三点式LC正弦波振荡器

学校 高频电子线路 课程设计报告 设计题目 三点式 LC 正弦波振荡器 系 部 专 业 班 级 学生姓名 学 号 成 绩 2011 年 月 高频电子线路 课程设计任务书 2 1 时间 2011 年 06 月 6 日 2011 年 06 月 10 日 2 课程设计单位 学校 3 课程设计目的 掌握 高频电子线路 课程的基本概念 基本 原理 加深对高频电子系统的工作原理和电路调试方法的理解 4 课程设计任务 了解电路图绘制软件的相关常识及其特点 熟悉电路图绘制软件的使用方法 理解高频电子系统的布局布线规则 作好实习笔记 对自己所发现的疑难问题及时请教解决 联系自己专业知识 熟练设计高频电子线路的 总结自己的心得体会 参考相关的的书籍 资料 认真完成实训报告 作好笔记 对自己所发现的疑难问题及时请教解决 联系自己所学知识 总结本次设计经验 认真完成课程设计报告 高频课程设计报告高频课程设计报告 3 前言 前言 振荡器是不需外信号激励 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 一个振荡器必须包括三部分 放大器 正反馈电路和选频网络 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 0 的输出 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 U 和输入电压 U 要相等 这是振幅平衡条件 二是 U 和 U fifi 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 一般情况下 振幅平衡条件往往容易做到 所以在判断一个振荡电路能否振荡 主要是看它 的相位平衡条件是否成立 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 接收机的主要部分各种电子测试仪器如信号发生器 数字式频率计等 其核心 部分都离不开正弦波振荡器 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 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 能 够产生正弦波的电路称为正弦波振荡器 通常 按工作原理的不同 正弦振荡 器分为反馈型和负载型两种 前者应用更为广泛 在没有外加输入信号的条件 下 电路自动将直流电源提供的能量转换为具有一定频率 一定波形和一定振 幅的交变振荡信号输出 课程设计报告课程设计报告 一 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 4 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 1 4mA 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 F 1 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 C1 C2 C1 C3 则回 路的谐振频率 f0 主要由 C1 决定 即 f0 1 2 L1C1 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 2 1 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 R3 R2 R2 R1 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 LC 2 1 1 X 2 X 容性 为感性时称为电容反馈振荡器 其中 3 X 5 C 当 和为感性 为容性时称 21 21 CC CC 1 X 2 X 3 X 为电容反馈振荡器 其中 L 当我们相应 1 L 2 L 的变化电容值时就能使频率作出相应的变化 以达到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 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 LC 2 1 321 111 1 CCC 4 C 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 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 tVt cos tAta oo cos 根据定义 调频时载波的瞬时频率随成线性变化 即 t t 2 ttVKt ofo coscos 1 则调频波的数字表达式如下 t VK tAta f oof sincos 或 2 2 tmtAta foof sincos 式中 是调频波瞬时频率的最大偏移 简称频偏 它与调制信 VKf 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 FfVKm ff 6 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2 1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 j C 1 C N LC 容的一部分 因而 振荡回路的总电容C为 2 3 jN CCC 振荡频率为 2 4 2 1 2 1 jN CCLLC f 加在变容二极管上的反向偏压为 高频振荡 可忽略调制电压直流反偏 OQR VV 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 由此可得出振荡回路总电容的变化量为 2 tCCCCCC mjjQN cos 6 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 m C 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 C 生的变化 其关系如下 f 7 C C f f 2 1 0 2 7 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 0 f 0 C 然 jQNo CCC 由公式 2 4 可计算出 调频中又称为中心频率 0 f 即 2 1 0 jQN CCL f 将 2 6 式代入 2 7 式 可得 tftCCftf m coscos 2 1 00 2 8 频偏 m CCff 2 1 00 2 9 振荡频率 2 10 tfftfftf oo cos 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 f 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 0 f m C 成反比 0 C 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2 1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 1 C j C 振荡回路 即振荡回路的等效电路如图1 3所示 理论分析将证明这时回路的 总电容为 11 0jjN CCCCCC 2 11 回路总电容的变化量为 2 12 11 0jjN CCCCCC 回路总电容的变化量为 j CPC 2 2 13 8 频偏 fPCCfPf m 2 00 2 2 1 2 14 式中 称为接入系数 jQ CCCP 11 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 j C R 曲线中可见 对不同的值 其曲线的斜率 跨导 各不相同 R jC CS 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 R C S 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 R C S Q V 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 j C R C S 数值 例 2CC1C 本实验将具体测出实验板上的变容二极管的 VVQ4 j C 曲线 并由同学们自己选定值 测量其频偏的大小 R Q V f 三 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 9 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 小时 105 3 0 ff 心得体会心得体会 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 具有更大的难度和更强的挑战性 此次课程设计不但锻炼了我们最基本的高频电子线路的设计能力 更重要 的是让我们更深刻的认识了高频电子线路这门课程在实际中的应用 还是有书 到用时方恨少的感觉呀 在此次设计时我们也遇到了不少的困难和问题 但在同伴们的共同努