改进型电容三点式振荡电路设计

1、改进型电容三点式振荡电路设计院系:通信与电子工程学院班级:电子083姓名:吴敏学号:2008231243指导教师:秦阳完成日期：2012年6月27日摘要高频信号发生器主要用来向各种电子设备和电路提供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。为此 ，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。本次课设设计了改进型电容三点式高频振荡器， 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

2、的性能特征。使用 Protel2004DXP制作PCB板。 使用实验要求的电源和频率计进行验证，实现了设计目标。关键词：电容三点式、西勒电路、Protel、印制电路板9第一章实验原理1.1振荡的原理三点式LC正弦波振荡器的组成法则（相位条件）是：与晶体管发射极相连的两个电抗元 件应为同性质的电抗，而与晶体管集电极一基极相连的电抗元件应与前者性质相反。图1-1所示为满足组成法则的基本电容反馈LC振荡器共基极接法的典型电路。当电路参数选取合适，满足振幅起振条件时，电路起振。当忽略负载电阻、晶体管参数及分布电容等因素影响 时，振荡频率fosc可近似认为等丁谐振回路的固有振荡频率 f。，即fosc12

3、二，LC(D式中C近似等丁 C1与C2的申联值C ：(2)C1 C2图1-1电容反馈LC振荡器由图1-1所画出的分析起振条件的小信号等效电路如图1-2所示。图1-2分析起振条件的小信号等效电路由图1-2分析可知，振荡器的起振条件为:式中gLRl / Re0re(3)1''1'-(g L ge)=gL - ng ennRe0为LC振荡回路的等效谐振电阻;电路的反馈系数(4)C1C1 C2由式（3）看出，由丁晶体管输入电阻re对回路的负载作用，反馈系数kf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

4、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。kf的取值一般在0.1 0.5之间。图1所示的振荡器，由丁晶体管各电极直接和振荡回路元件 L、C1、C2并联，而晶体管 的极问电容（主要是结电容）乂随外界因素（如温度、电压、电流等）的变化而变化，因此 振荡器的频率稳定性不够高。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。1.2电容三点式振荡器电容三点式振荡器的基本电路如图1-3所示图2-1电容三点式振荡器由图可见：与发射极连接的两个电抗元件为同性质的容抗元件G和C2;与基极和集电极连接的为异性质的电抗元件L

5、,根据前面所述的判别准则，该电路满足相位条件。其工作过程是：振荡器接通电源后，由丁电路中的电流从无到有变化， 将产生脉动信号,因任一脉冲信号包含有许多不同频率的谐波，因振荡器电路中有一个LC谐振回路，具有选频作用，当LC谐振回路的固有频率与某一谐波频率相等时，电路产生谐振。虽然脉动的信号 很微小，通过电路放大及正反馈使振荡幅度不断增大。当增大到一定程度时，导致晶体管进 入非线性区域，产生自给偏压，使放大器的放大倍数减小，最后达到平衡，即 AF=1 ,振荡幅 度就不再增大了。丁是使振荡器只有在某一频率时才能满足振荡条件，丁是得到单一频率的振荡信号输出。该振荡器的振荡频率f。为：fo_ 1Ci C

6、2一 2二 LC1C2反馈系数F为:F ClC2若要它产生正弦波，必须满足 F= 1/2-1/8 ,太小不容易起振，太大也不容易起振。一个 实际的振荡电路，在F确定之后，其振幅的增加主要是靠提高振荡管的静态电流值。但是如 静态电流取得太大，振荡管工作范围容易进入饱和区，输出阻抗降低使振荡波形失真，严重 时，甚至使振荡器停振。所以在实用中，静态电流值一般I CO=0.5mA-4mA电容三点式振荡器的优点是：1）振荡波形好。2）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MH刮几白MH力勺甚高频波段范围。电路的缺点：振荡回路工作频率的改变，若用调G或G实现时，反馈系数也将改变。使振荡器

7、的频率稳定度不高。第二早 改进型电容三点式振荡电路设计电容三点式课分为三种：考毕兹振荡器、克拉泼振荡器、西勒振荡器2.1考毕兹振荡器电容三点式振荡器（乂称考毕兹振荡器）如图 2-1所示。10flnFR2 5：1kQR5图2-1考毕兹振荡器理论计算振荡器的频率为:f012 - : LC= 7MHZ波形如图2-2所示从波形看出其震荡极不稳定，测试其波形频率为 f全6.5MHz调解C1C2改变频率时，反馈系数也改变。由丁极问电容对反馈振荡器的回路电抗均有影 响，所以对振荡器频率也会有影响。而极问电容受环境温度、电源电压等因素的影响较大， 所以电容三点式振荡器的频率稳定度不高。为克服共基电容三点式振荡

8、器的缺点，可对其进 行改进，即克拉泼电路和西勒电路。时间辑通道月通道占蛾比例 |300gDiv比例V比例|5 g瞄行 |T日1外部IK位苜（0-v位宜旷Y位宜时电平 c -| Vfr/F 加裁 | b/a | ays |AC 1 Q | dcac o |dc" - |类型1正裁标准自动无1Ext Trigger r|应示波器-XSC1XIJ4时间 (J.DODs通道H O-ODOV反向2.000 u£Z290V保存2.000 u$Z290¥T2-T1图2-2考毕兹振荡器输出信号波形2.2申联型改进电容三端式振荡器（克拉泼电路）4 Llk 300uHLi>zt

9、：10nF：:"R224. Q - M k- -R 1- - 1电容三点式改进型“克拉泼振荡器”如图 2-3所示。图2-3克拉泼振荡电路电路特点是在共基电容三点式振荡器的基础上，用一电容C3,申联丁电感L支路。功用主要是以增加回路总电容和减小管子与回路间的耦合来提高振荡回路的标准性。使 振荡频率的稳定度得以提高因为C3为可调电容远小丁 C1或C2,所以电容申联后的等效电容约为 C&电路的振荡频 率为：f。=1/2M与共基电容三点式振荡器电路相比，在电感 L支路上申联一个电容。但它有以下特点:1、振荡频率改变可不影响反馈系数；2、振荡幅度比较稳定。3、电路中G为可变电容，调整它

10、即可在一定范围内调整期振荡频率。但C3不能太小，否则导致停振，所以克拉泼振荡器频率覆盖率较小，仅达1.2-1.4 ;为此，克拉泼振荡器适合与作固定频率的振荡器。观察到的振荡波形如图2-4所示图2-4克拉波振荡器输出信号波形改进后的电路波形比原电容三点式振荡器稳定度高了很多，这是因为晶体管一部分接入 的形式与回路连接，接入系数 p越小，耦合越弱。减弱了晶体管对回路的影响。2.3西勒振荡器电容三点式的改进型“西勒振荡器”如图 2-5所示>>R1 >56kO :- la 3DOuHG5=：1：0uF：G4 -土 TOuFV1 :12 VCl*：1：ODpFC67T卜1nF2U222

11、2A4 C8R：24kOrC2 =：1：(H)pF图2-5西勒振荡器电路特点是在克 拉泼振荡器的基础 上，用一电容C4,并 联丁电感L两端。功 用是保持了晶体管与 振荡回路弱藕合，振 荡频率的稳定度高， 调整范围大。电路的 振荡频率为：2特点：1.振荡幅度比较稳定；2.振荡频率可以比较高，如可达千兆赫；频率覆盖率比较大，可达1.6-1.8 ;所以在一些短波、超短波通信机，电视接收机中用的比较多。频率稳定度是振荡器的一项十分重要技术指标，它表示在一定的时间范围内或一定的温 度、湿度、电压、电源等变化范围内振荡频率的相对变化程度，振荡频率的相对变化量越小， 则表明振荡器的频率稳定度越高。改善振荡频

12、率稳定度，从根本上来说就是力求减小振荡频率受温度、负载、电源等外界 因素影响的程度，振荡回路是决定振荡频率的主要部件。因此改善振荡频率稳定度的最重要 措施是提高振荡回路在外界因素变化时保持频率不变的能力,这就是所谓的提高振荡回路的 标准性。提高振荡回路标准性除了采用稳定性好和高Q的回路电容和电感外，还可以采用与正温度系数电感作相反变化的具有负温度系数的电容，以实现温度补偿作用。输出信号的幅值、频率等用实时监测法测试，信号波形如图2-6所示，调整G、G观测震荡信号的波形和频率变化。图2-6西勒振荡器输出信号波形第三章容三点式电路设计3.1电路选择从以上的讨论，分析不同振荡电路的性能指标及电路复杂

13、程度。采用西勒振荡电路，因为西勒振荡器的接入系数与克拉泼振荡器的相同，由丁改变频率主要通过C4完成的，C4的改变并不影响接入系数p,所以波段内输 出较平稳。而且C4改变，频率变化较明显，故西勒振荡器的频率覆盖系数较大， 可达 1.61.8。3.2原理图设计图3-1改进型电容三点式振荡电路原理图3.2.1 电路结构总的电路结构如图3-1所示。电路由三部分组成1三极管放大器；（起能量控制作用）2正反馈网络；（由三点式回路组成）3选频网络；(由三点式回路的谐振特性完成选频功能)3.2.2静态工作点的设置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

14、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。0.8-4mA之间选取，选 I c(=2mA则有根据上述原则，一般小功率振荡器集电极电流 故本实验电路中：V ce=6V6 =100I CQ大约在为提高电路的稳定性因：UE=Icq Re 因：I BC=I C(/ &U CC - U CEQ 12 - 6Re Rc = = =3K"Icq2R值适当增大，取Re=10则Rc= 2KQ贝U: U eq =2mA< 1K=2V贝U: I bq =2mA/100=0.02mA16一般取流过Rb2的电流为5-10I bq ,若取10IbqEVbQ因：Rb2=Vbq =V

15、eq 0.7I BQ则：2.7VRb2 = =13 .5K"0.2取标称电阻12K?因:Vcc Rb1 =-VbqRb 2Rb112V 一2.7V12 K" = 41 .3K'JV BQ2.7 V3.2.3选管由丁局频振荡器的振荡频率较局,在选管时应注意选超局频小功率二极管。特征频率fT也要比音频振荡管的要求高。通常选fT> (3-10) f0 (f0为振荡器的中心 频率)。fT局则管子的局频性能好，晶体管内部相移小，有利丁稳频。在周频工 作时，振荡器的增益仍较大，易丁起振。本次课设选用9014 NPN型号的晶体管, 满足了振荡器的频率和功率要求。3.2.4振

16、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 Cp远大丁总的不稳定电容 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，这有利丁减小并联在回路上的 晶体管的极问电容等变化的影响。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1/81/2。因振荡器的工作频率为：if

17、o 一 2"LC当 LC 振荡时，f0=4MHzL= 10 P H本电路中，贝U回路的谐振频率fo主要由C4、C6决定，即11f =2二.LC 2二 L(C3 C4)有1C4 C6 = - 157 pf4二2f 2L取 C4 =75pf, C6=82pf,因要遵循 C2, C3>>C4,C6, C2/C3=1/8-1/2 的条件， 故取 C2=680pf,则 C3=680pf。对丁晶体振荡，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；如为基级接地，则应从 发射

18、极输出。3.3印制PCB电路板使用Protel2004DXP完成原理图的设计之后，可以生成 PCB电路板，本电路板采用自动布线设计，电路板见图3-2图3-2改进型电容三点式振荡电路PCB图3.3.1转印、腐蚀、焊接电路板在Protel中选择：文件页面设置高级top Overlay隐藏所有元件。将 生成的线路图（图3-3）按照1: 1的比例打印在转印纸上。图3-3印制线路图使用热转印机将图3-3印制在环氧树脂铜箔板上，使用FeCl3溶液进行腐蚀 腐蚀之后按照焊点打孔，之后按照元件位置焊接相应元件。第四章结论按照PCB电路板相应的位置接入+12V电源，在C7的一端接频率计，观察 频率计的读数，可发

19、现振荡频率在 3.84.2MHz附近浮动，在误差允许范围内符 合本电路设计的4MHz的设计要求。振荡电路接通电源后，有时不起振，或者在外界信号强烈触发下才起振 （硬 激励），在波段振荡器中有时只在某一频段振荡，而在另一频段不振荡等。所有 这些现象无非是没有满足相位平衡条件或振幅平衡条件。如果在全波段内不振 荡，首先要看相位平衡条件是否满足。对三端振荡电路要看是否满足对应的相位 平衡判断标准。此外，还要在振幅平衡条件所包含的各种因素中找原因。1、静态工作点选的太小。2、电源电压过低，使振荡管放大倍数太小。3、负载太重，振荡管与回路间耦合过紧，回路 Q值太低。4、回路特性阻抗p或介入系数pce太小，使回路谐振阻抗 Ro太低。5、反馈系数kf太小，不易满足振幅平衡条件。但kf并非越大越好，应适当 选取。有时在某一频段内高频端起振，而低频端不起振，这多半是在用调整回路电 容来改变振荡频率的电路中，低端由于 C增大而L/C下降，致使写真阻抗降低 所起。反之，有时低端振高端不振，原因可