最终版本高频报告

1、武汉理工大学高频电子线路课程设计说明书目录 摘要I1 高频正弦波振荡器基础知识11.1高频正弦波振荡器的介绍11.2静态工作点的测定11.3电路频率11.4振荡器起振21.5 振荡器的技术指标21.5.1频率稳定性21.5.2振幅稳定性31.6振荡器中的几种特殊现象31.6.1 寄生振荡31.6.2 间歇振荡52.1电路原理图62.2电路原理说明及仿真62.2.1电路原理说明62.2.2电路图仿真83 元件清单114 实物焊接与调试124.1电子元件焊接装配要求124.2 高频电子线路布线注意事项124.3 焊接技术要领134.4功能调试与实现145 总结与心得17参考文献18 摘要本次高频电

2、子线路课程设计要求采用晶体三极管构成一个多功能正弦波振荡器；额定电源电压5.0V，电流13mA，输出频率6MHz左右；且通过双变跳线可构成克拉伯和西勒的串、并联晶体振荡器；有缓冲级，并且在100欧姆负载下，振荡器输出电压1V（D-P）。并用仿真软件进行仿真，以及对其性能进行测试，经过反复的调试最终得到满足课题要求的电路。克拉伯振荡器的振荡频率不容易改变，主要用于固定频率或波段频率范围较窄的场合，但是克拉伯振荡器的频率覆盖系数一般不大；西勒振荡器波段内输出幅度平稳，频率覆盖系数较大，因此，设计中的克拉伯和西勒振荡器主要由振荡电路，放大电路，射级跟随三部分构成。关键词：克拉伯振荡器；西勒振荡器；晶

3、体三极管；缓冲级；放大级 I1 高频振荡器基础知识1.1高频振荡器的介绍振荡器主要分为RC，LC振荡器和晶体振荡器。其中电容器和电感器组成的LC回路，通过电场能和磁场能的相互转换产程自由振荡。要维持振荡还要有具有正反馈的放大电路，LC振荡器又分为变压器耦合式和三点式振荡器，现在很多应用石英晶体的石英晶体振荡器 ，还有用集成运放组成的LC振荡器。 振荡器的作用主要是将直流电变交流电，它有很多用途，在无线电广播和通信设备中产生电磁波，在微机中产生时钟信号，在稳压电路中产生高频交流电。 题目要求产生高频正弦波，所以选用电容三点式电路，进一步考虑从而选用并联改进型电容三点式振荡器（西勒电路），因为它具

4、有输出波形不易失真，作为可变振荡器使用非常方便，而且幅度平稳，频率稳定性高，最高振荡频率可达百兆至千兆等特点。1.2静态工作点的测定静态工作点的确定直接影响着电路的工作状态和振荡波形的好坏。由于振荡幅度稳定下来后，电路必然工作到非线性区，也就是说，可能进入截止区，也可能进入饱和区，静态工作点偏高，易进入饱和区实践证明：当晶体管进入饱和区后，晶体管的输出阻抗将急剧下降(由原来的线性工作区几十千欧或几百千欧下降为几百欧姆)，使谐振回路Q值大为降低，不仅使振荡波形严重失真，而且频率稳定度大为降低，甚至停振，为了避免上述情况发生，一般小功率振荡器将静态工作点设计得远离饱和区而靠近截止区，所以，Ic取1

5、4mA之间(可调整确定)。1.3电路频率 当电路为LC并联时：当电路为LC串联时：1.4振荡器起振高频正弦波振荡电路是否起振，可以有以下几种检查方法。(1)用万用表检查由于本振荡电路采用基极自给偏置，起始工作点在晶体管的放大区，故发射极应有正向偏置，接通电源后，调节电位器R ，使振荡管的静态电流lco=(14)mA(可用测发射极电压Ve来得知，Ico的大小)若 VbVe<0V可判定电路已起振，工作在丙类状态，而且振荡很强。若VbVe=0.4V，可断定已起振，工作在甲乙类状态，振荡比较强。若VbVe=0.4-0.8V，工作状态可能在甲类，但不能判定是否起振，需进一步检查。(2)用高频毫伏表

6、检查用高频毫伏表接在振荡器的输出端，有读数即有高频电压输出，则起振，否则未起振。(3)用示波器检查用示波器接于振荡器的输出端，如有高频振荡波形显示，说明起振，否则未起振。在实验室条件下，可应用示波器检查起振，因为示波器不但能判定是否起振，还能观察波形结构，是否有失真及间歇振荡现象，以致还可判断是否有寄生振荡产生。1.5 振荡器的技术指标1.5.1频率稳定性 频率稳定度a频率稳定度发信机的每个波道都有一个标称的射频中心工作频率，用f0表示。工作频率的稳定度取决于发信本振源的频率稳定度。设实际工作频率与标称工作频率的最大偏差值为f，则频率稳定度的定义为 频率稳定度式中为K为频率稳定度。稳频措施为一

7、是减少外界因素的变化。二是合理选择元器件。例如，选择fT高且性能稳定可靠的振荡管，不但有利于起振（因在振荡频率上较高），而且由于极间电容小，相移小，使振荡频率更接近回路的固有谐振频率，有利于提高频率稳定度；选择温度系数小、Q值高的回路电感L（如在高频瓷骨架上用烧渗银法制成的电感）和电容C，一方面使L和C在温度改变时变化很小，振荡频率的变化也很小，另一方面由于Q值高，其频率稳定度也高；采用贴片元器件，可减小分布参数的影响，有利于振荡频率的稳定。电路的相位特性应该满足这样的条件：由某一频率变化所引起的相位变化，两个变化量的符号必须相反，才能使频率趋于稳定。用数学表示为写成偏导数形式，则为1.5.2

8、振幅稳定性在分析振荡的产生过程中了解到：如果电路的环反馈系数AB>1，振幅增大，如果AB<1，振幅会衰减；若AB=1，则振幅维持不变。因此，当电路中出现增幅现象时，必定满足振幅条件下的AB>1。要使振幅不继续增大而趋于稳定，必须使电路的AB值随振幅的增大而减小，自动调整到AB=1。与此相反，当电路中出现减幅现象时，必定满足在该振幅条件下的AB<1。要使振幅不继续减小下去，必须使电路的AB值能随振幅的减小而增大，自动调整到AB=1。这就是说，欲使振荡器的振幅在发生某种变化时能自动趋于稳定，电路的反馈系数AB应具有下述特性：振幅变化使AB值随之变化，AB变化再次造成的振幅变

9、化应与原振幅变化相反。如果用数学式子表示既=负值写成偏导数的形式为1.6振荡器中的几种特殊现象 1.6.1 寄生振荡寄生振荡：与正确工作频率不一致的振荡称为寄生振荡，即与工作频率无关或不在工作频率范围内的源于寄生参数的振荡。寄生振荡的类型：常见的寄生振荡有两种，低于工作频率的低频寄生振荡和高于工作频率的高频寄生振荡。寄生振荡的特点：将放大器输入端短路，输出端一般仍有振荡信号输出；振荡周期一般较有规律且波形比较规则；振荡幅度一般较大，有时甚至使放电器处于饱和与截止状态；振荡频率一般较高（由电源去耦不良造成的低频振荡例外），且振荡频率与幅度会随放电器的元器件参数的不同而变化；寄生振荡处理得当时可能

10、完全消除。寄生振荡产生的原因：寄生振荡的产生大都是由于放大器的输出通过难于查觉的感应回路，反馈至输入端产生的。比如有两极放大器A1和A2,若它们各自的输入和输出信号都相反，即相差180°，放大器A2的输出信号即使通过某种感应支路而反馈到它本身的输入端，因两者相位差180°，是负反馈，故不会引起振荡。若A2的输出端反馈至A1的输入端，因而信号相位相同，形成正反馈，电路就有可能产生振荡。寄生振荡的排除方法:对电子电路中产生的寄生振荡，因为它有很大的偶然性，因此要查明原因和找出振荡源，往往是一件非常麻烦的工作，即使找到了振荡源，要排除这种有害的寄生振荡也绝非易事。一旦碰到电路产生

11、自激振荡，首先应判断是连续振荡、间歇振荡或者是瞬间的衰减振荡。振荡大致在这三个部位：放大电路本身；人为的反馈支路；布线和元器件的部位安装、安排不当或有了改变。迅速排除寄生振荡有以下七种方法：电阻反馈法：在放大器的输入端串入几十至几百欧姆的电阻、消耗反馈能量，降低放大器的增益。专用工具推拉法：可用自制的专用工具，推拉有关元件和布线的位置，观察振荡变化和消除的情况。敲击法：敲击机壳和底板，看振荡是否有变化。有些设备因接地点焊接不牢或底板镙丝松动也会引起电子线路的自激。顺次接地试探法：用0.1f涤伦电容器一只，使有关电路逐一接地，由末级开始，顺序向前，探查出振荡停止的那部分电路。直接短路法：把各级放

12、大器输入端逐级短路，探查振荡发生在哪一级，从而确定振源的部位。直流电压表监视法：在检汉输出端用普通电压表监视，由前向后逐级屏蔽，观察电压表的变化，查出振源的部位。示波器探测法：在有条件的情况下，可用方波发生器由后向前逐级输入方波信号，在放大器的输出端用示波器进行观察。根据方波前后沿的变化稳定度来判断放大电路工作是否稳定或处于临振状态。1.6.2 间歇振荡利用分压式偏置电路的自给偏置效应，可以有效地提高振荡器的振幅稳定性，这种稳幅作用是由于存在着振荡交流电压Ub和自偏压Eb之间的相互制约，因而LC振荡器在建立振荡的过程中，有两个互相有联系的暂态过程，其一为回路上高频振荡的建立过程，另一个则是偏压

13、的建立过程，要建立稳定的振荡器需要有一定的时间。上述过程还会受偏压变化的影响。偏压的建立主要由偏压电路的电阻和电容决定。在一般情况下，当选择适当的数值Cb,Rb,Ce,Re，自偏压Eb的大小可随Ub而实时变化以获得持续的稳定振荡。当高频振荡建立较快，而偏压电路由于时常变化过慢时，则会产生间歇振荡。总之产生间歇振荡的原因是CbRb、CeRe的数值选择过大，以及反馈系数选得过大，从而使有载品质因数太小的原因所致。在实际高频电路制作过程中，要注意消除间歇振荡带来的影响。2 电路原理2.1电路原理图 高频正弦波振荡器的总的电路原理图如图1所示。 图1 高频正弦波振荡器电路原理图2.2电路原理说明及仿真

14、2.2.1电路原理说明本次课程设计须采用晶体三极管构成一个多功能正弦波振荡器；通过双变跳线可构成克拉勃和西勒的串、并联晶体振荡器；且有缓冲级，在100欧姆负载下，振荡器输出电压1V（D-P）；所以将电路分为三大部分：克拉勃电路与西勒电路公共部分；并联或串联晶体振荡器；缓冲级及负载。在三部分组合后，须对相关参数进行调整，使满足额定电源电压5.0V，电流13mA与输出频率6MHz左右。第一部分：克拉勃与西勒电路的公共部分原理分析:图2 克拉勃西勒公共部分电路须注意参数的设置：如R2的阻值应为R1阻值的三分之二左右。这将决定波的形状是否合适。C1应在：1000pF2000pF，起交流接地作用。静态工

15、作点由R1、R2、R3、R4共同决定。第二部分：利用单刀双掷开关，在克拉勃与西勒电路间进行切换：该部分的L、C大小决定了正弦波谐振电路的谐振频率，因为6MHz左右，通过公式计算求得C6为70.4pF、L1与L2为10uH。L1与一可调电容并联后与C2串联。图3 串联或并联谐振电路第三部分：缓冲级及相应的负载电路分析：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。 图4 缓冲级及负载第一、第二部分整合后电路图：图5 正弦波振荡器电路图2.2.2电路图仿真对该电路图进行仿真,仿真结果如下面几种情况：(1).当开关

16、置于上端时，为串联型振荡电路，进行仿真，示波器模拟出ChannelB的波形；显然此振荡器处于起振状态，振幅由小逐渐变大。波形为正弦波。振荡稳定后波形如图6所示：图6 震荡稳定后波形(2).当开关置于下端时，为并联型振荡电路，进行仿真，示波器模拟出ChannelB的波形;显然电路处于起振初期,振幅非常小，为了观察后续波形，将Timebase的值调大，观察到明显的起振变化；待振荡稳定后，因频率较大，无法观察波形，所以将Timebase的值适当调小，并且将ChannelB下的Scale值调大，得到正弦波信号：图7 稳定正弦信号(3).可观测到，在加上缓冲级和负载后，电路起振初期的波形为三角波，且频率

17、并不稳定。当很长一段时间后，震荡达到稳定状态，调大Scale值，截取波形：波形有失真，但在合理范围内。图8 稳定时波形图(4).当S1置于下端，S2置于下端时，得到并联型的负载，进行仿真。并截取在不同参数条件下观察到的波形；待震荡稳定后，适当调节Timebase值，即可截取波形，可观察到波形有失真，但与串联相比较，起振时间更短，并且失真程度小：图9振荡稳定时波形图仿真时应注意：仿真初期可将Timebase值适当调大，可加速振荡器进入稳定状态，振荡稳定后，将Timebase值调小，以便清晰观察正弦波。Scale值也应更具波形幅度变化做适当调整。3 元件清单高频正弦波振荡器元件清单如下表1所示：表

18、1 高频正弦波振荡器元件清单表元件类型元件规格元件大小元件数量电阻2.4K327K110K44.7K210021K2电容100Pf31000Pf1560Pf210Pf162Pf115Pf20.1Uf3电感10uH2三极管C90143排针2排4 实物焊接与调试 本次课程设计我负责实物制作和调试 ，按照电路原理图摆放元件并焊接即可，另因为元件参数限制，并未有单个符合条件的元件，则需通过若干元件串联或并联达到相同的效果。4.1电子元件焊接装配要求 电子元件焊接装配要求如下： （1）元件插装时标记和色码朝上，易于辨认。（2）有极性由极性标记方向决定插装方向。（3）插装顺序应先轻后重、先里后外、先低后高

19、。（4）先焊小型元件和细导线，后焊中型、大型元件与晶体管、集成电路。有源器件相对来说比较娇贵，后焊可防止因焊接其他元件时不小心使之损坏。4.2 高频电子线路布线注意事项 这里将实验电路板布线中的接地问题单独列出来，因为公共地线是所有信号共同使用的通路，如果安排得不好，有可能通过地线将输出信号、感应信号、纹波信号等耦合到前级放大电路中，使电路性能变差，甚至产生寄生振荡。因而如何安排地线有一定的讲究。(1).在印刷电路板的排线过程中，唯有地线是允许迂回的，所以地线一般很长，往往绕线路板一周，有一定的阻抗，具有信号通过公共阻抗耦合的可能性。所以首先要求地线的线条宽一些，以减小它的阻抗。(2).地线能

20、起屏蔽作用，可以用它将后级与前级隔离开，以减小前、后级电路之间的电耦合。(3).在高频、高输入阻抗、高放大倍数等电路中，印刷电路板的表面漏电流足以使各种感应信号耦合到输入电路中去，所以在这些地方，印刷电路板上焊点与导线周围的空地方应将铜皮保留下来接地，作屏蔽隔离用，以确保电路工作的稳定性。特别是确保实验过程中测量的可靠性。(4).在排线过程中,后级的信号不要通过前级的地线,特别是电源滤波电容器的地线要单独走线,不要与信号地线共用。放大器中各放大级的接地元件的接地点，排线过程中应考虑一点接地的原则，如加粗地线宽度，另辟地线迂回到最低电位点等措施。高频还要就近接地。(5).在数字电路与模拟电路共存

21、的电路中，数字地线与模拟地线要分开使用，脉冲信号线与其他信号线不能平行布线。 4.3 焊接技术要领（1）烙铁头与两被焊件的接触方式接触位置：烙铁头应同时接触要相互连接的2个被焊件（如焊脚与焊盘），烙铁一般倾斜45度，应避免只与其中一个被焊件接触。当两个被焊件热容量悬殊时，应适当调整烙铁倾斜角度，烙铁与焊接面的倾斜角越小，使热容量较大的被焊件与烙铁的接触面积增大，热传导能力加强。如LCD拉焊时倾斜角在30度左右，焊麦克风、马达、喇叭等倾斜角可在40度左右。两个被焊件能在相同的时间里达到相同的温度，被视为加热理想状态。 接触压力：烙铁头与被焊件接触时应略施压力，热传导强弱与施加压力大小成正比，但以

22、对被焊件表面不造成损伤为原则。（2）焊丝的供给方法焊丝的供给应掌握3个要领，既供给时间，位置和数量。供给时间原则上是被焊件升温达到焊料的熔化温度是立即送上焊锡丝。供给位置应是在烙铁与被焊件之间并尽量靠近焊盘。供给数量应看被焊件与焊盘的大小，焊锡盖住焊盘后焊锡高于焊盘直径的1/3既可。（3）焊接时间及温度设置温度由实际使用决定，以焊接一个锡点4秒最为合适，最大不超过8秒，平时观察烙铁头，当其发紫时候，温度设置过高。 一般直插电子料，将烙铁头的实际温度设置为（350370度）；表面贴装物料（SMC）物料，将烙铁头的实际温度设置为（330350度） 特殊物料，需要特别设置烙铁温度。FPC，LCD连接

23、器等要用含银锡线，温度一般在290度到310度之间。 焊接大的元件脚，温度不要超过380度，但可以增大烙铁功率。焊接前应观察各个焊点(铜皮)是否光洁、氧化等。在焊接物品时,要看准焊接点，以免线路焊接不良引起的短路 按照焊接的技术要求进行焊接，最终焊接成功，焊接的实物图如图10所示 图10 焊接实物图实物背面如图11所示：图11 实物背面焊接图4.4功能调试与实现(1).拨动开关，当电路接成克拉波振荡电路时候，按照要求进行测试，所得到的输出波形如图12所示：图12克拉伯电路波形图显然克拉伯电路的输出波形是正弦波，并且波形形状没有大的失真，输出峰峰值小于1V,但是输出频率可以通过调节可变电容实现6MHZ的目标。(2).拨动开关，把电路接成西勒振荡器的形式，按照要求进行测试，所得到的输出波形如图13所示：图13 西勒振荡器波形图通过调节可变电容的大小，在实际测量中，此高频正弦波振荡电路的输出频率可以到达6MHz左右，符合要求，但振荡电路负载两端的输出电压的峰峰值小于1V。根据实际测量结果，可以判断克拉伯和西勒振荡器正常起振工作，只是后面的缓冲电