改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路設(shè)計(jì)

1、改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路設(shè)計(jì)院系:通信與電子工程學(xué)院班級(jí):電子083姓名:吳敏學(xué)號(hào):2008231243指導(dǎo)教師:秦陽(yáng)完成日期：2012年6月27日摘要高頻信號(hào)發(fā)生器主要用來(lái)向各種電子設(shè)備和電路提供高頻能量或高頻標(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，故電路主要是由高頻振蕩電路構(gòu)成。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(lèi)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(xiàn)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。本次課設(shè)設(shè)計(jì)了改進(jìn)型電容三點(diǎn)式高頻振蕩器， 介紹了設(shè)計(jì)步驟，比較了各種設(shè) 計(jì)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)了不同振蕩器

2、的性能特征。使用 Protel2004DXP制作PCB板。 使用實(shí)驗(yàn)要求的電源和頻率計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。關(guān)鍵詞：電容三點(diǎn)式、西勒電路、Protel、印制電路板9第一章實(shí)驗(yàn)原理1.1振蕩的原理三點(diǎn)式LC正弦波振蕩器的組成法則（相位條件）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，而與晶體管集電極一基極相連的電抗元件應(yīng)與前者性質(zhì)相反。圖1-1所示為滿(mǎn)足組成法則的基本電容反饋LC振蕩器共基極接法的典型電路。當(dāng)電路參數(shù)選取合適，滿(mǎn)足振幅起振條件時(shí)，電路起振。當(dāng)忽略負(fù)載電阻、晶體管參數(shù)及分布電容等因素影響 時(shí)，振蕩頻率fosc可近似認(rèn)為等丁諧振回路的固有振蕩頻率 f。，即fosc12

3、二，LC(D式中C近似等丁 C1與C2的申聯(lián)值C ：(2)C1 C2圖1-1電容反饋LC振蕩器由圖1-1所畫(huà)出的分析起振條件的小信號(hào)等效電路如圖1-2所示。圖1-2分析起振條件的小信號(hào)等效電路由圖1-2分析可知，振蕩器的起振條件為:式中g(shù)LRl / Re0re(3)1''1'-(g L ge)=gL - ng ennRe0為L(zhǎng)C振蕩回路的等效諧振電阻;電路的反饋系數(shù)(4)C1C1 C2由式（3）看出，由丁晶體管輸入電阻re對(duì)回路的負(fù)載作用，反饋系數(shù)kf并不是越大越容易起振，反饋系數(shù)太大會(huì)使增益 A降低，且會(huì)降低回路的有載Q值，使回路的選擇性變差， 振蕩波形產(chǎn)生失真，頻率

4、穩(wěn)定性降低；所以，在晶體管參數(shù)一定的情況下，可以調(diào)節(jié)負(fù)載和 反饋系數(shù)，保證電路起振。kf的取值一般在0.1 0.5之間。圖1所示的振蕩器，由丁晶體管各電極直接和振蕩回路元件 L、C1、C2并聯(lián)，而晶體管 的極問(wèn)電容（主要是結(jié)電容）乂隨外界因素（如溫度、電壓、電流等）的變化而變化，因此 振蕩器的頻率穩(wěn)定性不夠高。為了提高振蕩器的頻率穩(wěn)定性，實(shí)際中更多的采用能夠減小晶 體管與回路之間耦合的改進(jìn)型電容反饋振蕩器。1.2電容三點(diǎn)式振蕩器電容三點(diǎn)式振蕩器的基本電路如圖1-3所示圖2-1電容三點(diǎn)式振蕩器由圖可見(jiàn)：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G和C2;與基極和集電極連接的為異性質(zhì)的電抗元件L

5、,根據(jù)前面所述的判別準(zhǔn)則，該電路滿(mǎn)足相位條件。其工作過(guò)程是：振蕩器接通電源后，由丁電路中的電流從無(wú)到有變化， 將產(chǎn)生脈動(dòng)信號(hào),因任一脈沖信號(hào)包含有許多不同頻率的諧波，因振蕩器電路中有一個(gè)LC諧振回路，具有選頻作用，當(dāng)LC諧振回路的固有頻率與某一諧波頻率相等時(shí)，電路產(chǎn)生諧振。雖然脈動(dòng)的信號(hào) 很微小，通過(guò)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(xiàn)性區(qū)域，產(chǎn)生自給偏壓，使放大器的放大倍數(shù)減小，最后達(dá)到平衡，即 AF=1 ,振蕩幅 度就不再增大了。丁是使振蕩器只有在某一頻率時(shí)才能滿(mǎn)足振蕩條件，丁是得到單一頻率的振蕩信號(hào)輸出。該振蕩器的振蕩頻率f。為：fo_ 1Ci C

6、2一 2二 LC1C2反饋系數(shù)F為:F ClC2若要它產(chǎn)生正弦波，必須滿(mǎn)足 F= 1/2-1/8 ,太小不容易起振，太大也不容易起振。一個(gè) 實(shí)際的振蕩電路，在F確定之后，其振幅的增加主要是靠提高振蕩管的靜態(tài)電流值。但是如 靜態(tài)電流取得太大，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I CO=0.5mA-4mA電容三點(diǎn)式振蕩器的優(yōu)點(diǎn)是：1）振蕩波形好。2）電路的頻率穩(wěn)定度較高。工作頻率可 以做得較高，可達(dá)到幾十MH刮幾白MH力勺甚高頻波段范圍。電路的缺點(diǎn)：振蕩回路工作頻率的改變，若用調(diào)G或G實(shí)現(xiàn)時(shí)，反饋系數(shù)也將改變。使振蕩器

7、的頻率穩(wěn)定度不高。第二早 改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路設(shè)計(jì)電容三點(diǎn)式課分為三種：考畢茲振蕩器、克拉潑振蕩器、西勒振蕩器2.1考畢茲振蕩器電容三點(diǎn)式振蕩器（乂稱(chēng)考畢茲振蕩器）如圖 2-1所示。10flnFR2 5：1kQR5圖2-1考畢茲振蕩器理論計(jì)算振蕩器的頻率為:f012 - : LC= 7MHZ波形如圖2-2所示從波形看出其震蕩極不穩(wěn)定，測(cè)試其波形頻率為 f全6.5MHz調(diào)解C1C2改變頻率時(shí)，反饋系數(shù)也改變。由丁極問(wèn)電容對(duì)反饋振蕩器的回路電抗均有影 響，所以對(duì)振蕩器頻率也會(huì)有影響。而極問(wèn)電容受環(huán)境溫度、電源電壓等因素的影響較大， 所以電容三點(diǎn)式振蕩器的頻率穩(wěn)定度不高。為克服共基電容三點(diǎn)式振蕩

8、器的缺點(diǎn)，可對(duì)其進(jìn) 行改進(jìn)，即克拉潑電路和西勒電路。時(shí)間輯通道月通道占蛾比例 |300gDiv比例V比例|5 g瞄行 |T日1外部IK位苜（0-v位宜曠Y位宜時(shí)電平 c -| Vfr/F 加裁 | b/a | ays |AC 1 Q | dcac o |dc" - |類(lèi)型1正裁標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)無(wú)1Ext Trigger r|應(yīng)示波器-XSC1XIJ4時(shí)間 (J.DODs通道H O-ODOV反向2.000 u£Z290V保存2.000 u$Z290¥T2-T1圖2-2考畢茲振蕩器輸出信號(hào)波形2.2申聯(lián)型改進(jìn)電容三端式振蕩器（克拉潑電路）4 Llk 300uHLi>zt

9、：10nF：:"R224. Q - M k- -R 1- - 1電容三點(diǎn)式改進(jìn)型“克拉潑振蕩器”如圖 2-3所示。圖2-3克拉潑振蕩電路電路特點(diǎn)是在共基電容三點(diǎn)式振蕩器的基礎(chǔ)上，用一電容C3,申聯(lián)丁電感L支路。功用主要是以增加回路總電容和減小管子與回路間的耦合來(lái)提高振蕩回路的標(biāo)準(zhǔn)性。使 振蕩頻率的穩(wěn)定度得以提高因?yàn)镃3為可調(diào)電容遠(yuǎn)小丁 C1或C2,所以電容申聯(lián)后的等效電容約為 C&電路的振蕩頻 率為：f。=1/2M與共基電容三點(diǎn)式振蕩器電路相比，在電感 L支路上申聯(lián)一個(gè)電容。但它有以下特點(diǎn):1、振蕩頻率改變可不影響反饋系數(shù)；2、振蕩幅度比較穩(wěn)定。3、電路中G為可變電容，調(diào)整它

10、即可在一定范圍內(nèi)調(diào)整期振蕩頻率。但C3不能太小，否則導(dǎo)致停振，所以克拉潑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作固定頻率的振蕩器。觀(guān)察到的振蕩波形如圖2-4所示圖2-4克拉波振蕩器輸出信號(hào)波形改進(jìn)后的電路波形比原電容三點(diǎn)式振蕩器穩(wěn)定度高了很多，這是因?yàn)榫w管一部分接入 的形式與回路連接，接入系數(shù) p越小，耦合越弱。減弱了晶體管對(duì)回路的影響。2.3西勒振蕩器電容三點(diǎn)式的改進(jìn)型“西勒振蕩器”如圖 2-5所示>>R1 >56kO :- la 3DOuHG5=：1：0uF：G4 -土 TOuFV1 :12 VCl*：1：ODpFC67T卜1nF2U222

11、2A4 C8R：24kOrC2 =：1：(H)pF圖2-5西勒振蕩器電路特點(diǎn)是在克 拉潑振蕩器的基礎(chǔ) 上，用一電容C4,并 聯(lián)丁電感L兩端。功 用是保持了晶體管與 振蕩回路弱藕合，振 蕩頻率的穩(wěn)定度高， 調(diào)整范圍大。電路的 振蕩頻率為：2特點(diǎn)：1.振蕩幅度比較穩(wěn)定；2.振蕩頻率可以比較高，如可達(dá)千兆赫；頻率覆蓋率比較大，可達(dá)1.6-1.8 ;所以在一些短波、超短波通信機(jī)，電視接收機(jī)中用的比較多。頻率穩(wěn)定度是振蕩器的一項(xiàng)十分重要技術(shù)指標(biāo)，它表示在一定的時(shí)間范圍內(nèi)或一定的溫 度、濕度、電壓、電源等變化范圍內(nèi)振蕩頻率的相對(duì)變化程度，振蕩頻率的相對(duì)變化量越小， 則表明振蕩器的頻率穩(wěn)定度越高。改善振蕩頻

12、率穩(wěn)定度，從根本上來(lái)說(shuō)就是力求減小振蕩頻率受溫度、負(fù)載、電源等外界 因素影響的程度，振蕩回路是決定振蕩頻率的主要部件。因此改善振蕩頻率穩(wěn)定度的最重要 措施是提高振蕩回路在外界因素變化時(shí)保持頻率不變的能力,這就是所謂的提高振蕩回路的 標(biāo)準(zhǔn)性。提高振蕩回路標(biāo)準(zhǔn)性除了采用穩(wěn)定性好和高Q的回路電容和電感外，還可以采用與正溫度系數(shù)電感作相反變化的具有負(fù)溫度系數(shù)的電容，以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償作用。輸出信號(hào)的幅值、頻率等用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)法測(cè)試，信號(hào)波形如圖2-6所示，調(diào)整G、G觀(guān)測(cè)震蕩信號(hào)的波形和頻率變化。圖2-6西勒振蕩器輸出信號(hào)波形第三章容三點(diǎn)式電路設(shè)計(jì)3.1電路選擇從以上的討論，分析不同振蕩電路的性能指標(biāo)及電路復(fù)雜

13、程度。采用西勒振蕩電路，因?yàn)槲骼照袷幤鞯慕尤胂禂?shù)與克拉潑振蕩器的相同，由丁改變頻率主要通過(guò)C4完成的，C4的改變并不影響接入系數(shù)p,所以波段內(nèi)輸 出較平穩(wěn)。而且C4改變，頻率變化較明顯，故西勒振蕩器的頻率覆蓋系數(shù)較大， 可達(dá) 1.61.8。3.2原理圖設(shè)計(jì)圖3-1改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路原理圖3.2.1 電路結(jié)構(gòu)總的電路結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。電路由三部分組成1三極管放大器；（起能量控制作用）2正反饋網(wǎng)絡(luò)；（由三點(diǎn)式回路組成）3選頻網(wǎng)絡(luò)；(由三點(diǎn)式回路的諧振特性完成選頻功能)3.2.2靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置合理地選擇振蕩器的靜態(tài)工作點(diǎn)， 對(duì)振蕩器的起振，工作的穩(wěn)定性，波形質(zhì) 量的好壞有著密切的關(guān)系。-般

14、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 靠近截止區(qū)的地方。0.8-4mA之間選取，選 I c(=2mA則有根據(jù)上述原則，一般小功率振蕩器集電極電流 故本實(shí)驗(yàn)電路中：V ce=6V6 =100I CQ大約在為提高電路的穩(wěn)定性因：UE=Icq Re 因：I BC=I C(/ &U CC - U CEQ 12 - 6Re Rc = = =3K"Icq2R值適當(dāng)增大，取Re=10則Rc= 2KQ貝U: U eq =2mA< 1K=2V貝U: I bq =2mA/100=0.02mA16一般取流過(guò)Rb2的電流為5-10I bq ,若取10IbqEVbQ因：Rb2=Vbq =V

15、eq 0.7I BQ則：2.7VRb2 = =13 .5K"0.2取標(biāo)稱(chēng)電阻12K?因:Vcc Rb1 =-VbqRb 2Rb112V 一2.7V12 K" = 41 .3K'JV BQ2.7 V3.2.3選管由丁局頻振蕩器的振蕩頻率較局,在選管時(shí)應(yīng)注意選超局頻小功率二極管。特征頻率fT也要比音頻振蕩管的要求高。通常選fT> (3-10) f0 (f0為振蕩器的中心 頻率)。fT局則管子的局頻性能好，晶體管內(nèi)部相移小，有利丁穩(wěn)頻。在周頻工 作時(shí)，振蕩器的增益仍較大，易丁起振。本次課設(shè)選用9014 NPN型號(hào)的晶體管, 滿(mǎn)足了振蕩器的頻率和功率要求。3.2.4振

16、蕩回路元件的確定回路中的各種電抗元件都可歸結(jié)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(yàn)先選定一種，而后按振蕩器工作頻率再計(jì)算出另一 種電抗元件量。從原理來(lái)講，先選定哪種元件都一樣，但從提高回路標(biāo)準(zhǔn)性的觀(guān) 點(diǎn)出發(fā)，以保證回路電容 Cp遠(yuǎn)大丁總的不穩(wěn)定電容 Cd原則，先選定Cp為宜 若從頻率穩(wěn)定性角度出發(fā)，回路電容應(yīng)取大一些，這有利丁減小并聯(lián)在回路上的 晶體管的極問(wèn)電容等變化的影響。但 C不能過(guò)大，C過(guò)大，L就小，Q值就會(huì)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)F=C1/C2,不能過(guò)大或過(guò)小，適宜1/81/2。因振蕩器的工作頻率為：if

17、o 一 2"LC當(dāng) LC 振蕩時(shí)，f0=4MHzL= 10 P H本電路中，貝U回路的諧振頻率fo主要由C4、C6決定，即11f =2二.LC 2二 L(C3 C4)有1C4 C6 = - 157 pf4二2f 2L取 C4 =75pf, C6=82pf,因要遵循 C2, C3>>C4,C6, C2/C3=1/8-1/2 的條件， 故取 C2=680pf,則 C3=680pf。對(duì)丁晶體振蕩，只需和晶體并聯(lián)一可調(diào)電容進(jìn)行微調(diào)即可。為了盡可能地減小負(fù)載對(duì)振蕩電路的影響，振蕩信號(hào)應(yīng)盡可能從電路的低阻抗 端輸出。例如發(fā)射極接地的振蕩電路，輸出宜取自基極；如為基級(jí)接地，則應(yīng)從 發(fā)射

18、極輸出。3.3印制PCB電路板使用Protel2004DXP完成原理圖的設(shè)計(jì)之后，可以生成 PCB電路板，本電路板采用自動(dòng)布線(xiàn)設(shè)計(jì)，電路板見(jiàn)圖3-2圖3-2改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路PCB圖3.3.1轉(zhuǎn)印、腐蝕、焊接電路板在Protel中選擇：文件頁(yè)面設(shè)置高級(jí)top Overlay隱藏所有元件。將 生成的線(xiàn)路圖（圖3-3）按照1: 1的比例打印在轉(zhuǎn)印紙上。圖3-3印制線(xiàn)路圖使用熱轉(zhuǎn)印機(jī)將圖3-3印制在環(huán)氧樹(shù)脂銅箔板上，使用FeCl3溶液進(jìn)行腐蝕 腐蝕之后按照焊點(diǎn)打孔，之后按照元件位置焊接相應(yīng)元件。第四章結(jié)論按照PCB電路板相應(yīng)的位置接入+12V電源，在C7的一端接頻率計(jì)，觀(guān)察 頻率計(jì)的讀數(shù)，可發(fā)

19、現(xiàn)振蕩頻率在 3.84.2MHz附近浮動(dòng)，在誤差允許范圍內(nèi)符 合本電路設(shè)計(jì)的4MHz的設(shè)計(jì)要求。振蕩電路接通電源后，有時(shí)不起振，或者在外界信號(hào)強(qiáng)烈觸發(fā)下才起振 （硬 激勵(lì)），在波段振蕩器中有時(shí)只在某一頻段振蕩，而在另一頻段不振蕩等。所有 這些現(xiàn)象無(wú)非是沒(méi)有滿(mǎn)足相位平衡條件或振幅平衡條件。如果在全波段內(nèi)不振 蕩，首先要看相位平衡條件是否滿(mǎn)足。對(duì)三端振蕩電路要看是否滿(mǎn)足對(duì)應(yīng)的相位 平衡判斷標(biāo)準(zhǔn)。此外，還要在振幅平衡條件所包含的各種因素中找原因。1、靜態(tài)工作點(diǎn)選的太小。2、電源電壓過(guò)低，使振蕩管放大倍數(shù)太小。3、負(fù)載太重，振蕩管與回路間耦合過(guò)緊，回路 Q值太低。4、回路特性阻抗p或介入系數(shù)pce太小，使回路諧振阻抗 Ro太低。5、反饋系數(shù)kf太小，不易滿(mǎn)足振幅平衡條件。但kf并非越大越好，應(yīng)適當(dāng) 選取。有時(shí)在某一頻段內(nèi)高頻端起振，而低頻端不起振，這多半是在用調(diào)整回路電 容來(lái)改變振蕩頻率的電路中，低端由于 C增大而L/C下降，致使寫(xiě)真阻抗降低 所起。反之，有時(shí)低端振高端不振，原因可