正弦振荡器设计

高频电子线路课程设计报告 题 目： 电感三点式振荡器课题设计 院 系： 培黎工程技术学院电子工程系 专 业： 电子信息科学与技术 班 级： 电信111本 姓 名： 王晶 学 号： 126 指导教师： 赵宇杰 报告成绩： 2013年12月20日 前言 振荡器用于产生一定频率和振幅的信号，它不需要外加输入信号的控制，就能自动地将直流电能转换为需要的交流能量输出。其构成的电路叫振荡电路。振荡器的种类很多，根据产生振荡波形的不同，可分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器；按振荡激励方式可分为自激振荡器、他激振荡器；按电路结构可分为阻容振荡器、电感电容振荡器、晶体振荡器、音叉振荡器等；按输出波形可分为正弦波、方波、锯齿波等振荡器。广泛用于电子工业、医疗、科学研究等方面。 以LC谐振回路作为选频网络的反馈振荡器称为LC正弦振荡器，常用的电路有变压器反馈振荡器和三点式振荡器。 三点式振荡器是LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而组成的一种振荡器。三点式振荡器电路用电容耦合或自耦变压器耦合代替互感耦合, 可以克服互感耦合振荡器振荡频率低的缺点, 是一种广泛应用的振荡电路, 其工作频率可达到几百兆赫。所以，本次设计的目的：培养较为扎实的电子电路的理论知识及较强的实践能力；加深对电路器件的选型及电路形式的选择的了解；提高高频电子线路的基本调试能力；强化使用实验仪器进行电路的调试检测能力。本文将围绕高频电感三点式正弦波振荡器进行具有具体功能的振荡器的理论分析与设计。 目录 前言2目录31、正弦波振荡器41.1 反馈振荡器的工作原理41.2 振荡的平衡条件和起振条件51.3 振荡的稳定条件62、电感三点式电路设计72.1 三点式振荡器的基本工作原理72.2 电感三点式振荡电路72.3 振荡器设计的模块分析93、系统仿真调试与结果113.1 仿真113.2 仿真分析134、主要元器件与设备155、课程设计心得体会与建议166、参考资料17 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 反馈振荡器的工作原理反馈振荡器实质上是建立在放大和反馈基础上的，这是目前应用最多的一类振荡器。图1.1是反馈振荡器构成框图。由图可知，当开关S在1的位置时，放大器的输入端外加一定频率和振幅的正弦波信号Ui，这一信号经过放大器放大后在输出端产生输出信号U0，若U0经过反馈网络并在反馈网络输出端得的反馈信号Uf与Ui不仅大小相等，而且相位也相同，若此时除去外加信号源，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合回路，那么，再没有外加输入信号的情况下，输出端仍可维持一定幅度的电压U0输出，从而产生了自激振荡。为了使振荡器的输出U0一个固定频率的正弦波，就是说，自激振荡只能在某一频率上产生，而在其他频率上不能产生，则图1.1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产生满足Uf 和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。如上所述，反馈振荡器是把反馈电压作为输入电压，以维持一定的输出电压的闭环正反馈系统，实际上它是不需要通过开关转换由外加信号激发产生输出信号的。1.2 振荡的平衡条件和起振条件 （1）振荡的平衡条件当反馈信号Uf等于放大器的输入信号Ui，或者说，反馈信号Uf恰好等于产生输出电压U0所需的输入电压Ui，这时振荡电路的输出电压不再发生变化，电路达到平衡状态，因此，将Uf =Ui称为振荡的平衡条件。相位平衡条件：T =a +f = 2n （n=0,1,2,3）上式说明，放大器与反馈网络的总相移必须等于的整数倍，使反馈电压与输入电压相位相同，以保证环路构成正反馈。振幅平衡条件： T=|AF|=1上式说明，由放大器与反馈网络构成的闭合环路中，其环路增益的模值数应等于1，以使反馈电压与输入电压大小相等。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。振荡的起振条件 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，即要求在振荡幅度由小增大时，反馈电压相位必须与放大器输入电压同相，反馈电压幅度必须大于输入电压的幅度。得 T =a +f = 2n （n=0,1,2,3） T=|AF |1分别称为相位起振条件和振幅起振条件。1.3 振荡的稳定条件 当振荡器收外部因素的扰动，破坏了原平衡状态，振荡器应具有自动恢复到平衡状态的能力，这就是振荡器的稳定条件。振幅稳定条件 在振幅平衡点上，当不稳定因素使振荡振荡振幅增大时，环路增益的模值应减小，使T1，Uf Ui,形成增幅振荡，同样也能在原平衡点附近建立起新的平衡点。由此可得振幅稳定条件为： 即在平衡点，T对Ui的变化率为负值。相位平衡条件 相位平衡的稳定条件是指相位平衡遭到破坏时，电路本身能重新建立起相位平衡的条件。要使相位平衡点稳定，必须要求在相位平衡点附近环路相位T随频率的变化率为负值，即相位稳定条件为 因此相位平衡的稳定条件实质上是频率稳定条件。 2、电感三点式电路设计2.1 三点式振荡器的基本工作原理三点式振荡器的基本结构如图2.1所示。图中放大器件采用晶体管，X1、X2、X3三个电抗元件组成LC谐振回路，回路有三个引出端点分别与晶体管的三个电极相连，使谐振回路既是晶体管的集电极负载，又是正反馈选频网络，所以把这种电路称为三点式振荡器。Ui为放大器的输入电压，U0为放大器的输出电压,Uf为反馈电压，I为回路谐振电流。一般情况下，回路Q值很高，因此回路谐振电流I远大于晶体管的基极、集电极、发射极电流，由图得 Uf = jIX2 , U0 = -jIX1所以，为了使Uf与U0反相，必须要求X1和X2为性质相同的电抗元件，即同为感性或容性电抗元件。2.2 电感三点式振荡电路 三点式振荡器组成一般原则为：X1与X2电抗性质必须相同，X3与X1、X2的电抗性质必须相异。根据这个法则构成的三点式振荡器的基本形式有两种，分别为电感三点式和电容三点式，如图2.2.1（a）和（b）所示。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。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L为回路的总电感，L=L1+L2+2M（M为互感），由相位平衡条件知，振荡器的频率为式中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；（3）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。2.3 振荡器设计的模块分析 图2.3 振荡电路模块原理图 如图2.3所示即为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2.3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fT较高的晶体管，这样的晶体管内部相移较小。同时希望电流放大系数大些，这样既容易振荡，也便于减小晶体管和回路之间的耦合。虽然不要求振荡器中的晶体管输出多大的功率，但要考虑到稳频等因素，晶体管的额定功率应足够大。 因此，在本次设计中将会选取BC107BP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，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） 直流线路选择 为了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，而不是饱和区，否则回路的有载品质因素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。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，电路中各电容均选为100nF已经可以满足电路的设计要求。而电感原本也应尽可能大，但L大后，体积大，分布电容大，L过小，回路的品质因素过小，因此应该合理选择L的大小。按图所示选取L1=5mH，L2=100uH应该能满足设计要求。 3、系统仿真调试与结果3.1 仿真 在课程设计中，使用的仿真软件为Multisim10.0。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。仿真电路图如下图所示： 图3.1振荡电路原理图取电感L1，L2的值为5mH 100uH,只要开环增益A1,即可起振。若使振荡频率f=16MHz，由公式的C=100pF。为保证三极管能够正常放大，要合理设置静态偏置，取R1=150k，R2=30 k，Vb=R2/（R1+R2），Ve=Vb-0.7，Ve=1V，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10uF，起到隔直流、通交流的作用。仿真示波器显示图如下图3.2： 图3.2示波器仿真显示 从仿真结果，可以看出正弦波明显变得平滑，失真度变小，频率未变，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。仿真示波器显示如下图 图3.3 波形失真显示 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，从而导致输出波形差。3.2 仿真分析由仿真波形可见，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。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电路的谐振阻抗，可能使振荡器停振。 4、主要元器件与设备（1）BC107BP型号的三极管（2）双踪示波器（3）+12V直流电源（4）电阻R1、R2、R3、R4阻值分别为150K、30K、15K、3.6K（5）10uF、50uF、100nF、1uF、10uF的电容C1、C2、C3、C4（6）5mH、100uH、5mH的电感L1、L2、L3 5、课程设计心得体会与建议 这次高频课程设计, 首先，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有了很大的进步；其次，查阅参考书的独立思考的能力以及培养非常重要，我们在设计电路时，遇到很多不理解的东西，有的我们通过查阅参考书弄明白，有的通过网络查到，但由于时间和资料有限，我们更多的还是独立思考；最后，相互讨论共同研究也是很重要的，经常出现一些问题，比如电路仿真时，一开始的时候波形严重失真，和理论上完全不一样，但是和其他的同学讨论后，通过调整相关电阻和电容的值，最终波形出来了。 在这一次课程设计的过程中，我学到了很多东西。平时我们都只是从书本上、从老师的口中学习到一些知识，而且这些东西还都只是理论而已。有一句话说的好：“实践是检验真理的唯一标准。”没有经过实践检验的所有的真理都是假的，都是不正确的（当然也不能说都是错误的）。只有把理论与实践相结合，才是最好的认识事物的方法。本次课程设计的题目是高频电感三点式正弦波振荡器的设计，主要应用了高频电子线路三点式振荡器电路内容。因为高频的知识本来就不容易懂，所以查找资料和查阅基础知识，花了很长的时间。这些都应归咎于自己基础知识的匮乏。通过查