高频多频段正弦波振荡器424修改

1、高频多频段正弦波振荡器摘要在过去的数十年里，现代无线通信技术和计算机技术不断飞速发展，导致频率源的需求量迅速飙升；然而，不同的应用对频率源的频稳度、输出频率数、频率范围有着不同程度的要求。因此人们需要一种能够利用一个或多个高精度频率源来产生一个或多个需要的频率的技术，也就是所谓的频率合成技术；本文主要介绍高频多频段振荡器的设计与制作，高频振荡器主要是用于产生各种高频信号来测试电子设备的电气特性以及性能等。本文的高频振荡器采用西勒振荡器.其电路结构与克拉珀振荡器类似，二者的区别在于西勒振荡器除了在电感支路中串入小电容外，还在电感旁并接一个小电容C，进一步改善了电容三点式振荡器的性能。例如，西勒振

2、荡器的波段覆盖系数会比克拉泼振荡器高4-5左右。且在改变频率时，信号的幅度相比于克拉泼振荡器会更平稳。西勒振荡器的稳定度是在同类的三点式振荡器中最高的。其性能较好，振荡频率高，因此被广泛应用于各类消费类电子产品中，在电视机中尤为广泛。本文通过LC构成的西勒振荡器实现的多频段振荡器具有成本低，电路简单的特点。关键词：高频振荡器、西勒振荡器、多频段、电容三点式1.绪论1.1 研究背景与意义高频多频段正弦波振荡器是利用一个或多个高精度的参考频率源，通过各式各样的技术和方法来产生一或多个所需频率，并加以合成的电路。而提到的所谓的各式各样的技术即为所谓的频率合成技术。该技术起源于1930年代，在当代发展

3、最快的高尖端信息产业中得到了广泛的应用。对于电子系统而言，高频多频段正弦波振荡器已成为不可或缺的关键电路之一。频率源是现代电子系统中不可或缺的一个要素，通常情况下，电子系统中所需的频率由晶振提供。晶振，即石英晶体振荡器，能输出高精度稳定频率是晶振的优点，输出只能输出较低且单一频率是其缺点。因此，当需要特别高的频率，或是需要实现输出频率可调时，就需要用上频率合成技术。以微处理器为例，多频段高频振荡电路可以产生系统所需的多种同步时钟信号。以当前技术，若需要输出多频段的高频正弦波，可采用锁相环合成技术货三点式振荡器等技术。而本文中所研究的输出多频段高频正弦波的方案为使用基于LC振荡器的改进型的西勒振

4、荡器。1.2三点式振荡器研究现状与本文的目标RC振荡器、LC振荡器以及晶体振荡器为现如今最常用的三种振荡器。RC振荡器为使用RC选频移相网络的振荡器。LC振荡器为使用LC选频移相网络的正反馈振荡器。而采用石英晶体的压电效应而制成的谐振器则被称为晶体振荡器。1. LC振荡器主要用于产生高频信号，其频率通常在1MHz以上，由电容和电感组成，故称之为LC振荡器。LC振荡器具有可用频率宽，电路简单灵活，成本低，频率调节方便等优点，但缺点也较为明显，即频率稳定度并不是非常高，温漂和时漂都较大。2. 由于正弦波振荡器并没有输入信号，故需要一个选频网络，若用电容和电阻构成这个选频网络，则该网络为RC振荡器。

5、RC振荡器一般用于产生1Hz-1MHz的低频信号。且RC的选频作用不如LC，故其波形会比LC振荡器差。且非线性失真较大，很难控制在2%以内，频率也较难调节。其优点则为成本较低。3. 石英晶体振荡器，简称晶振，是利用具有压电效应的石英晶片制成的。它具有以下显著优点：频率长期稳定性高；Q值高，带宽窄，有利于选频；体积小。但是其缺点为频率不能调节，频带也较窄，因此不能用于宽带滤波。总的来说，本文的研究目标是设计并实现一种能够调节高频频率的多频段正弦波振荡电路，对于需要能够灵活实现多种频率输出的系统，基于LC振荡器电路简单，可以降低系统体积和成本。1.3 多频段振荡器特点多频振荡器要求的不仅仅是一个简

6、单的并联LC网络和一个有源器件，而是可以产生两个以上并发频率的振荡电路。因此必须能在两个截然不同的频率点同时提供负的电阻值，更高阶的谐振器就是用于这个目的。谐振器的阶数取决于不同频率信号或频段数量。虽然简单的二阶谐振器网络只产生一个频率，但一个四阶谐振器网络能产生两个并发的频率。高阶谐振器的振荡器可以实现多个稳定的震荡模式，并产生多个谐振频率。因此，多频段振荡器中需要包含多阶谐振器。而具有这种结构的振荡器可以通过振荡器晶体管基极综合两个不同值电感组装而成，从而创造同时持续振荡的条件。1.4 论文结构安排第1章介绍了论文的选题研究背景及意义。对主要研究内容和章节安排进行了说明。第2章提出了高频多

7、频段振荡电路设计方案论证，并选择适合本系统的设计方案。第3章介绍了本系统所采用的设计方案的实现原理及硬件选型。第4章对设计方案进行了仿真测试分析已经进行了系统实测。第5章对本高频多频段正弦波振荡器研究内容和工作进行了总结，查找不足并作出展望。2.高频多频段振荡器的方案论证与设计2.1 正弦波振荡器背景知识正弦波振荡器（Sinewave Oscillator)是一种能自动将直流能量转换为特定频率的正弦交变能量的电路，且不需要输入信号的控制。21世纪以来，正弦波振荡器被广泛运用于各种电子设备中。无线发射机中的载波信号由振荡器产生；超外差接收机中的本地振荡信号源即为正弦波振荡器；电子测量仪器中的时钟

8、信号源也是正弦波振荡器。振荡器的频率稳定性和震荡振幅为上述应用中的主要指标。按组成原理而言，正弦波振荡器可分为两大类，一类是反馈振荡器，另一类是负阻振荡器。应用最为广泛的振荡器是前一类，即反馈振荡器，它是利用正反馈的原理构成的。而负阻振荡器则是直接将负阻器件接入到谐振回路中，然后利用负阻器件的负电阻效应来抵消回路中的损耗，从而达成产生等幅自由振荡的目的。第二种振荡器主要被用于微波频段。但这两种振荡器在作用原理上是一致的。2.2 方案选择2.1.1 RC振荡器RC振荡器主要工作在几十kHz以下的低频段。采用RX串并联选频电路、RC导前移相电路、RC滞后移相电路作为移相网络。RC振荡器的优点在于增

9、大电路就能降低振荡频率，所以在低频段的成本较低。但是RC移相电路的选频特性并不理想，导致输出波形的频稳度低，同时波形的失真较大，因此不适用于高性能的设备中。2.1.2 LC振荡器LC振荡器根据其反馈网络的不同，大体上可分为三种：电容反馈式、电感反馈式、互感耦合式。其中：在调整互感耦合式的反馈时，振荡频率基本上不受影响。但由于电路中具有分布电容，所以当频率较高时，较难制作高稳定性的变压器。电感反馈式振荡器的优点在于：a.两电感之间有互感，因此反馈较强，也就容易起振；b.仅需调整电容的大小就可以调整振荡频率；c.电路的反馈系数几乎不受电容容值的改变的影响若将输入信号通过LC谐振回路中的电容分压电路

10、输入正反馈网络，则可构成电容反馈式振荡器。其优点如下：a.振荡波形较好；b.频率稳定度高，只需适当加大回路的电容即可减小不稳定因素对振荡频率的影响；c.可以达到很高的工作频率（几十MHz，甚至几百MHz）；1.1.3 石英晶体振荡器石英晶体振荡器又名石英谐振器，是利用具有压电效应的石英晶体片制成的。能输出极为稳定的振荡频率。其优点在于：带宽较窄、Q值很高、频率稳定性好缺点在于：频率不能调整，只适合定频工作。因此不难看出,LC振荡器最适合用于设计本文所要求的高频多频段振荡器。LC正弦波振荡器是一种反馈型振荡器，其基本原理是利用正反馈的方法来获得等幅的正弦振荡。自主网络和反馈网络组成的一个闭合环路

11、即是反馈振荡器。主网络一般包含选频网络和放大器。反馈网络中则主要包含无源器件。电路由振荡回路、控制器和能量源组成。能量源主要用于补充能量损失。在晶体管振荡器中，该能量源可以是直流电源。控制设备的作用是让电源在正确时刻补充电路的能量损失，从而维持等幅震荡。振荡器要想正常起振，需满足“平衡条件”、“起振条件”和“稳定条件”。其中根据相位平衡条件，电路依照“射同基（集）反”的原则，分为电感三点式和电容三点式，以及其改进型“克拉波振荡电路”和“西勒振荡电路”。本设计将分别对这几种振荡电路形式予以设计分析，比较它们的优缺点，并对影响正弦波振荡器稳定度的各个因素逐一进行分析。在设计后辅以仿真分析，以对各型

12、振荡器进行深入了解3. 高频多频段振荡器的原理与硬件设计3.1 LC振荡器工作原理首先研究LC回路中如何可以产生振荡：当电源接通时，立即产生瞬变电流，而这种瞬变电流包含极宽的频带，但因为谐振回路具有选择性，因此只有对应于谐振回路本身谐振频率的信号被筛选出来。在正反馈的作用下，谐振频信号被不断加强，逐渐形成稳定振荡。而瞬变电流中的其他频率会被滤除，主角小时，而不会被放大。振荡器起振之后，振荡振幅便由小到大地增长起来。但它不可能无限制地增长，而是在达到一定数值后，便自动稳定下来。反馈振荡器是一个由主网络和反馈网络构成的闭合环路。当电源接通时，不会立即产生震荡电压，而是逐渐增长，直至达到平衡状态，之

13、后震荡电压的频率和振幅会在相应平衡值附近校服变动。即使来自外界的不稳定因素对其产生影响，也不会停止振荡或是突变。因此，闭合环路形成反馈振荡器的条件是：必须满足起振条件、平衡条件以及稳定条件。对于三点式振荡电路而言，晶体管的集电极、基极和发射极应分别与选频网络相连。其中与发射极相连的必须是电抗性相同的元件。而与集电极和基极之间的元件应为电抗性相异的元件。即必须符合所谓的“射同基（集）反”的原则。如图3-1所示，1X、2X是同性质电抗，而3X是异性质电抗，并且必须满足下面的关系式x3=-(x1+x2)凡是按照这种规定连接的三点式振荡电路，必定满足相位平衡条件，实现正反馈。不仅仅是相位条件平衡条件，

14、若想要三点式振荡器起振，还需满足起振条件。三极管的合适的静态工作点必须由电路中的偏执电路来设置。这样才能保证振荡器在起振时是工作在放大区的，只有工作在放大去才能有足够的增益来满足起振条件。振荡器在起振之后，产生的振荡波形的振幅将持续增长，当三极管出现非线性的放大特性时，振幅依然增大，而增益将减小。而由偏置电路提供的自给偏置效应又将继续加速放大器的增益的下降，因而振荡波形的振幅的稳定性将加强。根据起振条件，电路虚满足以下不等式的要求，即gm>Kfugi+(g0+gi)/Kfu(a)三点式电抗图 (b)电容三点式(c)电感三点式图3-1式中，Kfu为反馈系数，Kfu=X1X3;gi为晶体管b

15、-c之间的输入电导，g0为晶体管c-e之间的输出电导；gi为等效到三极管c-e脚输出段的负载电导和回路损耗电导只和。振荡器工作时的振荡频率可以由一下公式估算，即f012LC振荡器的另外一个重要指标是频率稳定度。其定义为由于外接条件的变化而引起的振荡器的实际工作频率偏离标称频率的程度。如若在通信设备中，频率稳定度低，通信的可靠性将受到极大的影响。若在测量仪器中的频率稳定度低，则测量结果的误差会很大。在数量上，常常用频率偏差来表示频率稳定度。其中频率偏差指的是制定频率和实际频率的偏差。频率偏差通常可分为相对偏差和绝对偏差两类。设f1为实际工作频率，f0为标称频率，则绝对偏差为f=f1-f0相对偏差

16、为ff0=f1-f0f0除去因测量结果不准确所导致的偏差外（通常称为频率准确度），真正有研究意义的是频率随着时间变化而产生的偏差。而这种偏差也就是所谓的频率稳定度（其实应称之为频率不稳定度会更加贴切）。频率稳定度通常定义为在一定时间间隔内，振荡器频率的相对变化，用ff1时间间隔表示，按照时间间隔长短不同，频率稳定度主要被分为瞬时稳定度、短期稳定度和长期稳定度。一般所研究的稳定度指的是短期稳定度，其定义为在一天时间内按时分秒计时的时间间隔中频率的相对变化。影响振荡器频率稳定度的因素有以下三个方面：(1)振荡回路参数L与C。L和C如有变化，必然引起振荡频率的变化。影响L与C的因素有：元件的机械变形

17、，周围温度变化的影响，湿度、气压的变化等。因此，若想提高振荡器的频率稳定度，则应尽可能保持电感和电容的值不变，因此选用性能质量良好的器件显得尤为重要。其次，振荡器饭周围环境的温度应尽量维持不变。因为在温度改变时，各种电子元器件的参数也会随之改变，因此会造成非常多的不稳定因素。此外，采取温度补偿法来减小不稳定因素也是一个很有效的办法。通过这种方法，可以使电感和电容的变化量互相抵消，也就能维持相对而言较为稳定的振荡频率。(2)回路电阻r。回路电阻的大小由振荡器的负载所决定。r的值随着负载的增大而增大。因此，若想减小回路电阻对稳定性的影响，应尽量维持振荡器的负载处于小负载状态。回路中的Q值的大小随着

18、回路电阻r的值变化而变化，具体体现为Q随着r的增大而减小。频率的稳定度取也取决于Q值的大小，Q值高则频率稳定度高。但是受限于LC谐振电路本身的电路结构，因此若想提大幅提高其Q值，难度较大。再加上LC谐振器本身的Q值也不会太高，因此LC振荡器的频率稳定度一般都不会太高。若想进一步提升频稳度，唯一的办法就是选用高Q值的石英晶体作为振荡器中的谐振回路。(3)电路中的有源器件的参数。当电路中的有源器件为晶体管时，频率稳定度将受晶体管的极间电容的影响。因此在电路的设计问题上应尽量注意减少回路和晶体管之间的耦合。与此同时，在晶体管的选择上应选取fT，即特征频率较高的晶体管。较高的fT值意味较小的内部相移，

19、也意味着着较好的高频特性，电路的起振也就更加容易。一般可选择fT>（3-10)·f1 max，f1 max为振荡器最高的工作频率。除了上述各种稳定振荡频率的措施外，还可以采用改进型的振荡器，比较常见的有两种：“克拉波振荡电路”和“西勒振荡电路”。这两种电路无论是在幅度还是频率稳定性方面，均有较大改善。如图3-2和图3-3所示。(a)原理图 (b)交流通路图3-2克拉泼振荡电路（电容串联型）(a)原理图(b)交流通路图3-3西勒振荡电路（电容并联型）晶体管的性能还和晶体管的直流工作点有关。放大去的底端，即靠近截至区的区域是较为适合晶体管工作的。若晶体管的工作电流过大，输出的振荡波

20、形容易发生异变，甚至停振。因此，在设置晶体管的直流工作点时应尽量远离饱和区。必须指出，不论工作电流是过大还是过小，都会对振荡器的性能产生影响。查阅文献资料可知，较为合适的工作电流应该在1-5mA之间。3.2 方案比较3.2.1电容三点式振荡器电路图如图3-4所示：图3-4调节改变频率时，反馈系数也改变。由于反馈振荡器的回路电抗容易受极间电容的影响，因此也将影响振荡器频率。与此同时，电压以及温度都会影响极间电容的大小，因此，电容三点式振荡器较为不稳定，故用在本设计中并不合适。3.2.2 克拉泼振荡器电路图如图3-4所示图3-5由于C1和C2的值远大于可调电容C6的值，因此将它们串联起来后得到的等

21、效电容的容值接近于C6的值。f0=12LC3其缺点为频率覆盖率太小，仅能达到1.2MHz-1.4MHz。因此，克拉泼振荡器不适合于做可调振荡器，而更适合于做固定频率振荡器。即不符合本设计要求，故该方案舍去。3.2.3 西勒振荡器电路图如图3-6所示：图3-6电路特点是振荡频率的稳定度高，调整范围大。电路的振荡频率为：f0=1112L(C3+C4其电路优点主要有：1.震荡幅度稳定；2.振荡频率较高，甚至可达数千MHz；3.频率覆盖率较大；3.3 方案选择综合以上讨论的内容不难得出结论：最为适合用作本设计的方法是采取西勒振荡电路的方案。理由分别为：1.虽然改变频率主要靠改变C5的值来完成，但是接入

22、系数并不会随着C5的改变而改变，因此波段内的输入辅导会较为平稳。2.在改变C5的大小时，输出频率的变化较明显综上所述，最终选择采用西勒振荡电路这一方案完成设计任务。3.4 硬件电路3.4.1 硬件仿真平台硬件仿真采用美国NI公司的软件Multisim完成。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，适合用于模拟、数字电路设计中的仿真工作。对于电路图的编辑可选直接选用系统库图形输入，也可选用VHDL语言输入。该软件的模拟仿真能力极为强大，是电路仿真的不二之选。因此被广泛应用于电路教学、电路图设计以及SPICE模拟工作。电路设计人员可使用该软件交互式地搭建

23、电路，并加以仿真。由于该软件精炼了SPICE的过于复杂的内容，因此设计人员可以在没有SPICE技术的基础上快速进行捕捉、仿真和分析一个新的电路设计。通过该软件以及虚拟仪器的技术，电路设计者和教学工作者可以很方便地设计电路原理图并加以测试，节省硬件测试的成本以及宝贵的时间。3.4.2 仿真电路电路如图3-7所示：图3-7其中，R1为10k可调电阻，用于调节三极管的静态工作点，L1为电感，C6为25pF可调电阻，用于调节输出的正弦波的频率。三极管采用的是3DG6。3DG6是硅材料NPN型外延平面高频小功率三极管。主要用作收音机及电子玩具中的小信号放大。其特点为：频率特性好，反向漏电小，饱和压降低，

24、电流特性好。但是若无该型号的三极管，可用2N5551代替。3.4.3 仿真结果仿真结果如下：下面图3-8、3-9、3-10三幅图分别为当C6为10%、50%、100%最大容值时的波形图。由波形图中可以看出，当C6的容值越小，输出正弦波的频率越大。图3-8图3-9图3-103.4.4 PCB电路板PCB电路板采用Altium Designer软件设计。Altium Designer 是原Protel软件的开发商Altium公司推出的一体化的电子产品开发系统，主要运行在Windows环境下。这套软件集原理图设计、PCB设计、电路仿真、自动布线等多种功能于一身，使用户能够轻松完成设计任务。该软件若使

25、用得当，能达到事半功倍的效果。在本设计中，采用的是Altium Designer 6.9版本。设计好的PCB图如图3-11所示：图3-113.4.5 硬件实物焊接好的硬件实物图如下图所示。背面和正面分别如图3-12和3-13所示。图3-13 实物背面图3-14 实物正面硬件实物中，将一些元器件的引脚用热熔胶封住了，目的是为了降低干扰。4.系统实测与分析4.1 系统实测用12V开关电源为PCB电路板供电，调节可调电容的容值，然后用泰克示波器观察输出波形。记录到波形图如图4-1和图4-2所示：图4-1 实物测试结果图图4-2 实物测试结果图4.2 系统数据分析经过对实物进行分析。得到的波形很接近正弦波，频率能够达到3M到4.5M的可调范围，幅度能够达到1.3V左右，达到系统设计要求。5.总结本次系统设计经过了多次验证，基本满足了设计中所要求的各项制表。在整个系统设计中，力求电路简单，整体美观，且能充分达到要求并稳定工作来满足系统设计需要。但因为经验不足，且时间安排欠妥，故该系统还有一些不足之处尚待改进。在本次设计过程中，遇到诸多困难。例如用multisim仿真时遇到程序错误、不小心买到了劣质的元器件导致制作的第一块PCB板不起振、第二块PCB板