通信電子線路實驗報告三點式振蕩講解

中南大學通信電子線路電感三點式振蕩器設計通信電子線路課程設計課程名稱 通信電子線路課程設計專 業(yè) 通信工程班 級學 號姓 名指導教師2015年7月15日前言中南大學通信電子線路電感三點式振蕩器設計現(xiàn)代通信的主要任務就是迅速而準確的傳輸信息。隨著通信技術的日益發(fā)展，組成通信系統(tǒng)的電子線路不斷更新，其應用十分廣泛。實現(xiàn)通信的方式和手段很多，通信電子線路主要利用電磁波傳遞信息的無線通信系統(tǒng)。在本課程設計中，著眼于無線電通信的基礎電路——LC正弦振蕩器的分析和研究。常用正弦波振蕩器主要由決定振蕩頻率的選頻網(wǎng)絡和維持振蕩的正反饋放大器組成,這就是反饋振蕩器。按照選頻網(wǎng)絡所采用元件的不同，正弦波振蕩器可分為LC振蕩器、RC振蕩器和晶體振蕩器等類型。其中LC振蕩器和晶體振蕩器用于產(chǎn)生高頻正弦波。正反饋放大器既可以由晶體管、場效應管等分立器件組成，也可由集成電路組成。LC振蕩器中除了有互感耦合反饋型振蕩器之外，其最基本的就是三端式（又稱三點式）的振蕩器。而三點式的振蕩器中又有電容三點式振蕩器和電感三點式振蕩器這兩種基本類型。反饋振蕩器是一種常用的正弦波振蕩器， 主要由決定振蕩頻率的選頻網(wǎng)絡和維持振蕩的正反饋放大器組成。 按照選頻網(wǎng)絡所采用元件的不同， 正弦波振蕩器可分為LC振蕩器、RC振蕩器和晶體振蕩器等類型。本文介紹了高頻電感三點式振蕩器電路的原理及設計， 電感三點式易起振，調(diào)整頻率方便，可以通過改變電容調(diào)整頻率而不影響反饋系數(shù)。正弦波振蕩器在各種電子設備中有著廣泛的應用。根據(jù)所產(chǎn)生的波形不同，可將振蕩器分成正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器兩大類。前者能產(chǎn)生正弦波，后者能產(chǎn)生矩形波、三角波、鋸齒波等。在此次的通信電子線路課程設計中，我選做的是電感三點式振蕩設計，通過為時一周的上機實驗，我學到了很多書本之外的知識，在老師的指導下達到實驗設計的要求指標，并且完成了低頻、中頻到高頻的過渡，同時利用傅里葉變換分析產(chǎn)生的振蕩波形。希望此次的課程設計能夠得到老師的認可與肯定。二零一五年七月中南大學通信電子線路電感三點式振蕩器設計目 錄一、課程設計的目的 2二、課程設計的基本要求 2三、課程設計題目及指標 2四、理論基礎 34.1振蕩器 34.2三點式振蕩器原理及分類 34.3電感三點式（哈特萊）振蕩器 44.4振蕩器工作原理 5五、振蕩條件 65.1自激振蕩建立的過程 65.2自激振蕩器的電路構(gòu)成 75.3振蕩器的起振條件 75.4振蕩器的平衡條件 75.5振蕩器平衡狀態(tài)的穩(wěn)定條件 85.6振蕩器三類條件總結(jié) 95.7振蕩器的頻率穩(wěn)定 9六、電路設計 116.1設計概述 116.2電感振蕩部分 116.3輸出緩沖級部分 13七、電路調(diào)試 147.1電路調(diào)試概述 147.2晶體管選擇 147.3直流饋電線線路調(diào)試 147.4振蕩回路調(diào)試 157.5問題總結(jié) 17八、實驗仿真演示 188.1低頻時仿真試驗 18電路圖 18示波器波形顯示 18 R3C4參數(shù)設置 198.2中頻時仿真試驗 22電路圖 22波形圖 228.3高頻時仿真試驗 23電路圖 23波形圖 24九、結(jié)果分析 28十、心得體會 29十一、參考文獻 31附錄 321中南大學通信電子線路電感三點式振蕩器設計一、課程設計的目的通過課程設計，加強對高頻電子技術電路的理解，學會查尋資料﹑方案比較，以及設計計算等環(huán)節(jié)。進一步提高分析解決實際問題的能力，創(chuàng)造一個動腦動手、獨立開展電路實驗的機會，鍛煉分析﹑解決高頻電子電路問題的實際本領， 真正實現(xiàn)由課本知識向?qū)嶋H能力的轉(zhuǎn)化； 通過典型電路的設計與制作，加深對基本原理的了解，增強自身的實踐能力。二、課程設計的基本要求1、培養(yǎng)根據(jù)需要選學參考書，查閱手冊，圖表和文獻資料的自學能力，通過獨立思考﹑深入鉆研有關問題，學會自己分析解決問題的方法。2、通過實際電路方案的分析比較，設計計算﹑元件選取﹑安裝調(diào)試等環(huán)節(jié)，初步掌握簡單實用電路的分析方法和工程設計方法。3、掌握常用儀表的正確使用方法，學會簡單電路的實驗調(diào)試和整機指標測試方法，提高動手能力。4、了解與課程有關的電子電路以及元器件工程技術規(guī)范，能按課程設計任務書的技術要求，編寫設計說明，能正確反映設計和實驗成果，能正確繪制電路圖。5、培養(yǎng)嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L和科學態(tài)度，逐步建立正確的生產(chǎn)觀點，經(jīng)濟觀點和全局觀點。三、課程設計題目及指標題目：電感三點式振蕩器的設計1、設計要求：設計一個電感三點式振蕩器2、主要技術指標：振蕩頻率為 20MHz，輸出信號幅度≥5V（峰-峰值）3、運行環(huán)境： Multisim12仿真軟件2中南大學通信電子線路電感三點式振蕩器設計四、理論基礎4.1振蕩器自激振蕩器是在無需外加激勵信號的情況下，能將直流電能轉(zhuǎn)換成具有一定波形、一定頻率和一定幅度的交變能量電路。振蕩器的種類很多，根據(jù)其波形不同，可分為兩大類，正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器。前者能產(chǎn)生正弦波，后者能產(chǎn)生矩形波、三角波、鋸齒波等。正弦波振蕩器根據(jù)其工作方式不同又可分為反饋型和負阻型振蕩器。反饋型振蕩器主要由決定振蕩頻率的選頻網(wǎng)絡和維持震蕩的正反饋放大器組成，按照選頻網(wǎng)絡所采用的元件不同，正弦波振蕩器可分為RC、LC振蕩器和晶體振蕩器等類型。LC振蕩器和晶體振蕩器用于產(chǎn)生高頻正弦波，RC振蕩器用于產(chǎn)生低頻正弦波。正反饋放大器既可以由晶體管、場效應管等分立元件組成，也可以由集成電路組成。這幾種電路中，以石英晶體振蕩器的頻率最穩(wěn)定， LC次之，RC電路較差。在本次設計實驗中，我們主要研究的是 LC振蕩器。采用LC諧振回路作為選頻網(wǎng)絡的反饋振蕩器統(tǒng)稱為 LC振蕩器，它可以用來產(chǎn)生幾十千赫到幾百千赫的正弦波信號。實際上，高頻正弦波振蕩器幾乎都是采用 LC回路進行選頻的。不過有些高頻正弦波振蕩器，如晶體振蕩器、壓控振蕩器、集成電路振蕩器等。LC振蕩器按其反饋網(wǎng)絡的不同，可分為互感耦合振蕩器、電感反饋式振蕩器和電容反饋式振蕩器。其中后兩種又稱為三點式振蕩器。三點式LC振蕩器有多種形式，主要有：電感三點式，又稱哈特萊振蕩器；電容三點式，又稱考畢茲振蕩器；串聯(lián)型改進電容三點式，又稱克拉潑振蕩器；并聯(lián)型改進電容三點式，又稱西勒振蕩器。4.2三點式振蕩器原理及分類三點式振蕩器是指 LC回路的三個端點與晶體管的三個電極分別連接而組成的一種振蕩器。 三點式振蕩器電路用電容耦合或自耦變壓器耦合代替互感耦合 ,可以克服互感耦合振蕩器振蕩頻率低的缺點 ,是一種廣泛應用的振蕩電路 ,其工3中南大學通信電子線路電感三點式振蕩器設計作頻率可達到幾百兆赫。根據(jù)具體元件選擇與接法的不同又可以分為電容三點式振蕩器（考畢茲振蕩器）與電感三點式（哈特萊振蕩器）兩種，其主要特點如下：電容三點式：反饋電壓中高次諧波分量很小，因而輸出波形好，接近正弦波。反饋系數(shù)因與回路電容有關，如果用改變回路的方法來調(diào)整振蕩頻率，必將改變反饋系數(shù)，從而影響起振。電感三點式：便于用改變電容的方法來調(diào)整振蕩頻率，而不會影響反饋系數(shù)，但是反饋電壓中高次諧波分量比較多，輸出波形差。4.3電感三點式（哈特萊）振蕩器電感三點式振蕩電路是指原邊線圈的3段分別接在晶體管的3極。其典型電路圖與交流等效電路圖如下圖所示：圖1電感三點式（哈特萊）振蕩電路圖2電感三點式振蕩器交流等效電路4中南大學通信電子線路電感三點式振蕩器設計該電路具有如下特點：1）易起振；2）.調(diào)節(jié)頻率方便。3）輸出波形較差。4.4振蕩器工作原理電感三點式振蕩器的原理電路如圖1所示，圖2是其交流等效電路。圖1中，Rb1、Rb2和Re為分壓式偏置電阻；Cb和Ce分別為隔直流電容和旁路電容；L1、L2和C組成并聯(lián)諧振回路，作為集電極交流負載。諧振回路的三個端點分別與晶體管的三個電極相連，符合三點式振蕩器的組成原則。由于反饋信號Uf由電感線圈L2取得，故稱為電感反饋三點式振蕩器。采用與電容三點式振蕩電路相似的方法可求得起振條件的公式為yfe1goegpFgie(1)F式中，各符號的含義仍與考畢茲振蕩器相同，只是反饋系數(shù) F的表達式有所不同，此處F定義如下：L2MF(2)L1M其中M12的互感系數(shù)。為L、L當線圈繞在封閉瓷芯的瓷環(huán)上時，線圈兩部分的耦合系數(shù)接近于 1，反饋系數(shù)F近似等于兩線圈的匝數(shù)比，即 F=N2/N1。振蕩頻率的近似為11f0(3)2LC2L1L22MC若考慮goe、gie的影響時，滿足相位平衡條件的振蕩頻率值為1(4)f02LCgoegpgieL1L2M2式中，L=L1+L2+2M。由式(4)可見，電感三點式振蕩器的振蕩頻率要比式(3)所示的頻率值稍低一些，goe、gie越大，耦合越松，偏低得越明顯。5中南大學通信電子線路電感三點式振蕩器設計五、振蕩條件5.1自激振蕩建立的過程反饋振蕩器是由反饋放大器演變而來。如圖 3所示，若開關撥向 S2時，該電路為調(diào)諧放大器，當輸入信號為正弦波 i時，放大器輸出負載互感耦合變壓器L2上的電壓為 f，調(diào)整互感M及同名端以及回路參數(shù)，可以使 i f。此時，若將開關K快速撥向S1點，則集電極電路和基極電路都維持開關 K接到“2”點時的狀態(tài)，即始終維持著與 i相同頻率的正弦信號。這時，調(diào)諧放大器就變?yōu)樽约ふ袷幤?。振蕩器在電源開關閉合的瞬間， 振蕩管的各極電流從零跳變到某一數(shù)值， 這種電流的跳變在集電極 LC振蕩電路中激起振蕩，由于選頻網(wǎng)絡是由 Q值很高的LC并聯(lián)諧振回路組成的，帶寬極窄，因而在回路兩端產(chǎn)生正弦波電 Uo，該電壓通過互感耦合變壓器同相正反饋到晶體管的基極回路，這就是最初的激勵信號。這種起始振蕩信號開始十分微弱，經(jīng)不斷地對它進行放大→選頻→反饋→再放大等多次循環(huán)，一個與振蕩回路固有頻率相同的自激振蕩便由小到大地增長起來。由于晶體管特性的非線性，振幅會自動穩(wěn)定到一定的幅度。這時，自激振蕩已經(jīng)建立，完成了將直流能量轉(zhuǎn)換為交流能量的過程。因此這種振蕩的幅度不會無限增長，而是達到到某一特定頻率后穩(wěn)定在一定的頻率范圍內(nèi)。圖3自激振蕩建立過程6中南大學通信電子線路電感三點式振蕩器設計5.2自激振蕩器的電路構(gòu)成由自激振蕩建立的過程知，反饋型自激振蕩器的電路構(gòu)成須由三部分組成：1）包含兩個（或兩個以上）儲能元件的振蕩回路。在這兩個元件中，當一個釋放能量時，另一個就接收能量。釋放與接收能量可以往返進行，其頻率決定于元件的數(shù)值。2）可以補充由振蕩回路電阻產(chǎn)生損耗的能量來源。在晶體管振蕩器中，這種能源就是直流電源VCC。3）使能量在正確的時間內(nèi)補充到電路中的控制設備。這是由有源器件（晶體管、集成塊等）和正反饋電路完成的。5.3振蕩器的起振條件反饋型正弦波振蕩器的起振條件包括：振幅起振條件 AF 1相位起振條件 A F 2nA為振蕩電路工作點處的電壓放大倍數(shù)， F為振蕩電路的反饋系數(shù)。圖4基本反饋環(huán)5.4振蕩器的平衡條件所謂平衡條件是指振蕩已經(jīng)建立，為了維持自激振蕩必須滿足的幅度與相位關系。振蕩器靜態(tài)工作點設計在甲類工作狀態(tài)，采用自給偏壓電路，如圖5隨著振蕩幅度的增加，振蕩管便由線性狀態(tài)很快過渡到甲、乙類乃至丙類的非線性狀態(tài)，這時放大器的增益會下降，最終達到平衡狀態(tài)。振蕩器的平衡條件包括：振幅平衡條件AF1相位平衡條件AF2n式中，A表示平均電壓放大倍數(shù)。7中南大學通信電子線路電感三點式振蕩器設計圖5起振過程中偏置電壓建立過程5.5振蕩器平衡狀態(tài)的穩(wěn)定條件所謂平衡狀態(tài)的穩(wěn)定條件即指在外因作用下，平衡條件被破壞后，振蕩器能自動恢復原來平衡狀態(tài)的能力。振蕩平衡條件只能說明振蕩能在某一狀態(tài)平衡，但還不能說明這一平衡狀態(tài)是否穩(wěn)定。平衡狀態(tài)只是建立振蕩的必要條件，但還不是充分條件。已建立的振蕩能否維持，還必須看平衡狀態(tài)是否穩(wěn)定。穩(wěn)定條件也分為振幅穩(wěn)定與相位穩(wěn)定兩種。（1）振幅平衡的穩(wěn)定條件形成穩(wěn)定平衡點的根本原因是在平衡點附近，放大倍數(shù)隨振幅的變化特性具有負的斜率，即A（5）0VomVomVomQ這個條件說明：在反饋型振蕩器中，放大器的放大倍數(shù)隨振蕩幅度的增強而下降，振幅才能處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)。工作于非線性狀態(tài)的有源器件（晶體管、電子管等）正好具有這一性能，因而它們具有穩(wěn)定振幅的功能。（2）相位平衡的穩(wěn)定條件所謂相位平衡的穩(wěn)定條件，是指相位平衡條件遭到破壞時， 線路本身能重新建立起相位平衡點的條件；若能建立，則仍能保持其穩(wěn)定的振蕩。外因引起的相位變化與頻率的關系是： 相位超前導致頻率升高，相位滯后導8中南大學通信電子線路電感三點式振蕩器設計致頻率降低，頻率隨相位的變化關系可表示為：0 （6）為了保持振蕩器相位平衡點穩(wěn)定，振蕩器本身應該具有恢復相位平衡的能力。在振蕩頻率發(fā)生變化的同時， 振蕩電路中能夠產(chǎn)生一個新的相位變化， 以抵消由外因引起的 變化，因而二者符號相反。即相位平衡穩(wěn)定條件是諧振回路的相頻特性曲線在工作頻率附近具有負的斜率，即：0 （7）事實上，并聯(lián)諧振回路的相頻特性正好具有負的斜率，因而 LC并聯(lián)諧振回路不但是決定振蕩頻率的主要角色，而且是穩(wěn)定振蕩頻率的機構(gòu)。5.6振蕩器三類條件總結(jié)以上分析了反饋型自激振蕩器起振條件、平衡條件、穩(wěn)定條件，現(xiàn)將其總結(jié)對比如下：表一振蕩器三類條件總結(jié)幅度條件相位條件起振(由靜到動)AF1AF2n平衡(振幅恒定)AF1AF2n穩(wěn)定(維持平衡)A0環(huán)路0Vom5.7振蕩器的頻率穩(wěn)定（1）頻率穩(wěn)定度定義頻率穩(wěn)定是指在各種外界條件發(fā)生變化的情況下， 要求振蕩器的實際工作頻率與標稱頻率間的偏差及偏差的變化最小。評價振蕩器頻率的主要指標有兩個：準確度與穩(wěn)定度。振蕩器的實際工作頻率 f與標稱f0之間的偏差，成為振蕩頻率的準確度。絕對準確度 f f f09中南大學通信電子線路電感三點式振蕩器設計相對準確度fff0f0f0振蕩器的頻率穩(wěn)定度是指在一定時間間隔內(nèi)，由于各種因素變化，引起的振蕩相對于標稱頻率變化的程度。頻率穩(wěn)定度 的定義為： fmaxf02）影響頻率穩(wěn)定度的因素①振蕩回路參數(shù)對頻率的影響因為振蕩頻率01，顯然，當LC變化時必然引起振蕩頻率的變化。LC若L、C的變化量為LC，則可求頻率變化量為：0L0C10(LC)LC2LC②回路品質(zhì)因數(shù)Q對頻率的影響由并聯(lián)諧振回路的相頻特性知，Q值越高，則相同相角變化引起頻率偏移越??；如Q1Q2，則頻率偏移量YF，則頻率偏離兩0102，提高了頻率穩(wěn)定度。有源器件參數(shù)對頻率的影響振蕩管為有源器件，若它的工作狀態(tài)（電源電壓或周圍溫度等）有所改變，則由于此時晶體管參數(shù) h與hi將發(fā)生變化，即引起振蕩器頻率的改變。（3）振蕩器穩(wěn)定頻率的方法根據(jù)以上對頻率不穩(wěn)定因素的分析可知， 要提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度，則應減小 0，即提高回路的標準性，提高回路Q值，減小外因引起的相角變化 YF。具體有如下幾種實現(xiàn)方法。①減小外因變化，根除“病因”②提高回路的標準性所謂回路的標準性，即指振蕩回路在外界因素變化時保持其固有諧振頻率不變的能力。10中南大學通信電子線路電感三點式振蕩器設計減小相角 YF及其變化量 YF由 YF Z知，若 YF大，則要求 Z 大，才能滿足相位平衡，即意味著回路失諧嚴重。由前述可知，為使振蕩器的穩(wěn)定度高，則要求 YF的數(shù)值小，且變化量小。 YF Y F,Y是集電極電流基波分量與基極輸入電壓之間的相角，數(shù)值總是負的。理論和實踐都證明，Z隨工作頻率的升高基本上成正比的增大。除此之外，在高頻工作時，發(fā)射極電流產(chǎn)生的負脈沖，以及振蕩波形失真都會是相角YF增大。為了減小Y，可使振蕩器的工作頻率比振蕩器的特性頻率低很多，即f fT。六、電路設計6.1設計概述本次設計的電路主要由電感振蕩電路部分與輸出緩沖級部分構(gòu)成。電感振蕩電路部分振蕩器有基本放大器、選頻網(wǎng)絡和正反饋網(wǎng)絡三個部分組成；輸出緩沖級是在電路的輸出端加一射極跟隨器。基本放大器和射極跟隨器都是由晶體三極管2N2222構(gòu)成。6.2電感振蕩部分圖6電感振蕩部分原理圖11中南大學通信電子線路電感三點式振蕩器設計電感振蕩電路部分振蕩器有基本放大器、 選頻網(wǎng)絡和正反饋網(wǎng)絡三個部分組成。?如圖所示，反饋電壓Uf是由電感L2上獲得，晶體管的三個電極分別與回路電感的三個端點相連接，故稱之為電感三點式振蕩器。電路中集電極饋電采取串聯(lián)饋電方式，基極采用并聯(lián)饋電方式，Rb1、Rb2和Re為分壓式偏置電阻；Cb和Ce分別為隔直流電容和旁路電容；L1、L2和C組成并聯(lián)諧振回路，作為集電極交流負載。為了維持震蕩，放大器的環(huán)路增益應該等于 1，即AF 1，因為在諧振頻率上振蕩器的反饋系數(shù)為 L2/L1，所以維持振蕩所需的電壓增益應該是AL1/L2(8)采用與電容三點式振蕩電路相似的方法可求得反饋系數(shù)F的公式如下：FL2M(9)L1M其中M為L、L2的互感系數(shù)。當線圈繞在封閉瓷芯的瓷環(huán)上時，線圈兩部1分的藕合系數(shù)接近于1，反饋系數(shù)F近似等于兩線圈的匝數(shù)比，即FN2/N1。振蕩頻率的近似為11(10)f02(L1L2M)C2LC以上是對電感三點式振蕩電路的基本分析,由于要考慮到加入負載以后電感三點式振蕩器的一些失真情況，因此引入緩沖級部分來作為負載加以仿真對比。濾波網(wǎng)絡：濾除電源中的交流成分是外加電源中只含有直流成分，因為振蕩器所要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。放大網(wǎng)絡：放大網(wǎng)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(wǎng)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。選頻網(wǎng)絡：由電感及電容組成的選頻網(wǎng)絡分為兩類，一類是串聯(lián)諧振回路，另一類是并聯(lián)諧振回路，回路諧振時，電感線圈中的磁能與電能中的磁能周期性的轉(zhuǎn)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12中南大學通信電子線路電感三點式振蕩器設計的能量，以維持回路中的等幅振蕩。所以在串聯(lián)諧振時，回路中電流達到最大值，并聯(lián)諧振中，負載電壓達到最大值。正反饋網(wǎng)絡：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?shù)臋z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，使統(tǒng)偏差不斷增大，使系統(tǒng)振蕩，可以放大控制作用。正反饋網(wǎng)絡是電感反饋三點式振蕩網(wǎng)絡中比較重要的一個環(huán)節(jié)。6.3輸出緩沖級部分圖7輸出緩沖級部分輸出緩沖級是在電路的輸出端加一射極跟隨器，從而提高回路的帶負載能力。射極跟隨器輸入阻抗高，輸出阻抗低，電壓放大倍數(shù)略低于1，帶負載能力強，具有較高的電流放大能力，它可以起到阻抗變換和極間隔離的作用，因而可以減小負載對于振蕩回路的影響。輸出緩沖級完成對所產(chǎn)生的振蕩信號進行輸出，不管是并聯(lián)諧振正弦波晶體電路還是串聯(lián)諧振晶體電路，它們的帶負載都不是很強，負載值改變時可能造成振蕩器的輸出頻率變化，也可能影響振蕩器的輸出幅度，輸出緩沖級的作用就是提高整個振蕩器的帶負載能力，也就是使振蕩器的輸出特性不受負載影響，或影響較小。13中南大學通信電子線路電感三點式振蕩器設計七、電路調(diào)試7.1電路調(diào)試概述經(jīng)過反復摸索，基本掌握了反饋型三端式振蕩器的調(diào)試方法，依照：靜態(tài)工作點→電壓放大倍數(shù)A→反饋系數(shù)F這個次序調(diào)節(jié)。首先調(diào)節(jié)基極分壓偏置電阻和集電極電阻，保證晶體管工作在放大狀態(tài)，且保證集電極靜態(tài)工作點電流ICQ(1,5)mA，同時使交流電壓放大倍數(shù)A1，然后微調(diào)反饋系數(shù)F(1,1)，82使得兩者匹配AF 1。7.2晶體管選擇1）從晶體管兩個PN結(jié)的電壓來判別：發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏的是放大態(tài)（輸出電流正比于輸入電流）；兩個結(jié)都反偏的是截止態(tài)（電流很小，是漏電流）；兩個結(jié)都正偏的是飽和態(tài)（輸出電流只決定于電源電壓和負載電阻）。2）從伏安特性曲線上來判別：輸出電流恒定的范圍是放大區(qū)；輸出電流很小（電壓較高）的范圍是截止區(qū)；電壓很低（電流較大）的范圍是飽和區(qū)。結(jié)論：從穩(wěn)頻的角度出發(fā)，應選擇(特征頻率)較高的晶體管，這樣晶體管內(nèi)部相移較小。同時希望電流放大系數(shù)大些，這既容易振蕩，也便于減小晶體管和回路之間的耦合。因此，在本次設計中選取2N2222作為振蕩電路的三極管。該三極管的集電極電流最大值為800mA，在25℃時其功率可達到0.5W，最大集電極電壓可達30V，足夠滿足此次設計的各方面要求。7.3直流饋電線線路調(diào)試為保證振蕩器起振的振幅條件， 起始工作點應設置在線性放大區(qū)； 從穩(wěn)頻出發(fā)，穩(wěn)頻狀態(tài)應在截止區(qū)，而不應該在飽和區(qū)（因為飽和區(qū)的輸出電阻較?。?，否則回路的有載品質(zhì)因數(shù)QL將降低。所以，通常應將晶體管的靜態(tài)偏置點設置在小電流區(qū)，電路應采用自偏壓。同時為保證三極管能夠正常放大，要合理設置靜態(tài)偏置。14中南大學通信電子線路電感三點式振蕩器設計圖8電感三點式振蕩電路（1）在低頻電路調(diào)試中，正反饋部分采取《通信電子線路》中關于電感三點式的電路圖，設置相應的旁路電容，分壓電阻和保護電容等。如圖 8所示。首先調(diào)節(jié)偏執(zhí)電阻和集電極電阻阻值保證晶體管工作在方法狀態(tài)且集電極靜態(tài)工作點電流ICQ(1,5)mA，通過不斷調(diào)試電路得到最后取值為，30，Rb11.5Rb2Re 3.6 。2）在中頻電路調(diào)試中，由于電感三點式振蕩電路中可以通過改變電容的取值調(diào)節(jié)振蕩頻率，而不會改變反饋系數(shù)，因此改變電容C1300nF，可得到振蕩頻率約為7 Hz。（3）在高頻電路調(diào)試中，由于在改變振蕩回路電容取值后發(fā)現(xiàn)振蕩器并不能正常起振，因此在此次線路參數(shù)選擇中，直流饋電線路的參數(shù)取值應于振蕩回路參數(shù)取值結(jié)合起來，通過不斷的調(diào)試，最后選取Rb1 10k ，Rb2 10k ，VbRb2/(Rb1Rb2)VCC，VV0.7，VcVbVe，滿足發(fā)射級正偏，集電極反eb偏，三極管處于放大區(qū)。這部分具體方法將在振蕩回路選擇中詳細說明。7.4振蕩回路調(diào)試從穩(wěn)頻出發(fā)，振蕩回路中電容C應盡可能大，但C過大，不利于波段工作；電感L也應盡可能大，但L大后體積大，分布電容大，L過小，回路品質(zhì)因數(shù)過小，因此應合理選擇回路的C、L。在短波范圍內(nèi)，C一般取幾十至幾百皮法，L的大小取0.1至幾十微亨。此外，線圈的匝和匝之間、線圈與地之間、線圈與屏蔽盒之間以及線圈的層15Uf中含有較中南大學通信電子線路電感三點式振蕩器設計和層之間都存在分布電容。分布電容的存在會使線圈的等效總損耗電阻增大， 品質(zhì)因數(shù)Q降低。（1）低頻電路調(diào)試：在低頻電路調(diào)試中，首先設定C1值為1F，根據(jù)公式（3）計算出兩個電感取值之和約為2.25mH，為計算方便設定L1為2mH，L2為250H，但是在后續(xù)的調(diào)試中發(fā)現(xiàn)C1取值為1F時，電路失真嚴重，因此改變C1取值為2F，相應的電感L1L2取值改為上述數(shù)值的12。因此振蕩器振蕩電路部分電容電感取值確定為C12F，L11mH，L2125H，振蕩頻率約為3Hz。（2）中頻電路調(diào)試：在中頻電路調(diào)試中，由于電感三點式振蕩電路中可以通過改變電容的取值調(diào)節(jié)振蕩頻率，而不會改變反饋系數(shù)，因此改變電容C1 300nF，可得到振蕩頻率約為7 Hz。（3）高頻電路調(diào)試：在高頻電路調(diào)試中，也可通過采用上述方法僅改變電容取值，但是在高頻電路中存在一個問題：電感三點式正弦波振蕩器在很高振蕩頻率狀態(tài)下的反饋電壓中高次諧波分量較多，導致輸出波形差。輸出波形較差，是由于反饋電壓取自電感的兩端，而電感對高次諧波的阻抗較大，不能將它短路，從而使多的諧波分量，因此，輸出波形中也就含有較多的高次諧波。在這種情況下，單純改變電容取值后發(fā)現(xiàn)振蕩器并不能起振，因此將直流饋電線路參數(shù)取值與振蕩電路參數(shù)取值結(jié)合起來，一方面保證靜態(tài)工作點工作在放大區(qū)，另一方面保證振蕩頻率達到 20 Hz。按照“靜態(tài)工作點→電壓放大倍數(shù) A→反饋系數(shù)F”這個次序調(diào)節(jié)，最終發(fā)現(xiàn)L80F，L220F，C3620pF的1振蕩電路可以起振，但是輸出波形中仍然存有較多的高次諧波分量。 考慮到電容C5起到通交隔直的作用，因此可以減少輸入三極管的交流分量，改變電容 C5的取值發(fā)現(xiàn)可以稍微改善輸出波形，但并不能較大程度的減少高次諧波分量。16中南大學通信電子線路電感三點式振蕩器設計7.5問題總結(jié)在電路調(diào)試的過程中，出現(xiàn)了一下幾個主要問題，解決問題方法歸納如下：（1）振蕩器不起振:在沒有連線錯誤、靜態(tài)工作點亦正確的情況下，振蕩器不起振的主要原因是：相位平衡條件和振幅條件沒有滿足導致的。①檢查相位平衡條件是否滿足：即檢查電感、電容的位置是否合適；②檢查振幅條件是否滿足：如果靜態(tài)工作點比較低的話，晶體管的放大倍數(shù)較小，從而導致電路起振條件不滿足，此時，可以將工作點適當提高；如果是反饋系數(shù)過小的話，可適當調(diào)節(jié)反饋電路中元件參數(shù)的大小，但是要注意，如果反饋量過大的話，有可能導致波形不好，甚至引起電路不能起振。（2）振蕩器的波形不理想:當振蕩回路輸出的波形不理想，偏離正弦波形很遠時，可適當調(diào)節(jié)反饋量使耦合減弱，另一方面根據(jù)情況使回路的品質(zhì)因素得到提高，此時，要注意靜態(tài)工作點的選擇應當合理，振蕩器正常工作之后，晶體管不應當工作于飽和區(qū)。（3）起振時間較長：通過不斷改變參數(shù)后發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)R3C4的取值，可以改變靜態(tài)工作電流的大小，從而影響起振時間。R3減小，C4增大時，可以增大靜態(tài)工作電流的大小，不僅可以縮短起振時間，而且可以縮短起振到波形穩(wěn)定的時間。（4）輸出電壓峰峰值：針對輸出電壓峰峰值不滿足指標的問題，我最初采用的方法是調(diào)節(jié)電路參數(shù)，但是最終發(fā)現(xiàn)單純的改變電路參數(shù)需要考慮的條件過多， 在得到初步波形后稍微改變參數(shù)取值對波形影響較大， 因此最后采取在輸出端添加一個放大器的方法，既滿足了電壓峰峰值的指標，又可以最大程度的保留原直流饋電線路和振蕩回路參數(shù)的取值。17中南大學通信電子線路電感三點式振蕩器設計八、實驗仿真演示8.1低頻時仿真試驗電路圖電路圖：振蕩電路部分參數(shù)： C1 2uF，L1 1mH，L2 125uH，靜態(tài)工作點設置在放大區(qū)。示波器波形顯示如果在輸出端直接接示波器，由于示波器電容的影響，振蕩回路頻率將發(fā)生變化。為了減少示波器對振蕩回路的影響， 故加入射級跟隨器?？梢钥闯鲈陬l率低時幾乎無波形失真，波形穩(wěn)定，頻率穩(wěn)定。18中南大學通信電子線路電感三點式振蕩器設計分析：1）增大電容C1由2uF至10uF后，觀察仿真結(jié)果可發(fā)現(xiàn)輸出波形振蕩頻率降低，但是波形仍然平滑，接近標準正弦波，無明顯失真；2）減小電容C1由2uF至500nF后，觀察仿真結(jié)果可發(fā)現(xiàn)輸出波形振蕩頻率升高，但是波形仍然平滑，接近標準正弦波，同樣無明顯失真。結(jié)論：這證明了電感三點式正弦波振蕩器可以用改變電容的方法來調(diào)整振蕩頻率，而不會影響反饋系數(shù)。3C4參數(shù)設置經(jīng)調(diào)節(jié)參數(shù)可以得出：隨著射極偏置電阻R3的增大和C4的減小，發(fā)射射級靜態(tài)電流IEQ減小，起振時間變長。這說明在晶體管工作在放大狀態(tài)的情況下，其靜態(tài)工作點電流對起振的過程會產(chǎn)生影響，射極或者集電極電流變小時，不但起振時間變長，而且從起振到產(chǎn)生穩(wěn)定振蕩的時間也變長了。見下表：表二起振時間隨R3變化R33.6k10k15k25k50k100k時間0.028s0.040s0.053s0.083s0.158s0.334s19中南大學通信電子線路電感三點式振蕩器設計表三起振時間隨R3變化C4100nf200nf300nf600nf1200nf2400nf時間0.348s0.236s0.176s0.095s0.042s0.018s（1）R3=3.6k時波形如下圖所示2）R3=100k時波形如下圖所示20中南大學通信電子線路電感三點式振蕩器設計（3）C4=50uf時波形如下圖所示（4）C4=100nf時波形如下圖所示分析：R3越小，C4越大，射級靜態(tài)工作電流越大，起振時間時間越短，振幅越大。21中南大學通信電子線路電感三點式振蕩器設計8.2中頻時仿真試驗電路圖電路圖：振蕩電路部分參數(shù)： C1 300nF，L1 1mH，L2 125uH，靜態(tài)工作點設置在放大區(qū)。波形圖22中南大學通信電子線路電感三點式振蕩器設計上圖顯示，射級放大器加入后電壓未被放大，但波形失真減小，外層為未加放大器的波形，內(nèi)層為加入放大器輸出端的波形，驗證了射級放大器的作用。分析：在中頻的條件下，有較小的失真，此時射極跟隨器起到波形波形修正作用，觀察上圖兩個波形，可知：射極跟隨器無電壓放大功能，但在頻率大時有修整波形的作用，增大負載能力。加入緩沖級之后的仿真結(jié)果，可以看出正弦波明顯變得平滑，失真度變小。8.3高頻時仿真試驗電路圖23合電感三點式振蕩器的原則，因此整個電路就構(gòu)成了設計所需要的振蕩電路。由振蕩器的原理可以看出，振蕩器實際上是一個具有反饋的非線性系統(tǒng)，精確計算是很困難的，而且也是不必要的。因此，振蕩器的設計通常是進行一些設計考慮和近似估算，選擇合理的線路和工作點，確定元件的參數(shù)值，而工作狀態(tài)和元件的準確數(shù)值需要在調(diào)試中最后確定。波形圖分析：當電容C很小時，輸出頻率可以達到很高（20MHZ），但是輸出波形產(chǎn)生了越來越明顯的失真，如上圖所示。這說明電感三點式正弦波振蕩器在很高振蕩頻率狀態(tài)下的反饋電壓中高次諧波分量較多，導致輸出波形差。輸出波形較差，這是由于反饋電壓取自電感的兩端，而電感對高次諧波的阻抗較大，不能將它短路，從而使Uf中含有較多的諧波分量，因此，輸出波形中也就含有較多的高次諧波。24中南大學通信電子線路電感三點式振蕩器設計1）將參數(shù)帶入頻率計算公式可算得：F20.06MHz2）100nf的電容在起振時不穩(wěn)定，增大到200nf起振穩(wěn)定，起振時間縮短。（3）與前面的對振蕩器電路的分析一樣，上圖中的R1、R2和R3均為電路的偏置電阻，C1、C2分別為旁路電容和隔直流電容，而C3、L1和L2的連接方式也符中南大學通信電子線路電感三點式振蕩器設計頻率與振幅分析：在誤差允許的條件下，頻率達到23MHZ，峰峰值達到6.579V，均達到本次試驗設計的要求。傅里葉分析（1）選中輸出端7進行分析25中南大學通信電子線路電感三點式振蕩器設計（2）傅里葉變換圖分析：可以看出主要頻率集中在20MHZ，失真度很小，進一步驗證試驗合理與正確性。（3）起振的慢過程分析起振時刻在2.5us附近，下圖為傳遞 3.3us時刻電壓波形圖：26中南大學通信電子線路電感三點式振蕩器設計傳遞到0.008ms時刻的電壓波形圖如下，觀察分析可得波形穩(wěn)定時刻在4.0us左右，如下圖所示波形：分析：隨著時間的推移，傳遞到0.017ms時刻，電壓波形如下圖，采樣點很多，電壓和頻率穩(wěn)定，振幅大于5V，頻率穩(wěn)定在20MHZ，符合實驗設計要求。27中南大學通信電子線路電感三點式振蕩器設計九、結(jié)果分析1、原電路在無緩沖級時，即作為傳統(tǒng)哈特萊振蕩電路時也可以產(chǎn)生比較不錯的正弦振蕩波，但是有微小失真，且電壓較高，不符合最終要求。當增加緩沖級即在輸出端加上射極跟隨器之后， 振蕩波形振幅降低且失真被稍微修復， 證明射極跟隨器輸入阻抗高，輸出阻抗低，電壓放大倍數(shù)低于 1，帶負載能力強，具有較高的電流放大能力，可以起到阻抗變換和極間隔離的作用， 從而減小負載對于振蕩回路的影響。2、由于晶體管存在極間電容，對電感反饋振蕩器，極間電容與回路電感并聯(lián)，在頻率高時極間電容影響大，有可能使電抗的性質(zhì)改變，電感反饋振蕩器的工作頻率不能過高3、電感反饋振蕩器在改變頻率時，并不影響反饋系數(shù)，工作頻帶與電容反饋振蕩器相比較寬。4、電感三點式正弦波振蕩器在很高振蕩頻率狀態(tài)下的反饋電壓中高次諧波分量較多，導致輸出波形差。5、改變電容C的值，由100nF增加至200nF，即電容增大為原來的2倍，發(fā)現(xiàn)振蕩頻率略微降低，大概變?yōu)樵瓉淼?1/ 2。而51nF時的振蕩頻率大概為200nF時的2倍，滿足公式：f0

1 12 LC 2 L1 L2 2MC6、電容C增大與減小過程中出現(xiàn)的各種情況也與理論情況接近，故可以認為本次仿真在誤差允許的范圍內(nèi)是準確的。28中南大學通信電子線路電感三點式振蕩器設計十、心得體會通過本次課程設計，我學到很多東西，提高了我們的邏輯思維能力，使我們在高頻電路的分析與設計上有了很大的進步。加深了我們對晶體管放大電路與振蕩電路的認識，進一步增進了對一些常見電子器件的了解。尤其是正弦波振蕩器和LC振蕩器，還有高頻電感三點式正弦波振蕩器。在此次課程設計中，我尤其想要感謝的是我的指導老師趙老師， 在為期一周的時間里，趙老師一直都陪在我們身邊，耐心的給我們講解軟件使用中的問題，電路設計中的問題，參數(shù)的選擇問題等。對待每一個學生都盡職盡責， 對每一個同學提出的問題都會盡量幫助我們?nèi)ソ獯穑?我想每一個同學最后做出來的成果都有老師悉心教導融合其中。在此我想說，老師您辛苦了。當然這次高頻課程設計中僅有老師的幫助，自己不學會思考是不行的。它不僅提高了我們的邏輯思維能力，使我們在高頻電路的分析與設計上有了很大的進步，同時提高了我們獨立思考的能力，我們在設計電路時，遇到很多不理解的東西，有的通過查閱參考書弄明白，有的通過詢問老師，但由于時間和資料有限我們更多的還是獨立思考。我認為只有自己獨立思考后，才能真