高频课设报告(高频正弦波振荡器)

1、 武汉理工大学高频电子线路课程设计-正弦振荡器课程设计任务书学生姓名： XXX 专业班级： 电信1102 指导教师： 刘运苟 工作单位： 信息工程学院 题 目 一： 高频正弦波振荡器初始条件： 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：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、采用晶体三极管构成一个多功能正弦波振荡器；2、额定电源电压5.0V ，电流13mA; 输出频率 6 MHz （频率具一定的变化范围）；3、通过

2、双变跳线可构成克拉勃和西勒的串、并联晶体振荡器；4、有缓冲级，在100欧姆负载下，振荡器输出电压 1 V (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： 二十周一周，其中4天硬件设计与制作，3天调试及答辩。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11.正弦波振荡器的基本原理21.1自激振荡的平衡21.2 振荡的建立和振荡条件21.3 振荡器的稳定32.三点式LC振荡器42.1 电容三点式振荡器42.2串联改进型电容三点式振荡器（克拉泼电路）52.3 并联改进型电容三点式振荡器（西勒电路）63.石英晶体谐振器73.1 压电效

3、应及其等效电路73.2石英晶体的阻抗特性83.3石英晶体振荡器电路83.3.1并联型晶振电路83.3.2 串联型晶体振荡器94.振荡电路的总体设计及其仿真104.1 主要原件参数设计114.1.2 振荡电路设计部分114.1.3 输出级134.2 电路的仿真（multisim）145. 实物制作图186.实践总结和心得19附录1.元件清单20参考文献21 摘要所谓振荡器就是在没有外加输入信号的条件下，能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周期性交变振荡信号的电子线路。在通信技术领域，振荡器应用十分广泛，如发射机中振荡器提供指定频率的载波信号，在接收机中作为混频所需的

4、本地振荡信号或作为解调所需的回复载波信号等。另外，在测量仪器中，振荡器作为信号发生器、时间标准、频率标准等应用。振荡器的主要技术指标有振荡频率、频率稳定度、振荡幅度和振荡波形等。振荡器的种类很多，在这次高频正弦波振荡器的课程设计中，对晶体振荡器、克拉伯、西勒振荡器都进行了深入的探究。由于石英晶体具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点，所以，在本次课设中还采用石英晶体组成串、并联振荡器。而且，本次课设还通过运用仿真软件multisim进行了仿真，加深了对软件的了解程度。 关键字： 振荡器 通信 石英晶体 正弦波1.正弦波振荡器的基本原理1.1自激振荡的平衡振荡器的的起振过程也就是产生自

5、激振荡的过程，产生自激振荡必须具备以下两个条件:(1) 反馈必须是正反馈即反馈到输入端的反馈电压（电流）必须与输入电压（电流）同相。也就是说满足振荡的相位平衡条件是 其中，为总相移，为放大相移，为反馈相移，为整数。（2） 反馈信号必须足够大 一般情况下，放大器的放大倍数K>1，反馈电路的反馈系数F<1。为了使反馈信号足够大放大器的增益必须补足反馈系数的衰减，即满足振荡的振幅平衡条件为 1.2 振荡的建立和振荡条件以上的振荡条件是假定震荡已经产生，为了维持震荡平衡所需的要求。这里需要探究波动开关一开始的震荡是如何产生的。振荡器闭合电源后，各种电的扰动，如晶体管电流的的突然增长、电路的

6、热噪声、是振荡器起振的初始激励。在突变的电流中包含着许多谐波成分，扰动噪声也包含各种频率分量，它们通过LC谐振回路，在它两端产生电压，由于谐振回路的选频作用，只有接近于LC谐振回路的电压分量才能被选出来，虽然电压的幅度很小，但由于电路中由于正反馈存在，进过反馈和放大的循环，就建立了振荡。又因为随着振荡幅度的增长，晶体管将要出现饱和、截止现象，也就是幅度增加到一定程度后，的波形会出现切顶现象，虽然不是正弦波，但是由于谐振回路的选频特性，选出它的基频分量，仍是正弦形状，这时的幅度基本上不再增长，振荡建立过程结束。起振条件是指为产生自激振荡所需K、F的乘积最小值。显然，必须满足 这一条件，才有可能使

7、振荡电压逐渐增长，建立振荡。一般情况下，放大器具有非线性特性，防反馈电路是线性电路。在振荡建立工程中，随着幅度的增长，放大器由甲类工作状态进入乙类甚至丙类工作状态。晶体管非线性作用使的幅度不断增长，K值逐渐下降，最后平衡，稳定在KF=1点。1.3 振荡器的稳定振荡器的稳定包括两个方面的内容：振幅稳定和相位稳定。 1.振幅稳定条件 判断一个点是不是其稳定点，要看此点附近振幅发生变化时，是否能恢复原状。在平衡点，在K-曲线中，K曲线的斜率是负的，如下图1.1所示。 A 图1.1 K曲线与曲线相交2. 相位稳定条件相位稳定条件的就是研究由于电路中的扰动暂时破坏了相位条件使振荡频率发生变化，当扰动离去

8、后，振荡能否自动稳定在原有频率上。实质上，相位稳定条件和频率稳定条件是一回事，因为振荡的角频率就是相位的的变化率（）。振荡器的相位稳定条件是：相位特性曲线在工作频率附近的斜率是负的，即 其曲线如下图1.2所示。 f 图1.2 谐振回路的相位稳定作用2.三点式LC振荡器三点式振荡器是指LC回路的三个断点与晶体管的三个电极分别连接而成而组成的一种振荡器。2.1 电容三点式振荡器图2.1为电容反馈三点电路，其中图（a）为原理电路，图（b）为交流等效电路。图中，L、和组成振荡回路，作为晶体管放大器的负载阻抗，反馈信号从两端取得，送回放大器输入端。扼流圈ZL的作用是为了避免高频信号被旁路，而且为晶体管集

9、电极构成直流通路。 221 （b） (a) 图2.1 电容三点式振荡器如上图所示，假定在晶体管的基极和发射极间有一输入信号，当振荡频率等于LC回路谐振频率时，与反相，电流滞后于。上的反馈电压滞后电流，故与同相，满足相位平衡条件。为分析方便，可把图2.1（b）该画成图2.2所示的等效电路。图中为晶体管输出电阻；为晶体管输入电阻；为晶体管输出电容；为晶体管输入电容；为回路谐振电阻。 图2.2 图2.1的等效电路由图2.2，可得反馈系数 令,则 其放大倍数为 其中，是回路接入系数。为保证相位平衡条件，振荡器的振荡频率基本上等于回路的的谐振频率，即 2.2串联改进型电容三点式振荡器（克拉泼电路）串联改

10、进型电容三点式振荡器如下图2.3（a）所示，其交流等效电路如图2.3（b）所示。 (b) (a) 图2.3 串联改进型电容反馈三点线路克拉泼电路的特点是把基本型的电容反馈三点线路集电极-基极支路的电感改用LC串联回路代替。该电路的反馈系数为 电路接成共基极，对交流短路，故基极接地。这种振荡器的频率为 其中由下式决定： 2.3 并联改进型电容三点式振荡器（西勒电路）西勒电路如图2.4（a）所示，它的交流等效电路如图2.4（b）所示。此电路除了采用两个容量较大的、外，主要特点就是把基本型的电容反馈线路集电极-基极之路改用LC 并联回路再与串联。该电路的回路谐振频率为 其中回路总电容 （a） (b)

11、 图2.4并联改进型电容反馈三点式电路该电路的反馈系数为 3.石英晶体谐振器3.1 压电效应及其等效电路压电效应是晶体的基本特性，它依靠这种效应，可以将机械能转变为电能；反之，也可以将电能转变为机械能。所谓压电效应就是在石英晶体打两个电极上加直流电场，晶体就会产生机械形变。反之，若在晶体的两侧施加一机械压力，则会在晶体相应的方向上产生电场，这种现象称为压电效应。若是晶体懒得两级上叫交变激励电压，晶体就会产生机械振动，同样晶片的机械振动又会产生交变电场。且当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率激励下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振。图3.1是石英晶体谐振器的等效电路。图中

12、Co是静电电容，代表石英晶体支架静电容量，一般为几至几百皮法；Lq是动态电感，相当于机械振动的惯性，一般以几十毫亨至几百亨；Cq是动态电容，相当于晶体的等效弹性模数，很小，一般以百分之几皮法计；Rq是动态电阻。相当于晶体的的摩擦损耗，一般以几至几百欧计。易知：石英晶体的品质因数很高。 Co图3.1 石英晶体谐振器等效电路 RqCqLq 3.2石英晶体的阻抗特性石英晶体谐振器有两个谐振频率,当L、C、R支路串联谐振时，等效电路的阻抗最小，串联谐振频率为fs=1/2，当等效电路并联谐振时，谐振频率为fp= fs，显然，fs < fp，但由于C << C0，因此fs和fp两个频率非

13、常接近。 通过石英晶体的等效电路，我们可以得到它的电抗-频率特性曲线如图3-2所示，当ffs或f> fp时，晶体谐振器显容性；当f在fs和fp之间，晶体谐振器等效为一电感，f=fs时，是串联谐振点，等效阻抗最小；当f=fp时，是并联谐振点，等效阻抗最大。 图3.2 晶体的电抗特性曲线3.3石英晶体振荡器电路3.3.1并联型晶振电路晶振电路工作在晶体并联谐振频率附近，晶体等效为电感的情况，称为并联晶振电路。这种电路由晶体与外接电容器组成，按三点线路的连接原则组成振荡器，晶体等效为电感。下图3.3(a)为一种并联型晶体管振荡电路，其工作频率由、及晶体构成的回路决定。图3.3（b）为晶体与外部

14、电容的等效电路。 （a） (b) 图3.3 并联晶振电路由图（b），令，则，即 整个回路的电容值主要取决于晶体内部的，外部电容的变化基本没影响，这就是其振荡频率保持稳定的原因所在。电路的振荡频率，故 3.3.2 串联型晶体振荡器下图3.4（a）即为串联型晶体振荡电路，3.4(b)为其等效电路。 （a） (b) 图3.4串联型晶体振荡电路 当回路的谐振频率等于晶体的串联谐振频率时，晶体的阻抗最小，电路满足相位和振幅条件，振荡器的工作频率等于晶体的串联谐振频率；反之，当回路的谐振频率距晶体的串联谐振频率较远时，晶体的阻抗增大，是反馈减弱，从而使电路不能满足振幅条件，电路不能工作。 4.振荡电路的总

15、体设计及其仿真如下图1为设计的高频正弦振荡器，通过拨码开关的选择，可以组成克拉伯电路、西勒三点式振荡、晶体串联振荡、晶体并联振荡四种正弦振荡器。图4.1 总体电路设计原理图图1中，C1为基极耦合电容，一般取0.1uF；C2与C3、C4、L1组成电容三点式振荡，C5与射随器进行耦合，R4、R1确定基极电位；R3为滑动变阻器，改变阻值的大小可以改变Q1的静态工作点。Q2连接成射极跟随器，用于提高系统的带负载能力。DSW1、DSW2、DSW3是三个拨码开关，当DSW1上端打开时、DSW2中间打开，振荡器为克拉伯振荡器；当DSW1上端打开时、DSW2中间和最右边打开时，为西勒振荡器；当DSW1下端打开

16、，DSW2中间打开时，振荡器为串联型晶体振荡器；当DSW1上端打开、DSW2最左边打开时，为并联型晶体振荡器。4.1 主要原件参数设计4.1.2 振荡电路设计部分 图4.2 振荡电路设计部分电源电压Vcc=5V,振荡器静态工作电流ICQ=2mA， 为提高电路的稳定性，同时又要兼顾放大倍数，可将R2适当取大，取R5=500,则R2=2.5K。 可取 ， ，R3用可变电阻来代替，用于控制集电极电流。振荡回路元件的确定回路中的各种电抗元件都可归结为总电容 C 和总电感 L 两部分。确定这些元件参量的方法，是根据经验先选定一种，而后按振荡器工作频率再计算出另一 种电抗元件量。从原理来讲，先选定哪种元件

17、都一样，但从提高回路标准性的观 点出发，以保证回路电容远大于总的不稳定电容原则，先选定为宜。 若从频率稳定性角度出发，回路电容应取大一些，这有利于减小并联在回路上的晶体管的极间电容等变化的影响。但C不能过大，C过大，L就小，Q值就会降低，使振荡幅度减小，为了解决频稳与幅度的矛盾，通常采用部分接入。反馈系数，不能过大或过小，适宜 1/81/2。 因振荡器的工作频率为：当LC振荡时，在本设计中，则回路的谐振频率主要由决定，即故取=150pf,=100pf,=220pf。对于晶体振荡，只需和晶体并联一可调电容进行微调即可。为了尽可能地减小负载对振荡电路的影响，振荡信号应尽可能从电路的低阻抗端输出。例

18、如发射极接地的振荡电路，输出宜取自基极；如为基极接地，则应从发射极输出。4.1.3 输出级 图4.3 输出级电路设计部分输出级部分由射极跟随器构成，用于带动的负载，以满足设计任务有缓冲级，在100欧姆负载下，振荡器输出电压 1 V (D-P)的要求。射极跟随器，是信号从发射极输出的放大器。其特点为输入阻抗高，输出阻抗低，电压放大系数略低于1，负载能力强，常作阻抗变换和级间隔离用。 将三极管按共集方式连接，动态电压放大倍数小于1并接近1，且输出电压与输入电压同相但是输出电阻低，具有电流放大作用，所以有功率放大作用。它从基极输入信号，从射极输出信号。它具有高输入阻抗、低输出阻抗、输入信号与输出信号

19、相位相同的特点。 4.2 电路的仿真（multisim）1.克拉泼电路仿真 图4.4（a）克拉泼仿真波形 图4.4(b) 克拉泼仿真频率 由图4.4可以看出，克拉泼振荡电路最终输出的正弦波形信号幅度约为570mV,频率为6.014MHz。2.西勒电路仿真 图4.5（a）西勒仿真波形 图4.5（b） 西勒仿真频率由图4.5，可得西勒电路最终输出的正弦波信号幅度约为540mV，频率为6.054MHz。3.并联型晶振仿真 图4.6（a）并联型晶振仿真波形 图4.6（b）并联型晶振仿真频率由图4.6可以看出，并联型晶振电路最终输出正弦波形幅度约为250mV，频率为6.495MHz。4.串联型晶振仿真

20、图4.7（a）串联型晶振仿真 图4.7（b） 串联型晶振仿真由图4.7可得，串联型晶振电路最终输出正弦波形幅度约为400mV，频率为6.491MHz。5. 实物制作图 图5.1 实物图6.实践总结和心得1. 实践过程中遇到的问题：（1） 在初始仿真的时候，我用的是proteus软件，发现在无外加干扰信号的情况下，根本无法起振。（2） 在最初设计的电路中，由于元件参数选择的不合适，出现过失真、振幅非常小以及频率不稳定等问题。（3） 在做实物的时候，发现有些电路中设计的具体参数要求的元件在电子市场上根本就没有产品出售，只能找相近参数的替代产品，造成结果不是很理想。2. 本次课设中存在的不足：（1）

21、 仿真出来的结果与原先计算的预期数据有出入，如频率不是标准的6MHz。（2） 仿真的波形幅度没有达到预期的要求，偏小。3. 心得此次课设在开始拿到题目的时候，觉得没什么难度，可是到自己真正去做的时候，才发现并不是那么简单。在仿真过程中，苦于波形不是失真，就是频率不稳定，需要查找好多资料，去不断完善自己设计的电路图以接近自己的理想结果。有付出就有收获，最终的结果虽然与预期结果有偏差，但已经是我经过自己努力达到的最好的结果了。在这段过程中，虽然有时很苦恼，但过后会发现，自己已经克服了好多困难。不仅巩固了理论知识，而且还提高了自己的动手能力。此外，通过本次课程设计，我又 掌握了一门电路仿真软件multisim。完成本次课程设计后，感觉自己充实好多。这种充实感并不像做实验的时候那样简单地对已有电路的测量调试，而是由自己亲自设计电路，仿真、再做实物，那过程实在是太有挑战性了，并且没完成一部，都