改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器要點(diǎn)

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1、 課程設(shè)計(jì)報(bào)告 題 目: 改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器 學(xué)生姓名: *** 學(xué)生學(xué)號(hào): ******** 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 ] ** 師范學(xué)院電氣信息工程學(xué)院 2014 屆通信工程專業(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告

2、 改進(jìn)型電容三點(diǎn)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(hào)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(biāo)準(zhǔn)信 號(hào),以便測(cè)試各種電子設(shè)備和電路的電氣特性。 高頻信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)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

3、反饋振蕩器和電感反饋振蕩器。 同時(shí)為了提高振蕩器的穩(wěn)定度, 通過對(duì)電容三端式振蕩器的改進(jìn)可以得到克拉潑振蕩器和西勒振蕩器兩種改進(jìn)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(biāo)有長足進(jìn)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù),信號(hào)處理技術(shù)也廣泛引入通信電路的設(shè)計(jì)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(jī)實(shí)現(xiàn)少調(diào)整和不調(diào)整等優(yōu)點(diǎn), 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, 而直接將系統(tǒng)制作在芯片上,從而大大促進(jìn)了系統(tǒng)、 電路與工藝的結(jié)合。 正弦波振蕩器的作用

4、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(diǎn)式振蕩器的兩種改進(jìn)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(shí)不影響反饋系數(shù)等優(yōu)點(diǎn), 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(hào)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(lì)信號(hào),而是由本身的正反饋信號(hào)來代替。 當(dāng)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(duì)它進(jìn)行放大、選頻、反饋、再放大等多次循環(huán),最終形成自激振蕩,把輸 出信號(hào)的一部分再回送到輸入端做輸入信號(hào), 從

5、而就會(huì)產(chǎn)生一定頻率的正弦波信號(hào)輸出。 第 1 頁 ** 師范學(xué)院電氣信息工程學(xué)院 2014 屆通信工程專業(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 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(duì)各種電信號(hào)進(jìn)行放大的電子線路外,還需要有在沒有 激勵(lì)信號(hào)的情況下產(chǎn)生周期性振蕩信號(hào)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(lì)就能自動(dòng)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(hào)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

6、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(fù)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(gè)端點(diǎn)與晶體管的三個(gè)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(diǎn)式振蕩器 三點(diǎn)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(gè)電抗元件應(yīng) 為同性質(zhì)的電抗,

7、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 Z be 、 Z ce 與 Z bc 的性質(zhì)必須相反振蕩器才能起振。 設(shè): Z be 、 Z ce 、 Z bc 為純電抗元件 Vf Vbe-Veb Fv Vbe Xeb Vce X ce 負(fù)號(hào)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, X ce、X eb 必為同名電抗,而 X cb 須是 X ce 與 X eb 的異名電抗。

8、 第 2 頁 ** 師范學(xué)院電氣信息工程學(xué)院 2014 屆通信工程專業(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 1.3 電容三點(diǎn)式振蕩器 電容三點(diǎn)式的原理示意圖如下圖所示 圖 2 電容三點(diǎn)式振蕩器 由圖可見:與發(fā)射極連接的兩個(gè)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(zhǔn)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(dòng)信號(hào)。振蕩器電路中有一個(gè) LC 諧振回

9、路,具有選頻作用,當(dāng) 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(dòng)的信號(hào)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(shí), 導(dǎo)致晶體管進(jìn)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(dá)到平衡,此時(shí)振蕩幅度不再增大。 于是使振蕩器只有在某一頻率時(shí)才能滿足振蕩條件, 于是得到單一頻率的振蕩信號(hào)輸 出。 該振蕩器的振蕩頻率為: f0 1 C1 C2 , 反饋系數(shù) F 為: F C1 / C2 , 若要 2 LC1C2 它產(chǎn)生正弦波,滿足 F=1/2~1/8,太小或

10、者太大均不容易起振。一個(gè)實(shí)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(jìn)入飽和區(qū), 輸出阻抗降低使振蕩波形失真。 嚴(yán)重時(shí), 甚至使振蕩器停振。所以在實(shí)用中,靜態(tài)電流值一般取 Ico=0.5mA~4mA 。 電容三點(diǎn)式的優(yōu)點(diǎn)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(dá)到幾十赫茲到幾百赫茲的甚高波段范圍。 電路缺點(diǎn)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(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路設(shè)計(jì) 改進(jìn)型的電容三點(diǎn)式分為兩種:克拉潑振蕩器、西

11、勒振蕩器。 第 3 頁 ** 師范學(xué)院電氣信息工程學(xué)院 2014 屆通信工程專業(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 2.1 克拉潑振蕩器 電容三點(diǎn)式改進(jìn)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(diǎn)是在共基電容三點(diǎn)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

12、的耦合來提高振蕩回路的標(biāo)準(zhǔn) 性。使振蕩頻率的穩(wěn)定度得到提高。 因?yàn)?C5 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: f 0 1/ 2 LC 5 與基本電 容三點(diǎn)式振蕩電路相比,在電感 L 支路上串聯(lián)一個(gè)電容后有以下特點(diǎn): 1.振蕩頻率可改變不會(huì)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 C5 不能太小否則會(huì)導(dǎo)致停振,所以克拉破振蕩器頻率覆蓋率較小,僅達(dá) 1.2~1.4;為此,克拉潑振蕩器適合與做固定頻率振蕩器。

13、 第 4 頁 ** 師范學(xué)院電氣信息工程學(xué)院 2014 屆通信工程專業(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 2.2 西勒振蕩器 電容三點(diǎn)式改進(jìn)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(diǎn)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

14、 頻率為: f 0 1 , 西勒振蕩電路有以下特點(diǎn):振蕩幅度比較穩(wěn) L (C 4 C5 ) 2 定;振蕩頻率可以較高;頻率覆蓋率較大,可達(dá) 1.6~1.8,因而在一些短波超、短波 通信機(jī),電視接收機(jī)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: A F 2n 振幅平衡條件: AF 1 相位平衡條件: A F 2n 放大器電路由晶體三極管 2N222、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

15、 管等,本設(shè)計(jì)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(jì)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(hào)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。 第 5 頁 ** 師范學(xué)院電氣信息工程學(xué)院 2014 屆通信工程專業(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 3 改進(jìn)型電容三點(diǎn)式電路設(shè)計(jì) 3.1 改進(jìn)型電路選擇 不需外加輸入信號(hào),便能自行產(chǎn)生輸出信號(hào)的電路稱為振蕩器。 按照產(chǎn)生

16、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(fù)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(fù)阻式振蕩器, 就是利用正反饋有負(fù)阻特性的器件構(gòu)成的振蕩器, 在這種電路中, 負(fù)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(diǎn)式振蕩電路,電容三點(diǎn)式振蕩電路和石英晶體振蕩電路等。 本次設(shè)計(jì)我們采用的是電容三點(diǎn)式振蕩電路, 有與電容三點(diǎn)式振蕩電路有一些缺陷, 通過改進(jìn),得到了西勒振蕩器 西勒振蕩器的接入系數(shù)與克拉潑振

17、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(jì) 電路原理圖如下圖所示 圖 5 改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器原理圖 第 6 頁 ** 師范學(xué)院電氣信息工程學(xué)院 2014 屆通信工

18、程專業(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 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(diǎn)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(jí)。 3.3 靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置 合理選擇振蕩器的靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)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(diǎn)應(yīng)選在遠(yuǎn)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 I CQ 大約在 0.8mA~4mA 之間選 取,故本實(shí)驗(yàn)電路中: 選擇 ICQ=1.5mA , VC

19、Q =0.5V , =40 Rc VCC VCEQ 3K Re I CQ 則 為提高電路的穩(wěn)定性 Re 值適當(dāng)增大,取 Re =1 K , 則 Rc =2 K 又 VEQ VCQ RE 1.5mA* 1K 1.5V I BQ I CQ / 2

20、mA 40 0.05mA VEQ 0.7 , 取 4 K 取流過 Rb2 的電流為 10mA,則 Rb2 4.4K I BQ 可取 Rb1 =5 K ,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

21、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。 振蕩器工作頻率為: f 0 1 2 L (C 4 C 5 ) 當(dāng) f0=6MHz , L=10uH 本電路中,回路諧振頻率 f0 主要 C4 和 C5 決定,即 C 4 C 5 1 70 pf 2 2 4 f L 第 7

22、頁 ** 師范學(xué)院電氣信息工程學(xué)院 2014 屆通信工程專業(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 取 C4=30pf,C5 為 100pf 可調(diào)電容,因?yàn)橐裱? C2,C3》C4,C5, C2/C3=1/8~1/2 的條件,故取 C2=120pf, c3=560pf。 4 Mutisim10 系統(tǒng)仿真和調(diào)試 4.1 仿真軟件介紹 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(jí)的模擬 /數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)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

23、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(duì)電路進(jìn)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(jìn)行捕獲、仿真和分析新 的設(shè)計(jì),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(jì)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(jì)和測(cè)試 這樣一個(gè)完整的綜合設(shè)計(jì)流程。 4.2 系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn) 在 Multisim 軟件中繪制改進(jìn)型電容三點(diǎn)式 振蕩器的電路圖,并更改好各元件數(shù)值連接好虛擬

24、示波器和頻率計(jì),如下圖所 示: 圖 6 Multisim10 繪制的系統(tǒng)電路圖 第 8 頁 ** 師范學(xué)院電氣信息工程學(xué)院 2014 屆通信工程專業(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 其中起振電路示波器 XSC2 顯示波形如圖所示:

25、 圖 7 三點(diǎn)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(fù)載,在振蕩器后接上射極跟隨器以達(dá)到放大輸出信號(hào)和減小輸出內(nèi)阻的目的,使其能夠驅(qū)動(dòng) 100? 的負(fù)載。加上 100? 的負(fù)載后輸出波形如下圖所示 : 圖 8 加載 100? 負(fù)載后的波形輸出 第 9 頁 ** 師范學(xué)

26、院電氣信息工程學(xué)院 2014 屆通信工程專業(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 5 總結(jié) 5.1 設(shè)計(jì)小結(jié) 由加載 100? 負(fù)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,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(fù)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(jì)任務(wù)的需求。 5.2 設(shè)計(jì)體會(huì) 高頻電子線路的課程設(shè)計(jì)

27、看似簡單,實(shí)際深究起來卻相當(dāng)復(fù)雜。本次選題的三 點(diǎn)式看似十分簡單, 然而緩沖級(jí)的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)需要我們?nèi)ゲ殚嗁Y料和聯(lián)系各個(gè)知識(shí)點(diǎn)。 通過這次設(shè)計(jì)我對(duì)各種元件的識(shí)別和測(cè)試有了更深的了解, 對(duì)以前很少接觸的電感元件的色環(huán)識(shí)別也有了一定的認(rèn)識(shí)。 對(duì)課本 中寥寥頁的三點(diǎn)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(jìn)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(shí)的有限和自身的不足, 并且學(xué)會(huì)了 對(duì)資料的取舍和分析。 在整個(gè)課設(shè)過程中, 同學(xué)之間相互經(jīng)驗(yàn)的借

28、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(jìn)一步地熟悉了晶體管的應(yīng)用和具體使用方法, 增強(qiáng)了對(duì)實(shí)驗(yàn)的思考能力, 培 養(yǎng)了我細(xì)心的科學(xué)態(tài)度和不厭其煩的耐心。 同時(shí)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(jìn)一步發(fā)揚(yáng)優(yōu)點(diǎn),克服缺點(diǎn)。 我們?cè)趯W(xué)習(xí)理論知識(shí)的同時(shí)還要努力培養(yǎng)自己的動(dòng)手操作能力,對(duì)于通信工程 的我們更是如此, 通過這次課程設(shè)計(jì)我也看到了自己的差距, 今后會(huì)努力提高自己的動(dòng)手操作能力,以求真正領(lǐng)會(huì)各種專業(yè)知識(shí),為將來的工作打下良好的基礎(chǔ)。

29、 第 10 頁 ** 師范學(xué)院電氣信息工程學(xué)院 2014 屆通信工程專業(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 參考文獻(xiàn) [1] 吳友宇 . 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) . 清華大學(xué)出版社, 2009 [2] 謝家奎.電子線路非線性部分.高等教育出版社,2010 [3] 熊偉 .Mutisim7 電路設(shè)計(jì)及仿真應(yīng)用 . 清華大學(xué)出版社, 2005 [4] 黃志偉 . 基于 Multisim 2001 電子電路計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)與分析 . 電子工業(yè)出版社, 2004 [5] 康華光 .電子技術(shù)基

30、礎(chǔ)模擬部分 . 高等教育出版社 ,2005 附錄 器件清單 元器件 參數(shù) 數(shù)量 電容 30pF 1 電容 120pF 1 瓷片電容 10uF 2 電感 10uH 1 三極管 2N2222 1 三極管 2N222A. 1 電阻 1k? .. 7 電阻 30k? 1 電阻 100? 1 電阻 2k? . 1 電阻 4 k ? 1 電阻 5 k ? 1 電容 120pF 1 電容 560pF 1

31、 第 11 頁 ** 師范學(xué)院電氣信息工程學(xué)院 2014 屆通信工程專業(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 指導(dǎo)教師評(píng)語 指導(dǎo)教師簽字: 成績 年 月 評(píng)定 日 答辯小組評(píng)語 成績 答辯小組簽字: 評(píng)定 年 月 日 第 12 頁

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