改進型電容三點式振蕩電路設(shè)計.

1、改進型電容三點式振蕩電路設(shè)計院系 : 通信與電子工程學(xué)院班級 : 電子 083姓名: 吳敏學(xué)號： 2008231243指導(dǎo)教師 : 秦陽完成日期： 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(shè)備和電路提供高頻能量或高頻標(biāo)準(zhǔn)信號， 以便測試各種電子設(shè)備和電路的電氣特性。高頻信號發(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)計了改進型電容三點式高頻振蕩器， 介紹了設(shè)計步驟， 比較了各種設(shè)

2、計方法的優(yōu)缺點，總結(jié)了不同振蕩器的性能特征。使用Protel2004DXP制作PCB板。使用實驗要求的電源和頻率計進行驗證，實現(xiàn)了設(shè)計目標(biāo)。關(guān)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(yīng)為同性質(zhì)的電抗，而與晶體管集電極一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，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，振蕩頻率fosc可近似認(rèn)為等于諧振回路的固有振

3、蕩頻率 fo，即(1)式中C近似等于G與G的串聯(lián)值C1C2(2)C1C2圖1-1電容反饋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：kg)ng e)式中g(shù)L =1Rl / ReO1ge1 'g L nge nReo為LC振蕩回路的等效諧振電阻;電路的反饋系數(shù)C1 C2(4)由式（3）看出，由于晶體管輸入電阻re對回路的負(fù)載作用，反饋系數(shù)kf并不是越大越容 易起振，反饋系數(shù)太大會使增益 A降低，且會降低回路的有載 Q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

4、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。kf的取值一般在0.1 0.5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、G、C2并聯(lián)，而晶體管的極間電容（主要是結(jié)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(zhì)的容抗元件Ci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

5、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(dāng)LC諧振回路的固有頻率與某一諧波頻率相等時，電路產(chǎn)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(dāng)增大到一定程度時，導(dǎo)致晶體管進 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 f 0為:反饋系數(shù)F為:C1 C2 LC1C2若要它產(chǎn)生正弦

6、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，嚴(yán)重 時，甚至使振蕩器停振。所以在實用中，靜態(tài)電流值一般I co=O.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(dá)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(diào) C或G實現(xiàn)時，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 改進型電容三點式振蕩電路設(shè)計電谷三點式課分

7、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Q11nFHf-2N2222A1nF2:0圖2-1考畢茲振蕩 器 理論 計算振蕩 器的頻率 為：12二.LC=7MHZ波形如圖2-2所示從波形看出其震蕩極不穩(wěn)定，測試其波形頻率為 f : 6.5MHz調(diào)解C1C2改變頻率時，反饋系數(shù)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。時間軸

8、通遒A通道日出例1200陽心v比例 |2 V/Div比例|5忡邊沿 T A外部x位直o-Yffi3 f0Y位宜0-電平o -I vfr/F 加載 | B/A | ays |AC | Q | DCac o |dc" - |類型1正弦掠準(zhǔn)自動無1Ext Trigger r|衛(wèi)示液器-XSGI 14時間(J.OOOs通道0.000 V反向42.000 u£Z290V俁存2.000 u$Z290¥T2-T1圖2-2考畢茲振蕩器輸出信號波形2.2串聯(lián)型改進電容三端式振蕩器（克拉潑電路）:ZIOnF：:4 LR3 3RD5r 300uHLj:R224:電容三點式改進型“克拉潑

9、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(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。使振蕩頻率的穩(wěn)定度得以提高因為C3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：fo =1/2 二、,LC?與共基電容三點式振蕩器電路相比，在電感 L支路上串聯(lián)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(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

10、， 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，接入系數(shù) 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>>R1 >56kO :R3:3kQ：G5=：1：OuF：3D0uflG4 - 土 TOuFV1 :12 V24kOCl步 ODpF7卄1nF2U2222A4 C8R：,4-<Q > Dn ，-rC2 豐TODpFI L-圖

11、2-5西勒振蕩器 電路特點是在克 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：fo特點：1.振蕩幅度比較穩(wěn)定；2.振蕩頻率可以比較咼，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，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(shù)指標(biāo)，它表示在一定的時間范圍內(nèi)或一定的溫 度、濕度、電壓、電源等變化范圍內(nèi)振蕩頻率的相對變化程度，振蕩頻率的相對變化量越小， 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

12、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，以實現(xiàn)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(diào)整G、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第三章容三點式電路設(shè)計3.1電路選擇從以上的討論，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，因為西勒振蕩器的接入

13、系數(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)計圖3-1改進型電容三點式振蕩電路原理圖電路結(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)；（由三點式回路組成）3選頻網(wǎng)絡(luò)；（由三點式回路的諧振特性完成選頻功能）322靜態(tài)工作點的設(shè)置合理地選擇振蕩器的靜態(tài)工作點，對振蕩器的起振，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)工作點應(yīng)選在遠(yuǎn)離飽和區(qū)而 靠近截止區(qū)的地方。

14、0.8-4mA之間選取，選 I cQ=2mA則有根據(jù)上述原則，一般小功率振蕩器集電極電流 故本實驗電路中：V ce=6VB =100I CQ大約在Re Rc 二為提高電路的穩(wěn)定性因：UEqfIcq- Re因：I BQ=I c（/ BUcc Uceq =12-6=32Icq2Fe值適當(dāng)增大，取Re=1©則Rc= 2KQ則：U eq =2mAX 1K=2V貝U: I bq =2mA/100=0.02mA一般取流過Rb2的電流為5-10I bq ,若取10Ibq因：VBQRb2 =I BQ則：2.7VRb2 -0.2因：VccRb1 =Vbq - Veq ' 0.7取標(biāo)稱電阻12K

15、?。= 13.52土 Rb2BQ41.322.7V選管由于咼頻振蕩器的振蕩頻率較咼，在選管時應(yīng)注意選超咼頻小功率三極管。 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咼則管子的咼頻性能好，晶體管內(nèi)部相移小，有利于穩(wěn)頻。在咼頻工 作時，振蕩器的增益仍較大，易于起振。本次課設(shè)選用9014 NPN型號的晶體管, 滿足了振蕩器的頻率和功率要求。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

16、元件都一樣，但從提高回路標(biāo)準(zhǔn)性的觀 點出發(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)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1/81/212 二 LCL = 10卩 H因振蕩器的工作頻率為：當(dāng)LC振蕩時，fo=4MHz本電路中，則回路的諧振頻率fo主要由C4、C6決定，即-亠=J2二 LC 2二 LG C4)C4 亠 C614 二2f 2L:-157pfC

17、4 =75pf，C6=82pf，因要遵循 C2，C3»C4,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(lián)一可調(diào)電容進行微調(diào)即可。為了盡可能地減小負(fù)載對振蕩電路的影響，振蕩信號應(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)計之后，可以生成PCB電路板，本電路板采用自動布線設(shè)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331轉(zhuǎn)印、腐蝕、焊接電路板在Protel中選擇：文件 頁面

18、設(shè)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(zhuǎn)印紙上。圖3-3印制線路圖使用熱轉(zhuǎn)印機將圖3-3印制在環(huán)氧樹脂銅箔板上，使用FeCI3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，觀察 頻率計的讀數(shù)，可發(fā)現(xiàn)振蕩頻率在 3.84.2MHz 附近浮動，在誤差允許范圍內(nèi)符 合本電路設(shè)計的 4MHz 的設(shè)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

19、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。 對三端振蕩電路要看是否滿足對應(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)工作點選的太小。2、電源電壓過低，使振蕩管放大倍數(shù)太小。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p或介入系數(shù)pee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)B太小