高頻晶體振蕩器任務(wù)書.doc

武漢理工大學(xué)高頻電子線路課程設(shè)計說明書 目 錄1.Multisim簡介12.工作原理說明32.1振蕩器概念32.2 靜態(tài)工作點的確定42.3振蕩器的起振條件42.4高頻功率放大器53.普通三點式振蕩器和晶體振蕩器53.1電容三點式振蕩器53.2電感三點式振蕩器73.3并聯(lián)型晶體振蕩器83.4串聯(lián)型晶體振蕩器93.5普通三點式振蕩器和晶體振蕩器性能比較104.電路設(shè)計與仿真114.1原理電路114.2仿真結(jié)果125.實際電路與輸出波形126.心得體會167.參考文獻(xiàn)171.Multisim簡介 NI Multisim軟件是一個專門用于電子電路仿真與設(shè)計的EDA工具軟件。作Windows 下運行的個人桌面電子設(shè)計工具，NI Multisim 是一個完整的集成化設(shè)計環(huán)境。NI Multisim計算機仿真與虛擬儀器技術(shù)可以很好地解決理論教學(xué)與實際動手實驗相脫節(jié)的這一問題。學(xué)員可以很方便地把剛剛學(xué)到的理論知識用計算機仿真真實的再現(xiàn)出來，并且可以用虛擬儀器技術(shù)創(chuàng)造出真正屬于自己的儀表。NI Multisim軟件絕對是電子學(xué)教學(xué)的首選軟件具。 （1）直觀的圖形界面 整個操作界面就像一個電子實驗工作臺，繪制電路所需的元器件和仿真所需的測試儀器均可直接拖放到屏幕上，輕點鼠標(biāo)可用導(dǎo)線將它們連接起來，軟件儀器的控制面板和操作方式都與實物相似，測量數(shù)據(jù)、波形和特性曲線如同在真實儀器上看到的； （2）豐富的元器件 提供了世界主流元件提供商的超過17000多種元件，同時能方便的對元件各種參數(shù)進(jìn)行編輯修改，能利用模型生成器以及代碼模式創(chuàng)建模型等功能，創(chuàng)建自己的元器件。 （3)強大的仿真能力 以SPICE3F5和Xspice的內(nèi)核作為仿真的引擎，通過Electronic workbench 帶有的增強設(shè)計功能將數(shù)字和混合模式的仿真性能進(jìn)行優(yōu)化。包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、電路向?qū)У裙δ堋?(4)豐富的測試儀器 提供了22種虛擬儀器進(jìn)行電路動作的測量：Multimeter(萬用表)、FunctionGeneratoer(函數(shù)信號發(fā)生器) 、Wattmeter(瓦特表)、Oscilloscope(示波器)、Bode Plotter(波特儀)、Word Generator(字符發(fā)生器）、Logic Analyzer(邏輯分析儀)、Logic Converter(邏輯轉(zhuǎn)換儀)、Distortion Analyer(失真度儀)、Spectrum Analyzer(頻譜儀)、Network Analyzer(網(wǎng)絡(luò)分析儀) Measurement Pribe(測量探針)、Four Channel Oscilloscope(四蹤示波器)、FrequencyCounter(頻率計數(shù)器)、IV Analyzer(伏安特性分析儀)、Agilent Simulated Instruments(安捷倫仿真儀器)、Agilent Oscilloscope(安捷倫示波器)、Tektronix Simulated Oscilloscope(泰克仿真示波器)、Voltmeter(伏特表)、Ammeter(安培表)、Current Probe(電流探針) 、Lab VIEW Instrument(Lab VIEW儀器) 。這些儀器的設(shè)置和使用與真實的一樣，動態(tài)互交顯示。除了Multisim提供的默認(rèn)的儀器外，還可以創(chuàng)建LabVIEW的自定義儀器，使得圖形環(huán)境中可以靈活地可升級地測試、測量及控制應(yīng)用程序的儀器。 (5)完備的分析手段 Multisimt提供了許多分析功能：DC Operating Point Analysis（直流工作點分析 ）、AC Analysis（交流分析）、Transient Analysis（瞬態(tài)分析）、Fourier Analysis（傅里葉分析）、Noise Analysis（噪聲分析）、Distortion Analysis（失真度分析）、DC Sweep Analysis（直流掃描分析）、DC and AC Sensitvity Analysis（直流和交流靈敏度分析）、Parameter Sweep Analysis（參數(shù)掃描分析）、Temperature Sweep Analysis（溫度掃描分析）、Transfer Function Analysis（傳輸函數(shù)分析）、Worst Case Analysis（最差情況分析）、Pole Zero Analysis（零級分析）、 Monte Carlo Analysis（蒙特卡羅分析）、Trace Width Analysis（線寬分析）、Nested Sweep Analysis（嵌套掃描分析）、Batched Analysis（批處理分析）、User Defined Analysis（用戶自定義分析）。它們利用仿真產(chǎn)生的數(shù)據(jù)執(zhí)行分析，分析范圍很廣，從基本的到極端的到不常見的都有，并可以將一個分析作為另一個分析的一部分的自動執(zhí)行。集成LabVIEW和Signalexpress快速進(jìn)行原型開發(fā)和測試設(shè)計，具有符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的交互式測量和分析功能； （6）獨特的射頻(RF)模塊 提供基本射頻電路的設(shè)計、分析和仿真。射頻模塊由RF-specific（射頻特殊元件，包括自定義的RF SPICE模型）、用于創(chuàng)建用戶自定義的RF模型的模型生成器、兩RF-specific儀器（Spectrum Analyzer頻譜分析儀和Network Analyzer網(wǎng)絡(luò)分析儀）、一些RF-specific分析（電路特性、匹配網(wǎng)絡(luò)單元、噪聲系數(shù)）等組成； （7）強大的MCU模塊 支持4種類型的單片機芯片,支持對外部RAM、外部ROM、鍵盤和LCD等外圍設(shè)備的仿真，分別對4 種類型芯片提供匯編和編譯支持；所建項目支持C代碼、匯編代碼以及16進(jìn)制代碼,并兼容第三方工具源代碼； 包含設(shè)置斷點、單步運行、查看和編輯內(nèi)部RAM、特殊功能寄存器等高級調(diào)試功能。 （8）完善的后處理 對分析結(jié)果進(jìn)行的數(shù)學(xué)運算操作類型包括算術(shù)運算、三角運算、指數(shù)運行、對數(shù)運算、復(fù)合運算、向量運算和邏輯運算等； （9）詳細(xì)的報告 能夠呈現(xiàn)材料清單、元件詳細(xì)報告、網(wǎng)絡(luò)報表、原理圖統(tǒng)計報告、多余門電路報告、模型數(shù)據(jù)報告、交叉報表7種報告； （10）兼容性好的信息轉(zhuǎn)換 提供了轉(zhuǎn)換原理圖和仿真數(shù)據(jù)到其他程序的方法，可以輸出原理圖到PCB布線（如Ultiboard、OrCAD、PADS Layout2005、P-CAD和Protel）；輸出仿真結(jié)果到MathCAD、Excel或LabVIEW；輸出網(wǎng)絡(luò)表文件；向前和返回注；提供Internet Design Sharing（互聯(lián)網(wǎng)共享文件）2.工作原理說明2.1振蕩器概念振蕩器(oscillaor)是不需外信號激勵、自身將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能的裝置。凡是可以完成這一目的的裝置都可以作為振蕩器。例如，無線電發(fā)明初期所用的火花發(fā)射機、電弧發(fā)生器等，都是振蕩器。但是用電子管、晶體管等器件與L、C、R等元件組成的振蕩器則完全取代了以往所有產(chǎn)生振蕩的方法，因為它有如下優(yōu)點：1)它將直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娔?，而本身靜止不動，不需作機械轉(zhuǎn)動或移動。如果用高頻交流發(fā)電機，則其旋轉(zhuǎn)速度必須很高，最高頻率也只能達(dá)50kHz，但卻需要很堅實的機械構(gòu)造。2)它產(chǎn)生的是“等幅振蕩”，而火花發(fā)射機等產(chǎn)生的是“阻尼振蕩”。3)使用方便，靈活性很大，它的功率可自毫瓦級至幾百千瓦，工作頻率則可自極低頻率(例如每分鐘幾個周波)至微波波段。一個振蕩器必須包括三部分：放大器、正反饋電路和選頻網(wǎng)絡(luò)。放大器能對振蕩器輸入端所加的輸入信號予以放大使輸出信號保持恒定的數(shù)值。正反饋電路保證向振蕩器輸入端提供的反饋信號是相位相同的，只有這樣才能使振蕩維持下去。選頻網(wǎng)絡(luò)則只允許某個特定頻率 f0 能通過，使振蕩器產(chǎn)生單一頻率的輸出。振蕩器能不能振蕩起來并維持穩(wěn)定的輸出是由以下兩個條件決定的；一個是反饋電壓 uf和輸入電壓Ui要相等，這是振幅平衡條件。二是 Uf 和 Ui 必須相位相同，這是相位平衡條件，也就是說必須保證是正反饋。一般情況下，振幅平衡條件往往容易做到，所以在判斷一個振蕩電路能否振蕩，主要是看它的相位平衡條件是否成立。振蕩器的用途十分廣泛，它是無線電發(fā)送設(shè)備的心臟部分，也是超外差式接收機的主要部分各種電子測試儀器如信號發(fā)生器、數(shù)字式頻率計等，其核心部分都離不開正弦波振蕩器。功率振蕩器在工業(yè)方面(例如感應(yīng)加熱、介質(zhì)加熱等)的用途也日益廣闊。正弦波振蕩器按工作原理可分為反饋式振蕩器與負(fù)阻式振蕩器兩大類。反饋式振蕩器是在放大器電路中加入正反饋，當(dāng)正反饋足夠大時，放大器產(chǎn)生振蕩，變成振蕩器。所謂產(chǎn)生振蕩是指這時放大器不需要外加激勵信號，而是由本身的正反饋信號來代替外加激勵信號的作用。負(fù)阻式振蕩器則是將一個呈現(xiàn)負(fù)阻特性的有源器件直接與諧振電路相接，產(chǎn)生振蕩。2.2 靜態(tài)工作點的確定靜態(tài)工作點的確定直接影響著電路的工作狀態(tài)和振蕩波形的好壞。由于振蕩幅度穩(wěn)定下來后，電路必然工作到非線性區(qū)，也就是說，可能進(jìn)入截止區(qū)，也可能進(jìn)入飽和區(qū)，靜態(tài)工作點偏高，易進(jìn)入飽和區(qū)實踐證明：當(dāng)晶體管進(jìn)入飽和區(qū)后，晶體管的輸出阻抗將急劇下降(由原來的線性工作區(qū)幾十千歐或幾百千歐下降為幾百歐姆)，使諧振回路Q值大為降低，不僅使振蕩波形嚴(yán)重失真，而且頻率穩(wěn)定度大為降低，甚至停振，為了避免上述情況發(fā)生，一般小功率振蕩器將靜態(tài)工作點設(shè)計得遠(yuǎn)離飽和區(qū)而靠近截止區(qū)，所以，c取14mA之間。2.3振蕩器的起振條件振蕩的最初來源是振蕩器在接通電源時不可避免地存在的電沖擊及各種熱噪聲等，其包含有很寬的頻譜分量，在他們通過負(fù)載回路時，由諧振回路性質(zhì)即只有頻率等于回路諧振頻率的分量才可以產(chǎn)生較大的輸出，其他頻率分量則不會產(chǎn)生壓降，因此負(fù)載回路上只有頻率為回路諧振頻率的成分產(chǎn)生壓降，該壓降通過反饋網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生出較大的正反饋電壓，反饋電壓又加到放大器的輸入端，進(jìn)行放大、反饋，不斷地循環(huán)下去，諧振負(fù)載上將得到頻率等于回路諧振頻率的輸出信號。在振蕩開始時由于激勵信號較弱，輸出電壓振幅較小，經(jīng)過不斷放大、反饋循環(huán)，輸出幅度不斷增大，否則輸出信號幅值過小，無任何意義。為了使振蕩過程中輸出幅度不斷增加，應(yīng)使反饋回來的信號比輸入到放大器的信號大，即振蕩開始時應(yīng)為增幅振蕩，可得：，稱為自激振蕩的起振條件。2.4高頻功率放大器高頻功率放大器的主要作用是用小功率的高頻輸入信號去控制高頻功率放大器,將直流電源供給的能量轉(zhuǎn)換為大功率高頻能量輸出, 它主要應(yīng)用于各種無線電發(fā)射機中。信號的放大實質(zhì)是能量的轉(zhuǎn)換，是將電源提供的直流電能轉(zhuǎn)換為交流信號電能。大功率的放大器，消耗功率大，所以效率的高低就變得非常重要，這不僅表現(xiàn)在放大器輸出相同功率時，高頻率工作可以節(jié)約直流電源的電能，還在于采用相同器件的條件下高效率工作可以輸出更大的功率，所以該電路選用丙類高頻放大器。3.普通三點式振蕩器和晶體振蕩器3.1電容三點式振蕩器電容三點式振蕩器（也叫考畢茲振蕩器），自激振蕩器的一種。圖中的L、C1、C2組成諧振回路，作為晶體管放大器的負(fù)載阻抗。反饋信號從電容器C2兩端取得，送回放大器的基極b上，而且是將LC回路的三個端點分別與晶體管的三個電極相連，故將這種電路成為電容三點式振蕩器。由串聯(lián)電容與電感回路及正反饋放大器組成。因振蕩回路兩串聯(lián)電容的三個端點與振蕩管三個管腳分別相接而得名。電容三點式：反饋電壓中高次諧波分量很小，因而輸出波形好，接近正弦波。反饋系數(shù)因與回路電容有關(guān)，如果用該變回路的方法來調(diào)整振蕩頻率，必將改變反饋系數(shù)，從而影響起振。 圖3.1電容三點式振蕩器交流等效電路電容三點式振蕩器適合產(chǎn)生幾十兆赫以上的信號，常用來作射頻振蕩器。.圖3.1是LC振蕩回路的等效電路圖，從圖上可以看到，電路的振蕩頻率由L、C、C1、C2決定，基極有一個大電容（10002000pF），起交流接地的作用。由于電感和電容的數(shù)值都比較小，所以有些情況下三極管的極間電容、電感線圈的匝間電容都不能忽略。它們對總電容的貢獻(xiàn)量大約幾個皮法。設(shè)三極管的極間電容以及電感線圈的匝間電容以及其它分布電容的總等效電容為C0，則在LC諧振回路Q值足夠高的條件下，電路的振蕩頻率為3.2電感三點式振蕩器電感振蕩電路部分振蕩器有基本放大器、選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng)絡(luò)三個部分組成。圖中L1、L2、C組成諧振回路作為晶體管放大器的負(fù)載阻抗。反饋信號從電感L2兩端取得，送回放大器的基極b上，而且也是將LC回路的三個端點分別與晶體管的三個電極相連，故將這種電路成為電感三點式振蕩器。電感三點式：便于用改變電容的方法來調(diào)整振蕩頻率，而不會影響反饋系數(shù)，但是反饋電壓中高次諧波分量比較多，輸出波形差。當(dāng)回路的Q值較高時,該電路的振蕩頻率基本上等于LC回路的諧振頻率,即 該電路具有如下特點：1.易起振；2.調(diào)節(jié)頻率方便；3.輸出波形較差。 圖3.2電感三點式振蕩器交流等效電路 3.3并聯(lián)型晶體振蕩器 圖3.3石英晶體的頻率特性圖 圖3.4石英晶體在諧振頻率附近的等效電路當(dāng)ffs時，L-C-R支路呈感性，與Co產(chǎn)生并聯(lián)諧振。圖示出了一種典型的晶體振蕩器電路，當(dāng)振蕩器的振蕩頻率在晶體的串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率之間時晶體呈感性，該電路滿足三端式振蕩器的組成原則,而且該電路與電容反饋的振蕩器對應(yīng),通常稱為皮爾斯(Pierce)振蕩器。 圖3.5并聯(lián)諧振型晶體振蕩電路由于晶體的品質(zhì)因數(shù) Qq很高,故其并聯(lián)諧振電阻Ro也很高,雖然接入系數(shù)p較小,但等效到晶體管CE兩端的阻抗RL仍較高,所以放大器的增益較高,電路很容易滿足振幅起振條件。皮爾斯振蕩器的工作頻率應(yīng)由 C1、C2、C3及晶體構(gòu)成的回路決定,即由晶體電抗Xe與外部電容相等的條件決定,設(shè)外部電容為CL,則: Xe - =0 3.4串聯(lián)型晶體振蕩器在串聯(lián)型晶體振蕩器中，晶體接在振蕩器要求低阻抗的兩點之間，通常接在反饋電路中。串聯(lián)型晶體振蕩器只能適應(yīng)高次泛音工作，這是由于晶體只起到控制頻率的作用，對回路沒有影響，只要電路能正常工作，輸出幅度就不受晶體控制。圖3.2.4顯示出了一串聯(lián)型振蕩器的實際路線和等效電路?？梢钥闯?，如果將石英晶體短路，該電路即為電容反饋的振蕩器。電路的實際工作原理為：當(dāng)回路的諧振頻率等于晶體的串聯(lián)諧振頻率時，晶體的阻抗最小，近似一短路線，電路滿足相位條件和振幅條件，故能正常工作；當(dāng)回路的諧振頻率距串聯(lián)諧振頻率較遠(yuǎn)時，晶體阻抗增大，是反饋減弱，從而使電路不能滿足振幅條件，電路不能正常工作。故當(dāng)回路的諧振頻率等于晶體的串聯(lián)諧振頻率時，串聯(lián)石英晶體振蕩器能夠正常工作。 圖3.6串聯(lián)諧振型晶體振蕩電路3.5普通三點式振蕩器和晶體振蕩器性能比較電容三點式振蕩電路的特點是：頻率穩(wěn)定度較高，輸出波形好，頻率可以高達(dá) 100 兆赫以上，但頻率調(diào)節(jié)范圍較小。電感三點式振蕩電路的特點是：頻率范圍寬、容易起振，但輸出含有較多高次調(diào)波，波形較差。石英晶體振蕩器能獲得很高的頻率穩(wěn)定度是由于石英晶體諧振器與一般的諧振回路相比具有優(yōu)良的特性,具體表現(xiàn)為:1、石英晶體諧振器具有很高的標(biāo)準(zhǔn)性。2、石英晶體諧振器與有源器件的接入系數(shù)p很小,一般為103 到 104。3、石英晶體諧振器具有非常高的Q值。4.電路設(shè)計與仿真4.1原理電路 圖4.1整體原理電路圖4.2仿真結(jié)果用Multisim電子仿真軟件對上述電路圖進(jìn)行仿真。按設(shè)計電路和計算出的參數(shù)值仿真，得到如下結(jié)果。 圖4.2仿真結(jié)果圖5.實際電路與輸出波形根據(jù)本次課程設(shè)計的要求我們進(jìn)行了實物制作。我們買的元件中也有壞的，這些給我們后來的調(diào)試造成了很大的障礙。我們進(jìn)行實物調(diào)試的時候，我們檢查了所有元件，然后換掉了壞掉的元件。最終，經(jīng)過不懈的努力，我們把實物調(diào)試好了。 圖5.1 實物圖 圖5.2 實物調(diào)試圖 圖5.3克拉勃電路輸出波形圖 圖5.4西勒電路輸出波形圖 圖5.5晶體振蕩電路輸出波形圖6.心得體會高頻電子線路是一門同學(xué)們普遍反映很難學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)課，所以在這次課程設(shè)計中，難免會遇到不少問題。首先就是對教材中提到的相關(guān)元件的概念、作用、以及參數(shù)等不是很熟悉。在做本次課程設(shè)計之前我又重新翻看了一遍教材，鞏固了以前一些模棱兩可的知識點，也有了許多新的發(fā)現(xiàn)與感受，在理論上對自己進(jìn)行了一次全新的武裝。在設(shè)計過程中，也遇到了很多或大或小的問題。首先是對所運用仿真軟件的不熟悉，比如開始使用時找一個相關(guān)的元件要花好長時間，以及元件參數(shù)設(shè)置也不是很熟，不過通過一段時間的磨合這些問題都克服了;然后就是理論知識的匱乏問題，通