高頻課設(shè)_高頻電感三點式正弦波振蕩器

1、武漢理工大學(xué)課程設(shè)計說明書目錄摘要1Abstract2設(shè)計目的及任務(wù)要求21 設(shè)計目的及任務(wù)要求31.1 設(shè)計目的31.2 任務(wù)要求31.3 軟件簡介32 理論基礎(chǔ)42.1 振蕩器42.2 三點式振蕩器42.3 電感三點式（哈特萊）振蕩器52.4 振蕩器工作原理63 電路設(shè)計73.1 設(shè)計概述73.2 電感振蕩部分84 仿真結(jié)果105 結(jié)果分析13心得體會14參考文獻(xiàn)15摘要振蕩器是用來產(chǎn)生重復(fù)電子訊號（通常是正弦波或方波）的電子元件。其構(gòu)成的電路叫振蕩電路，能將直流信號轉(zhuǎn)換為具有一定頻率的交流電信號輸出。振蕩器的種類很多，按振蕩激勵方式可分為自激振蕩器、他激振蕩器；按電路結(jié)構(gòu)可分為阻容振蕩器

2、、電感電容振蕩器、晶體振蕩器、音叉振蕩器等；按輸出波形可分為正弦波、方波、鋸齒波等振蕩器。廣泛用于電子工業(yè)、醫(yī)療、科學(xué)研究等方面。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(yīng)用的振蕩電路, 其工作頻率可達(dá)到幾百兆赫。本文將圍繞高頻電感三點式正弦波振蕩器進(jìn)行具有具體功能的振蕩器的理論分析與設(shè)計。關(guān)鍵詞： 電感三點式 正弦波 振蕩器 緩沖級AbstractOscillator is used to generate repeated electric

3、al signals (typically a sine wave or square wave) of the electronic components. Its circuit configuration is called an oscillation circuit, capable of DC into AC electrical output signal having a certain frequency. Many types of oscillators, according to the oscillation excitation can be divided int

4、o self-excited oscillator, he excited oscillator; according to the circuit structure can be divided RC-oscillator, LC oscillator, crystal oscillator, the tuning fork oscillators; according to output waveform can be divided into sine wave, square wave, sawtooth oscillator. Widely used in the electron

5、ics industry, medical and scientific research.Refers to a three-point oscillator LC oscillator circuit three electrodes of the transistor's three terminals are connected and composed. Three-point oscillator circuit with capacitive coupling or coupling autotransformer replace mutual coupling can

6、be overcome by a low frequency oscillator coupled mutual disadvantage, is a widely used oscillator circuit, the operating frequency up to several hundred megahertz. This article will focus on high-frequency inductors three-sinusoidal oscillator oscillator has a specific function of the theoretical a

7、nalysis and design.Keywords: high-frequency inductors three-sinusoidal oscillator buffer stage1 設(shè)計目的及任務(wù)要求1.1 設(shè)計目的培養(yǎng)較為扎實的電子電路的理論知識及較強(qiáng)的實踐能力；加深對電路器件的選型及電路形式的選擇的了解；提高高頻電子電路的基本設(shè)計能力及基本調(diào)試能力；強(qiáng)化使用實驗儀器進(jìn)行電路的調(diào)試檢測能力。1.2 任務(wù)要求1、采用晶體三極管或集成電路、場效應(yīng)管構(gòu)成高頻電感三點式正弦波振蕩器；2、額定電源電壓5.0V ，電流13mA；輸出頻率 8 MHz （頻率具較大的變化范圍）；3、通過跳線可構(gòu)成

8、發(fā)射極接地、基極接地及集電極接地振蕩器；4、有緩沖級，在100歐姆負(fù)載下，振蕩器輸出電壓 1 V (D-P)；1.3 軟件簡介Proteus軟件是英國Lab Center Electronics公司出版的EDA工具軟件（該軟件中國總代理為廣州風(fēng)標(biāo)電子技術(shù)有限公司）。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前比較好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。雖然目前國內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機(jī)愛好者、從事單片機(jī)教學(xué)的教師、致力于單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PC

9、B設(shè)計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計平臺。利用Capture軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)繪制電路原理圖以及為制作PCB和可編程的邏輯設(shè)計提供連續(xù)性的仿真信息。OrCAD Capture作為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的PCB原理圖輸入方式，是當(dāng)今世界最流行的原理圖輸入工具之一，具有簡單直觀的用戶設(shè)計界面。不管是用于設(shè)計模擬電路、復(fù)雜的PCB、FPGA和CPLD、PCB改版的原理圖修改，還是用于設(shè)計層次模塊，OrCAD Capture都能為設(shè)計師提供快速的設(shè)計輸入工具。此外，OrCAD Capture原理圖輸入技術(shù)讓設(shè)計師可以隨時輸入、修改和檢驗P

10、CB設(shè)計。Cadence OrCAD Capture是一款多功能的PCB原理圖輸入工具。2 理論基礎(chǔ)2.1 振蕩器振蕩器是一種能自動地將直流電源能量轉(zhuǎn)換為一定波形的交變振蕩信號能量的轉(zhuǎn)換電路，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點主要分為RC，LC振蕩器和晶體振蕩器。其中采用RC網(wǎng)絡(luò)作為選頻移相網(wǎng)絡(luò)的振蕩器統(tǒng)稱為RC正弦振蕩器,屬音頻振蕩器；而采用LC振蕩回路作為移相和選頻網(wǎng)絡(luò)的正反饋振蕩器稱為LC振蕩器。至于晶體振蕩器，則是使用石英晶體作為主要諧振器件的振蕩器。在本次設(shè)計實驗中，我們主要研究的是LC三點式振蕩器。LC振蕩器可以分為如下幾類：變壓器耦合式：單管LC正弦振蕩器；差分對管LC正弦振蕩器；三點式：電容三點式

11、(考畢茲)振蕩器；電感三點式(哈特萊)振蕩器 ；改進(jìn)三點式：克拉潑振蕩器；西勒振蕩器；2.2 三點式振蕩器三點式振蕩器是指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(yīng)用的振蕩電路, 其工作頻率可達(dá)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(guān)，如果用該變回路的方法來調(diào)整振蕩頻率，必將改變

12、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。2.3 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個段分別接在晶體管的3個極。又稱為電感反饋式振蕩電路或哈特萊振蕩電路。其典型電路圖與交流等效電路圖如下圖所示：圖2.3.1-電感三點式（哈特萊）振蕩電路圖2.3.2-電感三點式振蕩器交流等效電路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。2.4 振蕩器工作原理電感三點式振蕩器的原理電路如圖2.3.1所示，圖2.3.2是其交流等效電路。圖2.3.2中， Rb1、Rb2和

13、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(fù)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 (1)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(dá)式有所不同，此處F定義如下： (2)其中M為L1、L2 的互感系數(shù)當(dāng)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 (3)若考慮goe、gie的影響時

14、，滿足相位平衡條件的振蕩頻率值為 (4)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。 以上是對電感三點式振蕩電路的基本分析，由于此次設(shè)計要根據(jù)要求加入跳線開關(guān)及緩沖級，使頻率具較大的變化范圍并在在100歐姆負(fù)載下，振蕩器輸出電壓 1 V (D-P)，因此還需要有一些輔助電路。3 電路設(shè)計3.1 設(shè)計概述本次設(shè)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(luò)和正反饋網(wǎng)絡(luò)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

15、極跟隨器都是由晶體三極管2N2222構(gòu)成，典型電路模型如下圖：圖3.1.1-電感振蕩電路部分3.2 電感振蕩部分圖3.2.1-電感振蕩電路模塊電感振蕩電路部分振蕩器有基本放大器、選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng)絡(luò)三個部分組成。 為了維持震蕩，放大器的環(huán)路增益應(yīng)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C1/C2，所以維持振蕩所需的電壓增益應(yīng)該是A=C2/C1電容三點式振蕩器的諧振頻率為 f0=1/2L(C1C2/(C1+C2) )/2在實驗中可通過測量周期T來測定諧振頻率，即f0=1/T放大器的電壓增益可通過測量峰值輸出電壓Vop和輸入電壓Vip來確定，即A=Vop/Vip 濾波網(wǎng)絡(luò):濾除電源

16、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(dá)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(luò)：放大網(wǎng)絡(luò)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(luò)對于靠近諧振頻率的信號，有較大的增益，對于遠(yuǎn)離諧振頻率的信號，增益迅速下降。 選頻網(wǎng)絡(luò)：由電感及電容組成的選頻網(wǎng)絡(luò)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(dá)到最大值，并

17、聯(lián)諧振中，負(fù)載電壓達(dá)到最大值。正反饋網(wǎng)絡(luò)：反饋，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(jìn)而影響系統(tǒng)功能的過程，即將輸出量通過恰當(dāng)?shù)臋z測裝置返回到輸入端并與輸入量進(jìn)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(luò)是電感反饋三點式振蕩網(wǎng)絡(luò)中比較重要的一個環(huán)節(jié)。3.4 整體電路整體電路原理圖如下：圖3.4.1-整體電路4 仿真結(jié)果圖4.1 仿真波形圖4.2 仿真波形 圖4.3 連線圖圖4.4 加邊框圖4.5 鍍銅5 結(jié)果分析 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。由于兩個電感間存在互感，

18、所以電感三點式正弦波發(fā)生器存在一定的失真，這是電感三點式的缺點，優(yōu)點在于可以通過調(diào)節(jié)電容來調(diào)節(jié)正弦波的頻率。此外，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(rèn)為本次仿真在誤差允許的范圍內(nèi)是準(zhǔn)確的。心得體會本次課程設(shè)計的題目是高頻電感三點式正弦波振蕩器的設(shè)計，主要應(yīng)用了高頻電子線路三點式振蕩器電路內(nèi)容。因為高頻的知識本來就不容易懂，所以查找資料和查閱基礎(chǔ)知識，花了很長的時間。這些都應(yīng)歸咎于自己基礎(chǔ)知識的匱乏。通過查找資料，結(jié)合書本中所學(xué)的知識，我最終完成了課程設(shè)計的內(nèi)容。把書中所學(xué)的理論知識和具體的實踐相結(jié)合，有利于我們對課本中所學(xué)知識的理解，并加強(qiáng)了我們的動手能力。這次設(shè)計讓我更好地掌握了常用元件的識別和測試，更加深刻地理解了課本知識。在此次做課程設(shè)計的過程中，我深深地感受到了自己所學(xué)到知識的有限和自身的不足，并且學(xué)會了對所找內(nèi)容