高頻正弦波振蕩器的設計

1、高頻電子線路課程設計報告專業(yè) 通信工程班級 學號 姓名 完成日期 指導教師 評語：成績：批閱教師簽名： 批閱時間：課程設計一 高頻正弦波振蕩器1. 高頻正弦波振蕩器的設計內容及要求(1)設計任務 在本次課程設計中采用了Multisim仿真軟件對高頻正弦波振蕩器進行設計及繪制，模擬仿真。從理論上對電路進行了分析。選擇合適的預案器件，設計出滿足要求的高頻正弦波振蕩器。(2)設計要求 a.設計一個高頻正弦波振蕩器，要求振蕩頻率為5MHz,相對準確對2。b.用Multisim畫出電路圖且進行仿真，并用示波器和頻率計得到仿真結果。圖中三極管為9018（Multisim 庫中可用2N3390替換）0.01

2、F 電容為10nF。示波器和頻率計加在RL兩端。2. 設計原理振蕩器主要分為RC，LC振蕩器和晶體振蕩器。其中電容器和電感器組成的LC回路，通過電場能和磁場能的相互轉換產生自由振蕩。要維持振蕩還要具有正反饋的放大電路，LC振蕩器又分為變壓器耦合式和三點式振蕩器。振蕩器的作用主要是將直流電變交流電。它有很多用途，在無線電廣播和通信設備中產生電磁波；在微機中產生時鐘信號；在穩(wěn)壓電路中產生高頻交流電。要求產生高頻正弦波，所以選用電容三點式電路，進一步考慮從而選用并聯改進型電容三點式振蕩器（西勒電路），因為它具有輸出波形不易失真，作為可變f0振蕩器使用非常方便，而且幅度平穩(wěn)，頻率穩(wěn)定性高，最高振蕩頻率

3、可達百兆至千兆等特點。電路設計原理框圖如圖2-1所示：選頻網絡放大網絡濾波網絡 正反饋網絡圖2-1 正弦波振蕩器原理框圖3. 系統(tǒng)設計LC振蕩部分是由晶體管組成的電容三點式振蕩器，所用改進型電路即西勒電路，c1對交流短路，因此是基極接地（共集）電路。對于振蕩電路選擇共集組態(tài)主要考慮電容5c的改變來調節(jié)頻率，因為變容二極管加反向偏置電壓和調制電壓，需要有公共接地點，通常選用共基電路在電路連接上比較方便，晶體管的靜態(tài)工作點由Rb1、Rb2、Rc、Re決定。整體電路如圖3-1所示；圖3-1 整體電路原理圖4.各個模塊設計(1)濾波網絡模塊濾除電源中的交流成分使外加電源中只含有直流成分，因為振蕩器所要

4、求的加在電路上的電能是直流電能，而實際電源很難達到純粹的直流，所以需要加這樣一個電路將其中可能的交流成分濾除。(2)放大網絡模塊放大網絡就是通過加在基極的直流電壓來控制集電極的電壓輸出。放大網絡對于靠近諧振頻率的信號，有較大的增益，對于遠離諧振頻率的信號，增益迅速下降。 (3)選頻網絡模塊選頻網絡由電感及電容組成的選頻網絡分為兩類，一類是串聯諧振回路，另一類是并聯諧振回路，回路諧振時，電感線圈中的磁能與電容中的磁能周期性的轉換著。電抗元件不消耗外交電動勢能量。外加電動勢只提供回路電阻所消耗的能量，以維持回路中的等幅振蕩。所以在串聯諧振時，回路中電流達到最大值，并聯諧振中，負載電壓達到最大值。圖

5、4-3 選頻網絡模塊(4)正反饋網絡模塊反饋，是指將系統(tǒng)的輸出返回到輸入端并以某種方式改變輸入，進而影響系統(tǒng)功能的過程，即將輸出量通過恰當的檢測裝置返回到輸入端并與輸入量進行比較的過程。正反饋使輸出起到與輸入相似的作用，使系統(tǒng)偏差不斷增大，使系統(tǒng)振蕩，可以放大控制作用。5.系統(tǒng)調試與性能分析(1)仿真電路 本次設計仿真電路如圖5-1所示：圖5-1 高頻正弦波振蕩器仿真圖(2) 仿真運行結果圖5-2 示波器和頻率計的顯示結果(3) 調試結果如仿真結果所示，調整好靜態(tài)工作點后，觀測動態(tài)波形并測量電路的性能參數，振蕩器能夠起振，最終達到振蕩頻率為5MHz。6.設計過程中遇到的問題及解決方法在仿真的過

6、程中，經常遇到不能產生波形，或者波形出現失真，說明電路不起振。這需要我們去分析，對電路元件參數不斷進行調整，并最終得到結果。在波形出現飽和失真時，要減小cR的值，消除飽和失真。7. 設計體會在這個設計當中，我學會了振蕩電路的一些基本內容和基本理論知識。首先分析了振蕩器的工作原理，并畫出了原理圖以及仿真電路圖。然后是對電路參數的設計，使其能夠達到震蕩頻率的要求。在設計電路元件參數的時候，首先要計算是否符合振蕩電路的起振條件和平衡條件。這分別包含振幅條件和相位條件。由于受實際條件所限，我利用了仿真軟件Multisim來對自己的設計電路圖進行仿真。在仿真的過程中，我對正弦波震蕩電路有了更進一步的了解

7、。通過這次課程設計，讓我更深刻的理解了課本知識，將書本上的知識轉化為實踐應用，更好的掌握了各種電路的測試與計算，熟悉了電子仿真的工作原理和其具體的使用方法并明白了正弦波振蕩器各個類型電路的震蕩波形。也逐漸對振蕩器的振蕩頻率、震蕩幅度等相關技術指標有了一定的了解。 課程設計二 混頻器仿真1.混頻器的設計內容及要求(1)設計任務在本次課程設計中采用了Multisim仿真軟件對晶體管混頻器進行設計及繪制，并模擬仿真。從理論上對電路進行了分析。選擇合適的預案器件，設計出滿足要求的晶體管混頻器。(2)設計要求設計一個AM調幅收音機的晶體管混頻電路，它由晶體管、輸入信號源V1、本振信號源V2、輸出回路和饋

8、電電路等組成，中頻輸出455KHz的AM波。2. 設計原理一個實際應用中調幅收音機的混頻電路的主要功能是使信號自某一頻率變換成另外一個頻率，實際上是一種頻譜線性搬移電路。它能將高頻載波信號或已調波信號進行頻率變換，將其變換為頻率固定的中頻信號。而變換后的信號，它的頻譜內部結構和調制類型保持不變，改變的僅僅是信號的載波頻率?；祛l電路的類型較多，常用的模擬相乘混頻器、二極管平衡混頻器、環(huán)形混頻器、三極管混頻器等。其中三極管混頻器最為常用，其工作原理圖如下：中頻諧振回路混頻器 高頻信號 中頻輸出 f外 f中 本機振蕩器 f本圖2-1 系統(tǒng)原理圖 從圖中可以看出混頻電路主要有三大部分組成：本地振蕩器、

9、晶體管變頻器電路和中頻濾波網絡，各部分獨立工作。本地振蕩器產生穩(wěn)定的振蕩信號(設其頻率為),輸入的高頻調幅波信號（設其頻率為），由于晶體管的非線性特性，兩個信號混合后會產生、 頻率的信號，然后通過中頻濾波網絡，取出 頻率的信號，調節(jié)好 、 的大小使其差為中頻頻率，即所需要的中頻信號455KHz。3. 系統(tǒng)設計混頻器的作用是在保持已調信號的調制規(guī)律不變的前提下，使信號的載波頻率升高（上變頻）或下降（下變頻）到另一個頻率。故本實驗電路為AM調幅收音機的晶體管混頻電路，它由晶體管、輸入信號源V1、本振信號源V2、輸出回路和饋電電路等組成，中頻輸出455KHz的AM波。電路中輸入信號與時變跨導的乘積中

10、包含有本振與輸入載波的差頻項，用帶通濾波器取出該項，即獲得混頻輸出。在混頻器中，變頻跨導的大小與晶體管的靜態(tài)工作點、本振信號的幅度有關，通常為了使混頻器的變頻跨導最大（進而使變頻增益最大），總是將晶體管的工作點確定在：UL=50200mV，IEQ=0.31mA，而且，此時對應混頻器噪聲系數最小。整體電路如圖3-1所示：圖3-1 整體電路原理圖4. 各個模塊設計（1）本地振蕩電路 本地振蕩電路是本設計電路的重要部分，同時也是超外差式接收機的主要部分。其作用是將直流信號變?yōu)楦哳l正弦信號，將產生的正弦高頻信號與輸入的高頻調幅信號通過混頻電路得到、的信號，其中為本地振蕩器產生的正弦信號頻率，為輸入的高

11、頻調幅波信號頻率，通過中頻濾波器得到中頻信號。即本地振蕩器主要是產生一個正弦高頻信號，若振蕩器不能夠穩(wěn)定的工作，就會使產生的中頻信號不穩(wěn)定，為此我們必須保證振蕩器的穩(wěn)定性，故這里采用高穩(wěn)定度的西勒振蕩器。 a.振蕩器起振條件 正弦波振蕩器按工作原理可分為反饋式振蕩器與負阻式振蕩器兩大類。反饋式振蕩器是在放大器電路中加入正反饋，當正反饋足夠大時，放大器產生振蕩，變成振蕩器。所謂振蕩器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。負阻式振蕩器則是將一個呈現負阻性的有源器件直接與諧振電路相接，產生振蕩。本設計中用的是反饋式振蕩器，圖5即為LC三點式反饋式振蕩器的原

12、理圖。通過我們對高頻電路的學習知道，三點式振蕩電路的組成法則是：交流通路中三極管的三個電極與諧振回路的三個引出端點相連接，其中與發(fā)射極相接的為兩個同性質電抗，而另一個（接在集電極與基極間）為異性質電抗。圖a 三點式振蕩器的原理電路 b.電路及電路參數的選擇 如圖b所示，此次設計的本振電路采用的是西勒振蕩器， 振蕩頻率為：圖4-1 本地振蕩電路（2）混頻電路 三極管混頻器的特點是電路簡單，有較高的變頻增益，要求本振電壓幅度較小，當信號電壓較大時會產生非線性失真。 a.混頻原理電路 圖a是三極管混頻器的原理電路。圖中，L1C1為輸入信號回路，調諧在上。L2C2為輸出中頻回路，調諧在上。本振電壓 接

13、在基極回路中，為基極靜態(tài)偏置電壓，由圖可見，加在發(fā)射結上的電壓 。若將（）作為三極管的等效基極偏置電壓，用 表示,稱之為時變基極偏壓，則當輸入信號電壓很小，滿足線性時變條件時，三極管集電極電流 圖a 三極管混頻器的原理電路在時變偏壓作用下，的傅里葉級數展開式為 中的基波分量與輸入信號電壓相乘令，得到的中頻電流分量為 其中 稱為混頻跨導，定義為輸出中頻電流幅值對輸入信號電壓幅值之比，其值等于中基波分量的一半。若設中頻回路的諧振電阻為Re，則所需的中頻輸出電壓 ， 相應的混頻增益為綜上所述，在滿足線性時變條件下，三極管混頻電路的混頻增益與成正比。而又與和靜態(tài)偏置有關。 b.設計電路及電路參數選擇如

14、圖4-2為晶體混頻器的設計電路。電路的輸入信號（用10MHZ的信號源代替）與本振電壓分別從基極輸入和發(fā)射極注入。圖4-2 晶體三極管混頻電路圖4-2.1 選頻電路 在高頻放大器或振蕩器中，由于某種原因，會產生不需要的振蕩信號，這種振蕩稱為計生振蕩。為了電源去耦，消除由公共電源引起的多級寄生振蕩，在設計電路時，在信號源連接處加一電容是為了濾波用。而選頻電路的取值： 從而通過對結合仿真效果，可取L=10uH，C=12nF。5.系統(tǒng)調試與性能分析(1)仿真電路 本次設計仿真電路如圖5-1所示：圖5-1 混頻器仿真圖(2) 仿真運行結果圖5-2 示波器和頻率計的顯示結果（3）調試結果如仿真結果所示，調

15、整好各參數后，觀測動態(tài)波形并測量電路的性能參數，輸出結果455KHz。6.設計過程中遇到的問題及解決方法在仿真的過程中，由于參數是經過仔細算的，因此沒有錯誤，但是波形不易出現，只能不斷調整示波器的幅值和頻率，并最終得到結果。而且應該注意混頻器的非線性干擾問題，并及時解決。7.設計體會 在這個設計當中，我按照課本上的知識和老師的指導來完成，自己先復習混頻電路的原理，然后選擇電路，定參數，最后連線調試出預期的混頻濾波效果。 剛開始我對混頻的認識只限于基本原理和理論-在通信接受機中，混頻電路的作用在于將不同載頻的高頻已調波信號變換為同一個固定載頻（中頻）的高頻已調波信號。調幅信號頻譜寬度不變，包絡形

16、狀不變。在搭設電路的過程中，我對混頻電路有了進一步的認識，將理論知識加入實際設計當中去，更加加深了我對理論知識的理解和認識。在設計過程中曾遇到高頻干擾，輸出波形失真，在再次的思考下，取得了正確的波形。課程設計三 幅度調制電路1.幅度調制電路的設計內容及要求(1)設計任務 在本次課程設計中采用了Multisim仿真軟件對幅度調制電路進行設計及繪制，模擬仿真。從理論上對電路進行了分析。選擇合適的預案器件，設計出滿足要求的幅度調制電路。(2)設計要求 a.設計一個AM調幅電路要求輸入低頻調制信號為20kHz,幅度小于500mV,高頻載波信號為1MHz幅度小于300mV。 b.用仿真軟件Multisi

17、m畫出電路圖，并通過仿真在虛擬示波器上得到普通調幅波AM。 2.設計原理 a.幅度調制也稱普通調幅波，已調波幅度將隨調制信號的規(guī)律變化而線性變化，但載波頻率不變。設載波是頻率為c的余弦波：uc(t)=Ucmcosct, 調制信號為頻率為的單頻余弦信號，即U(t)=Umcost(c),則普通調幅波信號為: uAM(t)= (Ucm+kUmcost)cosct = Ucm(1+Macost)cosct（1）式中：MakUm/Ucm稱為調幅系數或調幅度AM調制信號波形如圖2-1.1所示：圖2-1.1 AM調制的波形圖 顯然AM波正負半周對稱時： MaUcmUmaxUcmUcmUmin， Ma=( U

18、maxUcm )Ucm =( UcmUmin )Ucm。 Ma0時，未調幅狀態(tài)Ma1時，滿調幅狀態(tài)（100），正常Ma值處于01之間。 Ma1時，普通調幅波的包絡變化與調制信號不再相同，會產生失真，稱為過調幅現象。所以，普通調幅要求Ma必須不大于1。圖2-1.2所示為產生失真時的波形。圖2-1.2 過調時的波形 b.常規(guī)雙邊帶調制（AM）是指用調制信號去控制載波的振幅，使載波的幅度按調制信號的變化規(guī)律而變化。其時域表達式為： 根據時域表達式可以畫出其調制電路的設計框圖， 圖2-2.1 整體的原理圖 圖中的相乘器一般都是采用集成模擬乘法器來實現，集成模擬乘法器的常見產品有BG314、F1595、

19、F1596、MC1595、MC1496、MC1495、LM1595、LM1596等。 其中MC1496比較常見，性能穩(wěn)定。 3. 系統(tǒng)設計4.各個模塊設計(1)MC1496模擬乘法器 a.因為Multisim元件庫中沒有模擬乘法器MC1496,所以首先畫出MC1496模擬乘法器的內部電路圖然后進行封裝。首先在菜單中選擇，在下拉菜單中選擇。 b.將子電路名稱改為MC1496,并畫出MC1496電路如下圖。圖 MC1496電路連接圖 c.完成封裝和管腳位置 d.利用封裝完成的MC1496畫出調幅電路圖并得到仿真圖形(2)放大網絡模塊(3)選頻網絡模塊(4)正反饋網絡模塊5.系統(tǒng)調試與性能分析(1)

20、仿真電路 本次設計仿真電路如圖5-1所示：圖5-1 幅度調制電路仿真圖（2) 仿真運行結果圖5-2 示波器的顯示結果（3）調試結果如仿真結果所示，設計電路，計算出合適的參數，各工作電壓在正常值范圍，顯示出調制的波形，電路設計達到基本要求。6.設計過程中遇到的問題及解決方法在仿真的過程中，由于Multisim元件庫中沒有模擬乘法器MC1496,所以首先畫出MC1496模擬乘法器的內部電路圖然后進行封裝。封裝后發(fā)現管腳的位置和設計電路中的管腳位置不一致，為了使電路更簡化美觀，把管腳位置進行改變。改變過程中，對于管腳的移動費了很大的功夫。緊接著連接電路，然后進行調試。在調試的過程中，波形往往不對，在

21、老師和同學的幫助下，發(fā)現是乘法器的內部電路有一點是連接錯誤的，改正過后，出現了正確的波形。7.設計體會 在這個設計當中，課程設計四 調頻發(fā)射1. 任務和設計要求(1) 設計任務 次課程設計中采用了Multisim仿真軟件對調頻發(fā)射進行設計及繪制，并模擬仿真。從理論上對電路進行了分析。選擇合適的預案器件，設計出滿足要求的能夠實現語音信號的無線發(fā)射，并用頻率計顯示頻率。(2)設計要求 a.載波頻率88-108MHz之間，用收音機FM段接收； b.其中Mic用一個300mV，頻率為1kHz的信號源代替，CK為耳機插孔可以不要，開關都可以用導線代替，9018用二極管 2N3390 代替； c.根據自己

22、設定的頻率和所給電容值算出電感L的值得大小。2.設計原理這種調頻話筒的調頻原理是通過改變三極管的基極和發(fā)射極之間電容來實現調頻的，當聲音電壓信號加到三極管的基極上時，三極管的基極和發(fā)射極之間電容會隨著聲音電壓信號大小發(fā)生同步的變化，同時使三極管的發(fā)射頻率發(fā)生變化，實現頻率調制。無線話筒相當于一個無線調頻發(fā)射機。它主要包括限幅電路，振蕩器，選頻網絡，電源，還有天線發(fā)射幾部分，則其系統(tǒng)結構框圖如圖2-1所示：圖2-1 系統(tǒng)結構框圖3.系統(tǒng)設計 話筒先將聲音信號變成音頻電信號，這個電信號會去調制電子振蕩器產生的高頻信號，最后，高頻信號通過天線發(fā)射到空中。我們將發(fā)射頻率設計在FM收音機波段，可以配合任

23、何FM收音機接收到該高頻信號，并從該高頻信號還原出聲音信號，從而完成接收聲音信號的功能。整體電路如圖3-1所示； 圖3-1 整體電路原理圖 其中CK是外部信號輸出插座，可以將電視機耳機插座或者隨身聽耳機插座等外部聲音信號源通過專用的連接線引入調頻發(fā)射機，外部聲音信號通過R1衰減和D1、D2限幅后送到三極管基極進行頻率調制。一個調頻信號發(fā)射機，載波振蕩（即俗稱本振）模塊更是必不可少的，根據電磁場理論可以知道，通過天線發(fā)射的信號需要與天線匹配，即天線的長度要大于信號波長的四分之一。而音頻信號的頻帶是20Hz至20kHz，對應的波長范圍是15至15000km，制造出巨大的天線是不合適的，所以我們需要

24、一個高頻載波來將我們的音頻信息“裝載”上去，再進行發(fā)送。4. 各個模塊設計(1)阻抗匹配模塊話筒MIC可以采集外界的聲音信號，這里我們用的是駐極體小話筒，靈敏度非常高，可以采集微弱的聲音，同時這種話筒工作時必須要有直流偏壓才能工作，電阻R3可以提供一定的直流偏壓，R3的阻值越大，話筒采集聲音的靈敏度越弱，電阻越小話筒的靈敏度越高，話筒采集到的交流聲音信號通過C2耦合和R2匹配后送到三極管的基極，即R2和C2完成阻抗匹配。其模塊圖如圖4-1所示 圖4-1 阻抗匹配模塊圖(2)限幅電路模塊 電路中D1和D2兩個二極管反向并聯，主要起一個雙向限幅的功能，二極管的導通電壓只有0.7V，如果信號電壓超過

25、0.7V就會被二極管導通分流，這樣可以確保聲音信號的幅度可以限制在正負0.7V之間，過強的聲音信號會使三極管過調制，產生聲音失真甚至無法正常工作。其模塊圖如圖4-2所示： 圖4-2 限幅電路模塊圖(3)振蕩器模塊高頻三極管V1和電容L、C5、C6組成一個電容三點式的高頻振蕩器。在這里音頻放大采取的是基本的三極管的放大。R4是V1的基極偏置電阻，給三極管提供一定的基極電流，使三極管V1工作在放大區(qū)，達到最好的放大效果；R5是直流反饋電阻，起到穩(wěn)定三極管工作點的作用。這個模塊是對所收集到的音頻信號進行無失真地放大，為下面的調制做準備。因為在自然環(huán)境中，由于諸多因素，所收集到的聲音（即音頻信號）都經

26、過了很多的干擾，因此其所攜帶的能量都是很微弱的，為了使其能夠正常的進入調制模塊來與本振進行調制，需要將其音頻信號來進行適當的放大來達到相關匹配。另一方面，這個無線話筒也是一個調頻發(fā)射機，發(fā)出的信號又要經過大自然的無數干擾才會得到接收，若原始信號的能量就不夠強烈，那么接收端的信號就無從談起了。所以只有對其原始的音頻信號進行充分放大，達到相應要求之后，再發(fā)射出去，接收端才能夠正常進行解調恢復原始的音頻信號。其模塊圖如圖4-3所示： 圖4-3振蕩器模塊圖(4)選頻網絡模塊三極管集電極的負載C4、L組成一個選頻網絡，選擇的頻率就是調頻話筒的發(fā)射頻率，根據圖中元件的參數發(fā)射頻率可以在88108MHz之間，正好覆蓋調頻收音機的接收頻率，通過調整L的數值（拉伸或者壓縮線圈L）可以方便地改變發(fā)射頻率，避開調頻電臺。發(fā)射信號通過C7耦合到天線上再發(fā)射出去。其模塊圖如圖4-4所示： 圖4-4 選頻網絡模塊圖(5)電源模塊提供3V的電源，電路中發(fā)光二極管D3用來指示工作狀態(tài)，當調頻話筒得電工作時就會點亮；R6是發(fā)光二極管的限流電阻；C8、C9是電源濾波電容，因為大電感一般采用卷繞工藝制作的，所以等效電感比較大，并聯一個小電容C8可以使電源的高頻內