模拟电子课程设计-正弦波振荡器的设计.doc

课 程 设 计 任 务 书学生班级：09电气工程及其自动化 学生姓名： 学号： 设计名称： 正弦波振荡器的设计 起止日期： 2011.06.6至2011.06.10 指导教师： 设计要求： 1、振荡频率：1khz； 2、振幅稳定； 3、波形对称； 4、无明显非线性失真。摘 要: 从结构上看，正弦波振荡电路就是一个没有输入信号的带选频网络的正反馈放大电路。分析rc串并联选频网络的特性，根据正弦波振荡电路的两个条件，即振幅平衡与相位平衡，来选择合适的放大电路指标，来构成一个完整的振荡电路。很多应用中都要用到范围可调的 lc 振荡器，它能够在电路输出负载变化时提供近似恒定的频率、几乎无谐波的输出。电路必须提供足够的增益才能使低阻抗的 lc 电路起振，并调整振荡的幅度，以提高频率稳定性，减小 thd（总谐波失真）。关键词: 正弦波；振荡电路；稳幅 目录 1. 摘要22. 设计要求43. 方案设计与选择44. 正弦波振荡器的工作原理4 4.1 自激振荡的条件4 4.2自激振荡建立过程55. 正弦波振荡器的组成56. 选择合适的振荡电路67. 设计结果与分析7 7.1 设计合适的偏置电路及静态工作点分析7 7.2 振荡频率分析88. 振荡电路总原理图及元件清单8 8.1振荡电路总原理图9 8.2 元件清单9 8.3 正弦波振荡器波形仿结果109. 设计体会1110. 参考文献1211. 附录1312. 评语表14正文：设计题目：正弦波振荡器的设计一、设计要求：1、振荡频率：1khz；2、振幅稳定，波形对称，无明显非线性失真；3、电源电压：v=12v；二、方案设计与选择lc振荡器的电路种类比较多，根据不同的反馈方式，又可分为互感反馈振荡器，电感反馈三点式振荡器，电容反馈三点式振荡器，其中互感反馈易于起振，但稳定性差，适用于低频，而电容反馈三点式振荡器稳定性好，输出波形理想，振荡频率可以做得较高。所以选择电容反馈三点式振荡器是不容置疑的，而电容反馈三点式振荡器又分为考毕兹振荡器，克拉波振荡器，西勒振荡器。本次课程设计我们选择考毕兹振荡器,因为此振荡电路适用于较高的工作频率。三、自激振荡的工作原理正弦波振荡器：一种不需外加信号作用，能够输出不同频率正弦信号的自激振荡电路。lc回路中的自由振荡如图1(a)所示。自由振荡电容通过电感充放电，电路进行电能和磁能的转换过程。阻尼振荡因损耗等效电阻r将电能转换成热能而消耗的减幅振荡。图1(b)所示。等幅振荡利用电源对电容充电，补充电容对电感放电的振荡过程，图1(c)所示。这种等幅正弦波振荡的频率称为lc回路的固有频率，即图1 lc回路中的电振荡1、自激振荡的条件振荡电路如图2所示。振荡条件：相位平衡条件和振幅平衡条件。1相位平衡条件反馈信号的相位与输入信号相位相同，即为正反馈，相位差是180 的偶数倍，即 j=2np 。其中，j 为vf与vi的相位差，n是整数。vi、vo、vf的相互关系参见图3 .2.振幅平衡条件反馈信号幅度与原输入信号幅度相等。即 avf=1 图2 变调谐放大器为振荡器 图3 自激振荡器方框图2、自激振荡建立过程自激振荡器：在图2中，去掉信号源，把开关s和点“2”相连所组成的电路。图4 振荡的建立过程自激振荡建立过程：电路接通电源瞬间，输入端产生瞬间扰动信号vi，振荡管v产生集电极电流ic，因ic具有跳变性，它包含着丰富的交流谐波。经lc并联电路选出频率为f0的信号，由输出端输出vo，同时通过反馈电路回送到输入端，经过放大、选频、正反馈、再放大不断地循环过程，将振荡由弱到强的建立起来。当信号幅度进入管子非线性区域后，放大器的放大倍数降低到 avf=1时，振幅不再增加，自动维持等幅振荡。如图4所示。四、正弦波振荡器的电路组成基本电路组成： (1)放大电路：保证放大信号，并向电路提供能量。(2)反馈网络：引入正反馈，使之满足相位和幅度平衡条件。(3)选频网络：选择某一频率，满足起振条件，保证输出为单一频率的正弦波信号(4)稳幅措施的电路：保证正弦波振荡器输出具有稳定幅度的正弦波信号。 三点式振荡电路的基本模型电路图5 三点式振荡电路5、 选择合适的振荡电路 振荡电路的组成：振荡回路模块、偏置电路模块、输出缓冲电路模块。振荡电路的选择主要是根据所给定的工作频率（或工作频段）频率稳定度的要求。因为设计的电路要求是高频信号，故选择lc振荡电路。电容式三点式lc振荡电路：电路特点：lc振荡回路三个端点与晶体管三个电极相连。 图9 电容三点式振荡器电容三点式振荡器电路如图9(a)所示，交流通路如图9(b)所示。相位条件：当线圈1端电位为“+”时，3端电位为“-”。此电压经1、2分压后，2端电位低于1端而高于3端，即vf与vo反相，经v倒相放大后，使1端获“+”电位，形成正反馈，满足相位条件。振幅条件：适当的选择1、2的数值，使电路具有足够大的放大倍数，电路可产生振荡。电路振荡频率为 而 电路特点：频率较高，可达100 mhz以上; 反馈电压中高次谐波分量较小; 电容三点式电路的反馈系数决定于两个电容容抗的比值，调节振荡频率，电容三点式电路反馈系数就会随着频率改变而改变。优点：输出波形好;电路的频率稳定度较高。工作频率可以做得较高，可达到几十mhz到几百mhz的甚高频波段范围.缺点：调节频率不方便。6、 设计的结果与分析1、设计合适的偏置电路及静态工作点分析 静态工作点的选择及偏置电路元件的估算合理地选择振荡器的静态工作点，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。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icq大约在0.52ma之间选取，各极电压大致可取为：集电极对地电压：vco=(10.6)vcc；发射极对地电压：veo=0.2vcc图10振荡管的偏置电路 对于振荡器来说，稳定静态工作点的主要措施是采用高稳定度的偏置电路。目前广泛采用的是混合反馈式偏置电路。对于这种电路，各偏置元件可按下列公式选取： rb2(26)re发射极电阻旁路电容ce可按下式计算：。为了满足rb的关系,隔直电容cb可按下面经验公式进行计算： 。其中，rb=rb1/rb2/hie；f为工作频率，单位为mhz。需要指出的是，cere之值不能太大，否则将会产生间歇振荡现象。静态工作点的确立：icq=2ma，vceq=6v，=60，则：rc+re=3k,取rc=2k，re=3.6k，rb1=150k，rb2=30k，ibq=33.3ua2、振荡频率分析图11中l1、l2、c1组成谐振回路,l2兼作反馈网络,通过耦合电容c2将l2上反馈电压送到三极管的基极。由交流通路看出,谐振回路有三个端点与三极管的三个电极相连,而且与发射极相接的是l1、l2,与基极相接的是l2、路必然满足相位平衡条件。当回路的q值较高时,该电路的振荡频率基本上等于lc回路的谐振频率,即式中l = l1l22m为回路总电感。该电路的特点与变压器反馈式振荡电路极为相似。须指出：它的输出波形较差,这是由于反馈电压取自电感的两端,而电感对高次谐波的阻抗较大,不能将它短路,从而使uf中含有较多的谐波分量,因此,输出波形中也就含有较多的高次谐波。不难证明其振荡频率为： 图11七、振荡电路总原理图及元件清单1、设计的考毕兹振荡器的振荡电路原理图： 图12 考毕兹振荡器理论计算振荡器的频率f 7mhz 调解c1c2改变频率时，反馈系数改变。频率稳定度：。lc谐振回路的标准性和q值都不高，频率稳定度不高于数量级。2、元件清单元件序号型号主要参数数量r15.1k1r227 k1r33.0 k1r41.0 k1r55.1 k1c1100pf1c2100 pf1c31.0uf1c41.0uf1c51.0uf1c610uf1c710uf1l110mh1l2300 mh13、下面是仿真波形图的截屏：八、 设计体会这一周，我们进行模拟电子课程的课题设计。通过此次课程设计，我能对正弦波振荡器的原理有了比较深刻的认识，加深了对这门课的理解。在这次的正弦波振荡电路的设计任务中，我们是负责“正弦波振荡器的设计”这个题目，这是本次课程设计不可或缺的部分。当然，在设计中，遇到过不少的困难，但是，通过网上查找相关资料，及参考书本，得到了意想不到的结果。通过这次课程设计，我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。实践能更好的检验理论的正确与否，实践能更好的帮助我们探求自身的不足，实践能更好的巩固我们的知识。这次课程设计，使我明白了很多东西，做任何事情都需要我们有一颗细腻的心，外加认真的态度。不管做什么，都需要我们有坚忍不拔的毅力和端正的态度。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多专业知识问题，自己查资料、问同学、请教老师 通过各种各样的办法，最终解决了所遇到的问题，感谢给予我帮助的老师和同学，同时也为自己在这次任务重的成长而感到欣慰。参考文献1郭永贞.电子技术实验与课程设计指导模电分册.2童诗白、华成英.模拟电子技术基础.北京:人民教育出版社,19823王克义，李洁.电子技术与数字电路.北京:北京大学出版社,19964程开明.模拟电子技术.重庆:重庆大学出版社,19935康华光.电子技术基础(模拟部分).北京:高等教育出版社,19986庄效恒，李燕民.模拟电子技术.北京:机械工业出版社,19997谢沅清，解月珍.电子技术基础.北京:人民邮电出版社,19998柯节成.电子技术基础.北京:高等教育出版社,1991附录1. 正弦波震荡条件af=af=1 （1）a+f=2n，n=0，1，2， （2）式称为振幅平衡条件，而式则称为相位平衡条件，这是正弦波振荡电路产生持续振荡电路产生持续振荡的两个条件。值得注意的是，无论是负反馈放大电路的自激条件（af=1）或振荡电路的振荡条件（af=1），都是要求环路增益等于1，不过，由于反馈信号送到比较环节输入端的、符号不同，所以环路增益各异，从而导致相位条件不一致。图1 图2振荡电路的振荡频率f0是由式的相位平衡条件决定的。一个正弦波振荡电路只在一个频率下满足相位平衡条件，这个频率就是f0，这就要求在af环路中包含一个具有选频特性的网络，简称选频网络。它可以设置在放大电路a中，也可设置在反馈网络f中，它可以用r、c元件组成，也可用l、c元件组成。用r、c元件组成选频网络的振荡电路称为rc振荡电路；一般用来产生1hz1mhz范围内的低频信号。由于正弦波振荡电路中的放大器件是工作在线性区，因此在分析中，可以近似按线性电路来处理。 2. 等幅正弦波振荡的频率称为lc回路的固有频率： 3. 静态工作点公式ibqucc/rb icq=ibq uceq=uccicqrc 评语表 自我评价 通过这次模拟电子技术课程设计，我能对正弦波振荡器的原理有了比较深刻的认识，加深了对这门课的理解，也培养了良好的学习兴趣和学习方法，同时也认识到了理论和实践相结合的重要性。今后要加强