高頻課設(shè)報告-通信電子線路課程設(shè)計——電容三點式正弦波振蕩器

1、一 課程設(shè)計目的課程設(shè)計題目課程設(shè)計內(nèi)容3.1 仿真設(shè)計部分3.1.13.1.23.1.33.1.43.1.53.1.63.1.7設(shè)計方案的選擇 . 振蕩器的原理概述 方案對比與選擇 . 電路設(shè)計方案 元器件的選擇 電路仿真 元器件清單 3.2 系統(tǒng)制作和調(diào)試 3.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 3.2.2 系統(tǒng)制作 3.2.3 調(diào)試分析 四 課后總結(jié)和體會參考文獻目錄2. 23. 57991213131516171710課程設(shè)計目的高頻電子線路課程是電子信息專業(yè)繼電路理論 、電子線路 （線性 部分） 之后必修的主要技術(shù)基礎(chǔ)課，同時也是一門工程性和實踐性都很強的課 程。課程設(shè)計是在課程內(nèi)容學習結(jié)束， 學生基

2、本掌握了該課程的基本理論和方法 后，通過完成特定電子電路的設(shè)計、 安裝和調(diào)試， 培養(yǎng)學生靈活運用所學理論知 識分析、解決實際問題的能力， 具有一定的獨立進行資料查閱、 電路方案設(shè)計及 組織實驗的能力。通過設(shè)計，進一步培養(yǎng)學生的動手能力。課程設(shè)計題目1、模塊電路設(shè)計（采用 Multisim 軟件仿真設(shè)計電路）1）采用晶體三極管或集成電路，場效應(yīng)管構(gòu)成一個正弦波振蕩器；2）額定電源電壓5.0V，電流13mA;輸出中心頻率 6 MHz （具一定的變化范圍） ；2、高頻電路制作、調(diào)試LC 高頻振蕩器的制作和調(diào)試課程設(shè)計內(nèi)容3.1 仿真設(shè)計部分3.1.1 設(shè)計方案的選擇電容反饋式振蕩電路的基本電路就是通

3、常所說的三端式 （又稱三點式） 的振 蕩器，即LC回路的三個端點與晶體管的三個電極分別連接而成的電路，如圖2-0所示。由圖可見，除晶體管外還有三個電抗元件XI、X2、X3,它們構(gòu)成了決定振蕩器頻率的并聯(lián)諧振回路， 同時構(gòu)成了正反饋所需的網(wǎng)絡(luò)， 為此根據(jù)振蕩器組 成原則，三端式振蕩器有兩種基本電路， 如圖2-0所示。圖2-0中X1和X2為容 性，X3為感性，滿足三端式振蕩器的組成原則，反饋網(wǎng)絡(luò)是由電容元件完成的， 稱電容反饋振蕩器電容反饋式振蕩電路的設(shè)計及原理分析電路由放大電路、選頻網(wǎng)絡(luò)、正反饋網(wǎng)絡(luò)組成。總體設(shè)計方案框圖如下:ViVo正反饋網(wǎng)絡(luò)<Vf圖2-2電容反饋式振蕩電路設(shè)計框圖3.1

4、.2振蕩器的原理概述不需外加輸入信號，便能自行產(chǎn)生輸出信號的電路稱為振蕩器。 按照產(chǎn)生的 波形，振蕩器可以分為正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器。按照產(chǎn)生振蕩的工作原 理，振蕩器分為反饋式振蕩器和負阻式振蕩器。 所謂反饋式振蕩器，就是利用正 反饋原理構(gòu)成的振蕩器，是目前用的最廣泛的一類振蕩器。所謂負阻式振蕩器， 就是利用正反饋有負阻特性的器件構(gòu)成的振蕩器，在這種電路中，負阻所起的作用，是將振蕩器回路的正阻抵消以維持等幅振蕩。反饋式振蕩電路，有變壓器反饋式振蕩電路，電感三點式振蕩電路，電容三點式振蕩電路和石英晶體振蕩電路 等。電感三點式振蕩器的電感線圈對高次諧波呈現(xiàn)高阻抗所以反饋帶中高次諧 波分量較多

5、輸出波形較差。本次設(shè)計要求我們采用的是電容三點式振蕩電路， 由 于電容三點式振蕩電路有一些缺陷，通過改進，得到了西勒振蕩器。振蕩器LC回路的三個端點與晶體管的三個電極分別連接構(gòu)成的電路即為三 端式振蕩器，其示意圖如下圖2.1所示：圖2.3 一般形式的三點式振蕩器三點式LC正弦波振蕩器的組成法則是：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。也就是說上圖中Zbe? ?設(shè):Z be、Z ce、bc為純電抗元件beV eb?Fv?Vbe?Veb?XebXce負號表示產(chǎn)生1800相移，與Vbe和Vce間的180o相移合成為360o相移,

6、滿足正反饋條件。為此，Xce與Xeb必為同名電抗，V ceV ce而 Xcb須是Xce與Xeb的異名電抗。電容三點式的原理示意圖如下圖2.2所示:Z ce與Z bc的性質(zhì)必須相反振蕩器才能起振。VCCR-C5VL圖2.4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)前面所述的班別準則為，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)生脈動信號。振蕩器電路中有一個LC諧振回路，具有選頻作用，當LC諧振回 路的固有頻率與某一諧振頻率相等時，電路發(fā)生諧振。雖然脈動的信號很微小，

7、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(chǎn)生自給偏壓，使放大器倍數(shù)減小，最后達到平衡，此時振蕩 幅度不在增大。于是使振蕩器只有在某一頻率時才能滿足振蕩條件，于是得到單頻率的振蕩信號輸出。該振蕩器的振蕩頻率0為:f 1 JG C2 f0珂反饋系數(shù)F為：LC1C2F C1 /C2若要它產(chǎn)生正弦波，際的振蕩電路，在F確定后，其振幅增加的主要是靠提高振蕩管的靜態(tài)電流值。 但是如果靜態(tài)電流值取得太大，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。嚴重時，甚至使振蕩器停振。所以在實用中，靜態(tài)電流值一般取1滿足F=1/2 1/8,太小或者太大均不

8、容易起振。一個實co =0.5mA 4mA電容三點式的優(yōu)點是：1）振蕩波形好；2）電路的頻率穩(wěn)定度高，工作頻率 可以做得較高，達到幾十赫茲到幾百赫茲的甚高波段范圍。電路缺點：若調(diào)用C1或C2改變振蕩回路的工作頻率，反饋系數(shù)也將改變使 振蕩器的頻率穩(wěn)定度不高。3.1.3方案對比與選擇改進型的電容三點式分為兩種：克拉潑振蕩器、西勒振蕩器?？死瓭娬袷幤鳎弘娙萑c式改進型“克拉潑振蕩器”如下圖 3.1所示:vccI - VCC 5V-G1-±i±10iiF : . ：玨 二 H ;-Qt： ： ：3CrapF : : 50口F;-I C -:弓=1QDpFpG :-卞-J-ZN2Z

9、2< d '''" aRS - MkO :.L1 -:卡、計-36pF：Keysb 九"-圖3.1克拉潑振蕩器電路電路的特點是在共基電容三點式振蕩器的基礎(chǔ)上，用一電容C5,串聯(lián)于電感L的支路上。其作用是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。使振蕩頻率的穩(wěn)定度得到提高。因為C5為可調(diào)電容遠小于C1或C2,所以電容串聯(lián)后的等效電容約為 C5b 電路的振蕩頻率為：fo 1/ 2 7LC7與基本電容三點式振蕩電路相比，在電感L支路上串聯(lián)一個電容后有以下特 占： 八、振蕩頻率可改變不會影響反饋系數(shù)；振蕩幅度比較穩(wěn)定；電路中的C5

10、為可變電容，調(diào)整它即可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整振蕩頻率。但是C5不能太小否則會導致停振，所以克拉破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做固定頻率振蕩器。西勒振蕩器:電容三點式改進型“西勒振蕩器”如下圖 3.2所示:_±_V1R1 2kQQI二 5 VC4:3<JpF : 50%':TODpF :C1 -:SlkO :C3；豐伽F ；士 WT :Key-AI- I,別圖3.2西勒振蕩器電路電路的特點是在克拉潑電路的基礎(chǔ)上，用一電容 C4,并聯(lián)于電感L兩端。 作用是保持了晶體管與振蕩回路弱耦合， 振蕩頻率的穩(wěn)定度高，調(diào)整范圍大。電 路的振蕩頻率為

11、：f。12 7L(c4 C5)西勒振蕩電路有以下特點：1 .振蕩幅度比較穩(wěn)定；2 .振蕩頻率可以較高；頻率覆蓋率較大，可達1.6 1.8，因而在一些短波超、短波通信機，電視接收機中用的較多。該電路振幅起振條件：AF 1該電路相位起振條件：振幅平衡條件:AF 1相位平衡條件:A F 2n放大器電路由晶體二極管2N222、濾波電容、咼頻旁置電容、集電極旁置 電阻R1、基極旁置電阻R2、R3射極旁置電阻R5組成。放大器可選用如電子管、 晶體管等，本設(shè)計采用晶體三極管 2N222作為能量控制的放大器。C2 C3 C4選頻網(wǎng)絡(luò)用來決定振蕩頻率，本設(shè)計采用LC并聯(lián)諧振回路，由L、C5組成，要求 C2, C

12、3>>C4 C5C3和晶體反饋網(wǎng)絡(luò)是將輸出信號送回到輸入端的電容分壓式正反饋網(wǎng)絡(luò)， 管構(gòu)成正反饋。3.1.4電路設(shè)計方案電路選擇：西勒振蕩根據(jù)上述對比可知，西勒振蕩器的接入系數(shù)與克拉潑振蕩器相同。器的頻率改變主要通過改變 C5完成，C5的改變并不影響接入系數(shù)P,因而波段 內(nèi)輸出較平穩(wěn)。而C5改變，頻率變化較明顯，使得西勒振蕩器的頻率覆蓋系數(shù) 較大。本次課設(shè)選擇西勒振蕩電路作為正弦波發(fā)生電路。電路原理圖設(shè)計：電路原理圖如下圖4.1所示：AL«<nuL<s<is.60%VCC SVC& - I -J +亠弓-lOuFJ * dN2222Gt - EW

13、pFII I LR2 -54kOr -.-Cb±33nFCJC2 -:士腳pF ；:50% I L 彳j 1Q0pF |lOUHKfly=A I H .圖4.1改進型電容三點式振蕩電路原理圖電路結(jié)構(gòu)：圖4.1中的電路主要由3部分構(gòu)成：1. 起能量放大作用的三極管放大器；2. 三點式回路組成的正反饋網(wǎng)絡(luò)；3. 射極跟隨器構(gòu)成的緩沖級。由于西勒振蕩器的的輸出阻抗比較大， 帶負載的能力不強，所以有必要加一 個緩沖極，來提高電路的帶負載能力。緩沖極不具有放大作用，只是原倍數(shù)的將 信號輸出給下一級。靜態(tài)工作點設(shè)置：合理選擇振蕩器的靜態(tài)工作點對振蕩器的起振、 工作的穩(wěn)定性和波形質(zhì)量的 好壞有著密

14、切的關(guān)系。一般小功率振蕩器的靜態(tài)工作點應(yīng)選在遠離飽和區(qū)而靠近截至區(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0.84mA之間選取，故本實驗電路中：Vcq=0.5V，=40ReRcV CC V CEQI CQ3K為提高電路的穩(wěn)定性Re值適當增大，取Re=lK ，則Rc=2KVeqIcqRe 1.5mA*1K=1.5VI BQI CQ /2mA/400.05mA取流過Rb2的電流為10Ibq，則Rb2Veq11 BQ0.74.4K，取4K選擇! CQ =1.5mA可取Rb1=5K ，這樣額定電流是2mA滿足任務(wù)要求。3.1.5元器件的選擇回路中的電抗元件分為電容 C和電感L兩部分

15、。通常滿足接入系數(shù) C2/C3 不能過大或者過小，否則不容易起振，一般適宜1/8 1/2。. 1振蕩器工作頻率為:Jlg C5)當LC振蕩時， =6MHzL=10本電路中，回路諧振頻率f0主要由C4和 C5決定，即C4 C514 2 f 2L70 pf取C4=30pf,C5為100pf可調(diào)電容，因為要遵循 C2,C3>>C4,C5C2/C3=1/81/2 的條件，故取 C2=120pf, C3=560pf。3.1.6電路仿真在Multisim軟件中繪制改進型電容三點式正弦波振蕩器的電路圖，并更改 好各元件數(shù)值連接好虛擬示波器，如下圖 4.2所示：wcc-G3 -鬥|W込-古* Mf

16、e : U2L .17*】r【.蝕*Ml-嚴:.-.r* -.-到2222|j、2HZ4 CftiriWMSOCElifSWIbkanixC4itJ222?Er -圖4.2華秦市示西看時口"1畑 Key-JkCb:腳« L.Cl律A略nMPos:AJK；5E-ri*UrTk. 1 -:拿 grf6AH詢 CHI 加siWVLJfcIhxilr-i-件凰s",t忙;IrenoHP=Tu斶AjtEEf*：JISELWll-*Uiip5i W4WI unFlI給二 玉朋I sChicw護MFf砌.溥?XI TMJ*<4/圖4.3三點式振蕩器輸出波形如上圖4-2所示

17、，得到了正弦波，說明了電路起振了，并且得到了穩(wěn)定的波 形，但是波形有一定的失真，是由于噪聲，溫度等的影響。Tfekininh3iroa AdOHdcm 57JX* Ft. fw；-, MPtt.fa1 r i F 1 *" 1 I f P I F I 1 I M100»VFKMLuhCPV灌qc函,6(tyatioNUEAfiUlEQ alm血hHIPF :羽piO黑TEPYAk -IIIH 1FOSF7-Kr+PfiSTlOBCLTMW XTSEiV直.g“ 2d昴 CrtV - CH? 4 BlCK4>f'ijUr3-MMZWWTr SB匸l_U -圖4.

18、4加載100負載后的波形輸出和頻率上圖為通過緩沖器后加載100負載的波形輸出，大體保持了原有波形，波 形的失真應(yīng)與緩沖器有關(guān)，單一的射極跟隨器無法完整的保持波形不變。分析可見，緩沖級為射極跟隨器，該電路輸入阻抗高，可減小放大器從前級 所取的信號電流；而輸出電阻低，可減小負載變動對前級的影響。可由圖可知加載100負載后輸出電壓大于1V,滿足任務(wù)需求。且通過調(diào)節(jié) C5可以改變輸出頻率，使其輸出范圍在6MHz左右變化，滿足了設(shè)計任務(wù)的需求。223.1.7元器件清單序號名稱型號數(shù)量1電阻1KQ12電阻2KQ13電阻3KQ14電阻4KQ15電阻10016電位器2K、10K、200K各1個7瓷片電容33

19、nF18瓷片電容120 pF19瓷片電容560pF110瓷片電容30 pF111電解電容10UF/16V112可變電容100 pF113電感10uH114三極管2N222223.2系統(tǒng)制作和調(diào)試321系統(tǒng)結(jié)構(gòu)VfflTC7CSEPTOOUT CI卜C6K7S3IV1C5C3J_ ClR2C42>L1C2R460。_v«1 .放大電路選用共基電路共基放大電路與共射放大電路相比， 高頻特性好，所以，本設(shè)計選用共基電 路。2 .振蕩管VTi靜態(tài)工作點的設(shè)計(1)估算電阻R3、R4的方法通常選I eq 1 4mA，則有R3R4(2)估算電阻R1、RP、R2的方法因為 Ubq Ueq 0

20、.6V I(取CQ R4VCC U CEQ c、R3I CQI R1 10 I BQ ) o0.6V，又 UbqLhrr*I昭CbE4TVl3DGeCVccUcI CQI R1 I BQ R2，且高頻放大和振蕩電路選用3DG、3DC系列的高頻小功率三極管，屬硅NPN 型。本題中的振蕩三極管VTi選用3DG6C，其fT 150MHz，BVceo 20V，I BQ I CQ /，所以，R2誥。因為UbQR2R_RP r2Vcc，所以，R1 RP R2 VccU BQ(3)估算電容Cb的方法Cb作基極交流接地,一般應(yīng)滿足XcR1 RP / R210 20RiRP /R2較大時，Xc取幾幾十歐姆。3.

21、 主振回路的設(shè)計(1) 電路形式：采用西勒振蕩電路，容易起振、波形好、穩(wěn)定度 設(shè)計要求。(2) 估算電容L、fo 1MHz 時，<105,能滿足設(shè)L,則由fo(3)估算電容Ci、 選 C1C3、至幾千皮法)，且FC3、LC4的方法10 H ; f01 ，得C2 TLC"C2的方法C210 MHz 時，L 1 H。1(2 f0)2L。(CC3C4)C3 (如果C3取幾十皮法，則Ci、C2可以取幾百皮法4. 緩沖放大電路的設(shè)計在振蕩管VT1和負載之間，接入一個緩沖放大電路，可選擇由固定分壓與自給偏壓相結(jié)合，具有穩(wěn)定工作點偏置電路的射極跟隨器。隔離級晶體管VT2也選用3DG6C三極管

22、。(1)估算偏置電阻R7、R8、R9的方法(取Ieq 2 mA Io max 1mA)射極跟隨器的電源電壓 Vcc取值略大于最大輸出電壓 U omax與飽和電壓之 Uces和，考慮到I omax 1mA非常小，所以，Vcc 6V足夠了。Uceq設(shè)置在 益 (負載線的中點)處，能取出最大輸出振幅，所以，2Uceq 號3V。所以，R9VccU ceq .I BQ I EQ / 1I EQUbq Ueq 0.6VU BQ9 I BQrmsVCC U BQ則有R7 ，R810 I BQ(2)估算高頻耦合電容C5、Ce的方法由高頻耦合電容C形成的高通濾波器的截至頻率應(yīng)滿足：1fL2 CR 5 10取流過

23、R7的電流為101 BQ ,fc。在輸入耦合時，R為源電阻與輸入電阻之和；在輸出耦fL f' 忑。若振蕩頻合時，R為輸出電阻與負載電阻之和；振蕩回路的下限頻率 率選為10MHz，可選取C5 C60.02 F0VmVT23DGeCcsE95.電源退耦電路的設(shè)計在電源上并聯(lián)小容量的電容C8和大容量的電容C7，能在很寬的頻率范圍內(nèi) 降低電源對地的阻抗。小容量的電容 C8要配置在電路的近鄰，減小電容引線長 度，降低引線本身阻抗；而大容量的電容 C7不存在該問題。322系統(tǒng)制作323調(diào)試分析AHk 艱料I tftaom 005 驚4««怕 11 an忻酬冷角772 MHz訕啊星二 11.M343 MHz«11-*»» DMM I斗4喪J振蕩頻率：10.4772MHz-11.4343MHz輸出電壓：0.6V采用西勒振蕩電路，因為西勒振蕩器的接入系數(shù)與克拉潑振蕩器的相同,-九WUV&Ct!由于改變頻率主要通過 C4完