关键词 关键词 LC 振荡电路 选频网络 电容三点式 电感三点式 江苏科技大学本科毕业设计 论文 III Abstract In communications and electronic fields sine wave oscillator is widely used It s the heart of the radio transmission apparatus It s also the main part of superheterodyne receiver Many electronic test equipment s core is inseparable of sinusoidal oscillator Oscillator circuit is one of the most common current of the circuit to oscillate It refers that the frequency selective network consists of inductors and capacitors which used to generate high frequency sine wave signal Oscillation Network is made up of the main network frequency selective network and the feedback network In the case of having no additional incentive it can take the the total power consumption of DC power into the AC signal source of specified frequency and amplitude that we need Common LC sine wave oscillator circuit have transformers feedback oscillation circuit mutual coupling three point oscillator circuit inductance and capacitance three point oscillator circuit and two kinds of two kinds of improved capacitance three point oscillator networks which are The Clapp oscillator and Seiler oscillator circuit This topic is aimed at researching several oscillation characteristics of the network and use its properties to design a good oscillator circuit Firstly the designer selects multisim 12 0 to simulate Then the designer begin to experiment to obtain the characteristics of several circuits Thus the designer can draw design circuit according to the specific circumstances Keywords LC oscillator circuit Frequency selective network Three point capacitance Inductance connecting three point type 江苏科技大学本科毕业设计 论文 IV 江江 苏苏 科科 技技 大大 学学 毕业设计 论文 任务书毕业设计 论文 任务书 学院名称 学院名称 信息学院信息学院 专专 业 业 电子信息工程电子信息工程 学生姓名 学生姓名 李智李智 学学 号 号 0945531123 指导教师 指导教师 李文瑜李文瑜 职职 称 称 高级实验师高级实验师 江苏科技大学本科毕业设计 论文 V 毕业设计 论文 题目 毕业设计 论文 题目 LC 振荡电路研究 一 一 毕业设计 论文 内容及要求 包括原始数据 技术要求 达到的 指标和应做的实验等 1 提供条件 Multisim 12 0 仿真软件 高频电子电路教材及参考书 实验桌一台及各种测量仪器 制作振荡器的各种材料等 2 设计内容与要求 1 查阅有关资料 了解几种 LC 振荡电路的优缺点以及如何改进 的方案 2 使用 multisim 12 0 软件进行仿真实验 得出结论 3 利用实验台进行实物实验 发现问题 解决问题并且得出结 论 4 把仿真结果和实验结果进行对比 看是否一致 如不一致 找出原因 并解决问题 5 设计制作一个小功率 Po 20mw 频率高于 100MHz 的无线 发射器 6 设计制作一个波型好易起振频率覆盖宽的 LC 振荡器 频率范 围 0 5 1 5MHz 可调 输出幅度 0 0 1V 可调 江苏科技大学本科毕业设计 论文 VI 二 二 完成后应交的作业 包括各种说明书 图纸等 1 开题报告一份 2 外文译文一篇 不少于 5000 英文单词 3 毕业设计论文一份 不少于 1 5 万字 三 三 完成日期及进度 2013 年 3 月 18 日至 2013 年 6 月 21 日 共 14 周 进度安排 1 3 14 3 17 查阅资料 调研 完成开题报告 翻译等准备工作 2 3 18 4 8 熟练使用 multisim 12 0 仿真软件 3 4 9 4 15 确定设计方案 4 4 16 4 24 进行仿真测试 5 4 25 5 7 进行实验测试 6 5 8 5 20 设计制作起振器和接收器 并进行调试等工作 7 5 21 5 31 撰写论文 5 6 1 6 5 毕业答辩 江苏科技大学本科毕业设计 论文 VII 四 主要参考资料 包括书刊名称 出版年月等 1 王卫东 高频电子电路 第二版 北京 电子工业出版社 2009 年 2 丁德渝 徐静 电子技术基础 模拟部分 北京 中国电力出版社 2010 年 3 张昌汉 高频电子电路 哈尔滨 哈尔滨工业出版社 1998 年 4 张乃国 廉有林 实用电子测量技术 北京 电子工业出版社 1996 年 5 康光华 电子技术基础 模拟部分 第五版 高等教育出版社 2006 年 系 教研室 主任 签章 年 月 日 学院主管领导 签章 年 月 日 江苏科技大学本科毕业设计 论文 1 第一章第一章 绪论绪论 1 1 概述概述 在通信及电子领域中 正弦波被广泛的应用着 例如 广播 电视天线 雷达无 线接收 遥控电子设备等 这些无一例外的都用到了正弦波振荡器 对正弦波振荡器 最重要的就是振荡波形的好坏 振荡频率的稳定性和频率的稳定度 不需外加输入信号 便能自行产生输出信号的电路称为振荡器 按照产生的波形 振荡器可以分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器 按照产生振荡的工作原理 振荡器 分为反馈式振荡器和负阻式振荡器 所谓反馈式振荡器 就是利用正反馈原理构成的 振荡器 是目前用的最广泛的一类振荡器 所谓 负阻式振荡器 就是利用正反馈有 负阻特性的器件构成的振荡器 在这种电路中 负阻所起的作用 是将振荡器回路 的正阻抵消以维持等幅振荡 反馈式振荡电路 有变压器反馈式振荡电路 电感三点 式振荡电路 电容三点式振荡电路和石英晶体振荡电路等 从整体上看 正弦波振荡器是放大器 选频网络和正反馈网络三部分组成 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 0 振荡器有很多种 从产生的波形来看 分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器 从 所用的器件来看 分为 LC 振荡器 RC 振荡器 晶体振荡器和压控振荡器 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 本文讲述 的就是正弦波振荡 1 2 设计的要求和目的设计的要求和目的 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培养较为扎实的电子电路的理论知识及较强的 实践能力 加深对电路形式的选择的了解 提高高频电子电路的基本设计能力及基本 调试能力 强化使用实验仪器进行电路的调试检测能力 熟练运用 Multisim 12 File 软 件对电子电路的仿真模型 深层次了解电子电路的工作情况 江苏科技大学本科毕业设计 论文 2 通过这次毕业设计 设计者要更加理解三点式振荡器的组成原则 常用电路和改 进型电路的识别 画交流等效电路图及应用范围 还要掌握实用振荡电路的分析和参 数计算 电路的设计和调试 明确了各种类型振荡器的优缺点和使用场合 1 3 LC 振荡电路简介振荡电路简介 LC 振荡电路主要用来产生高频正弦波信号 电路中的选频网络由电感和电容组成 常见的 LC 正弦波振荡电路有变压器反馈式 LC 振荡电路 电感三点式 LC 振荡电路和 电容三点式 LC 振荡电路 它们的选频网络采用 LC 并联谐振回路 LC 振荡电路运用了电容跟电感的储能特性 电容和电感的充放电 让电能和磁能 交替转化 使得电能和磁能呈周期性的变化交替变化的过程呈正弦变化 也就有了正 弦波振荡 不过这只是理想情况 实际上所有电子元件都会有损耗 能量在电容跟电 感之间互相转化的过程中是有损耗的 能量会不断减小 所以 LC 振荡电路需要一个放 大元件 要么是三极管 要么是集成运放等数电 IC 本文选用利用 9018 三极管这个放 大元件 通过放大输入信号得到的输出信号在反馈给输入 从而达到一个平衡状态 使得振荡能够一直持续下去 1 4 国内外研究现状及存在的问题国内外研究现状及存在的问题 1 4 1 研究研究现状现状 互感耦合振荡器的频率稳定度不高 且由于互感耦合原件分布电容的存在 限制 了振荡频率的提高 只适用于较低频段 电容三点式振荡电路输出波形好 接近于正弦波 能够振荡的最高频率通常较高 但 是不能用改变电容的方法来调整振荡频率 且不容易起振 电感三点式振荡电路可以使用改变电容的方法来调整振荡频率 容易起振 但是 输出波形较差 能够振荡的最高频率通常较低 不管是电容三点式振荡电路还是电感 三点式振荡电路 他们的频率稳定度都不高 克拉泼电路是电容三点式的改进电路 它克服了电容三点式振荡电路的频率稳定 度不高的特点 但是可以调节的频率范围不够宽 西勒振荡电路是针对克拉泼电路的缺陷而改进的 这种电路不但频率稳定度好 江苏科技大学本科毕业设计 论文 3 振荡频率较高 而且在做可变频率振荡器时其频率覆盖范围宽 波段范围内幅度比较 平稳 在短波 超短波通信机 电视接收机等高频设备中得到非常广泛的应用 1 4 2 研究的问题研究的问题 互感耦合是不是等于电感三点式 其中有没有差异 电感三点式可不可以做到使输出波形好 电容三点式可不可以做到容易起振 1 5 本课题主要研究内容本课题主要研究内容 本课题主要研究内容有四个 第一 理解 LC 振荡电路的构成及其工作原理 第二 理解不同类型的振荡电路的优缺点 掌握不同振荡电路的改进方法 第三 从仿真和实验两方面探索 LC 振荡电路 第四 设计制作一个小功率 Po 20mw 频率高于 100MHz 的无线发射器和设计 制 作一个波型好易起振频率覆盖宽的 LC 振荡器 频率范围 0 5 1 5MHz 可调 输出幅度 0 0 1V 可调 1 6 软件简介软件简介 Multisim 软件是一个专门用作电子线路仿真与设计的 EDA 工具软件 它是在 Windows 下运行的个人电子设计与仿真软件工具 Multisim 拥有一个比较完整的集 成化设计环境 Multisim 计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际 动手实验相脱节的这一问题 学生可以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真 真实的再现出来 并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表 Multisim 软件特点 1 直观的图形界面 整个操作界面就像一个电子实验工作台 绘制电路所需的元 器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上 轻点鼠标可用导线将它们连接起 来 软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似 测量数据 波形和特性曲线如同 在真实仪器上看到的一样 江苏科技大学本科毕业设计 论文 4 2 丰富的元器件库 Multisim 大大扩充了 EWB 的元器件库 包括基本元件 半 导体器件 运算放大器 TTL 和 CMOS 数字 IC DAC ADC 及其他各种部件 且用 户可通过元件编辑器自行创建或修改所需元件模型 还可通过 liT 公司网站或其代理商 获得元件模型的扩充和更新服务 3 强大的仿真能力 Multisim 既可对模拟电路或数字电路分别进行仿真 也可进 行数模混合仿真 尤其是新增了射频 RF 电路的仿真功能 仿真失败时会显示出错信 息 提示可能出错的原因 仿真结果可随时储存和打印 4 丰富的测试仪器 除 EWB 具备的数字万用表 函数信号发生器 双通道示波 器 扫频仪 字信号发生器 逻辑分析仪和逻辑转换仪外 Multisim 新增了瓦特表 失真分析仪 频谱分析仪和网络分析仪 尤其与 EWB 不同的是 所有仪器均可多台同 时调用 5 完备的分析手段 除了 EWB 提供的直流工作点分析 交流分析 瞬态分析 傅里叶分析 噪声分析 失真分析 参数扫描分析 温度扫描分析 极点一零点分析 传输函数分析 灵敏度分析 最坏情况分析和蒙特卡罗分析外 Multisim 新增了直流 扫描分析 批处理分析 用户定义分析 噪声图形分析和射频分析等 基本上能满足 一般电子电路的分析设计要求 江苏科技大学本科毕业设计 论文 5 第二章第二章 LC 振荡电路的设计要求及工作原理振荡电路的设计要求及工作原理 2 1 LC 振荡电路的设计要求振荡电路的设计要求 本节主要研究几种振荡电路之间的特性 互感耦合 LC 振荡电路 电容三点式 LC 振荡电路 电感三点式 LC 振荡电路 克拉珀振荡电路 西勒振荡电路 然后再加以 比较 通过这次毕业设计 设计者要更加理解三点式振荡器的组成原则 常用电路和改 进型电路的识别 画交流等效电路图及应用范围 还要掌握实用振荡电路的分析和参 数计算 电路的设计和调试 明确了各种类型振荡器的优缺点和使用场合 在反馈振荡器中 LC 并联谐振回路是最基本的选频网络 本文讨论的是就是由这 样一个选频网络构成的振荡网络 其次 还要完成两个设计 设计制作一个小功率 Po1 的条件 这样 在 FA 接通电源后 振荡电路就有可能自行起振 最后达到稳定状态 趋于稳定平衡 一般 情况下 反馈系数 F 通常小于 1 所以要求 A 必须大于 1 第三 环路增益的相位在振荡频率点因为 2 的整数倍 也就是说环路应为正反馈 第四 选频网络在振荡频率点附近应具有负斜率的相频特性 江苏科技大学本科毕业设计 论文 9 第三章第三章 变压器反馈式振荡电路的仿真和实验变压器反馈式振荡电路的仿真和实验 3 1 变压器反馈式振荡电路的简介变压器反馈式振荡电路的简介 变压器反馈式振荡电路 又称互感耦合振荡电路 它是利用变压器耦合获得适 量的正反馈来实现自激振荡的 图 3 1 是常用的一种集电极调谐型互感耦合 LC 振荡电路 它采用的是共发射极 组态 输出 LC 回路接在集电极上 图 3 2 是其交流通路 Cb是用来接收变压器反馈过来的正弦交流信号 起到隔直流通交流的作用 用 于反馈网络 谐振回路 C 可以采用可变电容器 这样就使得调节频率方便 变压器式反馈振荡电路对三极管 值要求并不太高 反馈电路是由变压器线圈 之间的互感耦合形成的 再接变压器时 用注意耦合线圈同名端的正确位置 保证 形成的是正反馈 同时 耦合系数 M 要选择合适 才能满足起振条件 互感耦合振荡器的频率稳定度不高 并且由于互感耦合元件分布电容的存在 限制了振荡频率的提高 所以只适用于较低频段 一般小于几十 MHz 且输出波形 不太好 3 2 变压器反馈式振荡电路分析变压器反馈式振荡电路分析 3 2 1 变压器反馈式振荡电路的直流偏置变压器反馈式振荡电路的直流偏置 放大器正常放大时 三极管的外部偏置条件必须满足发射结正向偏置 集电结反 向偏置 而且判断时应当注意 研究放大状态时是分析振荡电路的直流状态 而不是 江苏科技大学本科毕业设计 论文 10 交流电路状态 其中应当记住直流状态时电感线圈相当于短路 而电容则相当于断路 变压器反馈式振荡电路的直流通路如图3 3所示 图 3 3 直流分析 V R R U 5 1b 2b b RII V ebce 7 0 U I IcbR V ecceIV 5 3 2 2 变压器反馈式振荡电路的小信号模型分析变压器反馈式振荡电路的小信号模型分析 互感耦合电路图如上所示 它的小信号高频微变等效电路如图 3 4 所示 图 3 4 如图所示 输入部分阻抗为 所以输入电压为 rbe jw irUbbe0 jw 输出部分阻抗为 输出 jwC L 1 jw iUbi jw 1 jwL C 所以电压放大倍数为 jwC 1 jwL A rbe jw 反馈系数 L L F 1 2 R1bR1 brbe ib C L1 L2 R1b R2b Re 5v 江苏科技大学本科毕业设计 论文 11 该振荡电路的振荡频率是由选频网络决定的 即由 C 与 L1决定的 LC 2 1 f0 3 3 变压器反馈式振荡电路的仿真变压器反馈式振荡电路的仿真 仿真电路图如图 3 5 所示 图 3 5 仿真结果 一 仿真波形 二 仿真频谱 江苏科技大学本科毕业设计 论文 12 3 4 变压器反馈式振荡电路的实验变压器反馈式振荡电路的实验 如图所示 k12 1bR k1 5 2bR 001 eR nF47 b C nF10 e C L2 有 1 圈 nF2 0 C uH350 1 L 1 当反馈系数 F 70 即 L1 由 70 圈时 波形图如下图所示 频谱图如下图所示 khz412f V4 2U 频谱数据 当 f 410khz 时 U 2v 当 f 850khz 时 U 0 4v 当 f 1240khz 时 U 38mv 当 f 1650khz 时 U 12mv 2 当反馈系数 F 60 即 L1 由 60 圈时 波形图和频谱图如下图所示 江苏科技大学本科毕业设计 论文 13 khz579f V88 3 U 频谱数据 当 f 410khz 时 U 3 2v 当 f 850khz 时 U 0 6v 当 f 1240khz 时 U 0 1v 当 f 1650khz 时 U 0 75v 3 当反馈系数 F 60 即 L1 由 50 圈时 波形图和频谱图如下图所示 khz671f V2 5U 频谱数据 当 f 670khz 时 U 4 8v 当 f 850khz 时 U 1 1v 当 f 1240khz 时 U 0 7v 当 f 1650khz 时 U 0 4v 江苏科技大学本科毕业设计 论文 14 4 当圈数时 互感耦合振荡器起振不了 40 1 M 结论 有实验可知 在不变的情况下 圈数增加 也就是反馈系数减小 振 M2M1 荡电感增大 导致 振荡频率增加 波形变好 谐波分量数目减少 谐波分量幅度也 在减小 越来越趋向于正弦波 第四章第四章 三点式振荡电路的仿真与实验三点式振荡电路的仿真与实验 4 1 三点式三点式 LC 振荡电路的简介振荡电路的简介 江苏科技大学本科毕业设计 论文 15 三点式振荡器是指 LC 回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而组成的一种 振荡器 三点式振荡器电路用电容耦合或自耦变压器耦合代替互感耦合 可以克服互感 耦合振荡器振荡频率低的缺点 是一种广泛应用的振荡电路 三点式振荡器有两种基本类型 分别是电容三点式振荡器和电感三点式振荡器 其中图 4 1 是电容三点式振荡器 图 4 2 是电感三点式振荡器 为了便于分析 怎忽略回路中的损耗 并将三点式振荡器电路护城如图 4 3 所示 的一般形式 如果进一步忽三极管的输入和输出阻抗 则当回路谐振 及时 0 谐振回路的总阻抗 回路呈纯电阻性 由于放大器的输出电压与0 321 XXXu0 其输入电压反相 即 而反馈电压又是在和支路中分配 ui 0 A ufu0X3X2 在上的电压 即 X2 j j uuuu O 1 2 O 32 2 if jwjwjwjw X X XX X 为了满足相位平衡条件 要求 即与反相 由上式可见 必须 0 f ufuoX2 与为同性质电抗 而应为异性质电抗 这时 振荡器的振荡频率可以利用谐振 X1X3 回路的谐振频率来估计 图 4 1 图 4 2 图 4 3 如果考虑到回路损耗和三极管输入及输出阻抗的影响 那么上述结论仍可近似成 立 在这种情况下 不同之处仅在于和不再反相 而是在上附加了一个相移 u0ui 因此 为了满足相位平衡条件 对的相移也应在上附加数值相等 符号反相 u0u0 的相移 为此 谐振回路对振荡频率必须是失谐的 换句话说 振荡器的振荡频率不 是简单地等于回路的谐振频率 而是稍有偏离 综上所述 三点式振荡器构成的一般原则可归纳为 u0C1 ui L ufC2 u0L1 ui C ufL2 ui X2X1 ufX3u0 江苏科技大学本科毕业设计 论文 16 1 晶体发射极所借的两个电抗元件和性质相同 而不与发射极相接的 X1X2 电抗元件的电抗性质与前者相反 X3 2 振荡器的振荡频率可利用关系式来估算 321XXX 4 2 三点式振荡电路的分类及其特点三点式振荡电路的分类及其特点 目前三点式振荡电路主要分为电感三点式和电容三点式振荡电路 电感三点式振荡电路是指原边线圈的3个段分别接在晶体管的3个极 又称为电感 反馈式振荡电路或哈特莱振荡电路 其特点是 1 容易起振 2 调节频率方便 采用可变电容可获得较宽的频率调节范围 工作频率不可以做得 太高 一般用于产生几十赫兹以下的正弦波 频率稳定度不高 3 输出波形较差 电容三点式振荡电路是指两个电容的3个段分别接在晶体管的3个极 又称为电容 反馈式振荡电路或科皮兹式振荡电路 其特点是 1 输出波形较好 这是由于反馈电压取自电容 而电容对于高次谐波阻抗较小 2 振荡频率较高 电路的频率稳定度较高 工作频率可以做得较高 频率覆盖范围 较广 可达到几十 MHz 到几百 MHz 的甚高频波段范围 3 调节电容可以振荡频率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 但同时会影响起振条件 因此 这种电 路适用于固定频率的振荡 4 3 电容式三点式振荡电路电容式三点式振荡电路 4 31 电容三点式振荡电路简介电容三点式振荡电路简介 电容三点式振荡器是是指 LC 回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而组成 的一种振荡器 用于产生高频 稳定的正弦波 反馈电压中高次谐波分量很小 因而 输出波形好 接近正弦波 反馈系数因与回路电容有关 如果用该变回路的方法来调 整振荡频率 必将改变反馈系数 从而影响起振 江苏科技大学本科毕业设计 论文 17 图 4 4 是一电容三点式振荡器的实际电路 图中 R 1bR2bReCe 为偏置电阻和旁路电容或直流电容 如第三章互感耦合振荡器一样 这些数据都Cb 是决定的是电路起振初期的静态工作点 而图 4 5 是其高频等效电路 图中忽略了大电阻的作用 与图 4 4RR b21b 相比 显然满足三点式振荡器的相位平衡条件 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 AF 1 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 总的来说 反馈取自电容 输出取自 该振荡器的振荡频率为 2C1C o f 12 12 1 2 o CC f LC C 反馈系数 F 为 1 2 C F C 图 4 5 江苏科技大学本科毕业设计 论文 18 4 3 2 电容三点式振荡电路小信号模型分析电容三点式振荡电路小信号模型分析 在高频等效电路中 流过电容的电流远大于流过电阻的电流 所以流过电阻的交 流电流可以忽略不计 所以高频微变等效电路如图 4 6 所示 图 4 6 反馈系数 回路总电容 回路的谐振频率 可 C C C C F 2 1 1 2 jw 1 jw 1 CC CC C 21 21 LC 2 1 f0 以近似的把回路的谐振频率看成电路的振荡频率 4 33 电容三点式振荡电路的仿真电容三点式振荡电路的仿真 仿真电路图如图 4 7 所示 图 4 7 仿真结果 1 仿真波形 rbe ib c1 L c2 江苏科技大学本科毕业设计 论文 19 2 频谱图 4 34 电容三点式振荡电路的实验电容三点式振荡电路的实验 如图 4 7 所示 k12 1bR k1 5 2bR 001 eR nF47 b C uF47 C L nF10 e C uF01 0 2 C uH8 L 当 即反馈系数时 nF10 1 C 1 2 1 C C F 波形图如下图所示 频谱图如下图所示 1 19Mhzf V22 5 U 频谱数据 当 f 1 2Mhz 时 U 4 2v 江苏科技大学本科毕业设计 论文 20 当 f 2 3Mhz 时 U 3 6mv 当 f 3 5Mhz 时 U 2 4mv 当 f 4 7Mhz 时 U 2mv 当 f 5 8Mkhz 时 U 3 2mv 当 即反馈系数时 nF5 1 C 2 1 2 1 C C F 波形图如下图所示 频谱图如下图所示 1 44Mhzf V44 5 U 频谱数据 当 f 1 4Mhz 时 U 4 4v 当 f 2 8Mhz 时 U 4mv 当 f 4 5Mhz 时 U 4mv 当 f 7 2Mhz 时 U 6mv 当 即反馈系数时 nF3 3 1 C 33 0 2 1 C C F 波形图如下图所示 频谱图如下图所示 江苏科技大学本科毕业设计 论文 21 1 65Mhzf V60 5 U 频谱数据 当 f 1 6Mhz 时 U 4 8v 当 f 4 8Mhz 时 U 4mv 当 f 6 4Mhz 时 U 4 5mv 当 f 9 5Mhz 时 U 3mv 当 即反馈系数时 nF1 1 C 1 0 2 1 C C F 波形图如下图所示 频谱图如下图所示 Mhz7 2f V52 6 U 频谱数据 当 f 2 5Mhz 时 U 5 7v 当 f 5Mhz 时 U 4mv 结论 有实验可知 在不变的情况下 电容减小 也就是反馈系数减小 振荡 C2C1 江苏科技大学本科毕业设计 论文 22 总电容减小 导致 振荡频率增加 波形变好 谐波分量数目减少 谐波分量幅度也 在减小 越来越趋向于正弦波 电容三点式振荡器的反馈电压取自 二电容对晶体管非线性特性产生的高次谐 C2 波呈低阻抗 所以反馈电压中高次谐波分量很少 因而输出波形好 接近于正弦波 电容三点式振荡电路能够振荡的最高频率较高 因为极间电容与 并联 频率 C1C2 变化时阻抗性质不变 相位平衡不会被破坏 但因为反馈系数与回路电容有关 如果 用改变回路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 4 4 电感式三点式振荡电路电感式三点式振荡电路 4 41 电感三点式振荡电路简介电感三点式振荡电路简介 图 4 8 是一电感三点式振荡器的实际电路 在高频交流通路中 因电源处于高 Ec 频的电位 由于旁落电容的作用 晶体管发射极度高频来说是与 的抽头相 CeL1L2 连的 其高频电路如图 4 9 所示 图中忽略了大电阻图中的作用 与图 4 RRbb21 9 a 相比 显然满足三点式振荡器的相位平衡条件 图4 8中 Rb1 Rb2和 Re 为分压式偏置电阻 Cb 和 Ce 分别为隔直流电容和旁路 电容 L1 L2和 C 组成并联谐振回路 作为集电极交流负载 谐振回路的三个端点分 别与晶体管的三个电极相连 符合三点式振荡器的组成原则 由于反馈信号由电感 uf 线圈 L2取得 故称为电感反馈三点式振荡器 Ec 图 4 8图 4 9 江苏科技大学本科毕业设计 论文 23 4 4 2 电感三点式振荡电路小信号模型分析电感三点式振荡电路小信号模型分析 在高频等效电路中 流过电容的电流远大于流过电阻的电流 所以刘国电阻的电 流可以忽略不计 所以高频微变等效电路如图 4 10 所示 图 4 10 反馈系数 回路总电感 回路的谐振频率 可 L L L L M M F 2 1 1 2 LL L 21 LC 2 1 f0 以近似的把回路的谐振频率看成电路的振荡频率 4 4 3 电感三点式振荡电路的仿真电感三点式振荡电路的仿真 仿真电路图如图 4 11 图 4 11 仿真结果 1 仿真波形 rbe ib L1 C L2 江苏科技大学本科毕业设计 论文 24 2 频谱图 4 44 电感三点式振荡电路的实验电感三点式振荡电路的实验 如图 4 11 所示 k12 1bR k1 5 2bR 001 eR nF47 b C nF10 e C uH45 1 L nH10 C 当 即反馈系数时 uH45 2 L 1 1 2 L L F 波形图如下图所示 频谱图如下图所示 hz178fK V8 8U 频谱数据 当 f 180Khz 时 U 5 4v 当 f 360Khz 时 U 220mv 当 f 550Khz 时 U 220mv 当 f 750Khz 时 U 100mv 江苏科技大学本科毕业设计 论文 25 当 f 950Kkhz 时 U 40mv 当 即反馈系数时 uH22 2 L 2 1 1 2 L L F 波形图如下图所示 频谱图如下图所示 hz196fK V44 9U 频谱数据 当 f 200Khz 时 U 6 5v 当 f 390Khz 时 U 80mv 当 f 580Khz 时 U 120mv 当 f 760Khz 时 U 70mv 当 即反馈系数时 uH15 2 L 3 1 1 2 L L F 波形图如下图所示 频谱图如下图所示 江苏科技大学本科毕业设计 论文 26 hz210fK V52 9 U 频谱数据 当 f 180Khz 时 U 8 3v 当 f 400Khz 时 U 40mv 当 f 590Khz 时 U 80mv 当 f 780Khz 时 U 60mv 当 即反馈系数时 uH9 2 L 5 1 1 2 L L F 波形图如下图所示 频谱图如下图所示 hz218fK V52 9U 频谱数据 当 f 220Khz 时 U 8 8v 当 f 600Khz 时 U 40mv 当 f 800Khz 时 U 40mv 结论 有实验可知 在不变的情况下 电感减小 也就是反馈系数减小 振荡 L1L2 总电感减小 导致振荡频率增加 波形变好 谐波分量数目减少 谐波分量幅度也在 减小 越来越趋向于正弦波 电感三点式振荡器便于用改变电容的方法来调整振荡频率 而不会影响反馈系数 因为反馈电压取自 而电感线圈对高次谐波呈现高阻抗 所以反馈电压中高次谐波 L2 分量较多 输出波形较差 并且电感三点式振荡电器能够振荡的最高频率较低 这是 因为在电感三点式振荡器中 晶体管的极间电容与 并联 当频率高时 极间 L1L2 江苏科技大学本科毕业设计 论文 27 电容影响较大 可能使支路电抗性质改变 从而不能满足相位平衡条件 4 5 结论结论 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 2 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 总的来说 电容三点式振荡电路输出波形好 接近于正弦波 能够振荡的最高频 率通常较高 但是不能用改变电容的方法来调整振荡频率 且不容易起振 电感三点 式振荡电路可以使用改变电容的方法来调整振荡频率 容易起振 但是输出波形较差 能够振荡的最高频率通常较低 原因 振荡器在稳定振荡时 晶体管工作在非线性状 态 在回路中除有基波电压外还存在少量谐波电压 对电容反馈振荡器 由于反馈是 由电容产生的 所以高次谐波在电容上产生的反馈压降较小 而对电感反馈振荡器 反馈是由电感产生的 所以高次谐波在电感上产生的反馈压降较大 因此电容反馈振 荡器的输出波形比电感反馈振荡器的输出波形要好 但是从上两节来看 作者发现一个共同点 就是对于三点式电路来说 不管是电 容三点式振荡电路还是点电感三点式振荡电路 在他们能够起振的情况下 如果减少 它们的的反馈系数 那么 电感三点式振荡电路产生的波形也会变好 接近于正弦波 相反 如果增大它们的反馈系数 电容三点式振荡电路产生的波形同样也会变差 江苏科技大学本科毕业设计 论文 28 第五章第五章 改进型电容三点式振荡电路改进型电容三点式振荡电路 5 1 改进型电容三点式振荡电路简介改进型电容三点式振荡电路简介 电容三点式振荡电路虽然电路简单 能够振荡的频率范围宽 而且还波形好 接 近于正弦波 能够振荡的最高频率较高 在很多场合都得到了广泛的应用 但是从频 率稳定度这个方面上来看 还存在着一些缺点 因为由于振荡器的振荡频率取决于谐振回路的谐振频率 只要能够影响到谐振回 路的谐振频率 都能够使得振荡器的针对那个频率改变 也就是说 频率稳定度不够 而在电容三点式振荡电路中 使用的是晶体管的极间电容直接和回路元件 L c1 并联 而结电容受温度 电压 电流变化的影响较大 因此如何减小晶体管的输入 c2 输出电容对增大频率稳定是一个必须克服的问题 而且振荡回路工作频率的改变 若 江苏科技大学本科毕业设计 论文 29 用调或实现时 反馈系数也将改变 使振荡器的频率稳定度不高 c1c2 于是出现了两种改进型电容三点式振荡电路 克拉泼振荡电路和西勒振荡电路 5 1 克拉泼振荡电路克拉泼振荡电路 5 1 1 克拉泼振荡电路简介克拉泼振荡电路简介 图 5 1 是克拉泼电路的实用电路 如果忽略与的影响可以得到其高频等效 RcRe 电路图 5 2 与电容三点式振荡电路相比 克拉泼振荡电路在回路中增加了一个与电感 串联的电容 与电感的串联电路在振荡频率上等效为一个电感 整个回路仍L c3c3 L 属于电感三点式振荡电路 5 1 2 克拉泼振荡电路分析克拉泼振荡电路分析 由图 5 2 可知 电容和只是整个谐振回路电容的一部分 或者说 晶体管 C1C2 以部分接入的方式与回路相连 这就减弱了晶体管与回路的耦合 当和的电容 C1C2 值远大于时 振荡回路的总电容 近似等于 C3CCC C 321 C3 相对而言 和对振荡频率的影响便大大减小了 所以振荡频率 C1C2 c3 2 1 f L 由此可见克拉泼振荡电路的振荡频率几乎与和无关 所以克拉泼振荡电路 C1C2 的频率稳定度比电容三点式电路要好 克拉泼振荡电路的反馈系数仍为 c c 2 1 F 图 5 1 图 5 2 江苏科技大学本科毕业设计 论文 30 从减小晶体管的极间电容的影响出发 必须满足及远远大于 也就是 C1C2C3 说和都要选择较大 可以通过调节来改变振荡频率 可以看出 当减 C1C2C3fsC3 小时 振荡频率随之增高 但同时振荡幅度显著下降 甚至停振 这就是最高振荡 fs 频率受到限制 总的来说 克拉泼振荡电路由三个缺点 1 和如果过大 则振荡幅度降低 C1C2 2 当减小来提高振荡频率时 振荡幅度显著下降 当降小到一定程 C3fsC3 度 可能停振 影响可以振荡的最高频率 3 在克拉泼振荡电路中 可变电容可以改变其振荡频率和工作波段 当改 C3 变时 振荡器在波段范围内振荡的幅度变化也较大 使所调波幅度范围内输出信号 C3 的幅度不稳定 因此可以调节的频率范围不够宽 频率覆盖不够 所以克拉泼振荡电 路只能用作固定频率振荡器或波段覆盖系数较小的可变频率振荡器 5 1 3 克拉泼振荡电路仿真克拉泼振荡电路仿真 仿真电路图如图 5 3 所示 图 5 3 仿真结果 一 仿真波形 江苏科技大学本科毕业设计 论文 31 二 仿真频谱 5 1 4 克拉泼振荡电路的实验克拉泼振荡电路的实验 如图 5 3 所示 k12 1bR k1 5 2bR 001 cR 001 eR nF47 b C nF10 e C uF01 0 1 C nF10 2 C nF2 0 3 C uH30 L 反馈系数 接入系数 C C F 2 1 CC 13 ce p 振荡频率 hz05 2 2 1 f 3 M LC 实验波形 频谱图 江苏科技大学本科毕业设计 论文 32 实际频率 f 1 946Mhz 幅度 u 1 1v 频谱数据 当 f 2Mhz 时 u 74mv 其他次谐波基本为零 5 2 西勒振荡电路西勒振荡电路 5 2 1 西勒振荡电路简介西勒振荡电路简介 图5 4是西勒电路的实用电路 它是专门针对克拉泼振荡电路的缺点而改进的 如 果忽略与的影响可以得到其高频等效电路图5 5 与克拉泼振荡电路相比 西勒 RcRe 振荡电路不仅在回路中串联了一个与电感串联了一个电容 而且在回路中增加了L C3 一个与电感并联的可变电容 整个回路仍属于电感三点式振荡电路 L C4 5 2 2 西勒振荡电路分析西勒振荡电路分析 由图 5 5 可知 这些元器件满足 及远远大于 及远远大于 C1C2C3C1C2C4 谐振回路总电感是 总电容是 近似等于 而和相L CCCC C 4321 CC 43 C3C4 差不大 就可以通过改变电容的值来改变振荡电路的振荡频率 C4 图 5 4图 5 5 江苏科技大学本科毕业设计 论文 33 所以振荡频率 接入系数 2 1 f 43C C L CC 13 ce p 整个振荡电路的反馈系数仍为 c c 2 1 F 由此可见 西勒振荡电路的振荡频率几乎与和无关 所以西勒振荡电路的 C1C2 频率稳定度比电容三点式电路要好 幅度平稳性大为改善 输出电压振幅稳定 其波 段覆盖够宽 可以用做波段振荡器 但是因为频率调节是通过改变来实现的 所以不能和相差太多 否则 C4C3C4 振荡器的振荡频率就由和决定 就使得频率覆盖范围变小 也不能够太大 要远 C3 L 远小于及 否则就会使得振荡电路频率稳定度不高 也不能够太小 否则振荡 C1C2 幅度显著下降 甚至停振 西勒振荡电路是电容三点式的改进电路 它克服了电容三点式振荡电路的频率稳 定度不高的特点 也克服了克拉泼振荡电路频率覆盖范围较窄的缺点 因为西勒振荡电路频率稳定度高 可以振荡的最高振荡频率较高 频率和波段覆 盖范围较广 在整个波段覆盖范围内幅度都比较平稳 所以在短波 超短波通信机 电视接收机等高频设备中都得到了广泛的应用 5 1 3 克拉泼振荡电路仿真克拉泼振荡电路仿真 仿真电路图如图 5 6 所示 仿真结果 一 仿真波形 图 5 6 江苏科技大学本科毕业设计 论文 34 二 仿真频谱 5 1 4 克拉泼振荡电路的实验克拉泼振荡电路的实验 如图 5 6 所示 k12 1bR k1 5 2bR 001 cR 001 eR nF47 b C 可变 uF01 0 1 C nF10 2 C nF2 0 3 C nF2 0 3 C uH30 L 反馈系数 接入系数 C C F 2 1 CC 13 ce p 振荡频率 hz05 2 2 1 f 3 M LC 实验波形 频谱图 江苏科技大学本科毕业设计 论文 35 实际频率 f 1 600Mhz 幅度 u 560mv 频谱数据 当 f 1 56Mhz 时 u 400mv 当 f 3 25Mhz 时 u 30mv 其他次谐波基本为零 第六章第六章 电路的设计电路的设计 江苏科技大学本科毕业设计 论文 36 6 1 设计任务设计任务 在掌握互感耦合电路 电容三点式振荡电路和电感三点式振荡电路掌握它们的优 缺点的基础上研究 设计一 设计制作一个小功率 频率高于 100MHz 的无线发射器 设计二 设计制作一个波型好易起振频率覆盖宽的 LC 振荡器 频率范围 0 5 1 5MHz 可 调 输出幅度 0 0 1V 可调 6 2 设计一设计一 6 2 1 电路的选择电路的选择 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 设计一个小功率频率高于百兆的无线发射器 所以把电感三点式排除在外 电感 三点式可以振荡的最高频率较低 而变压器反馈式振荡电路谐振回路电容电感搭配 线圈圈数太少的话 不能起振 而线圈圈数太多的话 就电感太大 达不到百兆的