高频-课程设计

1、PAGE PAGE 22湖南工学院?高频电子线路?课程设计说明书 课题名称 LC正弦波振荡器 专业名称电子信息工程 学生班级 学生姓名 学生学号 指导老师 时 间 课程设计论文课题任务书系：电气与信息工程系 专业：电子信息工程 指导教师学生姓名课题名称LC正弦波振荡器内容及任务1、了解LC正弦波振荡器的工作原理。2、掌握电容三点式正弦波振荡器的设计与主要性能参数测试方法。 3、掌握LC正弦波振荡器的装调技术拟到达的要求或技术指标1、技术指标三种正弦波振荡器的技术指标均为：振荡频率： ；频率稳定度：；输出幅度：。2、设计要求(1) 设计的宽带高频功率放大器满足技术指标；(2) 拟定测试方案和设计

2、步骤；(3) 根据性能指标，计算元件参数，选好元件，设计电路并画出电路图；(4) 对电路进行仿真，输出仿真波形；(5) 测量各指标数据；(6) 写出设计报告。进度安排起止日期工作内容备注2023.12.72023.12.72023.12.102023.12.112023.12.122023.12.122023.12.132023.12.152023.12.16了解课题设计内容，设计要求，初步定性。进行组内讨论，分工合作。查找课程设计书籍并集合有用资料。组内讨论，确定设计方案。画电路原理图，并进行电路仿真。仿真无误，开始实物准备。开始课程报告的分析与设计。做电路板并调试。打印设计报告。主要参考资

3、料1 康华光.电子技术根底模拟局部.北京：高等教育出版社，20232 罗先觉、邱关源.电路分析.北京：高等教育出版社，20233 曹才开.电路实验.北京：清华大学出版社，20234 谢自美.电子线路设计.武汉：华中科技大学出版社，20235 高如云.通信电子线路.西安：西安电子科技大学出版社，2023 摘要振荡器是一种能自动地将直流电源能量转换为一定波形的交变振荡信号能量的转换电路。它与放大器的区别在于，无需外加鼓励信号，就能产生具有一定频率、一定波形和一定振幅的交流信号。正弦波振荡器在各种电子设备中有着广泛的应用。例如，无线发射机中的载波信号源，接收设备中的本地振荡信号源，各种测量仪器如信号

4、发生器、频率计、fT测试仪中的核心局部以及自动控制环节，都离不开正弦波振荡器。根据所产生的波形不同，可将振荡器分成正弦波振荡器和非正弦波振荡器两大类。前者能产生正弦波，后者能产生矩形波、三角波、锯齿波等。本设计仅介绍LC正弦波振荡器。常用正弦波振荡器主要由决定振荡频率的选频网络和维持振荡的正反应放大器组成， 这就是反应振荡器。按照选频网络所采用元件的不同， 正弦波振荡器可分为LC振荡器、RC振荡器和晶体振荡器等类型。正反应放大器既可以由晶体管、场效应管等分立器件组成，也可以由集成电路组成，但前者的性能可以比后者做得好些，且工作频率也可以做得更高。其中LC振荡器和晶体振荡器用于产生高频正弦波。本

5、设计主要介绍LC正弦波振荡器的工作原理，电容三点式正弦波振荡器、电感三点式正弦波振荡器和席勒正弦波振荡器的设计与主要性能参数测试方法。本次设计所要完成的就是LC正弦波振荡器的设计。以下就正弦波振荡器的电路原理、参数计算和软件仿真等问题来进行具体分析讨论。目 录第一章 方案设计与论证 5 1.1 方案设计与论证 5 1.2 方案选择 5第二章 LC正弦波振荡器工作原理 62.1 振荡产生原理 62.2 振荡产生条件 7 2.3 电容三点式工作原理8 2.4 振荡器工作状态对振荡器性能的影响10第三章 电容三点式振荡器的Multisim设计 143.1 电容三点式振荡电路 143.2 元器件及参数

6、确实定 153.3 电容三点式振荡器的Multisim设计15第四章 电容三点式振荡器的Protel图184.1 Protel电容三点式振荡器原理图 184.2 Protel电容三点式振荡器PCB图 18第五章 设计总结 19 5.1三点式振荡器总结195.2心得体会19附录1、参考文献202、电容三点式正弦波振荡器电路图203、电容三点式振荡器PCB图 214、元器件清单21 第一章 方案设计与论证1.1 方案设计与论证LC正弦波振荡器的电路种类比拟多，根据不同的反应方式，又可分为互感反应振荡器，电感反应三点式振荡器，电容反应三点式振荡器，其中互感反应易于起振，但稳定性差，适用于低频，而三点

7、式振荡器稳定性好，输出波形理想，振荡频率可以做得较高。选择电容反应三点式振荡器，而电容反应三点式振荡器又分为考毕兹振荡器，克拉波振荡器，西勒振荡器。而本次课程设计要求设计：电容三点式振荡器。振荡器是一种能量转换器，由晶体管等有源器件和具有选频作用的无源网络及反应网络组成，其框图如图2-1所示.。输出 放大电路输出 放大电路 选频网络 正反应网络 图2-1振荡器框图1.2 方案选择方案一：电感反应三点式振荡器的输出波形由仿真软件得出。方案二：考毕兹振荡器的输出波形由仿真软件得出。经比拟用考毕兹电路可以做到波形比拟稳定，并且频率可以做到很高，即选择方案二。第二章 LC正弦波振荡器工作原理2.1振荡

8、产生原理反应型振荡器是通过正反应联接方式实现等幅正弦振荡的电路。这种电路由两局部组成，一是放大电路，二是反应网络，图2-1所示为反应振荡器构成方框图及相应电路。由图可知，当开关S在1的位置，放大器的输入端外加一定频率和幅度的正弦波信号，这一信号经放大器放大后，在输出端产生输出信号，假设经反应网络并在反应网络输出端得到的反应信号与不仅大小相等，而且相位也相同，即实现了正反应。假设此时除去外加信号，将开关由1端转接到2端，使放大器和反应网络构成一个闭环系统，那么，在没有外加信号的情况下，输出端仍可维持一定幅度的电压输出，从而实现了自激振荡的目的。放大器反应网络放大器反应网络RLfoi图2-1反应振

9、荡器的组成方框图为了使振荡器的输出为一个固定频率的正弦波，图1-2所示的闭合环路内必须含有选频网络，使得只有选频网络中心频率的信号满足与 相同的条件而产生自激振荡，对其它频率的信号不满足与相同的条件而不产生振荡。选频网络可与放大器相结合构成选频放大器，也可与选频网络相结合构成选频反应网络。如上所述，反应振荡器是把反应电压作为输入电压，以维持一定的输出电压的。那么，振荡的产生是否就需要在开始的一瞬间外加一个输入信号，等到产生了输出信号，又反应一局部回来，再把输入信号拿走呢？实际上，在电源接通振荡器时，电路内必然会存在微弱的电扰动，如晶体管电流的突增、电路中的热噪声等等，这些电扰就构成原始的输入信

10、号。又由于这些电扰动信号频率范围很宽，经过振荡电路中的选频网络，只将其中某一频率的信号反应到放大器的输入端，而其它频率的信号将抑制掉。被放大后的某一频率分量经反应加到输入端，幅度得到增大。这一“反应放大的过程是一个循环的过程某一频率分量的信号将不断增长，振荡由小到大而建立起来。2.2振荡产生条件振荡器是一种在没有外来信号的作用下，能自动地将直流电源的能量转换为一定波形的交变振荡能量的装置。根据振荡器的特性，可将振荡器分为反应式振荡器和负阻式振荡器两大类，LC振荡器属于反应式振荡器。工作时它应满足两个条件：相位条件：反应信号必须与输入信号同相，以保证电路是正反应电路，即电路的总相移=k+F=n3

11、600。振幅条件：反应信号的振幅应大于或等于输入信号的振幅，即F1，式中为放大倍数，F 为反应系数。当振荡器接通电源后，电路中存在着各种电的扰动如热噪声、晶体管电流的突变等，它们就是振荡器起振的初始鼓励。经过电路放大和正反应的作用，它们的幅度会得到不断的加强。同时，由于电路中LC谐振回路的选频作用，只有等于其谐振频率的电压分量满足振荡条件，最终形成了单一频率的振荡信号。正弦波振荡器是指振荡波形接近理想正弦波的振荡器，这是应用非常广泛的一类电路，产生正弦信号的振荡电路形式很多，但归纳起来，不外是RC、LC和晶体振荡器三种形式。在本实验中，我们研究的主要是LC三点式振荡器振荡器。LC三点式振荡器的

12、根本电路如图2-2所示：根据相位平衡条件，图中构成振荡电路的三个电抗中间，X1、X2必须为同性质的电抗，X3必须为异性质的电抗，且它们之间应满足以下关系式： 2-1 这就是LC三点式振荡器相位平衡条件的判断准那么。假设X1和X2均为容抗，X3为感抗，那么为电容三点式振荡电路；假设X1和X2均为感抗，X3为容抗，那么为电感三点式振荡器。 图2-2 三点式振荡器的交流等效电路2.3 电容三点式工作原理电容三点式振荡器共基电容三点式振荡器的根本电路如图2-3-3所示。图中C3为耦合电容。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；与基极连接的为两个异性质的电抗元件C2和L，根据

13、前面所述的判别准那么，该电路满足相位条件。假设要它产生正弦波，还须满足振幅，起振条件，即： (2-2)式中AO为电路刚起振时，振荡管工作状态为小信号时的电压增益；F是反应系数，只要求出AO和F值，便可知道电路有关参数与它的关系。为此，我们画出图2-3的简化，y参数等效电路如图2-4所示，其中设yrb0 yob0，图中GO为振荡回路的损耗电导，GL为负载电导。 图2-3 共基组态的“考华兹振荡器图2-4 简化Y参数等效电路由图可求出小信号电压增益AO和反应系数F分别为 2-3 2-4式中： 2-5 经运算整理得 2-6式中： 当忽略yfb的相移时，根据自激条件应有 N=0 及 2-7由N=0，可

14、求出起振时的振荡频率，即 2-8那么 2-9将X1X2X3的表示式代入上式，解出： 2-10当晶体管参数的影响可以忽略时，可得到振荡频率近似为 2-11 式中： 是振荡回路的总电容。由式(2-5)求M，当时 2-12那么反应系数可近似表示为： 2-13那么 2-14 由式2-13可得到满足起振振幅条件的电路参数为： 2-15此式给出了满足起振条件所需要的晶体管最小正向传输导纳值。式2-14也可以改写为 2-16不等式左端的是共基电压增益，显然F增大时，固然可以使增加，但F过大时，由于的影响将使增益降低，反而使减小，导致振荡器不易起振，假设F取得较小，要保证1，那么要求很大，可见，反应系数的取值

15、有一适宜的范围，一般取F=1/81/2。2.4振荡管工作状态对振荡器性能的影响对于一个振荡器，当其负载阻抗及反应系数F已经确定的情况，静态工作点的位置对振荡器的起振以及稳定平衡状态振幅大小，波形好坏有着直接的影响，如图2-5中a和b所示。 (a)工作点偏高 (b)工作点偏低图2-5 振荡管工作态对性能的影响图2-5a工作点偏高，振荡管工作范围易进入饱和区，输出阻抗的降低将会使振荡波形严重失真，严重时，甚至使振荡器停振。图2-5b中工作点偏低，防止了晶体管工作范围进入饱和区，对于小功率振荡器，一般都取在靠近截止区，但是不能取得太低，否那么不易起振。一个实际的振荡电路，在F确定之后，其振幅的增加主

16、要是靠提高振荡管的静态电流值。在实际中，我们将会看到输出幅度随着静态电流值的增加而增大。但是如静态电流取得太大，不仅会出现图2-5a所示的现象，而且由于晶体管的输入电阻变小同样会使振荡幅度变小。所以在实用中，静态电流值一般取ICO = 0.5mA5mA。为了使小功率振荡器的效率高，振幅稳定性好，一般都采用自给偏压电路，我们以图2-6所示的电容三点式振荡器电路为例，简述自偏压的产生。图中，固定偏压VB由R1和可调电阻R2所组成的偏置电路来决定，在忽略IB对偏置电压影响的情况下，可以认为振荡管的偏置电压UBE是固定电压VB和Re上的直流电压降共同决定的，即 2-17由于Re上的直流压降是由发射极电

17、流IE建立的，而且随IE的变化而变化，故称自偏压。在振荡器起振之前，直流自偏压取决于静态电流IEO和Re的乘积，即 2-18一般振荡器工作点都选得很低，故起始自偏压也较小，这时起始偏压VBEQ为正偏置，因而易于起振，如图2-6a所示，图中Cb上的电压是在电源接通的瞬间VB对电容Cb充电在上建立的电压；Rb是R1与R2的并联值。根据自激振荡原理，在起振之初，振幅迅速增大，当反应电压Uf对基极为正半周时，基极上的瞬时偏压变得更正， ic增大，于是电流通过振荡管向Ce充电，如图2-6b所示。电流向Ce充电的时间常数=RDCe，(b)图2-6 自给偏压形成RD是振荡管BE结导通时的电阻，一般较小几十到

18、几百欧，所以充较小，Ce上的电压接近Uf的峰值。当Uf负半周，偏置电压减小，甚至成为截止偏压，这时，Ce上的电荷将通过Re放电，放电的时间常数为放=ReCe，显然放充，在Vf的一周期内，积累电荷比释放的多，所以随着起振过程的不断增强，即在Re上建立起紧跟振幅强度变化的自偏压，经假设干周期后到达动态平衡，在Ce上建立了一个稳定的平均电压IEORe，这时振荡管BE之间的电压： 2-19因为，所以有，可见振荡管BE间的偏压减小，振荡管的工作点向截止方向移动。这种自偏压的建立过程如图2-7所示。由图看出，起振之初，0t1之间，振幅较小，振荡管工作在甲类状态，自偏压变化不大，随着正反应作用，振幅迅速增大

19、，进入非线性工作状态，自偏压急剧增大，使变为截止偏压。振荡管的非线性工作状态，反过来又限制了振幅的增大。可见，这种自偏压电路起振时，存在着振幅与偏压之间相互制约、互为因果的关系。在一般情况下，假设ReCe的数值选得适当，自偏压就能适时地紧跟振幅的大小而变化。正是由于这两种作用相互依存、又相互制约的结果。如图2-7所示，在某一时刻到达平衡。这种平衡状态，对于自偏压来说，意味着在反应电压的作用下，Ce在一周期内其充电与放电的电量相等。因此，b、e两端的偏压保持不变，稳定在。对于振幅来说，也意味着在此偏压的作用下，振幅平衡条件正好满足输出振幅为的等幅正弦波。图2-7 起振时直流偏压的建立过程第三章

20、电容三点式振荡器的Multisim设计3.1 电容三点式振荡器电路常见的一种电容三点式振荡器又称考毕兹振荡器电路如图3-1 所示，其交流等效电路如图3-2 所示。 图3-1 常见的电容三点式振荡器电路图图3-2 常见的电容三点式振荡器交流等效电路图上图中C1、C2是回路电容, 是回路电感,C3、C4分别是高频旁路电容和耦合电容。一般来说, 旁路电容和耦合电容的电容值至少要比回路电容值大一个数量级以上。 有些电路里还接有高频扼流圈, 其作用是为直流提供通路而又不影响谐振回路工作特性。对于高频振荡信号, 旁路电容和耦合电容可近似为短路, 高频扼流圈可近似为开路。由于电容三点式电路已满足反应振荡器的

21、相位条件, 只要再满足振幅起振条件就可以正常工作。因为晶体管放大器的增益随输入信号振幅变化的特性与振荡的三个振幅条件一致, 所以只要能起振, 必定满足平衡和稳定条件。由图分析我们可知振荡频率 3-1 3-2在仿真中可通过测量周期T来测定谐振频率，即 =1/T 3-3 3.2 元器件及参数确实定根据设计要求查阅资料和通过计算来确定电容三点式振荡器的个元器件参数如下：旁路电容C1,C2和耦合电容C3都取100nF，而电阻R1和可变电阻R2分别取10K和10K。振荡电路的C4和C5均取30PF，电感取18uH。三极管那么取型号2N2222A。其中2N2221A三极管是一种控制元件，主要用来控制电流的

22、大小，以共发射极接法为例信号从基极输入，从集电极输出，发射极接地，当基极电压UB有一个微小的变化时，基极电流IB也会随之有一小的变化，受基极电流IB的控制，集电极电流IC会有一个很大的变化，基极电流IB越大，集电极电流IC也越大，反之，基极电流越小，集电极电流也越小，即基极电流控制集电极电流的变化。但是集电极电流的变化比基极电流的变化大得多，这就是三极管的放大作用。IC 的变化量与IB变化量之比叫做三极管的放大倍数=IC/IB, 表示变化量。，三极管的放大倍数一般在几十到几百倍。三极管在放大信号时，首先要进入导通状态，即要先建立适宜的静态工作点，也叫建立偏置，否那么会放大失真。3.3电容三点式

23、振荡器的Multisim设计1、Multisim是Interactive Image Technologies 公司推出的以Windows为根底的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。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。2、根据所确定的元器件参数在Multisim画出电容三点式正弦波振荡器又称考毕兹振荡器电路图3、按照画好的电路图进行仿真，仿真得到的波形图如图3-3所示 图3-3 电容三点式正弦波振荡器仿真波形图3-4电容三点式正弦波振荡器仿真波形的稳定度测量4、分析仿真结果。1、根据所设计的电路图首先算出理论的值的大小。 3-42、由图

24、3-3我们可知仿真出来的波形的周期T为2.1*50ns 。而又因我们可知 3-5仿真所得略小于理论计算的的值。通过观察图3-4我们可以知道=0.797V 0.3V 满足设计要求。观察图3-4我们还可以知道U= 0.01V 幅度要求满足设计要求。通过观察图3-3我们可以知道波形有些失真，未到达预想的结果。5、结论通过分析仿真结果，我们可以得出通过Multisim设计的电容三点式振荡器电路根本满足设计要求，可以实现设计的技术指标要求！第四章 电容三点式振荡器的Protel图4.1 Protel电容三点式震荡器的原理图1、在Protel中对照Multisim设计好的原理图，选择相应的元器件画好原理图

25、。 电路原理图如图4-1所示图4-1 电容三点式振荡器Protel原理图4.2 Protel电容三点式震荡器的PCB图1、选择相应的元器件封装，将原理图导入PCB图中进行PCB图的绘制。由于元器件较少，这里只采用单面布线，电源线和地线都采用1.5mm线宽，信号线用1.2mm。信号线宽一点有利于减少分布电容。第五章 设计总结5.1 三点式振荡器总结通过这次高频电子线路课程设计LC正弦波振荡器的完成，我对三点式振荡器有了深一步的了解。下面对电容三点式振荡器和电感三点式振荡器作一比拟。1、 电容三点式振荡器的反应电压取自反应电容C5，二电容对晶体管非线性特性产生的高次谐波呈现低阻抗，所以反应电压中高次谐波分量很小，因而振荡波形更接近于正弦波。另外，晶体管的输入、输出电容同回路电容并联，为了减小它们对振荡频率的影响，可适当增加回路电容的值，以提高频率稳定度。在振荡频率较高时，有时可不用回路电容，直接利用晶体管的