电容反馈三点式振荡器课程设计

电容反馈三点式振荡器 一 摘要一 摘要 随着社会的发展 通讯工具在我们的生活中的作用越来越重要 通信工程 专业的发展势头也一定会更好 为了自己将来更好的适应社会的发展 增强自 己对知识的理解和对理论知识的把握 本次课程设计我准备制作具有实用价值 的电容反馈三点式振荡器 振荡器简单地说就是一个频率源 一般用在锁相环中能将直流电转换 为具有一定频率交流电信号输出的电子电路或装置 详细说就是一个不需要外 信号激励 自身就可以将直流电能转化为交流电能的装置 一般分为正反馈和 负阻型两种 所谓 振荡 其涵义就暗指交流 振荡器包含了一个从不振荡到 振荡的过程和功能 能够完成从直流电能到交流电能的转化 这样的装置就可 以称为 振荡器 二 总体方案二 总体方案 2 12 1 电路工作原理电路工作原理 本次课程设计我设计的是电容反馈三点式振荡器 而电容反馈三点式振荡 器是自激振荡器的一种 因此更好进行设计了 振荡器是不需要外加信号激励 自身将直流电能转换为交流电的装置 凡是可以完成这一目的的装置都可以作 为振荡器 由我们所学过的知识知道 构成一个振荡器必须具备下列一些最基本的条 件 1 任何一个振荡回路 包含两个或两个以上储能元件 在这两个储能元 件中 当一个释放能量时 另一个就接收能量 接收和释放能量可以往返进行 其频率决定于元件的数值 2 电路中必须要有一个能量来源 可以补充由振荡回路电阻所产生的损 耗 在电容三点式振荡器中 这些能量来源就是直流电源 3 必须要有一个控制设备 可以使电源在对应时刻补充电路的能量损失 以维持等幅震荡 这是由有源器件 电子管 晶体管或集成管 和正反馈电路 完成的 对于本次课程设计 所用的最基本原理如下 1 振荡器起振条件为 AF 1 矢量式 振荡器平衡条件为 AF 1 矢量 式 它说明在平衡状态时其闭环增益等于 1 在起振时 A 1 F 当振幅增大到 一定的程度后 由于晶体管工作状态有放大区进入饱和区 放大倍数 A 迅速下 降 直至 AF 1 矢量式 此时开始谐振 假设由于某种因素使 AF 1 此时振幅 就会自动衰减 使 A 与 1 F 逐渐相等 2 振荡器的平衡条件包括两个方面的内容 振幅稳定和相位稳定 我们可以假设横坐标是振荡电压 而纵坐标分别是放大倍数 K 和反馈系数 F 假设因为某种情况使电压增长 这时 K F1 的情况 振荡就会自动增强 而又回到平衡点 由此可知 结论为 在平衡点 若 K 曲线斜率小于 0 则满足振荡器的振幅稳定条件 过 K 曲线的斜率为正 则不满足稳定条件 对于相位稳定条件来说 它和频率稳定实质上是一回事 因为振荡的角频 率就是相位的变化率 所以当振荡器的相位发生变化时 频率也发生了变化 3 我们知道 LC 振荡器有基本放大器 选频网络和正反馈网络三个部分 组成 为了维持震荡 放大器的环路增益应该等于 1 即 AF 1 因为在谐振频 率上振荡器的反馈系数为 C1 C2 所以维持振荡所需的电压增益应该是 A C2 C1 电容三点式振荡器的谐振频率为 f0 1 2 L C1C2 C1 C2 1 2 在实验中可通过测量周期 T 来测定谐振频率 即 f0 1 T 放大器的电压增益可通过测量峰值输出电压 Vop 和输入电压 Vip 来确定 即 A Vop Vip 4 2N2221A 三极管的工作原理 2N2221A 三极管是一种控制元件 主要用来控制电流的大小 以共发射极 接法为例 信号从基极输入 从集电极输出 发射极接地 当基极电压 UB 有 一个微小的变化时 基极电流 IB 也会随之有一小的变化 受基极电流 IB 的控 制 集电极电流 IC 会有一个很大的变化 基极电流 IB 越大 集电极电流 IC 也 越大 反之 基极电流越小 集电极电流也越小 即基极电流控制集电极电流 的变化 但是集电极电流的变化比基极电流的变化大得多 这就是三极管的放大作 用 IC 的变化量与 IB 变化量之比叫做三极管的放大倍数 IC IB 表示变化量 三极管的放大倍数 一般在几十到几百倍 三极管在放大 信号时 首先要进入导通状态 即要先建立合适的静态工作点 也叫建立偏置 否则会放大失真 2 22 2 电路方框图及说明 电路方框图及说明 见下页 见下页 滤波网络 滤除电源中的交流成分是外加电源中只含有直流成分 因为振荡 器所要求的加在电路上的电能是直流电能 而实际电源很难达到纯粹的直流 所以需要加这样一个电路将其中可能的交流成分滤除 放大网络 放大网络就是通过加在基极的直流电压来控制集电极的电压输 出 放大网络对于靠近谐振频率的信号 有较大的增益 对于远离谐振频率的 信号 增益迅速下降 选频网络 由电感及电容组成的选频网络分为两类 一类是串联谐振回路 另一类是并联谐振回路 回路谐振时 电感线圈中的磁能与电能中的磁能周期 性的转换着 电抗元件不消耗外交电动势能量 外加电动势只提供回路电阻所 消耗的能量 以维持回路中的等幅振荡 所以在串联谐振时 回路中电流达到 最大值 并联谐振中 负载电压达到最大值 滤波网络滤波网络 放大网络放大网络 选频网络选频网络 正反馈网正反馈网络络 正反馈网络 反馈 指将系统的输出返回到输入端并以某种方式改变输入 进而影响系统功能的过程 即将输出量通过恰当的检测装置返回到输入端并与 输入量进行比较的过程 正反馈使输出起到与输入相似的作用 使统偏差不断 增大 使系统振荡 可以放大控制作用 正反馈网络是电感反馈三点式振荡网 络中比较重要的一个环节 2 32 3 电路图所需元件电路图所需元件 电源 1 个 电阻 6 个 电容 7 个 电感 2 个 三极管 1 个 示波器 1 个 三 电路的具体设计三 电路的具体设计 3 13 1 电路的设计依据及原理图电路的设计依据及原理图 三点式 LC 振荡器 特别是电容反馈式三点振荡器 由于反馈主要是通过电 容 所以可以削弱高次谐波的反馈 是振荡产生的波形得到改善 且频率稳定 度高 又适于较高波段工作 引起振荡频率不稳定的原因有很多 包括晶体管间存在的电容 谐振回路 参数随时间 电源电压 温度的变化而变化 晶体管参数不稳定等 为得到稳 定的振荡频率 因此我们在选元器件时 除选用高质量电路元件 采用直流稳 压电源及恒温措施外 还应提高振荡回路品质因数 Q 因为 Q 越大 相频特性 曲线在 f0 附近的斜率也大 选频特性也越好 构成电容反馈三点式振荡器的最基本电路应该是一个交流电路 因此在设 计总电路图之前 我先设计了一个交流电路 随后将各个电路元件包括三极管 连接起来才能得到最终的总电路图 3 23 2 电路分析电路分析 在实验中为了减小晶体管极间电容的影响可采用改进型电容三点式振荡电 路 即在谐振回路电感支路中增加一个电容 C6 其直比较小 要求 C6 C4 C4 C5 则谐振回路总电容量为 1 C总 1 C4 1 C5 1 C6 1 C6 即 C总 C6 因此振荡频率 f0近似为 f0 1 2 LC总 1 2 1 2 LC6 1 2 经过这样的改变之后 C4 C5对振荡频率的影响显著减小 与 C4 C5并联 相接的晶体管极间电容影响也减小了 但由于谐振回路接入 C6 晶体管等小负 载会减小 放大器放大倍数减小 振荡器输出幅度减小 若 C6过小 振荡器会 因不满足起振条件而停止振荡 因此 在添加 C6的时候一定要选择合适的值 不能为了减小晶体管极间电容的影响而使振荡器不再振动 四 原理图四 原理图 Multisium 软件仿真软件仿真 4 4 1 1 电电路路图图仿仿真真 Multisim 是 Interactive Image Technologies 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 以前由于做过数电课程设计 虽然对multisim 的使用还有一些基础 但并不熟悉 因此在做本次课设之前我又看了好多资料 对于本电路来说 在仿真时需要注意以下方面 1 仿真软件界面上组建仿真电路 其中需双 击可变电容 C4图标 将弹出的对话框栏中的 Key 设置成 B Increment 栏设置 成 1 2 双击电位器图标 将弹出的对话框中 Increment 也改为 1 暂时断 开反馈电容 C6 调出虚拟万用表并联在集电极电阻 R3 两端 开启仿真开关 双 击万用表图标 调整电位器 R6 的百分比 是万用表的直流电压在 2V 左右 即 电路的静态工作点 ICQ 2mA 左右 1 交流电路仿真如下 2 总电路图仿真如下 4 24 2 仿真结果及分析仿真结果及分析 仿真结果如图上图所示 由图可知道 正弦波的周期约为 350243 243ns 振幅约为 4 2v 在本次仿真的过程中 开始时我将 C5 的电容值调得过大 并且 由于没有接好电容 C4 而使结果不能出波形 随后纠正了错误才得到上边的图 形 在设计过程中 我不会对波形调试 由于显示的波形太小并且把 x 轴的比 例调的太大 导致没有发现图形 随后通过翻阅 multisim 的一些资料 才知道 自己的失误 于是对电路重新进行了调试才得到满意的结果 五 心得体会五 心得体会 对于电路的设计过程我以为电容三点式振荡器的设计很难 设计比较烦琐 有静态工作点的要求 各电阻 电容值的设计 还有好多要求 看起来十分复 杂 后来通过查资料 才了解到先要计算好各电阻的值 再根据各电容的作用 确定电容的值 画出电路图 一切都会变得简单 同样 在这次课程设计中也 遇到了不少问题 集中体现在 word 运用极不熟练 尤其是编辑公式时 操作不 灵便 编辑好的文档没有及时保存 以至于从头再来 浪费了很多时间 但吃 一堑长一智 现在遇到这些问题 及时解决 以后再做这类事情就会多一点经 验 就会少出一些类似问题 经过这次课程设计 让我对前面的路有了更多的信心 因为在这个过程中 我学到了不少实用的东西 对于高频电子电路有了更深层次的掌握 并且提高 了独立解决问题的能力 虽然这次课程设计中我对电路进行了仿真 并且认真 的对电路的每一部分进行了修正 但最后出来的波形还是不很稳定 本次课程 设计没有要求制作电路板并且对其进行调试 但我相信要是调试的话也一定回 去的满意的效果 我们在学习理论知识的同时还要努力培养自己的动手操作能力 对于通信 工程的我们更是如此 通过这次课程设计我也看到了自己的差距 今后会努力 提高自己的动手操作能力 以求真正领会通信专业里边的各种知识 为将来的 工作打下良好的基础 六 参考资料六 参考资料 1 于洪珍 通信电子电路 清华大学出版社 2005 年 6