高频课设报告-通信电子线路课程设计——电容三点式正弦波振荡器

1、一 课程设计目的课程设计题目课程设计内容3.1 仿真设计部分3.1.13.1.23.1.33.1.43.1.53.1.63.1.7设计方案的选择 . 振荡器的原理概述 方案对比与选择 . 电路设计方案 元器件的选择 电路仿真 元器件清单 3.2 系统制作和调试 3.2.1 系统结构 3.2.2 系统制作 3.2.3 调试分析 四 课后总结和体会参考文献目录2. 23. 57991213131516171710课程设计目的高频电子线路课程是电子信息专业继电路理论 、电子线路 （线性 部分） 之后必修的主要技术基础课，同时也是一门工程性和实践性都很强的课 程。课程设计是在课程内容学习结束， 学生基

2、本掌握了该课程的基本理论和方法 后，通过完成特定电子电路的设计、 安装和调试， 培养学生灵活运用所学理论知 识分析、解决实际问题的能力， 具有一定的独立进行资料查阅、 电路方案设计及 组织实验的能力。通过设计，进一步培养学生的动手能力。课程设计题目1、模块电路设计（采用 Multisim 软件仿真设计电路）1）采用晶体三极管或集成电路，场效应管构成一个正弦波振荡器；2）额定电源电压5.0V，电流13mA;输出中心频率 6 MHz （具一定的变化范围） ；2、高频电路制作、调试LC 高频振荡器的制作和调试课程设计内容3.1 仿真设计部分3.1.1 设计方案的选择电容反馈式振荡电路的基本电路就是通

3、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2-0所示。由图可见，除晶体管外还有三个电抗元件XI、X2、X3,它们构成了决定振荡器频率的并联谐振回路， 同时构成了正反馈所需的网络， 为此根据振荡器组 成原则，三端式振荡器有两种基本电路， 如图2-0所示。图2-0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， 称电容反馈振荡器电容反馈式振荡电路的设计及原理分析电路由放大电路、选频网络、正反馈网络组成。总体设计方案框图如下:ViVo正反馈网络<Vf图2-2电容反馈式振荡电路设计框图3.1

4、.2振荡器的原理概述不需外加输入信号，便能自行产生输出信号的电路称为振荡器。 按照产生的 波形，振荡器可以分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器。按照产生振荡的工作原 理，振荡器分为反馈式振荡器和负阻式振荡器。 所谓反馈式振荡器，就是利用正 反馈原理构成的振荡器，是目前用的最广泛的一类振荡器。所谓负阻式振荡器， 就是利用正反馈有负阻特性的器件构成的振荡器，在这种电路中，负阻所起的作用，是将振荡器回路的正阻抵消以维持等幅振荡。反馈式振荡电路，有变压器反馈式振荡电路，电感三点式振荡电路，电容三点式振荡电路和石英晶体振荡电路 等。电感三点式振荡器的电感线圈对高次谐波呈现高阻抗所以反馈带中高次谐 波分量较多

5、输出波形较差。本次设计要求我们采用的是电容三点式振荡电路， 由 于电容三点式振荡电路有一些缺陷，通过改进，得到了西勒振荡器。振荡器LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接构成的电路即为三 端式振荡器，其示意图如下图2.1所示：图2.3 一般形式的三点式振荡器三点式LC正弦波振荡器的组成法则是：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。也就是说上图中Zbe? ?设:Z be、Z ce、bc为纯电抗元件beV eb?Fv?Vbe?Veb?XebXce负号表示产生1800相移，与Vbe和Vce间的180o相移合成为360o相移,

6、满足正反馈条件。为此，Xce与Xeb必为同名电抗，V ceV ce而 Xcb须是Xce与Xeb的异名电抗。电容三点式的原理示意图如下图2.2所示:Z ce与Z bc的性质必须相反振荡器才能起振。VCCR-C5VL图2.4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C1和C2;与基极和集电极连接的为异性质的电抗元件L,根据前面所述的班别准则为，该电路满足相位条件。其工作过程是：振荡器接通电源后，由于电路中的电流从无到有变化，将产生脉动信号。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振频率相等时，电路发生谐振。虽然脉动的信号很微小，

7、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，使放大器倍数减小，最后达到平衡，此时振荡 幅度不在增大。于是使振荡器只有在某一频率时才能满足振荡条件，于是得到单频率的振荡信号输出。该振荡器的振荡频率0为:f 1 JG C2 f0珂反馈系数F为：LC1C2F C1 /C2若要它产生正弦波，际的振荡电路，在F确定后，其振幅增加的主要是靠提高振荡管的静态电流值。 但是如果静态电流值取得太大，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，静态电流值一般取1满足F=1/2 1/8,太小或者太大均不

8、容易起振。一个实co =0.5mA 4mA电容三点式的优点是：1）振荡波形好；2）电路的频率稳定度高，工作频率 可以做得较高，达到几十赫兹到几百赫兹的甚高波段范围。电路缺点：若调用C1或C2改变振荡回路的工作频率，反馈系数也将改变使 振荡器的频率稳定度不高。3.1.3方案对比与选择改进型的电容三点式分为两种：克拉泼振荡器、西勒振荡器。克拉泼振荡器：电容三点式改进型“克拉泼振荡器”如下图 3.1所示:vccI - VCC 5V-G1-±i±10iiF : . ：珏 二 H ;-Qt： ： ：3CrapF : : 50口F;-I C -:弓=1QDpFpG :-卞-J-ZN2Z

9、2< d '''" aRS - MkO :.L1 -:卡、计-36pF：Keysb 九"-图3.1克拉泼振荡器电路电路的特点是在共基电容三点式振荡器的基础上，用一电容C5,串联于电感L的支路上。其作用是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到提高。因为C5为可调电容远小于C1或C2,所以电容串联后的等效电容约为 C5b 电路的振荡频率为：fo 1/ 2 7LC7与基本电容三点式振荡电路相比，在电感L支路上串联一个电容后有以下特 占： 八、振荡频率可改变不会影响反馈系数；振荡幅度比较稳定；电路中的C5

10、为可变电容，调整它即可以在一定范围内调整振荡频率。但是C5不能太小否则会导致停振，所以克拉破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做固定频率振荡器。西勒振荡器:电容三点式改进型“西勒振荡器”如下图 3.2所示:_±_V1R1 2kQQI二 5 VC4:3<JpF : 50%':TODpF :C1 -:SlkO :C3；丰伽F ；士 WT :Key-AI- I,別图3.2西勒振荡器电路电路的特点是在克拉泼电路的基础上，用一电容 C4,并联于电感L两端。 作用是保持了晶体管与振荡回路弱耦合， 振荡频率的稳定度高，调整范围大。电 路的振荡频率为

11、：f。12 7L(c4 C5)西勒振荡电路有以下特点：1 .振荡幅度比较稳定；2 .振荡频率可以较高；频率覆盖率较大，可达1.6 1.8，因而在一些短波超、短波通信机，电视接收机中用的较多。该电路振幅起振条件：AF 1该电路相位起振条件：振幅平衡条件:AF 1相位平衡条件:A F 2n放大器电路由晶体二极管2N222、滤波电容、咼频旁置电容、集电极旁置 电阻R1、基极旁置电阻R2、R3射极旁置电阻R5组成。放大器可选用如电子管、 晶体管等，本设计采用晶体三极管 2N222作为能量控制的放大器。C2 C3 C4选频网络用来决定振荡频率，本设计采用LC并联谐振回路，由L、C5组成，要求 C2, C

12、3>>C4 C5C3和晶体反馈网络是将输出信号送回到输入端的电容分压式正反馈网络， 管构成正反馈。3.1.4电路设计方案电路选择：西勒振荡根据上述对比可知，西勒振荡器的接入系数与克拉泼振荡器相同。器的频率改变主要通过改变 C5完成，C5的改变并不影响接入系数P,因而波段 内输出较平稳。而C5改变，频率变化较明显，使得西勒振荡器的频率覆盖系数 较大。本次课设选择西勒振荡电路作为正弦波发生电路。电路原理图设计：电路原理图如下图4.1所示：AL«<nuL<s<is.60%VCC SVC& - I -J +亠弓-lOuFJ * dN2222Gt - EW

13、pFII I LR2 -54kOr -.-Cb±33nFCJC2 -:士脚pF ；:50% I L 彳j 1Q0pF |lOUHKfly=A I H .图4.1改进型电容三点式振荡电路原理图电路结构：图4.1中的电路主要由3部分构成：1. 起能量放大作用的三极管放大器；2. 三点式回路组成的正反馈网络；3. 射极跟随器构成的缓冲级。由于西勒振荡器的的输出阻抗比较大， 带负载的能力不强，所以有必要加一 个缓冲极，来提高电路的带负载能力。缓冲极不具有放大作用，只是原倍数的将 信号输出给下一级。静态工作点设置：合理选择振荡器的静态工作点对振荡器的起振、 工作的稳定性和波形质量的 好坏有着密

14、切的关系。一般小功率振荡器的静态工作点应选在远离饱和区而靠近截至区的地方。根据上述原则，一般小功率振荡器集电极电流IcQ大约在0.84mA之间选取，故本实验电路中：Vcq=0.5V，=40ReRcV CC V CEQI CQ3K为提高电路的稳定性Re值适当增大，取Re=lK ，则Rc=2KVeqIcqRe 1.5mA*1K=1.5VI BQI CQ /2mA/400.05mA取流过Rb2的电流为10Ibq，则Rb2Veq11 BQ0.74.4K，取4K选择! CQ =1.5mA可取Rb1=5K ，这样额定电流是2mA满足任务要求。3.1.5元器件的选择回路中的电抗元件分为电容 C和电感L两部分

15、。通常满足接入系数 C2/C3 不能过大或者过小，否则不容易起振，一般适宜1/8 1/2。. 1振荡器工作频率为:Jlg C5)当LC振荡时， =6MHzL=10本电路中，回路谐振频率f0主要由C4和 C5决定，即C4 C514 2 f 2L70 pf取C4=30pf,C5为100pf可调电容，因为要遵循 C2,C3>>C4,C5C2/C3=1/81/2 的条件，故取 C2=120pf, C3=560pf。3.1.6电路仿真在Multisim软件中绘制改进型电容三点式正弦波振荡器的电路图，并更改 好各元件数值连接好虚拟示波器，如下图 4.2所示：wcc-G3 -鬥|W込-古* Mf

16、e : U2L .17*】r【.蚀*Ml-严:.-.r* -.-到2222|j、2HZ4 CftiriWMSOCElifSWIbkanixC4itJ222?Er -图4.2華秦市示西看時口"1畑 Key-JkCb:脚« L.Cl律A略nMPos:AJK；5E-ri*UrTk. 1 -:拿 grf6AH询 CHI 加siWVLJfcIhxilr-i-件凰s",t忙;IrenoHP=Tu斶AjtEEf*：JISELWll-*Uiip5i W4WI unFlI給二 玉朋I sChicw护MFf砌.溥?XI TMJ*<4/图4.3三点式振荡器输出波形如上图4-2所示

17、，得到了正弦波，说明了电路起振了，并且得到了稳定的波 形，但是波形有一定的失真，是由于噪声，温度等的影响。Tfekininh3iroa AdOHdcm 57JX* Ft. fw；-, MPtt.fa1 r i F 1 *" 1 I f P I F I 1 I M100»VFKMLuhCPV灌qc函,6(tyatioNUEAfiUlEQ alm血hHIPF :羽piO黑TEPYAk -IIIH 1FOSF7-Kr+PfiSTlOBCLTMW XTSEiV直.g“ 2d昴 CrtV - CH? 4 BlCK4>f'ijUr3-MMZWWTr SB匸l_U -图4.

18、4加载100负载后的波形输出和频率上图为通过缓冲器后加载100负载的波形输出，大体保持了原有波形，波 形的失真应与缓冲器有关，单一的射极跟随器无法完整的保持波形不变。分析可见，缓冲级为射极跟随器，该电路输入阻抗高，可减小放大器从前级 所取的信号电流；而输出电阻低，可减小负载变动对前级的影响。可由图可知加载100负载后输出电压大于1V,满足任务需求。且通过调节 C5可以改变输出频率，使其输出范围在6MHz左右变化，满足了设计任务的需求。223.1.7元器件清单序号名称型号数量1电阻1KQ12电阻2KQ13电阻3KQ14电阻4KQ15电阻10016电位器2K、10K、200K各1个7瓷片电容33

19、nF18瓷片电容120 pF19瓷片电容560pF110瓷片电容30 pF111电解电容10UF/16V112可变电容100 pF113电感10uH114三极管2N222223.2系统制作和调试321系统结构VfflTC7CSEPTOOUT CI卜C6K7S3IV1C5C3J_ ClR2C42>L1C2R460。_v«1 .放大电路选用共基电路共基放大电路与共射放大电路相比， 高频特性好，所以，本设计选用共基电 路。2 .振荡管VTi静态工作点的设计(1)估算电阻R3、R4的方法通常选I eq 1 4mA，则有R3R4(2)估算电阻R1、RP、R2的方法因为 Ubq Ueq 0

20、.6V I(取CQ R4VCC U CEQ c、R3I CQI R1 10 I BQ ) o0.6V，又 UbqLhrr*I昭CbE4TVl3DGeCVccUcI CQI R1 I BQ R2，且高频放大和振荡电路选用3DG、3DC系列的高频小功率三极管，属硅NPN 型。本题中的振荡三极管VTi选用3DG6C，其fT 150MHz，BVceo 20V，I BQ I CQ /，所以，R2誥。因为UbQR2R_RP r2Vcc，所以，R1 RP R2 VccU BQ(3)估算电容Cb的方法Cb作基极交流接地,一般应满足XcR1 RP / R210 20RiRP /R2较大时，Xc取几几十欧姆。3.

21、 主振回路的设计(1) 电路形式：采用西勒振荡电路，容易起振、波形好、稳定度 设计要求。(2) 估算电容L、fo 1MHz 时，<105,能满足设L,则由fo(3)估算电容Ci、 选 C1C3、至几千皮法)，且FC3、LC4的方法10 H ; f01 ，得C2 TLC"C2的方法C210 MHz 时，L 1 H。1(2 f0)2L。(CC3C4)C3 (如果C3取几十皮法，则Ci、C2可以取几百皮法4. 缓冲放大电路的设计在振荡管VT1和负载之间，接入一个缓冲放大电路，可选择由固定分压与自给偏压相结合，具有稳定工作点偏置电路的射极跟随器。隔离级晶体管VT2也选用3DG6C三极管

22、。(1)估算偏置电阻R7、R8、R9的方法(取Ieq 2 mA Io max 1mA)射极跟随器的电源电压 Vcc取值略大于最大输出电压 U omax与饱和电压之 Uces和，考虑到I omax 1mA非常小，所以，Vcc 6V足够了。Uceq设置在 益 (负载线的中点)处，能取出最大输出振幅，所以，2Uceq 号3V。所以，R9VccU ceq .I BQ I EQ / 1I EQUbq Ueq 0.6VU BQ9 I BQrmsVCC U BQ则有R7 ，R810 I BQ(2)估算高频耦合电容C5、Ce的方法由高频耦合电容C形成的高通滤波器的截至频率应满足：1fL2 CR 5 10取流过

23、R7的电流为101 BQ ,fc。在输入耦合时，R为源电阻与输入电阻之和；在输出耦fL f' 忑。若振荡频合时，R为输出电阻与负载电阻之和；振荡回路的下限频率 率选为10MHz，可选取C5 C60.02 F0VmVT23DGeCcsE95.电源退耦电路的设计在电源上并联小容量的电容C8和大容量的电容C7，能在很宽的频率范围内 降低电源对地的阻抗。小容量的电容 C8要配置在电路的近邻，减小电容引线长 度，降低引线本身阻抗；而大容量的电容 C7不存在该问题。322系统制作323调试分析AHk 艰料I tftaom 005 驚4««怕 11 an忻酬冷角772 MHz讪啊星二 11.M343 MHz«11-*»» DMM I斗4喪J振荡频率：10.4772MHz-11.4343MHz输出电压：0.6V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,-九WUV&Ct!由于改变频率主要通过 C4完