电感三点式振荡器 20MmHZ 8MHZ.doc

高频电子线路课程设计说明书（论文）设计题目：电感三点式正弦波振荡器院 别：电气工程学院专 业：电子信息工程技术姓 名：孔令龙学 号：1005040118班 级：电子信息起讫时间：2012.6.11-6.15指导教师：韩江宁黑龙江职业学院课程设计任务书学生姓名孔令龙专业班级10级电子信息班学号1005040118指导教师韩江宁设计地点教室设计题目电感三点式正弦波震荡器设计设计任务与要求（包括原始数据、技术参数；设计要求，设计计算说明书（或论文）、图纸、实物样品等）： 任务：采用晶体三极管或集成电路、场效应管构成高频电感三点式正弦波振荡器；额定电源电压5.0V ，电流13mA；输出频率 8 MHz （频率具较大的变化范围）；有缓冲级，在100欧姆负载下，振荡器输出电压 1 V ；要求：1、确定设计方案。查阅资料，画出方框图。2、单元电路设计。按一定顺序对方框图中各单元电路进行设计。具体工作内容：确定电路结构、主要元器件的功能、主要参数及其基本工作过程。 3、整机电路设计。按着整体功能要求将各个单元电路有机地连接在一起，同时要兼顾各相邻两个电路间的输出或输入信号及相关参数的配合。(整机电路图用A3号图纸绘制) 4、编写设计说明书。说明书包括：设计任务分析、设计方案简述、单元电路及整机电路设计图文材料，整机原理叙述等。5、格式要求：封皮、目录、正文。从目录页开始进行编号。一律用A4打印纸编写。写好的说明书进行装订后，装于档案袋中。进度安排（包括时间划分和各阶段主要工作内容）第1天 布置任务分组查阅资料第2天 根据原理电路图进行计算第3天 根据原理电路图进行计算第4天 书写LC调频振荡器的论文(电子版和手写版各一份)第5天 画出设计电路图院（或教研室）审核意见：审核人签名及系公章： 年 月 日任务下达人（签字） 韩江宁 年 月 日任务接受人（签字）年 月 日备注：1.本任务书由指导教师填写相关栏目，经系审核同意后，交学生根据要求完成设计任务。 2.本任务书装订于课程设计封面之后，目录页之前。目录引言31正弦波振荡器41.1 反馈振荡器产生振荡的原因及其工作原理41.2平衡条件51.3起振条件51.4稳定条件52.电感三点式振荡器72.1三点式振荡器的组成原则72.2电感三点式振荡器723 振荡器设计的模块分析81）晶体管的选择92）直流馈电线路的选择92.4 射极跟随器模块分析103 仿真软件Multisim11.0 简介113.1 Multisim 基本概念113.2 Multisim 软件启动界面113.3 Multisim 仿真软件的特点111）直观的图形界面122）丰富的元器件123）强大的仿真能力124）丰富的测试仪器126）独特的射频(RF)模块137）强大的MCU模块138）完善的后处理139）详细的报告1310）兼容性好的信息转换134 仿真与制作154.1仿真154.2分析调试18心得体会19附录：20 引言在现代社会中，信息传递的作用日益变的重要。这就要求我们改进信息传递的方式，从而使信息的传递更加迅速，更加准确，更加安全。无线电通信的发展，信息加密技术的改进这些为迅速准确的通信带来了便利。毋庸置疑，无线电技术带来了信息交流方面的一次伟大变革。在本课程设计中，着眼于无线电通信的基础电路LC正弦振荡器的分析和研究。常用正弦波振荡器主要由决定振荡频率的选频网络和维持振荡的正反馈放大器组成,这就是反馈振荡器。按照选频网络所采用元件的不同， 正弦波振荡器可分为 LC 振荡器、RC振荡器和晶体振荡器等类型。其中 LC 振荡器和晶体振荡器用于产生高频正弦波。正反馈放大器既可以由晶体管、场效应管等分立器件组成，也可以由集成电路组成。LC振荡器中除了有互感耦合反馈型振荡器之外，其最基本的就是三端式（又称三点式）的振荡器。而三点式的振荡器中又有电容三点式振荡器和电感三点式振荡器这两种基本类型。反馈振荡器是一种常用的正弦波振荡器，主要由决定振荡频率的选频网络和维持振荡的正反馈放大器组成。按照选频网络所采用元件的不同，正弦波振荡器可分为LC振荡器、RC振荡器和晶体振荡器等类型。本文介绍了高频电感三点式振荡器电路的原理及设计，电感三点式容易起振，调整频率方便，变电容而不影响反馈系数。正弦波振荡器在各种电子设备中有着广泛的应用。例如，无线发射机中的载波信号源，接收设备中的本地振荡信号源，各种测量仪器如信号发生器、频率计、fT测试仪中的核心部分以及自动控制环节，都离不开正弦波振荡器。根据所产生的波形不同，可将振荡器分成正弦波振荡器和非正弦波振荡器两大类。前者能产生正弦波，后者能产生矩形波、三角波、锯齿波等。本文将简单介绍一种利用一款名为Multisim 10.0的软件作为电路设计的仿真软件，电容电感以及其他电子器件构成的高频电感三点式正弦波振荡器。电路中采用了晶体三极管作为电路的放大器，电路的额定电源电压为5.0 V，电流为13 mA，电路可输出输出频率为8 MHz（该频率具有较大的变化范围）。1正弦波振荡器振荡器是一种能自动地将直流电源能量转换为一定波形的交变振荡信号能量的转换电路。与放大器的区别：无需外加激励信号，就能产生具有一定频率、波形和振幅的交流信号。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。正弦波振荡器按工作原理可分为反馈式振荡器与负阻式振荡器两大类。反馈式振荡器是在放大器电路中加入正反馈，当正反馈足够大时，放大器产生振荡，变成振荡器。所谓产生振荡是指这时放大器不需要外加激励信号，而是由本身的正反馈信号来代替外加激励信号的作用。负阻式振荡器则是将一个呈现负阻特性的有源器件直接与谐振电路相接，产生振荡。1.1 反馈振荡器产生振荡的原因及其工作原理反馈型振荡器是通过正反馈联接方式实现等幅正弦振荡的电路。这种电路由两部分组成，一是放大电路，二是反馈网络。图2.1所示为反馈振荡器构成方框图及相应电路。由图可知，当开关S在 1 的位置，放大器的输入端外加一定频率和幅度的正弦波信号Ui，这一信号经放大器放大后，在输出端产生输出信号UO，若UO经反馈网络并在反馈网络输出端得到的反馈信号Uf与Ui不仅大小相等，而且相位也相同，即实现了正反馈。若此时除去外加信号，将开关由 1 端转接到 2 端，使放大器和反馈网络构成一个闭环系统，那么，在没有外加信号的情况下，输出端仍可维持一定幅度的电压UO输出，从而实现了自激振荡的目的。图1.1 反馈振荡器的结构网络图为了使振荡器的输出UO为一个固定频率的正弦波，图 2.1 所示的闭合环路内必须含有选频网络，使得只有选频网络中心频率的信号满足Uf与Ui相同的条件而产生自激振荡，对其他频率的信号不满足Uf与Ui相同的条件而不产生振荡。 选频网络可与放大器相结合构成选频放大器，也可与选频网络相结合构成选频反馈网络。1.2平衡条件振荡器的平衡条件即为也可以表示为 即为振幅平衡条件和相位平衡条件。平衡状态下，电源供给的能量正好抵消整个环路损耗的能量，平衡时输出幅度将不在变化：振幅平衡条件决定了振荡器输出信号振幅的大小；环路只有在某一特定的频率上才能满足相位平衡条件：相位平衡条件决定了振荡器输出信号频率的大小。1.3起振条件振荡器在实际应用时不应有外加信号，而应是一加上电后即产生输出；振荡的最初来源是振荡器在接通电源时不可避免地存在的电冲击及各种热噪声。振荡开始时激励信号很弱，为使振荡过程中输出幅度不断增加，应使反馈回来的信号比输入到放大器的信号大，即振荡开始时应为增幅振荡。 由可知，称为自激振荡的起振条件，也可写为 分别称为起振的振幅条件和相位条件，其中起振的相位条件即为正反馈条件。1.4稳定条件振荡器的稳定条件分为振幅稳定条件和相位稳定条件。(1)振幅稳定条件 要使振幅稳定，振荡器在其平衡点必须具有阻止振幅变化的能力。具体来说，就是在平衡点附近，当不稳定因素使振幅增大时，环路增益将减小，从而使振幅减小。(2)相位稳定条件 振荡器的相位平衡条件是T（0）。 在振荡器工作时, 某些不稳定因素可能破坏这一平衡条件。如电源电压的波动或工作点的变化可能使晶体管内部电容参数发生变化, 从而造成相位的变化, 产生一个偏移量。 由于瞬时角频率是瞬时相位的导数, 所以瞬时角频率也将随着发生变化。为了保证相位稳定, 要求振荡器的相频特性T（）在振荡频率点应具有阻止相位变化的能力。具体来说, 在平衡点=0附近, 当不稳定因素使瞬时角频率增大时, 相频特性T（0）应产生一个-, 从而产生一个-, 使瞬时角频率减小。 2.电感三点式振荡器 2.1三点式振荡器的组成原则 基本电路就是通常所说的三端式(又称三点式)的振荡器，即LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而成的电路，如图3.1所示。X1、X2、X3三个电抗元件构成了决定振荡频率的并联谐振回路，同时也构成了正反馈所需的反馈网络。 根据谐振回路的性质，谐振时回路应呈纯电阻性，因而有三个电抗元件不能同时为感抗或容抗，必须由两种不同性质的电抗元件组成。图2.1反馈网络三端式振荡器能否振荡的原则：（1）X1和 X2的电抗性质相同；（2）X3与X1、 X2的电抗性质相反。即射同余异，源同余异。2.2电感三点式振荡器 X1和X2为感性，X3为容性，满足三端式振荡器的组成原则，反馈网络是由电感元件完成的，称为电感反馈振荡器，也称为哈特莱(Hartley)振荡器。 (a) 电容反馈振荡器 (b) 电感反馈振荡器图 2.2是两种基本的三端式振荡器 (a) 实际电路 (b) 交流等效电路(c) 高频等效电路图2.3是电感反馈振荡器电路的电感反馈振荡器中，电感通常是绕在同一带磁芯的骨架上，它们之间存在互感，用M表示。同电容反馈振荡器的分析一样，振荡器的振荡频率可以用回路的谐振频率近似表示，即式中的L为回路的总电感， 由相位平衡条件分析，振荡器的振荡频率表达式为 式中的与电容反馈振荡器相同，表示除晶体管以外的电路中所有电导折算到CE两端后的总电导。振荡频率近似用回路的谐振频率表示时其偏差较小，而且线圈耦合越紧，偏差越小。电感反馈式三端振荡器优点(1)容易起振 (2)调整频率方便，变电容而不影响反馈系数。缺点(1) 振荡波形不够好，高次谐波反馈较强，波形失真较大。 (2) 不适于很高频率工作。23 振荡器设计的模块分析图2.4 振荡电路模块原理图如图3.4所示即为设计的第一个模块，也是此次设计的主要模块振荡电路模块。与前面的对振荡器电路的分析一样，图3.2中的R1、R2和R3均为电路的偏置电阻，C1、C2分别为旁路电容和隔直流电容，而C1、L1和L2的连接方式也符合电感三点式振荡器的原则，因此整个电路就构成了设计所需要的振荡电路。由振荡器的原理可以看出，振荡器实际上是一个具有反馈的非线性系统，精确计算是很困难的，而且也是不必要的。因此，振荡器的设计通常是进行一些设计考虑和近似估算，选择合理的线路和工作点，确定元件的参数值，而工作状态和元件的准确数值需要在调试中最后确定。设计时一般都要考虑一下一些问题：1）晶体管的选择从稳频的角度出发，应选择较高的晶体管，这样的晶体管内部相移较小。通常选择。同时希望电流放大系数大些，这既容易振荡，也便于减小晶体管和回路之间的耦合。算然不要求振荡器中的晶体管输出多大的功率，但考虑到稳频等因素，晶体管的额定功率也应有足够的余量。因此，在本次设计中将会 选取2N2222作为振荡电路的三极管。该三极管的集电极电流最大值为800mA，在25时其功率可达到0.5W，最大集电极电压可达30V，足够满足此次设计的各方面要求。2）直流馈电线路的选择为保证振荡器起振的振幅条件，起振工作点应设置在线性放大区；从稳频出发，稳定状态应该在截至区，而不应在饱和区，否则回路的有载品质因数QL将降低。所以，通常应将晶体管的静态偏置点设置在小电流区，电路应采用自偏压。对于小功率晶体管，集电极电流约为1-4mA。3）振荡回路元件的选择从稳频出发，振荡回路中电容C应尽可能大，但C过大，不利于波段工作，因此，前页图3.2中各电容均选为0.1uF已经可以满足电路的设计要求。而电感L原本也应尽可能大，但L大后，体积大，分布电容大，L过小，回路的品质因数过小，因此应该合理选择L的大小。根据此次设计的要求，输出频率为8MHz，由计算公式 （式中L=L1+L2+2M,M为L1和L2之间的互感）以及反馈系数的要求，按照图3.2中所示选取L1=2.2uH,L2=0.5uH应该能够满足设计的要求。2.4 射极跟随器模块分析相对前面介绍的振荡电路模块而言，射极跟随器模块就显得非常简单了，它是有一个反馈电阻和一个晶体三极管共同组成，如图3.3所示。三极管在电路中基本上不会对输入的信号产生太大的影响，也不会对电路输出的振荡信号起多大的放大作用，其主要功能就是构成射极跟随器，提高电路的带负载能力。图2.3 射极跟随器模块原理图3 仿真软件Multisim11.0 简介3.1 Multisim 基本概念Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。3.2 Multisim 软件启动界面如图1.1 所示，即为Multisim软件的启动界面图。图3.1 Multisim软件的启动界面图3.3 Multisim 仿真软件的特点Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，与其他仿真软件相比，Multisim具有其自身特点。NI Multisim软件是一个专门用于电子电路仿真与设计的EDA工具软件。作为 Windows 下运行的个人桌面电子设计工具，NI Multisim 是一个完整的集成化设计环境。NI 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。学员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。NI Multisim软件绝对是电子学教学的首选软件工具。 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； 2）丰富的元器件 提供了世界主流元件提供商的超过17000多种元件，同时能方便的对元件各种参数进行编辑修改，能利用模型生成器以及代码模式创建模型等功能，创建自己的元器件。 3）强大的仿真能力 以SPICE3F5和Xspice的内核作为仿真的引擎，通过Electronic workbench 带有的增强设计功能将数字和混合模式的仿真性能进行优化。包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、电路向导等功能。 4）丰富的测试仪器 提供了22种虚拟仪器进行电路动作的测量： Multimeter(万用表) Function Generatoer(函数信号发生器) Wattmeter(瓦特表) Oscilloscope(示波器) Bode Plotter(波特仪) Word Generator(字符发生器) Parameter Sweep Analysis（参数扫描分析） Temperature Sweep Analysis（温度扫描分析） Transfer Function Analysis（传输函数分析） Worst Case Analysis（最差情况分析） Pole Zero Analysis（零级分析） Monte Carlo Analysis（蒙特卡罗分析） Trace Width Analysis（线宽分析） Nested Sweep Analysis（嵌套扫描分析） Batched Analysis（批处理分析） User Defined Analysis（用户自定义分析） 它们利用仿真产生的数据执行分析，分析范围很广，从基本的到极端的到不常见的都有，并可以将一个分析作为另一个分析的一部分的自动执行。集成LabVIEW和Signalexpress快速进行原型开发和测试设计，具有符合行业标准的交互式测量和分析功能； 6）独特的射频(RF)模块 提供基本射频电路的设计、分析和仿真。射频模块由RF-specific（射频特殊元件，包括自定义的RF SPICE模型）、用于创建用户自定义的RF模型的模型生成器、两个RF-specific仪器（Spectrum Analyzer频谱分析仪和Network Analyzer网络分析仪）、一些RF-specific分析（电路特性、匹配网络单元、噪声系数）等组成； 7）强大的MCU模块 支持4种类型的单片机芯片,支持对外部RAM、外部ROM、键盘和LCD等外围设备的仿真，分别对4 种类型芯片提供汇编和编译支持；所建项目支持C代码、汇编代码以及16进制代码,并兼容第三方工具源代码； 包含设置断点、单步运行、查看和编辑内部RAM、特殊功能寄存器等高级调试功能。 8）完善的后处理 对分析结果进行的数学运算操作类型包括算术运算、三角运算、指数运行、对数运算、复合运算、向量运算和逻辑运算等； 9）详细的报告 能够呈现材料清单、元件详细报告、网络报表、原理图统计报告、多余门电路报告、模型数据报告、交叉报表7种报告；10）兼容性好的信息转换 提供了转换原理图和仿真数据到其他程序的方法，可以输出原理图到PCB布线（如Ultiboard、OrCAD、PADS Layout2005、P-CAD和Protel）；输出仿真结果到MathCAD、Excel或LabVIEW；输出网络表文件；向前和返回注；提供Internet Design Sharing（互联网共享文件）总的来说，Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim中完整的器件库，用户可以快速创建原理图，并利用工业标准SPICE仿真器仿真电路。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，电路设计者能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。4 仿真与制作4.1仿真在课程设计中，使用的仿真软件为multisim11.0。该软件提供了功能强大的电子仿真设计界面和方便的电路图和文件管理功能。能够让使用者全面的收集电路的相关数据，进而有助于对电路进行改进。仿真电路如图5.1：图4.1 8MHZMZ震荡电路原理图取电感L1，L2的值为0.33UH 0.1UH,只要开环增益A1,即可起振。若使振荡频率f=8MHz，有公式=1/得，此时电容C=800PF。为保证三极管能够正常放大，要合理设置静态偏置，取R1=10k，R2=100 k，Vb=R2/（R1+R2）,Ve=Vb-0.7,Ve=5V,VeVbVc,发射级正偏，集电极反偏，三极管处于放大区。为了防止高频信号干扰直流电源，故接一滤波电容C5以消除影响。由于频率较高，如果在输出端直接接示波器，由于示波器电容的影响，振荡回路频率将发生变化。为了减少示波器对振荡回路的影响，故加入射级跟随器。旁路电容C4、C6均取0.1uf，起到隔直通交的作用。仿真示波器显示如图5.2：图4.2 8MHZ波形显示加入缓冲级之后的仿真结果，可以看出正弦波明显变得平滑，失真度变小，且输出电压峰峰值接近2V，但频率未变，基本满足实验要求。修改参数可以使震荡频率达到20MHZ，但是信号质量不好，有严重的失真。原理图如下图5.3图4.3 20MHZ电感三点式振荡器原理图仿真示波器显示如下图4.4示波器显示 图4.520MHZ信号质量 图4.6 8MHZ信号质量当电容C很小时，输出频率可以达到很高（20MZH），但是输出波形产生了越来越明显的失真，如上图所示。这说明电感三点式正弦波振荡器在很高振荡频率状态下的反馈电压中高次谐波分量较多，导致输出波形差。4.2分析调试由仿真波形可见，电感电感三点式振荡器存在一定的失真，这是由其本身的缺点造成的。由于晶体管存在极间电容，对电感反馈振荡器，极间电容与回路电感并联，在频率高时极间电容影响大，有可能使电抗的性质改变，电感反馈振荡器的工作频率不能过高；电容反馈振荡器，其极间电容与回路电容并联，不存在电抗性质改变的问题，工作频率可以较高。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（其大小与回路Q值有关）。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。5改变电容能够调整振荡器的工作频率。电容反馈振荡器在改变频率时，反馈系数也将改变，会影响振荡器的振幅起振条件，故电容反馈振荡器一般工作在固定频率；电感反馈振荡器在改变频率时，并不影响反馈系数，工作频带较电容反馈振荡器的宽。但电感反馈振荡器的工作频带不会很宽，因为改变频率将改变回路的谐振阻抗，可能使振荡器停振。心得体会通过本次课程设计，我学到很多东西，提高了我们的逻辑思维能力，使我们在高频电路的分析与设计上