正弦波压控振荡器高频报告

1、武汉理工大学高频电子线路课程设计说明书课程设计任务书学生姓名： 助人为乐 专业班级： 不计得失 指导教师： 满分通过 工作单位： 好人一生平安 题 目：正弦波压控振荡器初始条件：具较扎实的电子电路的理论知识及较强的实践能力；对电路器件的选型及电路形式的选择有一定的了解；具备高频电子电路的基本设计能力及基本调试能力；能够正确使用实验仪器进行电路的调试与检测。要求完成的主要任务：1. 采用晶体三极管构成一个正弦波压控振荡器；2. 额定电源电压5.0V ，电流13mA; 输出频率 10 MHz 13 MHz；3. 频率变化时，输出幅度波动小；4. 有缓冲级，在100欧姆负载下，振荡器输出电压 1 V

2、 (D-P);5. 完成课程设计报告（应包含电路图，清单、调试及设计总结）。时间安排：12013年1月4日分班集中，布置课程设计任务、选题；讲解课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求；课设答疑事项。22013年1月5日 至2013年1月10日完成资料查阅、设计、制作与调试；完成课程设计报告撰写。3. 2013年1月11日提交课程设计报告，进行课程设计验收和答辩。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录摘要I1绪论12正弦波压控震荡器电路设计22.1正弦波振荡器22.2两种反馈振荡器22.2.1三点式电容反馈振荡器22.2.2三点式电感反馈振荡器32.3改进型电容反

3、馈振荡器32.4压控振荡器原理42.5变容二极管42.6参数选择52.7压控振荡器电路63仿真调试74电路焊接及调试74.1元件清单74.2实物焊接及调试84.2.1焊接的准备84.2.2焊接与组装84.2.3正弦波压控振荡器的调试105总结11参考文献12摘要本次课程设计通过对课本知识的运用，简单介绍了高频正弦波压控振荡器的设计方法，振荡器的种类有很多，包括反馈式振荡器、负阻式振荡器等。本次课程设计主要完成正弦波压控振荡器（VCO）的设计。包含有压控元件作为频率控制器件的振荡器就称为压控振荡器，包含有压控元件作为频率控制器件的振荡器就称为压控振荡器，本次设计利用晶体管、变容二极管等分立元件完

4、成相关设计。主要应用LC振荡电路产生正弦波，并用仿真软件进行仿真，以及对其性能进行测试，经过反复的调试最终得到满足课题要求的电路，并制作出实物。关键词：正弦波；振荡器；VCO14AbstractIn modern communications technology, a variety of communications equipment and related information sent to or from a variety of instruments in the modulation and demodulation process, must rely on high-p

5、recision oscillations, otherwise the information will not be able to send and receive, and thus a positive communication equipment almost without high stability of oscillations. Oscillator types include feedback oscillator, negative resistance oscillator, etc, this course is designed mainly to compl

6、ete the sine wave voltage controlled oscillator (VCO) design. Contains a voltage-controlled components as the oscillator frequency control device is called a voltage controlled oscillators, voltage controlled oscillators widely transmitters carrier source, spread spectrum communications carrier sour

7、ce or as a mixer local oscillator. This design using transistors, varactor diodes, etc to complete discrete components, and related design meet the design requirements. Keywords: sine wave varactor VCO1 绪论振荡器是用来产生重复电子讯号，通常是正弦波或方波的电子元件。其构成的电路叫振荡电路。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。种类很多，按振荡激励方式可分为自激振荡器、他激

8、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。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压控振荡器。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。正弦波压控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

9、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。2 正弦波压控震荡器电路设计122.1 正弦波振荡器LC振荡基本电路，就是通常所说的三端式(又称三点式)的振荡器，一般情况下，回路Q值很高，因此回路电流远大于发射极电流İe。根据谐振回路的性质, 谐振时回路应呈纯电阻性，因此三个电抗元件不能是同性质元件。如图3-1所示：图2-1三点式振荡器的组成2.2 两种反馈振荡器122.12.22.2.1 三点式电容反馈振荡器如果反馈网络是由电容元件完成的，称为电容反馈振荡器，也称为考必兹振荡器。其特点是输出波形较好、输出频率较高，但振荡频率调节不

10、方便。其基本电路如图2-2所示：图2-2三点式电容反馈振荡器2.2.2 三点式电感反馈振荡器如果振荡器的反馈网络是由电感元件完成的，称为电感反馈振荡器，也称为哈特莱振荡器。其特点是振荡频率调节比较方便，但输出波形较差、输出频率不能太高。其基本电路如图2-3所示：图2-3三端式电感反馈振荡器2.3 改进型电容反馈振荡器三端式振荡器中由于电容反馈式振荡器具有工作频率高、波形好等优点，在许多场合得到了广泛应用，本课程设计的压控振荡器电路即根据西勒振荡器变化而来。西勒振荡器的振荡电路的主要特点，就是与电感L并联一可变电容，图中C3C1、C2,因此晶体管和回路之间耦合较弱，频率稳定度高。图2-4西勒振荡

11、器电路2.4 压控振荡器原理压控振荡器指输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路,其特性用输出角频率0与 输入控制电压Uc之间的关系曲线如图3-1所示。图2-5压控振荡器特性图2-5中Uc为零时的角频率称为自由振荡角频率；曲线在此时的斜率K0称为控制灵敏度。使振荡器的工作状态或振荡回路的元件参数受输入控制电压的控制，就可构成一个压控振荡器。2.5 变容二极管在振荡器的振荡回路上并接或串接某一受电压控制的电抗元件后，即可对振荡频率实行控制，受控电抗元件常用变容二极管取代。如下图所示， 变容二极管的电容量Cj取决于外加控制电压的大小，控制电压的变化会使变容管的Cj变化，Cj的变化会导致振荡频率的

12、改变。变容二极管的作用是利用PN结之间电容可变的原理制成的半导体器件，在高频调谐、通信等电路中作可变电容器使用。变容二极管属于反偏压二极管，改变其PN结上的反向偏压，即可改变PN结电容量。反向偏压越高，结电容则越少，反向偏压与结电容之间的关系是非线性的，当反向偏压增加，造成电容减少；然而反向偏压减少，造成电容增加。变容管是利用半导体PN结的结电容受控于外加反向电压的特性而制成的一种晶体二极管，它属于电压控制的可变电抗器件，其压控特性的典型曲线如图2-5所示。图中，反向偏压从3V增大到30V时，结电容Cj从18pF减小到3pF，电容变化比约为6倍。通过以上分析可知，本设计满足振荡器的起振条件和平

13、衡条件，振荡器的另一个重要指标是频率稳定度，因此在本次设计中各器件参数的选择必须满足频率稳定度的要求。2.6 参数选择如上诉电路图所示，由于本设计采用了西勒振荡电路作为基本振荡电路，它的主要特点就是与电感L1并联在一起的可变电容Cj（即为变容二极管电容）可以用来改变振荡器的工作波段，而电容C5则起到微调频率的作用。假设振荡器波形频率为10MHz，这里取C5为20pf，而变容二极管及电容C5决定了振荡器的输出频率。与发射极连接的两个电抗元件为同性质的容抗元件C3和C4；与基极和集电极连接的为异性质的电抗元件L1，根据前面所述的振荡准则为，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

14、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时，电路发生谐振。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，此时振荡幅度不在增大。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。若要它产生正弦波，满足F=1/21/8，太小或者太大均不容易起振。根据公式F=C3C4，因此取C3=120pF，C4=560pF。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

15、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。为了使三极管工作在合适的静态工作点，需要设置合适的偏置电路。我们不妨取偏置电阻R1，R2均为20k，缓冲级电阻R3取1k ，R4取220。如此，可以满足q点的要求。另外，采用扼流圈可以将高频信号与直流源隔离开，使得输出效果更好。2.7 压控振荡器电路正弦压控振荡电路(VCO)的论证本设计选用西勒振荡电路作为VCO。这种电路的特点是：振荡频率由C3、C4决定，但反馈系数由C1、C2决定，解决了基本三点式振荡设计中存在的改变振荡频率必改变反馈系数的矛盾，综合考虑稳幅输出和调谐方便，本设计选用变容二极管实现

16、压控振荡电路，利用它的变容特性实现频率控制。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 大约在0.84mA之间选取。图3-4正弦波压控振荡电路由于西勒振荡电路器输出电阻较大，其负载能力交叉，因此在电路输出端曾加一个电压跟随电路，以减小负载等对电路的影响，增加输出波形的稳定性，信号从三极管的基极输入，射级输出。输入电阻很大，输出电阻很小，可以有效的提高电路的功率利用率，提高负载能力。3 仿真调试电路图画好后，电气规则检查无误，即可进行仿真，Multi

17、sim这个软件功能很强大，可以模拟出示波器测输出波形，这是很多绘图软件都不具备的功能，对设计电路很有帮助，仿真波形在10MHz13MHz的范围内可调，符合设计标准，但由于元器件不稳定性等原因波形略有失真。图3-5正弦波压控振荡电路仿真波形4 电路焊接及调试344.1 元件清单表1元件清单序号名称型号数量1电阻1k、2k、20k各52电解电容10u、47u各23瓷片电容10p、510p、30p各14电感47u、10u各15电感3uH16变容二极管BB91014.2 实物焊接及调试344.14.24.2.1 焊接的准备焊接工序是电子产品生产中最普遍也是最关键的工序,其质量的好坏直接影响成品的质量。

18、焊接，一般是用加热的方式使两件金属物体结合起来；如果在焊接的过程中需要熔人第三种物质，则称之为“钎焊”，所加熔上去的第三种物质称为“焊料”。按焊料熔点的高低又将钎焊分为“硬焊”和“软钎焊”，通常以450为界，低于450的称为“软钎焊”。所谓“焊接”就是软钎焊的一种,主要用锡、铅等低熔点合金做焊料，因此俗称“锡焊”。对照元件清单清点元件，把各个元件按不同参数进行归类，以免造成焊接时元件丢失或欠缺。然后三极管的检查，分清高频管与小功率低频管，测量各三极管值，再以值决定决定某级配用三极管最好不要单纯地从颜色标记作为三极管值的依据，尽量用晶体管参数测试仪测量和ICEO。接着进行电阻检查电阻阻值有用数字

19、表示的，有用颜色码表示的，但都要用万用表一一测量，阻值误差10%左右照常选用，不必强求原来的标称值。选用的功率应大于在电路中耗散功率2倍以上，以防止电阻过热、变值乃至烧毁。因受热而损伤的电阻不能再用，电位器也要按其在电路中的功能要求检测。最后要确保电容器的耐压值应大于电源电压。本机振荡回路或谐振槽路的固定电容最好用云母或瓷片电容，其电容值不要偏离过大。电解电容误差在10%也照常使用。4.2.2 焊接与组装一般先安装低矮、耐热的元件，最后装集成电路。应按如下步骤焊接：清查元器件的质量，并及时更换不合格的元件；确定元件的安装方式，由孔距决定，并对照电路图核对电路板；将元器件弯曲成行，尽量将元件字符

20、置于易观察的位置，字符应从左到右，从上到下。以便于以后的检查，将元件脚上锡，以便于焊接；应对照电路图对号插装，有极性的元件要注意极性，如集成电路的脚位等。焊接开始前必须准备好焊料、焊剂等工具。凋整好电烙铁的工作温度，使烙铁头的工作面完全保持在吃锡的状态。新烙铁在首次通电以前要把烙铁头调出来两公分左右，经充分预热试焊后，若嫌温度不够，可以解开紧固螺钉向里面送回一点，试焊，还不够就再往里送回点，就这样逐步往上调，多试几次，一开始宁可让它偏低，切不可让温度过高，否则烙铁头就会被烧死。所谓烧死，是指烙铁头前端作面上的镀锡层在过高的温度下被氧化掉，表面形成层黑色的氧化铜壳层。此时的烙铁头既不传热也不再吃

21、锡，如果勉强压在焊锡上，过了很长时间后焊锡才会突然熔化，滚向一边，决不与烙铁头亲和.用这样的烙铁是无法工作的。烙铁头一旦烧死就必须锉掉表层重新上锡，这对于长寿烙铁头来说就是致命的损失。焊接的时候各焊点加热时间及用锡量要适当，防止虚焊、错焊、短路。其中三极管等焊接时要快，以免烫坏；焊后剪去多余的引脚，检查所有焊点，并对照电路图仔细检查，并确认无误后方可通电。本次课设的实物如下图所示：图4-1正弦波压控振荡器实物正面图4-2正弦波压控振荡器实物正面4.2.3 正弦波压控振荡器的调试这次焊接振荡器是根据设计的电路原理图进行焊接，焊接完毕后，进行调试。我觉得这次焊接高频的振荡器难度，虽然只要对照电路图进行焊接貌似简单，其实不易。在焊接过程中注意电路版元件排版要尽量紧凑，由于高频振荡器容易受到外界电磁波的干扰，若果焊接时候，元件间连线过长会容易严重影响输出波形，因此焊接时要加备注意。焊接完成之后，可以利用实验室的示波器进行波形的查看，通过调节变容二极管的电压，可以改变电路输出波形的频率，调试结果如下图所示：图4-3正弦波压控振荡器调试图4-4正弦波压控振荡器调试5 总结通过课程设计，我对电子的理论有了更深的了解。其中包括焊普通元件与电路元件的技巧、压控振荡器的工作原理等等。这次高频课程设计，我对高频电子线路与低频电子线路有了更深入的认识。低频电子线路通