电感三点式振荡器设计.doc

第 13 页 共 14 页目 录引言11 设计要求12 设计构思及理论12.1 设计思路12.2 设计构思的理论依据33 系统电路的设计及原理说明43.1 系统框图及说明43.2 电路设计说明53.3 关键元器件的介绍54 仿真验证叙述及效果分析54.1 仿真电路54.2 仿真运行结果65 工程设计66 制作（特点）叙述77 调试测试分析78 结束语7谢 辞9参考文献10附图11引言三点式振荡电路是指电容或电感（反馈部分）的3个段分别接晶体管的三个极，故称为三点式振荡电路。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。本次试验采用共基放大电路与电感三点式震荡回路结合成基本振荡器，再在后级加个共基放大电路来带动负载，并利用电容和电感的特性来改善输出波形。其特点是：1.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，一般用于产生几十兆赫兹以下的正弦波。3.输出波形较差。1 设计要求（1）要实现的功能：设计一个电感三点式振荡器，产生10MHz的震荡频率，并能带动620欧的负载。（2）要求达到的技术指标：振荡频率f0=10MHz，输出频率电压U00.5Vpp/620欧；输出波形为正弦波（无明显失真）；供电电压Vcc=12V。（3）完成要求：设计与制作可供实际检测的实物样品，并且按要求完成课程设计报告。2 设计构思及理论2.1 设计思路要设计一个电感三点式振荡电路，可以有几个电容和电感还有一个三极管和一个后级放大电路来达到要求。用改变电容的方法来调整震荡频率，方便调试而不会影响反馈系数，可以是波形输出更加稳定而没有明显的失真现象。但是为了达到输出频率电压技术指标，加一个共基放大电路，提高输出电压幅度。1.电路组成如图所示为电感三点式振荡电路的原理图。这种电路的LC并联谐振电路中的电感有首端、中间抽头和尾端三个端点，分别与放大器件的集电极、发射极（地）和基极相连，反馈信号取自电感L2上的电压，因此，习惯上将图1所示电路称为电感三点式LC振荡电路。 2.相位平衡条件判断前面讨论LC并联谐振回路时已得出结论：谐振时，回路电流远比流入或流出LC回路的电流大得多。因此，电感中间抽头的瞬时电位一定在首、尾两端点的瞬时电位之间。若电感的中间抽头交流接地，则首端与尾端的信号电压相位相反。若电感的首端或尾端交流接地，则电感其他两个端点的信号电压相位相同。振荡器能不能振荡起来并维持稳定的输出是由以下两个条件决定的；一个是反馈电压和输入电压要相等，这是振幅平衡条件。二是和必须相位相同，这是相位平衡条件，也就是说必须保证是正反馈。根据分析，图1电路满足相位平衡条件。3.幅值条件及振荡频率至于振幅条件，则容易满足，只要适当选择BJT的工作点和L2/L1的比值，就可以实现起振。考虑到L1、L2间的互感M后，电路的振荡频率可近似表示为: (式1)电感三点式正弦波振荡电路不仅容易起振，而且采用可变电容器能在较宽的范围内调节振荡频率，其工作频率范围可以从数百千赫至数十兆赫，所以用在经常改变频率的场合（例如收音机、信号发生器等）。电路的缺点是，反馈电压取自L2上，L2对高次谐波（相对于f0而言）阻抗较大，因而引起振荡回路输出谐波分量增大，输出波形较差。 图1 电感三点式LC振荡电路正弦振荡器静态工作点应设计在放大区，并略偏向截止的方向，称这样工作状态为软激励状态。若静态工作点设计在接近截止区或截止区称为硬激励状态，应极力避免。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能通过，使振荡器产生单一频率的输出。但是经过仿真软件仿真以后，用以上电路输出波形较差，而且不容易起振，所以，不应该使用图1的电路图来做课设。如图2所示，图中利用两个共基放大，由L3、L4、C3和VC1组成一个电感三点式震荡回路，后级的共基放大输出前级的输出电压并提供给负载RL。电感L1和L2起到通直阻交的作用；电容C2、C4、C5、C6有通交阻直的作用。震荡回路中加了个调节电容是为了方便调试。其中还有C1等的反馈作用。Rb1、Rb2、Rb、Rb3等偏置电阻给三极管提供合适的偏置电压，使三极管获得稳定的静态工作点，以便于放大和振荡回路起震。 图2 设计的电感三点式振荡器原理图2.2 设计构思的理论依据（1）电感三点式震荡电路的组成图3是电感三点式振荡器电路图的原理图。由图可见，这种电路的LC并联谐振电路中的电感有首端、抽头和尾端三个端点，其交流通路分别与放大电路的集电极、发射极(地)和基极相连，反馈信号取自电感L2上的电压，因此习惯上将图3所示电路称为电感三点式LC振荡电路，或电感反馈式振荡电路。 图3 电感三点式LC振荡电路 图4 电感三点式等效电路上述讨论并联谐振回路时已得出结论 ：谐振时，回路电流远比外电路电流为大，1、3两端近似呈现纯电阻特性。因此，当L1和L2的对应端如图所示，则当选取中间抽头,2为参考电位(交流地电位)点时，首1尾3两端的电位极性相反。（2）电感三点式振荡器电路振荡条件分析相位平衡条件：现在采用瞬时极性法分析电感三点式振荡器电路图3所示的相位条件。设从反馈线的点b处断开，同时输入Vb为(+)极性的信号，由于在纯电阻负载的条件下，共射电路具有倒相作用，因而其集电极电位瞬时极性为()，又2端交流接地，因此3端的瞬时电位极性为(+)，即反馈信号Vf与输入信号Vb同相，满足相位平衡条件。根据“射同基反”的原则，也可以判别三点式振荡电路的相位平衡条件，方法是先画出交流等效电路如图4所示,显然该电路符合“射同基反”的原则，因此满足相位平衡条件。 幅度平衡条件： (式2)电路的幅度平衡条件为 Av较大，只要适当选取L2与L1的比值，就可实现起振。当加大L2(或减小L1)时，有利于起振。（3）电感三点式振荡器电路振荡频率考虑L1、L2间的互感，电路的振荡频率可近似表示为： （式3）根据设计好的电路和性能指标要求通过理论公式计算理论值。先设定电感L3和L4值都为为2.2uH,再结合10MHz的频率要求，通过上面的公式计算电容的取值（互感忽略不计）。经计算C360pF。晶体管输入及输出电阻分别和两个回路电抗元件并联，影响回路的等效电抗元件参数，从而影响振荡频率。由于晶体管输入及电容输出环境温度、电源电压等因素而变化，所以三点式电路的频率稳定度不高。3 系统电路的设计及原理说明3.1 系统框图及说明放大器基本振荡器放大器输出反馈网络2反馈网络1 图5 系统框图电路由2个放大器和2个反馈网络来组成，产生一定频率的信号，经放大再输出。但是反馈网络1必须满足三个条件：起振条件，平衡条件和稳定条件。3.2 电路设计说明利用两个共基放大，由L3、L4、C3和VC1组成一个电感三点式震荡回路，后级的共基放大输出前级的输出电压并提供给负载RL。电感L1和L2起到通直阻交的作用；电容C2、C4、C5和C6有通交阻直的作用。震荡回路中加了个调节电容是为了方便调试。其中还有C1等的反馈作用。Rb1、Rb2、Rb、Rb3等偏置电阻给三极管提供合适的偏置电压，使三极管获得稳定的静态工作点，以便于放大和振荡回路起震。如图6根据设计好的电路原理图，使用protel工具画好电路图。 图6 设计的原理图3.3 关键元器件的介绍（1）电路中主要元器件作用说明表1 元器件说明元器件名称说明三极管（9018）相当于一个放大器电感（L1、L2）通直阻交负载电阻（RL）相当于一个阻值为620欧姆的纯电阻用电器耦合电容 (C2、C5)耦合信号,通交阻直偏置电阻（Rb1、Rb2、Rb、Rb3）给三极管提供偏置电压电感（L3、L4、C3、VC1）组成电感三点式震荡回路我们主要要把各个需要的参数算好，让电路能够起振，使波形没有明显的失真。4 仿真验证叙述及效果分析4.1 仿真电路根据电路原理图，在Multisim里画好设计好的电路原理图，画好电路原理图之后运用Multisim软件进行仿真。但仿真软件所设定的数据以及仿真所出的波形只能作为一个参考，在实际应用中应注意修改。仿真原理图如图7所示。图7 仿真电路原理图4.2仿真运行结果图8 仿真波形 图9 PCB图附铜效果图如图8所示,经过调节三极管静态工作点、反馈元件、和震荡回路可调电容，得出以上比较好的输出波形。但这个仿真工具和实际会有所差别，所调试出的数据只能当参考用，在实际调试时应多加注意。5 工程设计用protel 99SE画出原理电路图。在画原理图时要注意除了画元件和连线之外， 还要注意正负电源、接地的接口已经输入输出端不要忘了画，再额外加些测试点（方便测试）。另外，如果元件在元件库里不能找到的话，可以自己画，自己封装。我的元器件可以说都能找到，所以说不用自己再画封装。 画出PCB图留待打印。在画PCB时，我的元器件比较少，所以做起来还是比较容易。注意一些管脚和连线的大小，以及排版的美观。如图9所示，画PCB时可以选择是否附铜。测试过程:首先接入+12V直流电源，用示波器测试振荡回路。调节Q1静态工作点，使震荡回路起震，并且在示波器上输出的波形我明显失真。然后调节VC1，调节震荡频率为10MHz（同时调节Q1静态工作点使得波形无明显失真）。然后用示波器测试负载两端的输出波形，同时调节Q2的静态工作点使得输出波形的峰-峰值达到要求（0.5Vpp）。调试过程中应注意对原本参数的修改幅度，以免烧毁电路板。（4）测试结果记录输出频率： f0=10.42MHz， （式4）输出电压： UO=1.950Vpp （式5）6 制作（特点）叙述1.PCB的制作在电路设计时，根据课设题目及要求，先思考出大概设计方向。查阅课本，掌握后原理，再到到图书馆借阅相关书籍和上网搜索相关信息，结合自己学过的理论知识，设计出合适的电路图。接着用Multisim 7软件对电路进行仿真，最后利用protel画出最后设计的原理图和PCB图。2.板子的制作在制作电路板时，先打印PCB图,然后将电路板用砂纸打磨，再用电热机将打印的PCB图印制在上面，此时温度一定要在120摄氏度才可以。然后经过腐蚀、打孔、装元件、焊接等步骤即可做出电路板。3.板子的调试进行电路板的调试，通过检查线的焊接，调节可变电阻的阻值等方式对电路进行调试，使其达到我们需要的结果，记录测试结果，并将其与理论值进行比较。7 调试测试分析电路板制作完成后进行测试，如发现测试结果与设计指标存在一定误差，且误差较大，则可通过考虑可能产生误差的原因，更改相关元件，对电路板进行调试，以使其满足设计指标。测试过程与步骤(1)测试仪器： 表2 测试仪器仪器名称数量直流稳压电源1台双踪示波器1台万用表1块(2)测试准备：调节直流稳压电源，向电路板提供+12V的工作电压。输入输出也都按要求接好。打开示波器准备测试各个需要测试的点。8 结束语振荡器可以分为很多类，有电容三点式振荡器、电感三点式振荡器等等。但是电感三点式振荡器没有电容三点式振荡器的波形好，以为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震荡频率，必将改变反馈系数，从而影响起震。但是便于用改变电容的方法来调整震荡频率，而不会影响反馈系数，但是反馈电压中高次谐波分量比较多，输出波形差。还有就是在仿真的时候仿真出来的所需要的数据和计算出来的数据相差比较大，而且在板子做出来以后，在调试的时候条了好久，和理论上的东西有点不一样，如果只注重理论的东西不去动手做的话是不行的，觉得理论和实践还是有很大差别的。不能太依赖于仿真，笨以为仿真出来波形好了做出来的板子就一定没问题，但是事实往往是相反的。在本次实验中，有很多参数的原件没有买到，只能用相近的替换，但是这样大大的增加了工作量，使得在调试的时候花了很大的功夫。虽然现在板子做出来，但是感觉我还没能充分运用高频的理论知识，以后要加强基础方面的学习，把理论和实践相互结合起来。自己的动手能力确实还是不够强，每次都要问一下科协的一个同学，通过这次实践，多动手，多实践，这样自己才能真正的掌握理论基础知识和提高动手能力。谢 辞感谢学院给我提供这样的实践动手机会。在这次课设中我收获良多。尽管这是大学期间的第一次课程设计，其中充满了许多无奈和烦恼，但它所带给我的快乐是无法磨灭的。虽然以前我们在做实验的时候做过几次板子了，但是要求没有现在这么严格，还有哪个繁杂的论文，但是这又为了我们以后的毕业设计打下了坚实的基础。我的课设题目属于高频类，调试过程繁杂困难。但在完成课程设计的过程中，我通过查阅多种资料，并结合自己的基础知识，从而对设计方法与性能参数的测试有所真正的了解和掌握。在如何设计上也有了一定的的理解。在此，特别感谢老师给予的耐心指导，也感谢课程设计的过程中给予过我帮助的同学。谢谢！参考文献1 陈有卿. 实用电子制作精选