高频电容三点式正弦波振荡器课程设计报告(共23页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上课程设计任务书学生姓名： * 专业班级： 电子 指导教师： 吴皓莹 工作单位： 信息工程学院 题 目：高频电容三点式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：1采用晶体三极管或集成电路，场效应管构成一个正弦波振荡器；2额定电源电压5.0V ，电流13mA; 输出中心频率 6 MHz （具一定的变化范围）；3通过跳线可构成发射极接地、基极接地及集电极接地振荡器；4有缓冲级，在100欧姆负载下，

2、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：12011年6月3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。22011年6月4日 至2011年6月9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. 2011年6月10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 日专心-专注-专业目 录摘 要在社会信息化程度越来越高的背景下，通讯工具在我们的生活中扮演了越来越重要的角色。高频信号发生器主要用来向各种电子设备和电路提供

3、高频能量或高频标准信号，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，故电路主要是由高频振荡电路构成。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。 所以，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。本次课设要求制作高频电容三点式正选拨振荡器，采用晶体三极管或集成电路，场效应管构成正弦波振荡器，达到任务书所要求的目标。并介绍了设计步骤，比较了各种设计方法的优缺点，总结了不同振荡器的性能特征。使用实验要求的电源和频率计进行验证，实现了设计目标。关键字：通信 高频信号 电容 正弦波 振荡器AbstractD

4、egree in social information service at a background, the communication tools in our life played an increasingly important role.The high frequency signal generator is mainly used to various kinds of electronic equipment and circuits provide high frequency energy or high frequency standard signal, to

5、test various kinds of electronic equipment and electric property of the circuit. The high frequency signal generator is mainly produce high-frequency sine oscillating wave, so circuit is mainly composed of high-frequency oscillating circuit constitutes. Oscillator is produced standard function of so

6、urce, is widely used in all kinds of electronic equipment. So, oscillator is electronic technology areas most basic electronic circuit, is also engaged in electronic technology staff must be skilled in the basic circuit.This lecture made requirements are oscillator frequency capacitor, the transisto

7、r or integrated circuits, most constitute the sinusoidal oscillator, achieve commitment objectives. And introduces design steps, compares the advantages and disadvantages of various design method, summarizes the characteristics of different oscillator. Use the power and requirement of experiment val

8、idate the frequency meter, realized the design goal.Keyword： communication High-frequency signal Capacitance Sine wave oscillator1 绪论在社会信息化程度越来越高的背景下，通讯工具在我们的生活中扮演了越来越重要的角色。振荡器简单地说就是一个频率源，一般用在锁相环中能将转换为具有一定频率信号输出的电路或装置。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

9、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”。 【1】一个振荡器必须包括三部分：放大器、正反馈电路和选频网络。放大器能对振荡器输入所加的输入信号予以放大使输出信号保持恒定的数值。正反馈电路保证向振荡器输入端提供的反馈信号是相位相同的，只有这样才能使震荡维持下去。选频网络则只允许某特定频率能通过，使振荡器产生单一频率的输出。电容三点式振荡器（也叫考毕兹振荡器）：自激振荡器的一种。图1.1中的L、C1、C2组成谐振回路，作为晶体管放大器的负载阻抗。反馈信号从电容器C2两端取得，送回放大器的基极b上，而且也是将LC回路的三个端点分别与晶体管的三个电极相连，故将这种

10、电路成为电容三点式振荡器。由串联电容与电感回路及正反馈放大器组成。因振荡回路两串联电容的三个端点与振荡管三个管脚分别相接而得名。【2】 这种电路的优点是输出波形好、振荡频率可达100兆赫以上。缺点是调节频率时需同时调CC1、CC2不方便。适宜于作固定的振荡器。 图1.1 电容三点式振荡器2 电容三点式振荡器2.1 反馈振荡器的原理2.1.1 原理分析反馈振荡器的原理框图如图2.1所示，由图可见，反馈振荡器是由放大器和反馈网络组成的一个闭合环路，放大器通常是以某种选频网络（如振荡回路）作为负载，是一调谐放大器，反馈网络一般是由无源器件组成的线性网络。为了能产生自激振荡，必须有正反馈，即反馈到输入

11、端的信号和放大器输入端的信号相位相同。【3】图2.1 反馈振荡器原理框图对于图2.1，设放大器的电压放大倍数为K(s)，反馈网络的电压反馈系数为F(s），闭环电压放大倍数为(s)，则得其中称为反馈系统的环路增益。用s=jw代入，就得到稳态下的传输系数和环路增益。由上式可知，若在某一频率上T（j）等于1，将趋于无穷大，这表明即使没有外加信号，也可以维持振荡输出。因此自激振荡的条件就是环路增益为1。即2.1.2 平衡条件振荡器的平衡条件可表示为也可以表示为 n=0,1,2，2.1.3 起振条件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等，其包含有很宽的频谱分量，在他们通过

12、负载回路时，由谐振回路性质即只有频率等于回路谐振频率的分量才可以产生较大的输出，其他频率分量则不会产生压降，因此负载回路上只有频率为回路谐振频率的成分产生压降，该压降通过反馈网络产生出较大的正反馈电压，反馈电压又加到放大器的输入端，进行放大、反馈，不断地循环下去，谐振负载上将得到频率等于回路谐振频率的输出信号。在振荡开始时由于激励信号较弱，输出电压振幅较小，经过不断放大、反馈循环，输出幅度不断增大，否则输出信号幅值过小，无任何意义。为了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，可得称为自激振荡的起振条件，也可写为 n=0,1,2，2.1.

13、4 稳定条件振荡电路中不可避免地要受到电源电压、环境温度、湿度等因数变化的影响，这将引起振荡电压幅度及其相移的起伏波动，从而破坏已维持的平衡条件。因此，振荡器还必须满足稳定条件，才能保证所处的平衡状态是稳定的。振幅稳定条件为相位稳定条件为2.2 电容三点式振荡器电容三点式振荡器（也叫考毕兹振荡器），自激振荡器的一种。图中的L、C1、C2组成谐振回路，作为晶体管放大器的。反馈信号从电容器C2两端取得，送回放大器的基极b上，而且也是将LC回路的三个端点分别与晶体管的三个电极相连，故将这种电路成为电容三点式振荡器。由串联电容与电感回路及正反馈放大器组成。因振荡回路两串联电容的三个端点与振荡管三个管脚

14、分别相接而得名。【3】 图2.2 电容三点式振荡器 图2.3 电容三点式交流通路电容三点式振荡器适合产生几十兆赫以上的信号，常用来作射频振荡器。.图2.3是LC振荡回路的等效电路图，从图上可以看到，电路的振荡频率由L、C、C1、C2决定，基极有一个大电容（10002000pF），起交流接地的作用。由于电感和电容的数值都比较小，所以有些情况下三极管的极间电容、电感线圈的匝间电容都不能忽略。它们对总电容的贡献量大约几个皮法。设三极管的极间电容以及电感线圈的匝间电容以及其它分布电容的总等效电容为C0，则在LC谐振回路Q值足够高的条件下，电路的振荡频率为图2.2所画出的分析起振条件的小信号等效电路如图

15、2.4所示图2.4 分析起振条件的小信号等效电路由图2.4分析可知，振荡器的起振条件为：式中为LC振荡回路的等效谐振电阻电路的反馈系数为由上式看出，由于晶体管输入电阻对回路的负载作用，反馈系数k并不是越大越容易起振，反馈系数太大会使增益A降低，且会降低回路的有载 Q 值， 使回路的选择性变差，振荡波形产生失真，频率稳定性降低；所以，在晶体管参 数一定的情况下，可以调节负载和反馈系数，保证电路起振。K的取值一般在 0.10.5 之间。为了提高振荡器的频率稳定性，实际中更多的采用能够减小晶体管与回路之间耦合的改进型电容反馈振荡器。3 设计思路及方案3.1 总体思路本次课程设计的电容反馈三点式振荡器

16、是自激振荡器的一种，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

17、路完成的。【4】3.2 设计原理振荡器起振条件为AF1，振荡器平衡条件为:AF=1它说明在平衡状态时其闭环增益等于1，在起振时A1/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此时开始谐振。假设由于某种因素使AF1,此时振幅就会自动衰减，使A与1/F逐渐相等。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 。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

18、。LC振荡器由基本放大器、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=1/2L(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/Vip3.3 单元设计3.3.1 电容三点式振荡单元该单元由放大器、反馈网络和选频网络组成，放大单元由2N2222A三极管构成放大电路，将反馈信号放大，反馈网络起正反馈，将信号反馈到放

19、大单元输入，进一步放大，选频网络根据自身参数，在复杂的频谱中选取与自身谐振频率相同的频率将其反馈，所以此信号得以不断放大最终由输出端输出。其单元电路图如图3.1所示图3.1 电容三点式单元电路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，当基极电压有一个微小的变化时，基极电流也随之有一小的变化，受基极电流的控制，集电极电流会有一个很大的变化，即基极电流控制集电极电流的变化。但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，一般在几十到几百倍。对于晶体管静态工作点，合理地选取振荡器的静态工作点，

20、对振荡器的起振，工作的稳定性，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 靠近截止区的地方。根据上述原则，一般小功率振荡器集电极电流 大约在 0.8-4mA 之间选取，故本设计电路中选取=1mA =2V =100则有为提高电路的稳定性值适当增大，取则由于则由于则一般取流过的电流为5-10由于 则由于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

21、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=100pf。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。3.3.2 输出缓

22、冲级单元此单元由设计跟随器构成，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相位相同的特点。【5】其单元电路图如图3.2所示图3.2 缓冲级单元电路4 电路仿真与实现4.1 基于NI.Multis

23、im.V10.0.1软件的电路仿真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。NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。【6】此次课程设计中，在对电路各参数计算之后，得到电路图，将电路图中元件在Multisim软件中放置并连接导线，对其进行仿真，其仿真电路图如图4.1所示图4.1 基于Multisim软件的仿真电路图在进行仿真后，由示波器可以看到输出端的输出波形近似正弦波，

24、在调整振荡单元三极管的静态工作点等参数后，正弦波形得到部分改善，但仍不是很标准的正弦波，有少许失真，其仿真波形如图4.2所示图4.1 基于Multisim软件仿真的波形4.2 硬件调试仿真结果正确后，将各分立元件焊接在一起，并进行硬件调试。首先在焊接之前先用万用表检查各元件的参数是否与理论值相符，元件是否有损坏，在检查好之后对其进行焊接。在焊接结束之后，首先对各个焊接点进行检查，是否有虚焊、漏焊、元件位置焊错、电解电容极性焊反等情况，在检查结束并改正之后才接上电源。通过查阅有关资料，在通电之后没有急于测量电气指标，而观察电路有无异常现象，例如有无冒烟现象，有无异常气味，手摸集成电路外封装，是否

25、发烫等。经过数分钟的观察检测，没有发现异常情况，而后再进行相关测试。在上电之后， 从输出端接出引线，接入示波器观察波形。起初没有出现正弦波形，仅出现微小杂乱的波形，初步分析是电路没有起振，在把可调电阻器进行调整后仍没有出现正弦波形，将换成1nf的小电容后，再次检测，可在示波器上看到正弦波形，在调整可调电阻后能看到较好的正弦波形，频率约为6.4MHz，输出幅值为1.7V，基本满足任务要求。5 心得体会对于电路的设计过程起初以为电容三点式振荡器的设计比较烦琐，有静态工作点的要求，各电阻、电容值的设计，看起来较复杂。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

26、电路图，慢慢变得简单。同样，在这次课程设计中也遇到了不少问题，首先电路的设计，查阅了不少资料，电容三点式虽然常见，但是要考虑到满足任务书的要求，仍费了一番波折；其次是电路的焊接，在焊完元件后检查了一遍，便开始调试，后来发现焊接过程中有两处线路焊接错误，导致结果没有出来，而一点一点排查的过程是比较痛苦的。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，进一步熟悉了Multisim软件的使用，对建立文件、绘制电路图、对其进行仿真等一系列过程都更加熟练，并

27、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。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，以求真正领会各种专业知识，为将来的工作打下良好的基础。参考文献1吴友宇，伍时和，凌玲模拟电子技术基础北京：清华大学出版社，2009.4.2曾兴雯，刘乃安. 高频电路原理与分析.西安：西安电子科技大学出版社，2006.8.3 于洪珍. 通信电子电路.北京：清华大学出版社，2005.8.4陈邦媛射频通信线路北京：科学出版社，2002.4.5姚福安. 电子电路设计与实践. 山东 ：

28、山东科学技术出版社，2003.12.6姜威. 实用电子系统设计基础. 北京 ：北京理工大学出版社，2008.1.附录 总电路图附录 元件清单名称序号型号参数数量电阻R115K1电阻R25.1K1电阻R33.3K1电阻R41K1电阻R53.3K1电阻R73.3K1电阻R81001电阻R9501电阻R101001电阻R1125K1电容C11nf1电容C2100nf1电容C3100pf1电容C4100pf1电容C8100pf1电容C9100nf1三极管Q12N2222A1三极管Q22N39041三极管Q32N2222A1滑动变阻器R65.1K1电感L11uH1电感L210uH1本科生课程设计成绩评定表姓 名陈钟性 别 男专业、班级电子科学与技术0803课程设计题目： 高频电容三点式正弦波振荡器课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 年 月 日