電子信息工程課程設(shè)計(jì)樣例

1、改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路設(shè)計(jì)院 系:通信與電子工程學(xué)院班 級(jí): 電子091姓 名:學(xué) 號(hào)：指導(dǎo)教師: 完成日期：2012年 6月 27 日摘要高頻信號(hào)發(fā)生器主要用來向各種電子設(shè)備和電路提供高頻能量或高頻標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，以便測(cè)試各種電子設(shè)備和電路的電氣特性。高頻信號(hào)發(fā)生器主要是產(chǎn)生高頻正弦振蕩波，故電路主要是由高頻振蕩電路構(gòu)成。振蕩器的功能是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)源，廣泛應(yīng)用于各類電子設(shè)備中。為此,振蕩器是電子技術(shù)領(lǐng)域中最基本的電子線路,也是從事電子技術(shù)工作人員必須要熟練掌握的基本電路。本次課設(shè)設(shè)計(jì)了改進(jìn)型電容三點(diǎn)式高頻振蕩器，介紹了設(shè)計(jì)步驟，比較了各種設(shè)計(jì)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)了不同振蕩器的性能特征。使用Pro

2、tel2004DXP制作PCB板。使用實(shí)驗(yàn)要求的電源和頻率計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。關(guān)鍵詞：電容三點(diǎn)式、西勒電路、Protel、印制電路板第一章 實(shí)驗(yàn)原理1.1 振蕩的原理三點(diǎn)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(gè)電抗元件應(yīng)為同性質(zhì)的電抗，而與晶體管集電極基極相連的電抗元件應(yīng)與前者性質(zhì)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(dāng)電路參數(shù)選取合適，滿足振幅起振條件時(shí)，電路起振。當(dāng)忽略負(fù)載電阻、晶體管參數(shù)及分布電容等因素影響時(shí)，振蕩頻率可近似認(rèn)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(lián)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(hào)等效電路如圖1-2所示。 圖1-2 分析起振條件的小信號(hào)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L(zhǎng)C振蕩回路的等效諧振電阻； 電路的反饋系數(shù) （4）由式（3）看出，由于晶體管輸入電阻對(duì)回路的負(fù)載作用，反饋系數(shù)并不是越大越容易起振，反饋系數(shù)太大會(huì)使增益A降低，且會(huì)降低回路的有載值，使回路的選擇性變差，振蕩波形產(chǎn)生失真，頻率穩(wěn)定性降低；所以，在晶體管參數(shù)一定的情況下，可以調(diào)節(jié)負(fù)載和反饋系數(shù)，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(lián)，而晶體管的極間電容（主要是結(jié)

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(shí)際中更多的采用能夠減小晶體管與回路之間耦合的改進(jìn)型電容反饋振蕩器。1.2 電容三點(diǎn)式振蕩器電容三點(diǎn)式振蕩器的基本電路如圖1-3所示圖2-1電容三點(diǎn)式振蕩器由圖可見：與發(fā)射極連接的兩個(gè)電抗元件為同性質(zhì)的容抗元件C1和C2；與基極和集電極連接的為異性質(zhì)的電抗元件L，根據(jù)前面所述的判別準(zhǔn)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(chǎn)生脈動(dòng)信號(hào)，因任一脈沖信號(hào)包含有許多不同頻率的諧波，因振蕩器電路中有一個(gè)LC諧振回路，具有選頻作用，當(dāng)LC諧振

5、回路的固有頻率與某一諧波頻率相等時(shí)，電路產(chǎn)生諧振。雖然脈動(dòng)的信號(hào)很微小，通過電路放大及正反饋使振蕩幅度不斷增大。當(dāng)增大到一定程度時(shí)，導(dǎo)致晶體管進(jìn)入非線性區(qū)域，產(chǎn)生自給偏壓，使放大器的放大倍數(shù)減小，最后達(dá)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(shí)才能滿足振蕩條件，于是得到單一頻率的振蕩信號(hào)輸出。該振蕩器的振蕩頻率為：反饋系數(shù)F為： 若要它產(chǎn)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(gè)實(shí)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(jìn)入飽和區(qū)，輸出阻抗降低使振蕩波形失真

6、，嚴(yán)重時(shí)，甚至使振蕩器停振。所以在實(shí)用中，靜態(tài)電流值一般ICO=0.5mA-4mA。電容三點(diǎn)式振蕩器的優(yōu)點(diǎn)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(dá)到幾十MHz到幾百M(fèi)Hz的甚高頻波段范圍。 電路的缺點(diǎn)：振蕩回路工作頻率的改變，若用調(diào)C1或C2實(shí)現(xiàn)時(shí)，反饋系數(shù)也將改變。使振蕩器的頻率穩(wěn)定度不高。第二章 改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路設(shè)計(jì)電容三點(diǎn)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(diǎn)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(jì)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(cè)試其波

7、形頻率為f6.5MHz調(diào)解C1C2改變頻率時(shí)，反饋系數(shù)也改變。由于極間電容對(duì)反饋振蕩器的回路電抗均有影響，所以對(duì)振蕩器頻率也會(huì)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(diǎn)式振蕩器的頻率穩(wěn)定度不高。為克服共基電容三點(diǎn)式振蕩器的缺點(diǎn)，可對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，即克拉潑電路和西勒電路。圖2-2考畢茲振蕩器輸出信號(hào)波形2.2 串聯(lián)型改進(jìn)電容三端式振蕩器(克拉潑電路)電容三點(diǎn)式改進(jìn)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(diǎn)是在共基電容三點(diǎn)式振蕩器的基礎(chǔ)上，用一電容C3，串聯(lián)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(biāo)準(zhǔn)性。使振

8、蕩頻率的穩(wěn)定度得以提高。 因?yàn)镃3為可調(diào)電容遠(yuǎn)小于C1或C2，所以電容串聯(lián)后的等效電容約為C3。電路的振蕩頻率為：與共基電容三點(diǎn)式振蕩器電路相比，在電感L支路上串聯(lián)一個(gè)電容。但它有以下特點(diǎn)：1、振蕩頻率改變可不影響反饋系數(shù)；2、振蕩幅度比較穩(wěn)定。3、電路中C3為可變電容，調(diào)整它即可在一定范圍內(nèi)調(diào)整期振蕩頻率。但C3不能太小，否則導(dǎo)致停振，所以克拉潑振蕩器頻率覆蓋率較小，僅達(dá)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(hào)波形改進(jìn)后的電路波形比原電容三點(diǎn)式振蕩器穩(wěn)定度高了很多，這是因?yàn)榫w管一部分接入的形式與回路連接，接入

9、系數(shù)p越小，耦合越弱。減弱了晶體管對(duì)回路的影響。2.3 西勒振蕩器電容三點(diǎn)式的改進(jìn)型“西勒振蕩器”如圖2-5所示圖2-5西勒振蕩器電路特點(diǎn)是在克拉潑振蕩器的基礎(chǔ)上，用一電容C4，并聯(lián)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(diào)整范圍大。電路的振蕩頻率為： 特點(diǎn)：1.振蕩幅度比較穩(wěn)定； 2.振蕩頻率可以比較高，如可達(dá)千兆赫；頻率覆蓋率比較大，可達(dá)1.6-1.8；所以在一些短波、超短波通信機(jī)，電視接收機(jī)中用的比較多。 頻率穩(wěn)定度是振蕩器的一項(xiàng)十分重要技術(shù)指標(biāo)，它表示在一定的時(shí)間范圍內(nèi)或一定的溫度、濕度、電壓、電源等變化范圍內(nèi)振蕩頻率的相對(duì)變化程度，振蕩頻率的相對(duì)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(fù)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(shí)保持頻率不變的能力，這就是所謂的提高振蕩回路的標(biāo)準(zhǔn)性。提高振蕩回路標(biāo)準(zhǔn)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(shù)電感作相反變化的具有負(fù)溫度系數(shù)的電容，以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償作用。輸出信號(hào)的幅值、頻率等用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)法測(cè)試，信號(hào)波形如圖2-6所示，調(diào)整C6、C3觀測(cè)震蕩信號(hào)的波形和頻率變化。圖2-6西勒振蕩器輸出信號(hào)波形17第三章 容三點(diǎn)式電路設(shè)計(jì)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(biāo)及電路復(fù)雜程度。采用西勒振蕩電路，因?yàn)槲骼照袷幤鞯慕尤胂禂?shù)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(shù)p，所以波段內(nèi)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(shù)較大，可達(dá)1.61.8。3.2 原理圖設(shè)計(jì)圖3-1 改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路原理圖3.2.1 電路結(jié)構(gòu)總的電路結(jié)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)；（由三點(diǎn)式回路組成）3 選頻網(wǎng)絡(luò)；（由三點(diǎn)式回路的諧振特性完成選頻功能）。3.2.2 靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置合理地選擇振蕩器的靜態(tài)工作點(diǎn)，對(duì)振蕩器的

12、起振，工作的穩(wěn)定性，波形質(zhì)量的好壞有著密切的關(guān)系。般小功率振蕩器的靜態(tài)工作點(diǎn)應(yīng)選在遠(yuǎn)離飽和區(qū)而靠近截止區(qū)的地方。根據(jù)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(shí)驗(yàn)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(dāng)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(biāo)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(shí)應(yīng)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(nèi)部相移小，有利于穩(wěn)頻。在高頻工作時(shí)，振蕩器的增益仍較大，易于起振。本次課設(shè)選用9014 NPN型號(hào)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(jié)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(jù)經(jīng)驗(yàn)先選定一種，而后按振蕩器工作頻率再計(jì)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(biāo)準(zhǔn)性的觀點(diǎn)出發(fā)，以保證回路電容Cp遠(yuǎn)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(yīng)取大一些，這有利于減小并聯(lián)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(huì)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(shù)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(dāng)LC振蕩時(shí)，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(duì)于晶體振蕩，只需和晶體并聯(lián)一可調(diào)電容進(jìn)行微調(diào)即可。為了盡可能地減小負(fù)載對(duì)振蕩電路的影響

15、，振蕩信號(hào)應(yīng)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(jí)接地，則應(yīng)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(shè)計(jì)之后，可以生成PCB電路板，本電路板采用自動(dòng)布線設(shè)計(jì)，電路板見圖3-2。圖3-2 改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路PCB圖3.3.1 轉(zhuǎn)印、腐蝕、焊接電路板在Protel中選擇：文件頁面設(shè)置高級(jí)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(zhuǎn)印紙上。圖3-3 印制線路圖使用熱轉(zhuǎn)印機(jī)將圖3-3印制在環(huán)氧樹脂銅箔板上，使用FeCl3溶液進(jìn)行腐蝕。腐蝕之后按照焊點(diǎn)打孔，之后按照元件位置焊接

16、相應(yīng)元件。第四章 結(jié)論按照PCB電路板相應(yīng)的位置接入+12V電源，在C7的一端接頻率計(jì)，觀察頻率計(jì)的讀數(shù)，可發(fā)現(xiàn)振蕩頻率在3.84.2MHz附近浮動(dòng)，在誤差允許范圍內(nèi)符合本電路設(shè)計(jì)的4MHz的設(shè)計(jì)要求。振蕩電路接通電源后，有時(shí)不起振，或者在外界信號(hào)強(qiáng)烈觸發(fā)下才起振（硬激勵(lì)），在波段振蕩器中有時(shí)只在某一頻段振蕩，而在另一頻段不振蕩等。所有這些現(xiàn)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(nèi)不振蕩，首先要看相位平衡條件是否滿足。對(duì)三端振蕩電路要看是否滿足對(duì)應(yīng)的相位平衡判斷標(biāo)準(zhǔn)。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(diǎn)選的太小。2、電源電壓過低，使振蕩管放大倍數(shù)太

17、小。3、負(fù)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(shù)pce太小，使回路諧振阻抗RO太低。5、反饋系數(shù)kf太小，不易滿足振幅平衡條件。但kf并非越大越好，應(yīng)適當(dāng)選取。有時(shí)在某一頻段內(nèi)高頻端起振，而低頻端不起振，這多半是在用調(diào)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(shí)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(shù)太小。參考文獻(xiàn)1 謝自美 主編，電子線路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試 第三版，華中科技大學(xué)出版社2 楊翠娥主編，高頻電子線路實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)，哈爾濱工程大學(xué)出版社3 何中庸譯，高頻電路設(shè)計(jì)與制作，科學(xué)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(shí)間：2001年致謝通信電子線路的課程設(shè)計(jì)比較難，所花的時(shí)間和精力較多，而且對(duì)于通信電子線路電路來說，經(jīng)驗(yàn)起很大的幫助作用，因此設(shè)計(jì)制作的過程中，多問老師是大有裨益的，尤其是問經(jīng)驗(yàn)豐富的實(shí)驗(yàn)老師，一般我