高频正弦波振荡器

1、武汉理工大学高频电子电路课程设计说明书课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 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、通过双变跳线可构成克拉勃和西勒的串、并联晶体振荡器；4、

2、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31.正弦波振荡器的基本原理41.1起振过程与起振条件41.2平衡过程与平衡条件41.3平衡状态的稳定性和稳定条件52.三点式LC振荡器72.1电容三点式振荡器 72.2串联改进型电容三点式振荡器（克拉泼电路） 82.3并联改进型电容三点式振荡器（西勒电路） 93.石英晶体谐振器103.1 压电效应及其等效电路103.2石英晶体的阻抗

3、特性113.3石英晶体振荡器电路113.3.1并联型晶振电路113.3.2串联型晶振电路124.振荡电路的总体设计和仿真 134.1 主要原件参数设计144.1.2 振荡电路设计部分144.1.3 输出级164.2 电路的仿真（multisim）185. 实物制作图与测试206. 个人小结217. 元件清单228. 参考文献23摘要在通信及电子技术领域的各种电子设备中，广泛应用正弦波振荡器。在这些应用中，对振荡器的提出的主要要求是振荡频率的准确性和频率的稳定性，其中尤其以频率稳定度最为重要。与放大器一样，振荡器也也是一种能量转换器，但不同的是振荡器无需外部激励就能自动的将直流电源供给的功率转化

4、为指定频率和振幅的交流信号功率输出。正弦波振荡器一般是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的一个反馈系统。振荡器的种类有很多，在这次的高频正弦波振荡器的课程设计中，对晶体振荡器，克拉博，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，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，加深对软件的了解程度。关键字：振荡器 通信 石英晶体 正弦波发生器AbstractAll kinds of electronic equipment in the field of communica

5、tion and electronic technology, the wide application of sine wave oscillator.In these applications, the main requirements for oscillator is the stability of the accuracy and frequency of the oscillation frequency, especially in frequency stability is the most important. Like amplifier, oscillator is

6、 also a kind of energy converter, but the difference is oscillator without external excitation can automatically convert the dc power supply power to specify the frequency and amplitude of the ac signal power output.Sine wave oscillator is generally by the transistor with a certain frequency selecti

7、ve ability and active components such as a feedback system composed of passive network. Type of oscillator has a lot of, in the course design of high frequency sine wave oscillator, the crystal oscillator, carat, seiler oscillator are conducted in-depth exploration.Because the quartz crystal has sma

8、ll volume, light weight, high reliability, high stability, etc. So, also used in this class set of quartz crystal oscillator in series, in parallel.In addition, this class set simulation is conducted by using the simulation software, multisim, deepen the understanding of the software.1. 正弦波振荡器的基本原理利

9、用正反馈方法来获得等幅的正弦波振荡，这就是反馈振荡器的基本原理。反馈振荡器是由主网络和反馈网络组成的一个闭合环路。其主网络一般由放大器和选频网络组成，反馈网络一般由无源器件组成。一个反馈振荡器必须满足三个条件：起振条件（保证接通电源后能逐步建立起震荡），平衡条件（保证进入维持等幅持续震荡的平衡状态）和稳定条件（保证平衡状态不因外界不稳定因素影响而收到破坏）。1.1起振过程与起振条件环路增益T(jw)=A(jw)F(jw),式中A(jw)，F(jw)分别是主网络增益函数和反馈系数函数，均为复函数。在刚接通电源时，电路中会存在各种电扰动，这些扰动在接通电源瞬间会引起电路电流的突变扰动的电流均具有很

10、宽的频谱，由于集电极LC并联谐振回路的选频作用，其中只有角频率为谐振角频率w0的分量才能在谐振回路两端产生较大的电压u0(jw0)。通过变压器反馈后，加到放大器输入端的反馈电压uf(jw0)与原输入电压ui(jw0)同相，并且具有更大的振幅，则经过线性放大和正反馈的不断循环，振荡电压的振幅就会不断增大。所以，要使振荡器在接通电源后振荡振幅能从小到大增长的条件是：uf(jw0)=T(jw0)ui(jw0)>ui(jw0)即T(jw0)>1。由于T(jw0)为复数，即有|T(jw0)|>1 T(w0)=2n（n=0,1,2,3）。而上面两式分别称为反馈振荡器的振幅起振条件和相位起

11、振条件。即说明在起振过程中，直流电源补充给电路的能量应该大于整个环路消耗的能量。1.2平衡过程与平衡条件振荡幅值的增长过程不可能无止境的延续下去，因为放大器的线性范围是有限的，随着振幅的增大，放大器逐渐由放大区进入饱和区或截止区，工作于非线性的甲乙类状态，其增益逐渐下降。当因放大器增益下降而导致环路增益下降到1的时候，振幅的增长过程将停止，振荡器打到平衡状态，即进入等幅振荡状态。振荡器进入平衡状态以后，直流电源补充的能量刚好抵整个环路小号的能量。所以，反馈振荡器的平衡条件为：T(jw0)=1又可分别写成：|T(jw0)|=1T（w0）=2n(n=0,1,2)上式分别叫做振幅平衡条件和相位平衡条

12、件。作为反馈振荡器，既要满足起振条件，又要满足平衡条件。为此，电源接通后，环路增益的模值|T(w0)|必须具有随振荡电压ui振幅的增大而下降的特性,如下图所示。而环路增益的相位T（w0）则必须维持在2n上，已保证放大器的反馈为正反馈。由图可以看出，起振时，|T(w0)|>1,起振过程是一个增幅的振荡过程；随着ui振幅的迅速增大，|T(w0)|随之下降，ui的增长速度变慢，直到|T(w0)|=1时，ui的振幅停止增大，振荡器进入平衡状态，在相应的平衡振幅UiA上维持等幅振荡。1.3平衡状态的稳定性和稳定条件振荡器在工作过程中, 不可避免地要受到各种外界因素变化的影响, 如电源电压波动、 温

13、度变化、 噪声干扰等。 这些不稳定因素将引起放大器和回路的参数发生变化, 结果使（0）或T（0）变化, 破坏原来的平衡条件。 如果通过放大和反馈的不断循环, 振荡器越来越偏离原来的平衡状态, 从而导致振荡器停振或突变到新的平衡状态, 则表明原来的平衡状态是不稳定的。反之, 如果通过放大和反馈的不断循环, 振荡器能够产生回到原平衡点的趋势, 并且在原平衡点附近建立新的平衡状态, 则表明原平衡状态是稳定的。要使振幅稳定, 振荡器在其平衡点必须具有阻止振幅变化的能力。具体来说, 在平衡点UiUiA附近, 当不稳定因素使输入振幅Ui增大时, 环路增益幅值(0)应该减小, 使反馈电压振幅Uf减小, 从而

14、阻止Ui增大；当不稳定因素使Ui减小时, T(0)应该增大, 使Uf增大, 从而阻止Ui减小。这就要求在平衡点附近, T(0)随Ui的变化率为负值, 即: 上式就是振幅稳定条件。对照上一个图可以看到, 满足这个条件的环路增益特性与满足起振和平衡条件所要求的环路增益特性是一致的。如果环路增益特性如下图所示，则振荡器存在两个平衡点A和B，其中，A点是稳定的，而B点，由于|T(w0)|具有随Ui增大而增大的特性，所以他是不稳定的。但是，由于在这种振荡器中，由于不满足振幅起振条件，因而必须外加大的电冲击，产生大于UiB的起始扰动电压后，才能进入平衡点A，产生持续等幅振荡。通常将这种依靠外加冲激产生振荡

15、的方式成为硬激励；相应的，将电源接通后自动进入稳定平衡状态的方式称为软激励。总的来说，要使平衡点稳定，|T(w0)|必须在UiA附近具有负斜率变化，即随着Ui的增大而下降的特性，且这个斜率越陡，表明由Ui的变化而产生的|T(w0)|变化越大。这样，只需要很小的Ui变化就可以抵消外界因素引起的| T(w0)|的变化，使环路重新回到平衡状态。振荡器的相位平衡条件是T（0）。在振荡器工作时, 某些不稳定因素可能破坏这一平衡条件。如电源电压的波动或工作点的变化可能使晶体管内部电容参数发生变化, 从而造成相位的变化, 产生一个偏移量。由于瞬时角频率是瞬时相位的导数, 所以瞬时角频率也将随着发生变化。为了

16、保证相位稳定, 要求振荡器的相频特性T（）在振荡频率点应具有阻止相位变化的能力。具体来说, 在平衡点=0附近, 当不稳定因素使瞬时角频率增大时, 相频特性T（0）应产生一个-, 从而产生一个-, 使瞬时角频率减小；当不稳定因素使减小时, 相频特性T（0）应产生一个, 从而产生一个, 使增大, 即T（）曲线在0附近应为负斜率, 如图425所示。 数学上可表示为： 上式就是相位的稳定条件。相位稳定条件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

17、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，而且为晶体管集电极构成直流通路。 37 （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

18、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

19、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) 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

20、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 RqCqLq 图3.1 石英晶体谐振器等效电路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

21、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

22、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

23、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；C3与C4、C9、L2组成电容三点式振荡，C7与射随器进行耦合，R2、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是三个拨码开关，当D

24、SW1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，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4.1.1 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R3适当取大，取R4=500,则R3=2.5K。 可取R2=5.1 ，R1=5.1，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

25、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=150p

26、f,=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。4.1.2 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

27、，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相位相同的特点。4.2 电路的仿真（multisim）4.2.1.克拉波电路由上图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550mV,频率为6.583MHz。4.2.2.西勒电路仿真由上图可得：西勒电路最终输出的正弦波信号幅度约为210mV，频率为5.488MHz。4.2.3.并联型晶振由上图可得：晶体并联型振荡器的正弦波信号幅度约为600uV，频率为6.682MHz。4.2.4串联型晶体振荡器由上图可得：串联型晶体振荡器

28、的正弦波信号幅值为450mv，频率为6.425MHZ5.制作的实物图极其实测图： 克拉博西勒晶体并联6.个人小结 从知识层面上来讲，通过这次的设计实验，知道了正弦发生器的工作原理，以及各种类型的振荡器的工作原理和状态。另外，这次课程设计，拿到题目的时候感觉应该不会很难，因为我们的实验课上用到过这种实验电路，但是实际做起来就不是那么回事了。刚开始进行仿真设计电路的时候参考了实验用的电路板，他的电路的大致构造，然后自己根据实验要求去设计各个元器件的参数，具体的电路构建，去弄清楚电路中各个元件和部分都起到的是什么作用，然后才设计出大致的电路图。之后用multisim进行仿真，但是仿真出来的结果却和预想的有很大的差别，之后又进行了电路的各种调试，最终仿真才算是勉强的完成了。但是之后的焊接实物却很为难，由于设计电路的时候用到了可变电感和可