改进型电容三点式振荡器要点

课程设计报告 题 目 改进型电容三点式振荡器 学生姓名 学生学号 系 别 电气信息工程学院 专 业 通信工程 届 别 2014 届 指导教师 电气信息工程学院制 2013 年 3 月 师范学院电气信息工程学院 2014 届通信工程专业课程设计报告 第 1 页 改进型电容三点式振荡器改进型电容三点式振荡器 学生 指导教师 电气信息工程学院 通信工程专业 前言前言 高频信号发生器主要用来向各种电子设备和电路提供高频能量或者高频标准信号 以便测试各种电子设备和电路的电气特性 高频信号发生器主要是产生高频正弦振 荡波 振荡器的功能是产生标准的信号源 广泛应用于各类电子设备中 为此 振 荡器是电子技术领域中最基本的电子线路 也是从事电子技术工作人员必须要熟练 掌握的基本电路 振荡器主要分为晶体振荡器和 LC 振荡器 LC 振荡器中的基本电 路就是通常所说的三端式振荡器 根据反馈网络由电容还是电感完成的分为电容反 馈振荡器和电感反馈振荡器 同时为了提高振荡器的稳定度 通过对电容三端式振 荡器的改进可以得到克拉泼振荡器和西勒振荡器两种改进型的电容反馈振荡器 高频电子元器件 高频集成电路的工艺技术指标有长足进步 并正在迅速的向多 功能 高功率 模块化 可集成和可编程的方向发展 且计算机辅助设计技术 信号 处理技术也广泛引入通信电路的设计中 集成电路具有体积小 功耗低 可靠性高 性能好以及易于使系统整机实现少调整和不调整等优点 通信电路正迅速向急方向 发展 系统集成它改变了用通用元 器件组装电子系统的传统方法 而直接将系统 制作在芯片上 从而大大促进了系统 电路与工艺的结合 正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 此次采用的是电容三点式振荡器的两种改进型振荡器之一 的西勒振荡器 其具有输出波形好 工作频率高 改变电容调节频率时不影响反馈 系数等优点 适用于宽波段 频率可调的场合 西勒振荡器由起能量控制作用的放 大器 将输出信号送回到输入端的正反馈网络以及决定振荡频率的选频网络组成 但没有输入激励信号 而是由本身的正反馈信号来代替 当振荡器接通电源后 即 开始有瞬变电流产生 经不断地对它进行放大 选频 反馈 再放大等多次循环 最终形成自激振荡 把输出信号的一部分再回送到输入端做输入信号 从而就会产 生一定频率的正弦波信号输出 师范学院电气信息工程学院 2014 届通信工程专业课程设计报告 第 2 页 1 振荡器的基本原理及其电路振荡器的基本原理及其电路 1 1 振荡器的介绍振荡器的介绍 在电子线路中 除了要有对各种电信号进行放大的电子线路外 还需要有在没有 激励信号的情况下产生周期性振荡信号的电子线路 这种电子线路就是振荡器 振 荡器是一种能量转换器 它不需要外部激励就能自动地将直流电源共给的功率转换 为制定频率和振幅的交流信号功率输出 振荡器一般由晶体管等有源器件和某种具 有选频能力的无源网络组成 振荡器的种类很多 根据工作原理可分为反馈型振荡 器和负阻型振荡器 根据所产生的波形可分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器 根 据选频网络可分为 LC 振荡器 晶体振荡器 RC 振荡器等 1 2 振荡器的基本原理振荡器的基本原理 振荡器 LC 回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接构成的电路即为三端式 振荡器 其示意图如下图所示 图图 1 一般的三点式振荡器一般的三点式振荡器 三点式 LC 正弦波振荡器的组成法则是 与晶体管发射极相连的两个电抗元件 应为同性质的电抗 而与晶体管集电极 基极相连的电抗元件应与前者性质相反 也就是说上图中 与的性质必须相反振荡器才能起振 beZ ceZ bcZ 设 为纯电抗元件beZ ceZ bcZ ebbef VVV ce eb ce be v X X V V F 负号表示产生 180o相移与 Vbe 和 E 间的 180o相移合成 为 360o相移 满足 正反馈条件 为此 Xce Xeb必为同名电抗 而 Xcb须是 Xce与 Xeb的异名电抗 师范学院电气信息工程学院 2014 届通信工程专业课程设计报告 第 3 页 1 3 电容三点式振荡器电容三点式振荡器 电容三点式的原理示意图如下图所示 图图 2 电容三点式振荡器电容三点式振荡器 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 根据前面所述的班别准则为 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 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振频率相等是 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 使放大器倍数减小 最后达到平衡 此时振荡幅度 不再增大 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 该振荡器的振荡频率为 反馈系数 F 为 若要 12 0 12 1 2 CC f LC C 12 FCC 它产生正弦波 满足 F 1 2 1 8 太小或者太大均不容易起振 一个实际的振荡电路 在 F 确定后 其振幅增加的主要是靠提高振荡管的静态电流值 但是如果静态电流 值取得太大 振荡管工作范围容易进入饱和区 输出阻抗降低使振荡波形失真 严 重时 甚至使振荡器停振 所以在实用中 静态电流值一般取 Ico 0 5mA 4mA 电容三点式的优点是振荡波形好 电路的频率稳定度高 工作频率可以做得较高 达到几十赫兹到几百赫兹的甚高波段范围 电路缺点是若调用 C1 或 C2 改变振荡 回路的工作频率 反馈系数也将改变使振荡器的频率稳定度不高 2 改进型电容三点式振荡电路设计改进型电容三点式振荡电路设计 改进型的电容三点式分为两种 克拉泼振荡器 西勒振荡器 师范学院电气信息工程学院 2014 届通信工程专业课程设计报告 第 4 页 2 1 克拉泼振荡器克拉泼振荡器 电容三点式改进型克拉泼振荡器如下图所示 图图 3 克拉泼振荡器电路图克拉泼振荡器电路图 电路的特点是在共基电容三点式振荡器的基础上 用一电容 C5 串联于电感 L 的支路上 其作用是增加回路总电容和减小管子与回路间的耦合来提高振荡回路的 标准性 使振荡频率的稳定度得到提高 因为 C5 为可调电容远小于 C1 或 C2 所 以电容串联后的等效电容约为 C3 电路的振荡频率为 与基 05 1 2fLC 本电容三点式振荡电路相比 在电感 L 支路上串联一个电容后有以下特点 1 振荡频率可改变不会影响反馈系数 2 振荡幅度比较稳定 3 电路中的 C5 为可变电容 调整它即可以在一定范围内调整振荡频率 但是 C5 不能太小否则会导致停振 所以克拉破振荡器频率覆盖率较小 仅达 1 2 1 4 为此 克拉泼振荡器适合与做固定频率振荡器 师范学院电气信息工程学院 2014 届通信工程专业课程设计报告 第 5 页 2 2 西勒振荡器西勒振荡器 电容三点式改进型西勒振荡器如下图所示 图图 4 西勒振荡器电路图西勒振荡器电路图 电路的特点是字克拉泼电路的基础上 用一电容 C4 并联于电感 L 两端 作用 是保持了晶体管与振荡回路弱耦合 振荡频率的稳定度高 调整范围大 电路的振 荡频率为 西勒振荡电路有以下特点 振荡幅度比较0 45 1 2 f L CC 稳定 振荡频率可以较高 频率覆盖率较大 可达 1 6 1 8 因而在一些短波超 短 波通信机 电视接收机中用的较多 该电路振幅起振条件 1AF 该电路相位起振条件 nF2A 振幅平衡条件 1AF 相位平衡条件 nF2A 放大器电路由晶体三极管 2N222 滤波电容 高频旁置电容 集电极旁置电阻 R1 基极旁置电阻 R2 R3 射极旁置电阻 R5 组成 放大器可选用如电子管 晶体 管等 本设计采用晶体三极管 2N222 作为能量控制的放大器 选频网络用来决定振荡频率 本设计采用 LC 并联谐振回路 由 C2 C3 C4 L C5 组成 要求 C2 C3 C4 C5 反馈网络是将输出信号送回到输入端的电容分压式正反馈网络 C3 和晶体管构 师范学院电气信息工程学院 2014 届通信工程专业课程设计报告 第 6 页 成正反馈 3 改进型电容三点式电路设计改进型电容三点式电路设计 3 1 改进型电路选择改进型电路选择 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 本次设 计我们采用的是电容三点式振荡电路 有与电容三点式振荡电路有一些缺陷 通过 改进 得到了西勒振荡器 西勒振荡器的接入系数与克拉泼振荡器相同 西勒振荡器的频率改变主要通过改 变 C4 完成 C4 的改变并不影响接入系数 p 因而波段内输出较平稳 而 C4 改变 频率变化较明显 使得西勒振荡器的频率覆盖系数较大 本次课设选择西勒振荡电 路作为正弦波发生电路 4 2 电路原理图设计电路原理图设计 电路原理图如下图所示 师范学院电气信息工程学院 2014 届通信工程专业课程设计报告 第 7 页 图图 5 改进型电容三点式振荡器原理图改进型电容三点式振荡器原理图 3 2 电路结构电路结构 上图中的电路主要由 3 部分构成 1 起能量放大作用的三极管放大器 2 三点式回路组成的正反馈网络 3 射极跟随器构成的缓冲级 3 3 静态工作点设置静态工作点设置 合理选择振荡器的静态工作点对振荡器的起振 工作的稳定性和波形质量的好坏 有着密切的关系 一般小功率振荡器的静态工作点应选在远离饱和区而靠近截至区 的地方 根据上述原则 一般小功率振荡器集电极电流 ICQ大约在 0 8mA 4mA 之间 选取 故本实验电路中 选择 ICQ 1 5mA 0 5V 40 CQ V 则 K I VV RR CQ CEQCC 3 ec 为提高电路的稳定性值适当增大 取 1 则 2 e R e RK c RK 又 VKARVV ECQEQ 5 11 m5 1 A A II CQBQ m05 0 40 m2 取流过 Rb2 的电流为 10mA 则 取 4 2 0 7 4 4 EQ b BQ V RK I K 可取 5 这样额定电流是 2mA 满足任务要求 1b RK 4 3 振荡回路元件确定振荡回路元件确定 回路中的电抗元件分为电容 C 和电感 L 两部分 通常满足接入系数 C2 C3 不能 过大或者过小 否则不容易起振 一般适宜 1 8 1 2 振荡器工作频率为 0 45 1 2 f L CC 当 f0 6MHz L 10uH 本电路中 回路谐振频率 f0主要 C4 和 C5 决定 即 师范学院电气信息工程学院 2014 届通信工程专业课程设计报告 第 8 页 45 22 1 70 4 CCpf f L 取 C4 30pf C5 为 100pf 可调电容 因为要遵循 C2 C3 C4 C5 C2 C3 1 8 1 2 的条件 故取 C2 120pf c3 560pf 4 Mutisim10 系统仿真和调试系统仿真和调试 4 1 仿真软件介绍仿真软件介绍 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 4 24 2 系统仿真实现系统仿真实现 在 Multisim 软件中绘制改进型电容三点式 振荡器的电路图 并更改好各元件数值连接好虚拟示波器和频率计 如下图所 示 图图 6 Multisim10 绘制的系统电路图绘制的系统电路图 师范学院电气信息工程学院 2014 届通信工程专业课程设计报告 第 9 页 其中起振电路示波器 XSC2 显示波形如图所示 图图 7 三点式振荡器的输出波形三点式振荡器的输出波形 由图可见振荡器输出波形比较理想 输出频率接近 6MHz 为满足任务要求加 上 100 的负载 在振荡器后接上射极跟随器以达到放大输出信号和减小输出内阻 的目的 使其能够驱动 100 的负载 加上 100 的负载后输出波形如下图所示 师范学院电气信息工程学院 2014 届通信工程专业课程设计报告 第 10 页 图图 8 加载加载 100 负载后的波形输出负载后的波形输出 5 总结总结 5 1 设计小结设计小结 由加载 100 负载的仿真结果 可以看出波形输出器的波形输出大体保持了原 有波形 波形基本上为正弦波 基本上无失真 所以波形的失真应与缓冲器有关 可见单一的射极跟随器无法完整的保持波形不变 由图可知加载 100 负载后输出 电压大于 1V 满足任务需求 且通过调节 C5 可以改变输出频率 使其输出范围在 6MHz 左右变化 满足了设计任务的需求 5 2 设计体会设计体会 高频电子线路的课程设计看似简单 实际深究起来却相当复杂 本次选题的三 点式看似十分简单 然而缓冲级的设计却有很大的拓展空间 在这方面 参考资料 显得十分重要 课本上只是简单的介绍西勒振荡器的基本原理 而跟多的任务要求 实现需要我们去查阅资料和联系各个知识点 通过这次设计我对各种元件的识别和 测试有了更深的了解 对以前很少接触的电感元件的色环识别也有了一定的认识 对课本中寥寥页的三点式正弦波振荡器工作原理和相关参数的关系也有了进一步的 师范学院电气信息工程学院 2014 届通信工程专业课程设计报告 第 11 页 了解 在此次课设过程中 我深刻地感受到了自己理论知识的有限和自身的不足 并且学会了对资料的取舍和分析 在整个课设过程中 同学之间相互经验的借鉴也 十分重要 往往也是成功的突破口 总之 通过这次课设我学习到了如何解决高频 线