電子信息工程課程設計樣例

1、改進型電容三點式振蕩電路設計院 系:通信與電子工程學院班 級: 電子091姓 名:學 號：指導教師: 完成日期：2012年 6月 27 日摘要高頻信號發(fā)生器主要用來向各種電子設備和電路提供高頻能量或高頻標準信號，以便測試各種電子設備和電路的電氣特性。高頻信號發(fā)生器主要是產生高頻正弦振蕩波，故電路主要是由高頻振蕩電路構成。振蕩器的功能是產生標準的信號源，廣泛應用于各類電子設備中。為此,振蕩器是電子技術領域中最基本的電子線路,也是從事電子技術工作人員必須要熟練掌握的基本電路。本次課設設計了改進型電容三點式高頻振蕩器，介紹了設計步驟，比較了各種設計方法的優(yōu)缺點，總結了不同振蕩器的性能特征。使用Pro

2、tel2004DXP制作PCB板。使用實驗要求的電源和頻率計進行驗證，實現了設計目標。關鍵詞：電容三點式、西勒電路、Protel、印制電路板第一章 實驗原理1.1 振蕩的原理三點式LC正弦波振蕩器的組成法則（相位條件）是：與晶體管發(fā)射極相連的兩個電抗元件應為同性質的電抗，而與晶體管集電極基極相連的電抗元件應與前者性質相反。圖1-1所示為滿足組成法則的基本電容反饋LC振蕩器共基極接法的典型電路。當電路參數選取合適，滿足振幅起振條件時，電路起振。當忽略負載電阻、晶體管參數及分布電容等因素影響時，振蕩頻率可近似認為等于諧振回路的固有振蕩頻率，即 （1）式中 近似等于與的串聯值 （2）圖1-1 電容反

3、饋LC振蕩器由圖1-1所畫出的分析起振條件的小信號等效電路如圖1-2所示。 圖1-2 分析起振條件的小信號等效電路由圖1-2分析可知，振蕩器的起振條件為： （3）式中 為LC振蕩回路的等效諧振電阻； 電路的反饋系數 （4）由式（3）看出，由于晶體管輸入電阻對回路的負載作用，反饋系數并不是越大越容易起振，反饋系數太大會使增益A降低，且會降低回路的有載值，使回路的選擇性變差，振蕩波形產生失真，頻率穩(wěn)定性降低；所以，在晶體管參數一定的情況下，可以調節(jié)負載和反饋系數，保證電路起振。的取值一般在0.10.5 之間。圖1所示的振蕩器，由于晶體管各電極直接和振蕩回路元件L、并聯，而晶體管的極間電容（主要是結

4、電容）又隨外界因素（如溫度、電壓、電流等）的變化而變化，因此振蕩器的頻率穩(wěn)定性不夠高。為了提高振蕩器的頻率穩(wěn)定性，實際中更多的采用能夠減小晶體管與回路之間耦合的改進型電容反饋振蕩器。1.2 電容三點式振蕩器電容三點式振蕩器的基本電路如圖1-3所示圖2-1電容三點式振蕩器由圖可見：與發(fā)射極連接的兩個電抗元件為同性質的容抗元件C1和C2；與基極和集電極連接的為異性質的電抗元件L，根據前面所述的判別準則，該電路滿足相位條件。 其工作過程是：振蕩器接通電源后，由于電路中的電流從無到有變化，將產生脈動信號，因任一脈沖信號包含有許多不同頻率的諧波，因振蕩器電路中有一個LC諧振回路，具有選頻作用，當LC諧振

5、回路的固有頻率與某一諧波頻率相等時，電路產生諧振。雖然脈動的信號很微小，通過電路放大及正反饋使振蕩幅度不斷增大。當增大到一定程度時，導致晶體管進入非線性區(qū)域，產生自給偏壓，使放大器的放大倍數減小，最后達到平衡，即AF=1，振蕩幅度就不再增大了。于是使振蕩器只有在某一頻率時才能滿足振蕩條件，于是得到單一頻率的振蕩信號輸出。該振蕩器的振蕩頻率為：反饋系數F為： 若要它產生正弦波，必須滿足F= 1/2-1/8，太小不容易起振，太大也不容易起振。一個實際的振蕩電路，在F確定之后，其振幅的增加主要是靠提高振蕩管的靜態(tài)電流值。但是如靜態(tài)電流取得太大，振蕩管工作范圍容易進入飽和區(qū)，輸出阻抗降低使振蕩波形失真

6、，嚴重時，甚至使振蕩器停振。所以在實用中，靜態(tài)電流值一般ICO=0.5mA-4mA。電容三點式振蕩器的優(yōu)點是：1）振蕩波形好。2）電路的頻率穩(wěn)定度較高。工作頻率可以做得較高，可達到幾十MHz到幾百MHz的甚高頻波段范圍。 電路的缺點：振蕩回路工作頻率的改變，若用調C1或C2實現時，反饋系數也將改變。使振蕩器的頻率穩(wěn)定度不高。第二章 改進型電容三點式振蕩電路設計電容三點式課分為三種：考畢茲振蕩器、克拉潑振蕩器、西勒振蕩器。2.1 考畢茲振蕩器電容三點式振蕩器（又稱考畢茲振蕩器）如圖2-1所示。圖 2-1考畢茲振蕩器理論計算振蕩器的頻率為： 振蕩波形如圖2-2所示從波形看出其震蕩極不穩(wěn)定，測試其波

7、形頻率為f6.5MHz調解C1C2改變頻率時，反饋系數也改變。由于極間電容對反饋振蕩器的回路電抗均有影響，所以對振蕩器頻率也會有影響。而極間電容受環(huán)境溫度、電源電壓等因素的影響較大，所以電容三點式振蕩器的頻率穩(wěn)定度不高。為克服共基電容三點式振蕩器的缺點，可對其進行改進，即克拉潑電路和西勒電路。圖2-2考畢茲振蕩器輸出信號波形2.2 串聯型改進電容三端式振蕩器(克拉潑電路)電容三點式改進型“克拉潑振蕩器”如圖2-3所示。圖2-3 克拉潑振蕩電路電路特點是在共基電容三點式振蕩器的基礎上，用一電容C3，串聯于電感L支路。 功用主要是以增加回路總電容和減小管子與回路間的耦合來提高振蕩回路的標準性。使振

8、蕩頻率的穩(wěn)定度得以提高。 因為C3為可調電容遠小于C1或C2，所以電容串聯后的等效電容約為C3。電路的振蕩頻率為：與共基電容三點式振蕩器電路相比，在電感L支路上串聯一個電容。但它有以下特點：1、振蕩頻率改變可不影響反饋系數；2、振蕩幅度比較穩(wěn)定。3、電路中C3為可變電容，調整它即可在一定范圍內調整期振蕩頻率。但C3不能太小，否則導致停振，所以克拉潑振蕩器頻率覆蓋率較小，僅達1.2-1.4； 為此，克拉潑振蕩器適合與作固定頻率的振蕩器 。觀察到的振蕩波形如圖2-4所示圖2-4克拉波振蕩器輸出信號波形改進后的電路波形比原電容三點式振蕩器穩(wěn)定度高了很多，這是因為晶體管一部分接入的形式與回路連接，接入

9、系數p越小，耦合越弱。減弱了晶體管對回路的影響。2.3 西勒振蕩器電容三點式的改進型“西勒振蕩器”如圖2-5所示圖2-5西勒振蕩器電路特點是在克拉潑振蕩器的基礎上，用一電容C4，并聯于電感L兩端。功用是保持了晶體管與振蕩回路弱藕合，振蕩頻率的穩(wěn)定度高，調整范圍大。電路的振蕩頻率為： 特點：1.振蕩幅度比較穩(wěn)定； 2.振蕩頻率可以比較高，如可達千兆赫；頻率覆蓋率比較大，可達1.6-1.8；所以在一些短波、超短波通信機，電視接收機中用的比較多。 頻率穩(wěn)定度是振蕩器的一項十分重要技術指標，它表示在一定的時間范圍內或一定的溫度、濕度、電壓、電源等變化范圍內振蕩頻率的相對變化程度，振蕩頻率的相對變化量越

10、小，則表明振蕩器的頻率穩(wěn)定度越高。改善振蕩頻率穩(wěn)定度，從根本上來說就是力求減小振蕩頻率受溫度、負載、電源等外界因素影響的程度，振蕩回路是決定振蕩頻率的主要部件。因此改善振蕩頻率穩(wěn)定度的最重要措施是提高振蕩回路在外界因素變化時保持頻率不變的能力，這就是所謂的提高振蕩回路的標準性。提高振蕩回路標準性除了采用穩(wěn)定性好和高Q的回路電容和電感外，還可以采用與正溫度系數電感作相反變化的具有負溫度系數的電容，以實現溫度補償作用。輸出信號的幅值、頻率等用實時監(jiān)測法測試，信號波形如圖2-6所示，調整C6、C3觀測震蕩信號的波形和頻率變化。圖2-6西勒振蕩器輸出信號波形17第三章 容三點式電路設計3.1 電路選擇

11、從以上的討論，分析不同振蕩電路的性能指標及電路復雜程度。采用西勒振蕩電路，因為西勒振蕩器的接入系數與克拉潑振蕩器的相同，由于改變頻率主要通過C4完成的，C4的改變并不影響接入系數p，所以波段內輸出較平穩(wěn)。而且C4改變，頻率變化較明顯，故西勒振蕩器的頻率覆蓋系數較大，可達1.61.8。3.2 原理圖設計圖3-1 改進型電容三點式振蕩電路原理圖3.2.1 電路結構總的電路結構如圖3-1所示。電路由三部分組成1 三極管放大器；（起能量控制作用）2 正反饋網絡；（由三點式回路組成）3 選頻網絡；（由三點式回路的諧振特性完成選頻功能）。3.2.2 靜態(tài)工作點的設置合理地選擇振蕩器的靜態(tài)工作點，對振蕩器的

12、起振，工作的穩(wěn)定性，波形質量的好壞有著密切的關系。般小功率振蕩器的靜態(tài)工作點應選在遠離飽和區(qū)而靠近截止區(qū)的地方。根據上述原則，一般小功率振蕩器集電極電流ICQ大約在0.8-4mA之間選取，故本實驗電路中：選ICQ=2mA VCEQ=6V =100則有為提高電路的穩(wěn)定性Re值適當增大，取Re=1K則Rc2K 因：UEQ=ICQRE 則： UEQ =2mA1K=2V 因： IBQ=ICQ/ 則： IBQ =2mA/100=0.02mA 一般取流過Rb2的電流為5-10IBQ , 若取10IBQ 因： 則： 取標稱電阻12K。因： 3.2.3 選管由于高頻振蕩器的振蕩頻率較高，在選管時應注意選超高頻

13、小功率三極管。特征頻率fT也要比音頻振蕩管的要求高。通常選fT (3-10) f0 (f0為振蕩器的中心頻率)。fT高則管子的高頻性能好，晶體管內部相移小，有利于穩(wěn)頻。在高頻工作時，振蕩器的增益仍較大，易于起振。本次課設選用9014 NPN型號的晶體管，滿足了振蕩器的頻率和功率要求。3.2.4 振蕩回路元件的確定回路中的各種電抗元件都可歸結為總電容C和總電感L兩部分。確定這些元件參量的方法，是根據經驗先選定一種，而后按振蕩器工作頻率再計算出另一種電抗元件量。從原理來講，先選定哪種元件都一樣，但從提高回路標準性的觀點出發(fā)，以保證回路電容Cp遠大于總的不穩(wěn)定電容Cd原則，先選定Cp為宜。若從頻率穩(wěn)

14、定性角度出發(fā)，回路電容應取大一些，這有利于減小并聯在回路上的晶體管的極間電容等變化的影響。但C不能過大，C過大，L就小，Q值就會降低，使振蕩幅度減小，為了解決頻穩(wěn)與幅度的矛盾，通常采用部分接入。反饋系數F=C1/C2，不能過大或過小，適宜1/81/2。因振蕩器的工作頻率為： 當LC振蕩時，f0=4MHz L10H本電路中，則回路的諧振頻率fo主要由C4、C6決定，即有 取C4 =75pf，C6=82pf，因要遵循C2，C3C4,C6，C2/C3=1/81/2的條件，故取C2=680pf，則C3=680pf。對于晶體振蕩，只需和晶體并聯一可調電容進行微調即可。為了盡可能地減小負載對振蕩電路的影響

15、，振蕩信號應盡可能從電路的低阻抗端輸出。例如發(fā)射極接地的振蕩電路，輸出宜取自基極；如為基級接地，則應從發(fā)射極輸出。3.3 印制PCB電路板使用Protel2004DXP完成原理圖的設計之后，可以生成PCB電路板，本電路板采用自動布線設計，電路板見圖3-2。圖3-2 改進型電容三點式振蕩電路PCB圖3.3.1 轉印、腐蝕、焊接電路板在Protel中選擇：文件頁面設置高級top Overlay隱藏所有元件。將生成的線路圖（圖3-3）按照1：1的比例打印在轉印紙上。圖3-3 印制線路圖使用熱轉印機將圖3-3印制在環(huán)氧樹脂銅箔板上，使用FeCl3溶液進行腐蝕。腐蝕之后按照焊點打孔，之后按照元件位置焊接

16、相應元件。第四章 結論按照PCB電路板相應的位置接入+12V電源，在C7的一端接頻率計，觀察頻率計的讀數，可發(fā)現振蕩頻率在3.84.2MHz附近浮動，在誤差允許范圍內符合本電路設計的4MHz的設計要求。振蕩電路接通電源后，有時不起振，或者在外界信號強烈觸發(fā)下才起振（硬激勵），在波段振蕩器中有時只在某一頻段振蕩，而在另一頻段不振蕩等。所有這些現象無非是沒有滿足相位平衡條件或振幅平衡條件。如果在全波段內不振蕩，首先要看相位平衡條件是否滿足。對三端振蕩電路要看是否滿足對應的相位平衡判斷標準。此外，還要在振幅平衡條件所包含的各種因素中找原因。1、靜態(tài)工作點選的太小。2、電源電壓過低，使振蕩管放大倍數太

17、小。3、負載太重，振蕩管與回路間耦合過緊，回路Q值太低。4、回路特性阻抗或介入系數pce太小，使回路諧振阻抗RO太低。5、反饋系數kf太小，不易滿足振幅平衡條件。但kf并非越大越好，應適當選取。有時在某一頻段內高頻端起振，而低頻端不起振，這多半是在用調整回路電容來改變振蕩頻率的電路中，低端由于C增大而L/C下降，致使寫真阻抗降低所起。反之，有時低端振高端不振，原因可能有：1、選用晶體管fT不夠高。2、管的電流放大倍數太小。參考文獻1 謝自美 主編，電子線路設計實驗測試 第三版，華中科技大學出版社2 楊翠娥主編，高頻電子線路實驗與課程設計，哈爾濱工程大學出版社3 何中庸譯，高頻電路設計與制作，科學出版社4 主編：謝沅清 模擬電子線路 出版社：成都電子科大5 主編：Reinhold Ladwig，Radio Frequency Circuit Desigh Theory and Aplication，出版或修訂時間：2001年致謝通信電子線路的課程設計比較難，所花的時間和精力較多，而且對于通信電子線路電路來說，經驗起很大的幫助作用，因此設計制作的過程中，多問老師是大有裨益的，尤其是問經驗豐富的實驗老師，一般我