高頻課設報告(高頻正弦波振蕩器)

1、 武漢理工大學高頻電子線路課程設計-正弦振蕩器課程設計任務書學生姓名： XXX 專業(yè)班級： 電信1102 指導教師： 劉運茍 工作單位： 信息工程學院 題 目 一： 高頻正弦波振蕩器初始條件： 具較扎實的電子電路的理論知識及較強的實踐能力；對電路器件的選型及電路形式的選擇有一定的了解；具備高頻電子電路的基本設計能力及基本調試能力；能夠正確使用實驗儀器進行電路的調試與檢測。要求完成的主要任務：（包括課程設計工作量及其技術要求，以及說明書撰寫等具體要求）1、采用晶體三極管構成一個多功能正弦波振蕩器；2、額定電源電壓5.0V ，電流13mA; 輸出頻率 6 MHz （頻率具一定的變化范圍）；3、通過

2、雙變跳線可構成克拉勃和西勒的串、并聯(lián)晶體振蕩器；4、有緩沖級，在100歐姆負載下，振蕩器輸出電壓 1 V (D-P);5、完成課程設計報告（應包含電路圖，清單、調試及設計總結）。時間安排： 二十周一周，其中4天硬件設計與制作，3天調試及答辯。指導教師簽名： 年 月 日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日 目 錄摘要11.正弦波振蕩器的基本原理21.1自激振蕩的平衡21.2 振蕩的建立和振蕩條件21.3 振蕩器的穩(wěn)定32.三點式LC振蕩器42.1 電容三點式振蕩器42.2串聯(lián)改進型電容三點式振蕩器（克拉潑電路）52.3 并聯(lián)改進型電容三點式振蕩器（西勒電路）63.石英晶體諧振器73.1 壓電效

3、應及其等效電路73.2石英晶體的阻抗特性83.3石英晶體振蕩器電路83.3.1并聯(lián)型晶振電路83.3.2 串聯(lián)型晶體振蕩器94.振蕩電路的總體設計及其仿真104.1 主要原件參數(shù)設計114.1.2 振蕩電路設計部分114.1.3 輸出級134.2 電路的仿真（multisim）145. 實物制作圖186.實踐總結和心得19附錄1.元件清單20參考文獻21 摘要所謂振蕩器就是在沒有外加輸入信號的條件下，能自動將直流電源提供的能量轉換為具有一定頻率、一定波形和一定振幅的周期性交變振蕩信號的電子線路。在通信技術領域，振蕩器應用十分廣泛，如發(fā)射機中振蕩器提供指定頻率的載波信號，在接收機中作為混頻所需的

4、本地振蕩信號或作為解調所需的回復載波信號等。另外，在測量儀器中，振蕩器作為信號發(fā)生器、時間標準、頻率標準等應用。振蕩器的主要技術指標有振蕩頻率、頻率穩(wěn)定度、振蕩幅度和振蕩波形等。振蕩器的種類很多，在這次高頻正弦波振蕩器的課程設計中，對晶體振蕩器、克拉伯、西勒振蕩器都進行了深入的探究。由于石英晶體具有體積小、重量輕、可靠性高、頻率穩(wěn)定度高等優(yōu)點，所以，在本次課設中還采用石英晶體組成串、并聯(lián)振蕩器。而且，本次課設還通過運用仿真軟件multisim進行了仿真，加深了對軟件的了解程度。 關鍵字： 振蕩器 通信 石英晶體 正弦波1.正弦波振蕩器的基本原理1.1自激振蕩的平衡振蕩器的的起振過程也就是產(chǎn)生自

5、激振蕩的過程，產(chǎn)生自激振蕩必須具備以下兩個條件:(1) 反饋必須是正反饋即反饋到輸入端的反饋電壓（電流）必須與輸入電壓（電流）同相。也就是說滿足振蕩的相位平衡條件是 其中，為總相移，為放大相移，為反饋相移，為整數(shù)。（2） 反饋信號必須足夠大 一般情況下，放大器的放大倍數(shù)K>1，反饋電路的反饋系數(shù)F<1。為了使反饋信號足夠大放大器的增益必須補足反饋系數(shù)的衰減，即滿足振蕩的振幅平衡條件為 1.2 振蕩的建立和振蕩條件以上的振蕩條件是假定震蕩已經(jīng)產(chǎn)生，為了維持震蕩平衡所需的要求。這里需要探究波動開關一開始的震蕩是如何產(chǎn)生的。振蕩器閉合電源后，各種電的擾動，如晶體管電流的的突然增長、電路的

6、熱噪聲、是振蕩器起振的初始激勵。在突變的電流中包含著許多諧波成分，擾動噪聲也包含各種頻率分量，它們通過LC諧振回路，在它兩端產(chǎn)生電壓，由于諧振回路的選頻作用，只有接近于LC諧振回路的電壓分量才能被選出來，雖然電壓的幅度很小，但由于電路中由于正反饋存在，進過反饋和放大的循環(huán)，就建立了振蕩。又因為隨著振蕩幅度的增長，晶體管將要出現(xiàn)飽和、截止現(xiàn)象，也就是幅度增加到一定程度后，的波形會出現(xiàn)切頂現(xiàn)象，雖然不是正弦波，但是由于諧振回路的選頻特性，選出它的基頻分量，仍是正弦形狀，這時的幅度基本上不再增長，振蕩建立過程結束。起振條件是指為產(chǎn)生自激振蕩所需K、F的乘積最小值。顯然，必須滿足 這一條件，才有可能使

7、振蕩電壓逐漸增長，建立振蕩。一般情況下，放大器具有非線性特性，防反饋電路是線性電路。在振蕩建立工程中，隨著幅度的增長，放大器由甲類工作狀態(tài)進入乙類甚至丙類工作狀態(tài)。晶體管非線性作用使的幅度不斷增長，K值逐漸下降，最后平衡，穩(wěn)定在KF=1點。1.3 振蕩器的穩(wěn)定振蕩器的穩(wěn)定包括兩個方面的內容：振幅穩(wěn)定和相位穩(wěn)定。 1.振幅穩(wěn)定條件 判斷一個點是不是其穩(wěn)定點，要看此點附近振幅發(fā)生變化時，是否能恢復原狀。在平衡點，在K-曲線中，K曲線的斜率是負的，如下圖1.1所示。 A 圖1.1 K曲線與曲線相交2. 相位穩(wěn)定條件相位穩(wěn)定條件的就是研究由于電路中的擾動暫時破壞了相位條件使振蕩頻率發(fā)生變化，當擾動離去

8、后，振蕩能否自動穩(wěn)定在原有頻率上。實質上，相位穩(wěn)定條件和頻率穩(wěn)定條件是一回事，因為振蕩的角頻率就是相位的的變化率（）。振蕩器的相位穩(wěn)定條件是：相位特性曲線在工作頻率附近的斜率是負的，即 其曲線如下圖1.2所示。 f 圖1.2 諧振回路的相位穩(wěn)定作用2.三點式LC振蕩器三點式振蕩器是指LC回路的三個斷點與晶體管的三個電極分別連接而成而組成的一種振蕩器。2.1 電容三點式振蕩器圖2.1為電容反饋三點電路，其中圖（a）為原理電路，圖（b）為交流等效電路。圖中，L、和組成振蕩回路，作為晶體管放大器的負載阻抗，反饋信號從兩端取得，送回放大器輸入端。扼流圈ZL的作用是為了避免高頻信號被旁路，而且為晶體管集

9、電極構成直流通路。 221 （b） (a) 圖2.1 電容三點式振蕩器如上圖所示，假定在晶體管的基極和發(fā)射極間有一輸入信號，當振蕩頻率等于LC回路諧振頻率時，與反相，電流滯后于。上的反饋電壓滯后電流，故與同相，滿足相位平衡條件。為分析方便，可把圖2.1（b）該畫成圖2.2所示的等效電路。圖中為晶體管輸出電阻；為晶體管輸入電阻；為晶體管輸出電容；為晶體管輸入電容；為回路諧振電阻。 圖2.2 圖2.1的等效電路由圖2.2，可得反饋系數(shù) 令,則 其放大倍數(shù)為 其中，是回路接入系數(shù)。為保證相位平衡條件，振蕩器的振蕩頻率基本上等于回路的的諧振頻率，即 2.2串聯(lián)改進型電容三點式振蕩器（克拉潑電路）串聯(lián)改

10、進型電容三點式振蕩器如下圖2.3（a）所示，其交流等效電路如圖2.3（b）所示。 (b) (a) 圖2.3 串聯(lián)改進型電容反饋三點線路克拉潑電路的特點是把基本型的電容反饋三點線路集電極-基極支路的電感改用LC串聯(lián)回路代替。該電路的反饋系數(shù)為 電路接成共基極，對交流短路，故基極接地。這種振蕩器的頻率為 其中由下式?jīng)Q定： 2.3 并聯(lián)改進型電容三點式振蕩器（西勒電路）西勒電路如圖2.4（a）所示，它的交流等效電路如圖2.4（b）所示。此電路除了采用兩個容量較大的、外，主要特點就是把基本型的電容反饋線路集電極-基極之路改用LC 并聯(lián)回路再與串聯(lián)。該電路的回路諧振頻率為 其中回路總電容 （a） (b)

11、 圖2.4并聯(lián)改進型電容反饋三點式電路該電路的反饋系數(shù)為 3.石英晶體諧振器3.1 壓電效應及其等效電路壓電效應是晶體的基本特性，它依靠這種效應，可以將機械能轉變?yōu)殡娔埽环粗?，也可以將電能轉變?yōu)闄C械能。所謂壓電效應就是在石英晶體打兩個電極上加直流電場，晶體就會產(chǎn)生機械形變。反之，若在晶體的兩側施加一機械壓力，則會在晶體相應的方向上產(chǎn)生電場，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。若是晶體懶得兩級上叫交變激勵電壓，晶體就會產(chǎn)生機械振動，同樣晶片的機械振動又會產(chǎn)生交變電場。且當外加交變電壓的頻率為某一特定值時，振幅明顯加大，比其他頻率激勵下的振幅大得多，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振。圖3.1是石英晶體諧振器的等效電路。圖中

12、Co是靜電電容，代表石英晶體支架靜電容量，一般為幾至幾百皮法；Lq是動態(tài)電感，相當于機械振動的慣性，一般以幾十毫亨至幾百亨；Cq是動態(tài)電容，相當于晶體的等效彈性模數(shù)，很小，一般以百分之幾皮法計；Rq是動態(tài)電阻。相當于晶體的的摩擦損耗，一般以幾至幾百歐計。易知：石英晶體的品質因數(shù)很高。 Co圖3.1 石英晶體諧振器等效電路 RqCqLq 3.2石英晶體的阻抗特性石英晶體諧振器有兩個諧振頻率,當L、C、R支路串聯(lián)諧振時，等效電路的阻抗最小，串聯(lián)諧振頻率為fs=1/2，當?shù)刃щ娐凡⒙?lián)諧振時，諧振頻率為fp= fs，顯然，fs < fp，但由于C << C0，因此fs和fp兩個頻率非

13、常接近。 通過石英晶體的等效電路，我們可以得到它的電抗-頻率特性曲線如圖3-2所示，當ffs或f> fp時，晶體諧振器顯容性；當f在fs和fp之間，晶體諧振器等效為一電感，f=fs時，是串聯(lián)諧振點，等效阻抗最?。划攆=fp時，是并聯(lián)諧振點，等效阻抗最大。 圖3.2 晶體的電抗特性曲線3.3石英晶體振蕩器電路3.3.1并聯(lián)型晶振電路晶振電路工作在晶體并聯(lián)諧振頻率附近，晶體等效為電感的情況，稱為并聯(lián)晶振電路。這種電路由晶體與外接電容器組成，按三點線路的連接原則組成振蕩器，晶體等效為電感。下圖3.3(a)為一種并聯(lián)型晶體管振蕩電路，其工作頻率由、及晶體構成的回路決定。圖3.3（b）為晶體與外部

14、電容的等效電路。 （a） (b) 圖3.3 并聯(lián)晶振電路由圖（b），令，則，即 整個回路的電容值主要取決于晶體內部的，外部電容的變化基本沒影響，這就是其振蕩頻率保持穩(wěn)定的原因所在。電路的振蕩頻率，故 3.3.2 串聯(lián)型晶體振蕩器下圖3.4（a）即為串聯(lián)型晶體振蕩電路，3.4(b)為其等效電路。 （a） (b) 圖3.4串聯(lián)型晶體振蕩電路 當回路的諧振頻率等于晶體的串聯(lián)諧振頻率時，晶體的阻抗最小，電路滿足相位和振幅條件，振蕩器的工作頻率等于晶體的串聯(lián)諧振頻率；反之，當回路的諧振頻率距晶體的串聯(lián)諧振頻率較遠時，晶體的阻抗增大，是反饋減弱，從而使電路不能滿足振幅條件，電路不能工作。 4.振蕩電路的總

15、體設計及其仿真如下圖1為設計的高頻正弦振蕩器，通過撥碼開關的選擇，可以組成克拉伯電路、西勒三點式振蕩、晶體串聯(lián)振蕩、晶體并聯(lián)振蕩四種正弦振蕩器。圖4.1 總體電路設計原理圖圖1中，C1為基極耦合電容，一般取0.1uF；C2與C3、C4、L1組成電容三點式振蕩，C5與射隨器進行耦合，R4、R1確定基極電位；R3為滑動變阻器，改變阻值的大小可以改變Q1的靜態(tài)工作點。Q2連接成射極跟隨器，用于提高系統(tǒng)的帶負載能力。DSW1、DSW2、DSW3是三個撥碼開關，當DSW1上端打開時、DSW2中間打開，振蕩器為克拉伯振蕩器；當DSW1上端打開時、DSW2中間和最右邊打開時，為西勒振蕩器；當DSW1下端打開

16、，DSW2中間打開時，振蕩器為串聯(lián)型晶體振蕩器；當DSW1上端打開、DSW2最左邊打開時，為并聯(lián)型晶體振蕩器。4.1 主要原件參數(shù)設計4.1.2 振蕩電路設計部分 圖4.2 振蕩電路設計部分電源電壓Vcc=5V,振蕩器靜態(tài)工作電流ICQ=2mA， 為提高電路的穩(wěn)定性，同時又要兼顧放大倍數(shù)，可將R2適當取大，取R5=500,則R2=2.5K。 可取 ， ，R3用可變電阻來代替，用于控制集電極電流。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(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，先選定哪種元件

17、都一樣，但從提高回路標準性的觀 點出發(fā)，以保證回路電容遠大于總的不穩(wěn)定電容原則，先選定為宜。 若從頻率穩(wěn)定性角度出發(fā)，回路電容應取大一些，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)，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，在本設計中，則回路的諧振頻率主要由決定，即故取=150pf,=100pf,=220pf。對于晶體振蕩，只需和晶體并聯(lián)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，振蕩信號應盡可能從電路的低阻抗端輸出。例

18、如發(fā)射極接地的振蕩電路，輸出宜取自基極；如為基極接地，則應從發(fā)射極輸出。4.1.3 輸出級 圖4.3 輸出級電路設計部分輸出級部分由射極跟隨器構成，用于帶動的負載，以滿足設計任務有緩沖級，在100歐姆負載下，振蕩器輸出電壓 1 V (D-P)的要求。射極跟隨器，是信號從發(fā)射極輸出的放大器。其特點為輸入阻抗高，輸出阻抗低，電壓放大系數(shù)略低于1，負載能力強，常作阻抗變換和級間隔離用。 將三極管按共集方式連接，動態(tài)電壓放大倍數(shù)小于1并接近1，且輸出電壓與輸入電壓同相但是輸出電阻低，具有電流放大作用，所以有功率放大作用。它從基極輸入信號，從射極輸出信號。它具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、輸入信號與輸出信號

19、相位相同的特點。 4.2 電路的仿真（multisim）1.克拉潑電路仿真 圖4.4（a）克拉潑仿真波形 圖4.4(b) 克拉潑仿真頻率 由圖4.4可以看出，克拉潑振蕩電路最終輸出的正弦波形信號幅度約為570mV,頻率為6.014MHz。2.西勒電路仿真 圖4.5（a）西勒仿真波形 圖4.5（b） 西勒仿真頻率由圖4.5，可得西勒電路最終輸出的正弦波信號幅度約為540mV，頻率為6.054MHz。3.并聯(lián)型晶振仿真 圖4.6（a）并聯(lián)型晶振仿真波形 圖4.6（b）并聯(lián)型晶振仿真頻率由圖4.6可以看出，并聯(lián)型晶振電路最終輸出正弦波形幅度約為250mV，頻率為6.495MHz。4.串聯(lián)型晶振仿真

20、圖4.7（a）串聯(lián)型晶振仿真 圖4.7（b） 串聯(lián)型晶振仿真由圖4.7可得，串聯(lián)型晶振電路最終輸出正弦波形幅度約為400mV，頻率為6.491MHz。5. 實物制作圖 圖5.1 實物圖6.實踐總結和心得1. 實踐過程中遇到的問題：（1） 在初始仿真的時候，我用的是proteus軟件，發(fā)現(xiàn)在無外加干擾信號的情況下，根本無法起振。（2） 在最初設計的電路中，由于元件參數(shù)選擇的不合適，出現(xiàn)過失真、振幅非常小以及頻率不穩(wěn)定等問題。（3） 在做實物的時候，發(fā)現(xiàn)有些電路中設計的具體參數(shù)要求的元件在電子市場上根本就沒有產(chǎn)品出售，只能找相近參數(shù)的替代產(chǎn)品，造成結果不是很理想。2. 本次課設中存在的不足：（1）

21、 仿真出來的結果與原先計算的預期數(shù)據(jù)有出入，如頻率不是標準的6MHz。（2） 仿真的波形幅度沒有達到預期的要求，偏小。3. 心得此次課設在開始拿到題目的時候，覺得沒什么難度，可是到自己真正去做的時候，才發(fā)現(xiàn)并不是那么簡單。在仿真過程中，苦于波形不是失真，就是頻率不穩(wěn)定，需要查找好多資料，去不斷完善自己設計的電路圖以接近自己的理想結果。有付出就有收獲，最終的結果雖然與預期結果有偏差，但已經(jīng)是我經(jīng)過自己努力達到的最好的結果了。在這段過程中，雖然有時很苦惱，但過后會發(fā)現(xiàn)，自己已經(jīng)克服了好多困難。不僅鞏固了理論知識，而且還提高了自己的動手能力。此外，通過本次課程設計，我又 掌握了一門電路仿真軟件multisim。完成本次課程設計后，感覺自己充實好多。這種充實感并不像做實驗的時候那樣簡單地對已有電路的測量調試，而是由自己親自設計電路，仿真、再做實物，那過程實在是太有挑戰(zhàn)性了，并且沒完成一部，都