高频自己震荡器课程设计

1、 职业技术学院 课程设计报告课程名称： 高频电子线路 专业班级： 信工112 姓 名： 周炎 学 号： 20110311230 学 期： 20132014第一学期目录 一 、课程设计目的2二、课程设计题目描述和要求2三、课程设计报告内容2四、结论21五、结束语22六、参考书目22七、附录：(源程序清单)22一 、课程设计目的设计一个石英晶体自激震荡器和一个电容式三端自激震荡器二、课程设计题目描述和要求2.1 课程设计题目描述本次设计采用正弦波发生电路,正弦波发生电路通常称为正弦波振荡器。是模拟电子电路的一种重要形式。特点是不需要外加任何输入信号就能根据要求而输出特定频率的正弦波信号。这种特点称

2、为“自激振荡”。波形发生电路是非常典型的正反馈放大电路。与放大器一样,震荡器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地将直流电源提供的功率转换为指定的频率和振幅的交流信号功率输出。振荡器一般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。2.2 课程设计要求1)设计要求：设计一个晶振振荡器主要技术指标：晶振频率为20MHz, 输出信号幅度5V(峰峰值)，可调。2)设计要求：设计一个电容三点式振荡器主要技术指标：振荡频率15-20MHz, 输出信号幅度5(峰峰值)，可调；频率稳定度优于10-4。三、课程设计报告内容3.1 设计方案的论证：1.产生自激振荡的条件1）平衡条件假设

3、图示电路中：先通过输入一个正弦波信号，产生一个输出信号，此时，以极快的速 图1度使输出信号，通过反馈网络送到输入端，且使反馈信号与原输入信号“一模一样”，同时切断原输入信号，由于放大器本身不能识别此时的输入究竟来自信号源，还是来自本身的输出，既然切换前后的输入信号“一模一样”，放大器就一视同仁地给予放大，形成：输出反馈输入放大输出反馈；这是一个循环往复的过程，放大器就构成了一个“自给自足”的自激振荡器。上述假设指出：只有反馈到输入端的信号与原输入信号“一模一样”。才能产生自激振荡，“一模一样”就是自激振荡的条件亦称平衡条件。也即：Xf=Xi'Xi'=Xf 因为是正弦波，而描述正

4、弦波的三要素是：振幅、频率和相位。振幅相等；相位相同（若相位总相同，则频率和初相一定都相等）因为自激振荡是一个正反馈放大器，故可用反馈的概念来描述振荡条件。当 时 由于 和 都是复数 此式要成立，则必有 ，（） 振幅平衡条件 （ ）相位平衡条件 2）起振条件起振的最初来源是振荡器在接通电源不可避免地存在的电冲击及各种热噪声等，例如：在加电时晶体管电流由零突然增加，突变的电流包含有很宽的频谱分量，在他们通过负载电路时，由谐振回路的性质即只有频率等于回路谐振频率的分量可以产生较大的输出电压，而其他频率成分不会产生压降，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较大的

5、正反馈电压，反馈电压又加到放大器的输入，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，输出电压的振幅U0较小，经过不断放大，反馈循环，输出幅度U0逐渐增大，否则输出信号幅度过小，没任何价值。为了使振荡过程中输出幅度不增加，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。T(jw)>1称为自激振荡的起振条件也可写为|T(jw)|=YfRLF'>1 T=f+L+F'=2n n=0,1,2,上式分别为起振的振幅条件和相位条件，其中起振的相位条件即为正反馈条件。3） 稳定条件处于平衡状态的

6、振荡器应考虑其工作稳定性，这是因为振荡器在工作过程不可避免地要受到外界各种因素的影响，如温度改变，电源电压的波动等等，这些变化将使放大器放大器啊倍数和反馈系数改变，破坏了原来的平衡状态，对振荡器的正常工作将会产生影响。如果通过放大和反馈的不断循环，振荡器能在原平衡点附近建立起新的平衡状态，而且当外界因素消失后，振荡器能自动回到原来平衡状态，则原来平衡点是稳定的；否则平衡点为不稳定。振荡器的稳定条件分为振幅稳定条件和相位稳定条件。要使振荡稳定，振荡器在其平衡点必须具有阻止振幅变化的能力。具体来说既是，在平衡点附近，当不稳定因素使振幅增大时，环路增益的模值T应减小，形成减幅振荡，从而阻止振幅的增大

7、，达到新的平衡，并保证新平衡点在原平衡点附近，否则，若振幅增大,T也增大, 则振幅将持续增大,远离元原平衡点,不能形成新的平衡,振荡器不稳定；而当不稳定因素使振幅减小时，T应增大，形成增幅振荡，阻止振幅的减小，再远平衡点附近建立起新的平衡，否则振荡器将是不稳定的。因此振幅稳定条件为 TUi u i = u iA<0由于反馈网络为线性网络，即反馈系数大小F不随输入信号改变，故振荡器条件又可写为 KUi u i = u iA <0式中K为放大器增益大小。由于放大器的非线性，只要电路设计合理，振幅稳定一般很容易满足。若振荡器采用自偏压电路，并工作到截止状态，其|K/U i|大，振荡稳定性

8、好。再解释振荡器的相位稳定性前，我们必须清楚，一个正弦信号的相位和它的频率W之间的关系W= ddt=wdt可见，相位的变化必然要引起频率的变化，频率的变化也必然要引起相位的变化。设振荡器原在w=w1时处于相位平衡状态，即有Lw1+f+F'=0, 现因外界原因使振荡的反馈电压Ub'的相位超前原输入信号Ub 。由于反馈相位提前（既每一周期中Ub'的相位均超前Ub ），振荡周期要缩短，振荡频率要提高，比如提高到W2,W2>W1。当外界因素消失后 图2显然W2处不满足相位平衡条件，这时，f+F'不变，但由于W2>W1，L要下降，即这时Ub'相对于Ub

9、 的幅角 Lw1+f+F'<0这表示Ub'落后于Ub ，导致振荡周期增长，振荡频率降低，即又恢复到原来的振荡频率w1。上述相位稳定是靠w增加，L降低来实现的，即并联振荡回路的相位特性保证了相位稳定。因此相位稳定条件为 Lw w = w1<0回路Q值越高，Lw值越大，其相位稳定性越好。2.电容反馈式三端振荡器 基本电路就是通常所说的三端式(又称三点式)的振荡器, 即LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而成的电路, 如图。  根据谐振回路的性质, 谐振时回路应呈纯电阻性, 因而有即一般情况下, 回路Q值很高, 因此回路电流远大于晶体管的基极电流 İb

10、、集电极电流İ c以及发射极电流İe, 故由图有图3因此X1、 X2应为同性质的电抗元件。即构成原则为：射同余异三端式振荡器有两种基本电路, 如图所示。 图(a)中X1和X2为容性, X3为感性, 满足三端式振荡器的组成原则, 反馈网络是由电容元件完成的, 称为电容反馈振荡器, 也称为考必兹(Colpitts)振荡器。图(b)为电感反馈振荡器,也称为哈特雷(Hartley)振荡器。 图41）三端电容反馈振荡器 图 4 - 8(a)是一电容反馈振荡器的实际电路, 将 视为开路将 视为短路图，则是其交流等效电路如图(b)。图5振荡频率：高Q时与电感三端震荡电路想比，电容三端振荡器的优点是输出波形较

11、好，这是因为集电极和基极电流可通过对谐波为低阻抗的电容支路回到发射极，所以高次谐波的反馈减弱，输出的谐波分量减少，波形更加接近于正弦波。其次，该电路中的不稳定电容（分布电容、器件的结电容等）都是与该电路并联的，因此适当的加大回路电容量，就可以减弱不稳定因素对振荡器的影响，从而提高了频率稳定度。最后，当工作频率较高时，甚至可以只利用器件的输入和输出电容作为回路电容。因而本电路适用于较高的工作频率。这种电路的缺点是:调 或 来改变震荡频率时，反馈系数也将改变。但只要在L两端并上一个可变电容器，并令 与 为固定电容，则在调整频率时，基本上不会影响反馈系数。2）改进型电容三点式(1)如图是克拉泼振荡器

12、的实际电路和交流等效电路图6它的特点是在前述的电容三点式振荡谐振回路电感支路中增加了一个电容C3，其取值比较小，要求C3<< C1，C3<< C2。先不考虑各极间电容的影响，这时谐振回路的总电容量C为C1、C2 和C3的串联，即 于是，振荡频率为使上式成立的条件是C1和C2都要选得比较大，由此可见，C1、C2对振荡频率的影响显著减小，那么与C1、C2并接的晶体管极间电容的影响也就很小了，提高了振荡频率的稳定度。(2)西勒电路是在克拉泼电路的L两端并联上一个电容得到的，有效的改善了克拉泼电路可调范围小的缺点，电路图如图所示：图7 所以振荡频率该电路频率稳定性非常高，振幅稳

13、定，频率调节方便，适合做波段振荡器。通过对以上的几种电路的分析，可以看出：1.电感反馈式三端振荡器：容易起振，调频方便，但波形失真较大；2.电容反馈式三端振荡器：波形好，频率稳定性好，但调频不方便；3.克拉泼振荡器：调频方便但可调范围小；4.西勒振荡器：频率稳定性高，振幅稳定，调频方便。 所以，在本设计中拟采用并联改进型的西勒电路振荡器。3.石英晶体振荡器a. 主要成分： 天然的石英晶体有六个侧面，呈六棱双角锥形。经过适当的切割，可获得石英晶体薄片晶片。不同切向得到的晶片特性不同固有谐振频率不同。b. 主要特性：压电效应在晶片上加电场，晶片会产生机械变形，加交变电场，晶片会产生机械变形振动机械

14、振荡，同时，它的机械振荡又会产生交变电场。换句话说，晶片能实现电能和机械能的相互转换。这种能量转换的过程与LC并联谐振回路中：电感的磁场能与电容的电场能相互转换的情况相类似。晶片的这种物理特征称为“压电效应”。当外加交变电压的频率等于晶片的固有频率时，石英晶体振荡的振幅会突然增加，晶体呈现出纯电阻性质，损耗极小，Q值极高，这种现象称为“压电谐振”，所以石英晶体实际上是一种电机械的谐振子。c. 电路符号及等效电路电路符号： 中间表示石英晶片，晶片表面镀一层金属膜，焊上金属电极。其等效电路分为静态等效电路和动态等效电路。静态时：石英晶体相当于一个平板电容器，晶片相当于介质，金属膜相当于两个极板，等

15、效电路为：C0：晶体的静态电容，皮法数量级 图8动态时：石英晶体相当于一个振荡电路，其等效电路为：L：晶体电感，反映晶体的惯性， C：晶体电容，反映晶体的弹性， R：晶体的损耗电阻，几欧几百欧。分析：由于L很大，C、R很小，所以 这样大的 值是一般的LC回路所做不到的。从等效电路可以看出。串联谐振状态：谐振频率fs=12LC并联谐振状态：谐振频率fP=12LCC0=12LCC0C+C0=fs1+CC0从数量级上看， ，因此，fs 和fP 两个频率非常接近。石英晶体的电抗频率特性曲线。在 频率区间内，晶体呈感性； 在其余的频率区间内，晶体呈容性。 图图9石英晶体谐振器具有优良的特性,具体表现为：

16、a. 石英晶体谐振器具有很高的标准性。 b. 石英晶体谐振器与有源器件的接入系数p很小,一般为10-3=10-4。c. 石英晶体谐振器具有非常高的Q值。根据晶体在电路中的作用,可以将晶体振荡器归为两大类:并联型晶体振荡器和串联型晶体振荡器。 1) 并联型晶体振荡器 图4-17示出了一种典型的晶体振荡器电路,当振荡器的振荡频率在晶体的串联谐振频率和并联谐振频率之间时晶体呈感性,该电路满足三端式振荡器的组成原则,而且该电路与电容反馈的振荡器对应,通常称为皮尔斯(Pierce)振荡器。图10反馈系数F的大小为 。由于晶体的品质因数Q很高,故其并联谐振电阻Ro也很高,虽然接入系数p较小,但等效到晶体管

17、CE两端的阻抗RL仍较高,所以放大器的增益较高,电路很容易满足振幅起振条件。b-e型并联晶体振荡器的典型电路如图所示，该电路是一个双回路振荡器，它的固有谐振频率略高于振荡器的工作频率，负载回路选用的是并联谐振回路，可以抑制其他谐波，有利于改善输出波形，并且电路的输出信号较大，但频率稳定度不如b-c型振荡电路，因为在b-e型电路中，石英晶体则接在输入阻抗低的b-e之间，降低了石英晶体的标准性。其等效电路如图(b)所示。和一般LC振荡器相比，石英晶体振荡器在外界因素变化而影响到晶体的回路固有频率时，它还具有使频率保持不变的电抗补偿能力，原因是石英晶体谐振器的等效电感Le与普通电感不同，当频率由wq

18、变wo化到时，等效电感值将由零变到无穷大，这段曲线十分陡峭，而振荡器又刚好被限定在工作在这段线性范围内，也就是说，石英晶体在这个频率范围内具有极陡峭的相频特性曲线，因而它具有很高的电感补偿能力。2)串联型晶体振荡器 在串联型晶体振荡器中,晶体接在振荡器要求低阻抗的两点之间,通常接在反馈电路中。如图是一串联型晶体振荡器的实际线路和等效电路。图11在串联型晶体振荡器中，晶体接在振荡器要求低阻抗的两点之间，通常接在反馈电路中。由串联型振荡器的实际路线和等效电路。可以看出，如果将石英晶体短路，该电路即为电容反馈的振荡器。电路的实际工作原理为：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，近

19、似为一短路线，电路满足相位条件和振幅条件，故能正常工作；当回路的谐振频率距串联谐振频率较远时，晶体阻抗增大，是反馈减弱，从而使电路不能满足振幅条件，电路不能正常工作。串联型晶体震荡器的工作频率等于晶体的串联谐振频率，不需要外加负载电容CL,通常这种晶体标明其负载电容为无穷大，在实际制作中，若fq有小的误差，则可以通过回路调谐来微调。串联型晶体振荡器只能适应高次泛音工作，这是由于晶体只起到控制频率的作用，对回路没有影响，只要电路能正常工作，输出幅度就不受晶体控制。 由于晶体的精确度极高，所以串联晶体振荡器足以满足实际要求，而且串联振荡容易设计电路容易搭建所以本次设计选串联谐振电路来实现。3.2

20、元器件参数的计算1. 席勒振荡器参数的计算1）确定三极管静态工作点 如图是要设计的电路及其交流等效电路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 图12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，由附录三极管2n3904的参数的选取ICQ=2mA，VCEQ=6V， =100； 则有为提高电路的稳定性Re值适当增大，取Re=1K则Rc2K因：UEQ=ICQ Re 则：UEQ =2mA×1K=2V因： IBQ=ICQ 则： I BQ=2mA/100=0.02mA一般取流过Rb2的电流为510I BQ ,若取1

21、0I BQ因： R2=UBQ10IBQ UBQ=UEQ+0.7所以 R2=2.7V10*IBQ=2.7V10*0.0.2mA=13.5K所以取标称电阻为12K。因：R1=VCC-UBQUBQ R2则：R1=12V-2.7V2.7V12K=41.3K2) 交流参数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Cp远大于总的不稳定电容Cd原则，先选定Cp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

22、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F=C1/C2，不能过大或过小，适宜0.10.5。因振荡器的工作频率为：当LC振荡时，按题目要求 fo=1520MH ，本次选20MH本电路中，则回路的谐振频率 主要由C3、C4、L决定，即有L*C3+C4=14*2*20*106=6.33×10-17=63.3×10-6×10-12为了计算简便取“64×10-6×10-12”则取C3+C4=8pF，L=8H取C3=C4=4pF，因要遵循C1

23、，C2>>C3,C4， C1/C2=0.10.5的条件，故取C1=40pF则C2=60pF。2 .串联石英晶体振荡器的计算1）确定三极管静态工作点如图是要设计的电路及其交流等效电路正确的静态工作点是振荡器R1能够正常工作的关键因素，静态工作点主要影响晶体管的工作状态，若静R2态工作点的设置不当则晶体管无法进Re行正常的放大，振荡器在没有对反馈信号进行放大时是无法工作的。振荡 图13器主电路的静态工作点主要由R1、R2、Re决定，将电感短路，电容断路，得到直流通路。根据上述原则，由附录三极管2n3904的参数的选取ICQ=2mA，VCEQ=6V， =100；则有因：UEQ=ICQ R

24、e 则：UEQ =2mA×3K=6V因： IBQ=ICQ 则： I BQ=2mA/100=0.02mA一般取流过Rb2的电流为510I BQ ,若取10I BQ因： R2=UBQ10IBQ UBQ=UEQ+0.7所以 R2=6.7V10*IBQ=6.7V10*0.0.2mA=33.5K因：R1=VCC-UBQUBQ R2则：R1=12V-6.7V6.7V33.5K26.4K2) 交流参数的确定对于振荡器，当电路接为串联型振荡器时，晶体起到短路电阻的作用，输出频率应为20MHZ； 主要频率由石英晶体决定，谐振回路只起微调的作用。由于没有20MHZ的石英晶体所以所以选25MHZ的石英晶体

25、通过谐振电路来微调到20MHZ。本电路中，则回路的谐振频率 主要由C1、C2、L微调，即f=12LC=12L(C1C2)有 L*C1C2=14*2*20*106=6.33×10-17=63.3×10-6×10-12有为了计算简便取“64×10-6×10-12”则取C3C4=8pF，L=8H本应去取C1=C2=8pF，L=8H但为了微调频则取C1=8pF，C2=10pF，L=10H 3.3 仿真结果与分析1.软件简介Multisim是一个专门用于电子线路设计与仿真的EDA工具软件，它是加拿大IIT公司（Interactive Image Tech

26、nologise Ltd.）推出的继EWB之后的版本。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。学生可以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来，并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。Multisim软件特点:(1)直观的图形界面：整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在

27、真实仪器上看到的一样。(2)丰富的元器件库：Multisim大大扩充了EWB的元器件库， 包括基本元件、半导体器件、运算放大器、TTL和CMOS数字IC、DAC、ADC及其他各种部件，且用户可通过元件编辑器自行创建或修改所需元件模型，还可通过liT公司网站或其代理商获得元件模型的扩充和更新服务。(3)丰富的测试仪器：除EWB具备的数字万用表、函数信号发生器、双通道示波器、扫频仪、字信号发生器、逻辑分析仪和逻辑转换仪外，Multisim 新增了瓦特表、失真分析仪、频谱分析仪和网络分析仪。尤其与EWB不同的是：所有仪器均可多台同时调用。(4)完备的分析手段：除了EWB提供的直流工作点分析、交流分析

28、、瞬态分析、傅里叶分析、噪声分析、失真分析、参数扫描分析、温度扫描分析、极点一零点分析、传输函数分析、灵敏度分析、最坏情况分析和蒙特卡罗分析外，Multisim 新增了直流扫描分析、批处理分析、用户定义分析、噪声图形分析和射频分析等，基本上能满足一般电子电路的分析设计要求。(5)强大的仿真能力：Multisim 既可对模拟电路或数字电路分别进行仿真，也可进行数模混合仿真，尤其是新增了射频(RF) 电路的仿真功能。仿真失败时会显示出错信息、提示可能出错的原因，仿真结果可随时储存和打印。2.西勒振荡器的仿真以下为Multisim对西勒振荡器的仿真：图141）仿真结果图15 示波器波形图16 频率计

29、读数图17 测量探针读数2）仿真分析仿真结果达到了预期效果（主要技术指标：振荡频率15-20MHz, 输出信号幅度5(峰峰值)，可调；频率稳定度优于10-4）输出幅度可以通过调节负载上的滑动变阻器来改变。3.串联石英晶体自激振荡器的仿真以下为Multisim对晶体振荡器的仿真图181）仿真结果图19示波器波形图20 频率计读数图21 测量探针读数2）仿真分析仿真结果达到了预期效果（主要技术指标：晶振频率为20MHz, 输出信号幅度5V(峰峰值)，可调）输出幅度可以通过调节负载上的滑动变阻器来改变。3.3 仿真注意事项1.间歇振荡 防止方法：起振时KF不要太大外，主要方法是适当选取偏压电路中Cb

30、、Ce的值。 图22 图23 间歇振荡时Ub与Eb的波形2.频率拖曳现象频率拖曳是在紧耦合的振荡器中，当变化一个回路的谐振频率时，振荡频率具有非单值的变化。防止方法：减小两回路的耦合。 图24变压器反馈振荡器(a)实际电路; (b)耦合回路的等效电路3.振荡器的频率占据现象 在一般LC振荡器中,若从外部引入一频率为fs的信号,当fs接近振荡器原来的振荡频率f1时,会发生占据现象,。  4. 寄生振荡在高频放大器或振荡器中,由于某种原因,会产生不需要的振荡信号,这种振荡称为寄生振荡。 产生寄生振荡的形式和原因是各种各样的,有单级和多级振荡,有工作频率附近的振荡或者是远离工作频率的低频或超高频振荡。图25低频寄生振荡的等效电路和波形四、结论 课程设计是将课程基本理沧转化为课程实践的活动的“桥梁”，课程设计水平不仅能反映课程理论研究的成果，更足制约教育、教学质量的重要因素。课程设计的实质是对人类已有知识经验进行有效选择和重组，其而向未来社会成员的生存和发展，并由此展现价值和地位。课程设计价值取向