改進型電容三點式振蕩器要點

1、課程設(shè)計報告題 目： 改進型電容三點式振蕩器 學(xué)生姓名： * 學(xué)生學(xué)號： * 系 別： 電氣信息工程學(xué)院 專 業(yè)： 通信工程 屆 別： 2014屆 指導(dǎo)教師： * 電氣信息工程學(xué)院制2013年3月 改進型電容三點式振蕩器學(xué)生：*指導(dǎo)教師：*電氣信息工程學(xué)院 通信工程專業(yè)前言高頻信號發(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者高頻標準信號，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，振蕩器的功能是產(chǎn)生標準的信號源，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。振蕩器主要分為晶體振蕩

2、器和LC振蕩器，LC振蕩器中的基本電路就是通常所說的三端式振蕩器，根據(jù)反饋網(wǎng)絡(luò)由電容還是電感完成的分為電容反饋振蕩器和電感反饋振蕩器。同時為了提高振蕩器的穩(wěn)定度，通過對電容三端式振蕩器的改進可以得到克拉潑振蕩器和西勒振蕩器兩種改進型的電容反饋振蕩器。高頻電子元器件，高頻集成電路的工藝技術(shù)指標有長足進步，并正在迅速的向多功能,高功率，模塊化，可集成和可編程的方向發(fā)展，且計算機輔助設(shè)計技術(shù)，信號處理技術(shù)也廣泛引入通信電路的設(shè)計中。集成電路具有體積小、功耗低、可靠性高、性能好以及易于使系統(tǒng)整機實現(xiàn)少調(diào)整和不調(diào)整等優(yōu)點，通信電路正迅速向急方向發(fā)展。系統(tǒng)集成它改變了用通用元、器件組裝電子系統(tǒng)的傳統(tǒng)方法，

3、而直接將系統(tǒng)制作在芯片上，從而大大促進了系統(tǒng)、電路與工藝的結(jié)合。正弦波振蕩器的作用是產(chǎn)生頻率穩(wěn)定、幅度不變的正弦波輸出?；陬l率穩(wěn)定度、反饋系數(shù)、輸出波形、起振等因素的綜合考慮，此次采用的是電容三點式振蕩器的兩種改進型振蕩器之一的西勒振蕩器，其具有輸出波形好、工作頻率高、改變電容調(diào)節(jié)頻率時不影響反饋系數(shù)等優(yōu)點，適用于寬波段、頻率可調(diào)的場合。西勒振蕩器由起能量控制作用的放大器、將輸出信號送回到輸入端的正反饋網(wǎng)絡(luò)以及決定振蕩頻率的選頻網(wǎng)絡(luò)組成。但沒有輸入激勵信號，而是由本身的正反饋信號來代替。當振蕩器接通電源后，即開始有瞬變電流產(chǎn)生，經(jīng)不斷地對它進行放大、選頻、反饋、再放大等多次循環(huán)，最終形成自激

4、振蕩，把輸出信號的一部分再回送到輸入端做輸入信號，從而就會產(chǎn)生一定頻率的正弦波信號輸出。1振蕩器的基本原理及其電路 1.1振蕩器的介紹在電子線路中，除了要有對各種電信號進行放大的電子線路外，還需要有在沒有激勵信號的情況下產(chǎn)生周期性振蕩信號的電子線路，這種電子線路就是振蕩器。 振蕩器是一種能量轉(zhuǎn)換器，它不需要外部激勵就能自動地將直流電源共給的功率轉(zhuǎn)換為制定頻率和振幅的交流信號功率輸出。振蕩器一般由晶體管等有源器件和某種具有選頻能力的無源網(wǎng)絡(luò)組成。 振蕩器的種類很多，根據(jù)工作原理可分為反饋型振蕩器和負阻型振蕩器，根據(jù)所產(chǎn)生的波形可分為正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器；根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)可分為LC振蕩器晶體振

5、蕩器RC振蕩器等。1.2振蕩器的基本原理 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，其示意圖如下圖所示圖1一般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、與的性質(zhì)必須相反振蕩器才能起振。 設(shè)：、為純電抗元件 負號表示產(chǎn)生180o相移與Vbe和E間的180o相移合成.為360o相移，滿足正反饋條件。 為此，Xce、Xeb必為同名電抗，而Xcb須是Xce與Xeb的異名電抗。1.3電容三點式振蕩器 電容三點式的原理示意圖如下圖所示 圖2電容三

6、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是，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，使放大器倍數(shù)減小，最后達到平衡，此時振蕩幅度不再增大。于是使振蕩器只有在某一頻率時才能滿足振蕩條件，于是得到單一頻率的振蕩信號

7、輸出。該振蕩器的振蕩頻率為：， 反饋系數(shù)F為：， 若要它產(chǎn)生正弦波，滿足F=1/21/8,太小或者太大均不容易起振。一個實際的振蕩電路，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Ico=0.5mA4mA。 電容三點式的優(yōu)點是振蕩波形好；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。 電路缺點是若調(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。2改進型電容三點式振蕩電路設(shè)計 改

8、進型的電容三點式分為兩種：克拉潑振蕩器、西勒振蕩器。2.1克拉潑振蕩器 電容三點式改進型克拉潑振蕩器如下圖所示圖3克拉潑振蕩器電路圖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C3。電路的振蕩頻率為：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點：1.振蕩頻率可改變不會影響反饋系數(shù)；2.振蕩幅度比較穩(wěn)定； 3.電路中的C5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

9、C5不能太小否則會導(dǎo)致停振，所以克拉破振蕩器頻率覆蓋率較小，僅達1.21.4；為此，克拉潑振蕩器適合與做固定頻率振蕩器。2.2西勒振蕩器 電容三點式改進型西勒振蕩器如下圖所示:圖4西勒振蕩器電路圖電路的特點是字克拉潑電路的基礎(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：, 西勒振蕩電路有以下特點：振蕩幅度比較穩(wěn)定；振蕩頻率可以較高；頻率覆蓋率較大，可達1.61.8，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： 該電路相位起振條件： 振幅平衡條件： 相位平衡條件： 放大器電路由晶體三極管2N

10、222、濾波電容、高頻旁置電容、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。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C2、C3、C4、L、C5組成，要求C2，C3>>C4，C5。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)，C3和晶體管構(gòu)成正反饋。3改進型電容三點式電路設(shè)計3.1改進型電路選擇 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

11、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。 本次設(shè)計我們采用的是電容三點式振蕩電路，有與電容三點式振蕩電路有一些缺陷，通過改進，得到了西勒振蕩器西勒振蕩器的接入系數(shù)與克拉潑振蕩器相同。西勒振蕩器的頻率改變主要通過改變C4完成，C4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C4改變，頻率變化較明

12、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。4.2電路原理圖設(shè)計 電路原理圖如下圖所示圖5改進型電容三點式振蕩器原理圖3.2電路結(jié)構(gòu) 上圖中的電路主要由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。3.3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0.8mA4mA之間選取，故本實驗電路中： 選擇ICQ=1.5mA , =0.5

13、V ， =40則 為提高電路的穩(wěn)定性值適當增大，取=1，則=2又 取流過Rb2的電流為10mA，則, 取4可取=5，這樣額定電流是2mA,滿足任務(wù)要求。4.3.振蕩回路元件確定 回路中的電抗元件分為電容C和電感L兩部分。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1/81/2。 振蕩器工作頻率為：當f0=6MHz , L=10uH本電路中，回路諧振頻率f0主要C4和C5決定，即 取C4=30pf,C5為100pf可調(diào)電容，因為要遵循C2,C3C4,C5， C2/C3=1/81/2的條件，故取C2=120pf，c3=560pf。4 Mutisim10系統(tǒng)仿真和調(diào)試4.1仿

14、真軟件介紹Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對電路進行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復(fù)雜內(nèi)容，這樣工程師無需懂得深入的SPICE技術(shù)就可以很快地進行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計，這也使其更適合電子學(xué)教育。通過Multisim和虛擬儀器技術(shù)，PCB設(shè)計工程師和電子學(xué)教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計和測試這樣一個完整的綜合設(shè)計流程。4.2

15、系統(tǒng)仿真實現(xiàn)在Multisim軟件中繪制改進型電容三點式振蕩器的電路圖，并更改好各元件數(shù)值連接好虛擬示波器和頻率計，如下圖所示：圖6 Multisim10繪制的系統(tǒng)電路圖其中起振電路示波器XSC2顯示波形如圖所示：圖7三點式振蕩器的輸出波形由圖可見振蕩器輸出波形比較理想，輸出頻率接近6MHz。為滿足任務(wù)要求加上100的負載，在振蕩器后接上射極跟隨器以達到放大輸出信號和減小輸出內(nèi)阻的目的，使其能夠驅(qū)動100的負載。加上100的負載后輸出波形如下圖所示：圖8加載100負載后的波形輸出5總結(jié)5.1設(shè)計小結(jié)由加載100負載的仿真結(jié)果，可以看出波形輸出器的波形輸出大體保持了原有波形，波形基本上為正弦波，

16、基本上無失真，所以波形的失真應(yīng)與緩沖器有關(guān)，可見單一的射極跟隨器無法完整的保持波形不變。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。5.2設(shè)計體會高頻電子線路的課程設(shè)計看似簡單，實際深究起來卻相當復(fù)雜。本次選題的三點式看似十分簡單，然而緩沖級的設(shè)計卻有很大的拓展空間。在這方面，參考資料顯得十分重要。課本上只是簡單的介紹西勒振蕩器的基本原理，而跟多的任務(wù)要求實現(xiàn)需要我們?nèi)ゲ殚嗁Y料和聯(lián)系各個知識點。 通過這次設(shè)計我對各種元件的識別和測試有了更深的了解，對以前很少接觸的電感元件的色環(huán)識別也有了一定的認識

17、。對課本中寥寥頁的三點式正弦波振蕩器工作原理和相關(guān)參數(shù)的關(guān)系也有了進一步的了解。在此次課設(shè)過程中，我深刻地感受到了自己理論知識的有限和自身的不足，并且學(xué)會了對資料的取舍和分析。在整個課設(shè)過程中，同學(xué)之間相互經(jīng)驗的借鑒也十分重要，往往也是成功的突破口。總之，通過這次課設(shè)我學(xué)習(xí)到了如何解決高頻線路中的相關(guān)困難，更進一步地熟悉了晶體管的應(yīng)用和具體使用方法，增強了對實驗的思考能力，培養(yǎng)了我細心的科學(xué)態(tài)度和不厭其煩的耐心。同時本次課設(shè)也暴露了我的很多不足，在今后的學(xué)習(xí)中，我將進一步發(fā)揚優(yōu)點，克服缺點。我們在學(xué)習(xí)理論知識的同時還要努力培養(yǎng)自己的動手操作能力，對于通信工程的我們更是如此，通過這次課程設(shè)計我也看到了自己的差距，今后會努力提高自己的動手操作能力，以求真正領(lǐng)會各種專業(yè)知識，為將來的工作打下良好的基礎(chǔ)。參考文獻1 吳友宇. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ). 清華大學(xué)出版社，20092 謝家奎電子線路非線性部分高等教育出版社，20103 熊偉.