高頻課設(shè)報(bào)告 - 通信電子線路課程設(shè)計(jì)——電容三點(diǎn)式正弦波振蕩器

1、目錄一 課程設(shè)計(jì)目的2二 課程設(shè)計(jì)題目2三 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容23.1 仿真設(shè)計(jì)部分23.1.1設(shè)計(jì)方案的選擇23.1.2振蕩器的原理概述33.1.3方案對(duì)比與選擇53.1.4電路設(shè)計(jì)方案73.1.5元器件的選擇93.1.6電路仿真93.1.7元器件清單123.2系統(tǒng)制作和調(diào)試133.2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)133.2.2系統(tǒng)制作153.2.3調(diào)試分析16四 課后總結(jié)和體會(huì)17參考文獻(xiàn)17一 課程設(shè)計(jì)目的 高頻電子線路課程是電子信息專業(yè)繼電路理論、電子線路(線性部分)之后必修的主要技術(shù)基礎(chǔ)課，同時(shí)也是一門工程性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程。課程設(shè)計(jì)是在課程內(nèi)容學(xué)習(xí)結(jié)束，學(xué)生基本掌握了該課程的基本理論和方法后，通過(guò)完成

2、特定電子電路的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試，培養(yǎng)學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)分析、解決實(shí)際問(wèn)題的能力，具有一定的獨(dú)立進(jìn)行資料查閱、電路方案設(shè)計(jì)及組織實(shí)驗(yàn)的能力。通過(guò)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力。二 課程設(shè)計(jì)題目1、模塊電路設(shè)計(jì)（采用Multisim軟件仿真設(shè)計(jì)電路）1）采用晶體三極管或集成電路，場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成一個(gè)正弦波振蕩器；2）額定電源電壓5.0V ，電流13mA; 輸出中心頻率 6 MHz （具一定的變化范圍）；2、高頻電路制作、調(diào)試 LC高頻振蕩器的制作和調(diào)試三 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容3.1 仿真設(shè)計(jì)部分3.1.1設(shè)計(jì)方案的選擇電容反饋式振蕩電路的基本電路就是通常所說(shuō)的三端式（又稱三點(diǎn)式）的振蕩器，即LC回路的三

3、個(gè)端點(diǎn)與晶體管的三個(gè)電極分別連接而成的電路，如圖2-0所示。由圖可見(jiàn)，除晶體管外還有三個(gè)電抗元件X1、X2、X3，它們構(gòu)成了決定振蕩器頻率的并聯(lián)諧振回路，同時(shí)構(gòu)成了正反饋所需的網(wǎng)絡(luò)，為此根據(jù)振蕩器組成原則，三端式振蕩器有兩種基本電路，如圖2-0所示。圖2-0中X1和X2為容性，X3為感性，滿足三端式振蕩器的組成原則，反饋網(wǎng)絡(luò)是由電容元件完成的，稱電容反饋振蕩器 圖2-1 三端式振蕩器基本電路電容反饋式振蕩電路的設(shè)計(jì)及原理分析 電路由放大電路、選頻網(wǎng)絡(luò)、正反饋網(wǎng)絡(luò)組成。總體設(shè)計(jì)方案框圖如下：ViV0選頻網(wǎng)絡(luò)放大電路正反饋網(wǎng)絡(luò)Vf 圖2-2 電容反饋式振蕩電路設(shè)計(jì)框圖3.1.2振蕩器的原理概述不需

4、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。 電感三點(diǎn)式振蕩器的電感線圈對(duì)高次諧波呈現(xiàn)高阻抗所以反饋帶中高次諧波分量較多輸出波形較差。本次設(shè)計(jì)要求我們采用的

5、是電容三點(diǎn)式振蕩電路，由于電容三點(diǎn)式振蕩電路有一些缺陷，通過(guò)改進(jìn)，得到了西勒振蕩器。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2.1所示：圖2.3 一般形式的三點(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，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(shuō)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(fù)號(hào)表示產(chǎn)生180o相移，與Vbe和Vce間的180o相移合成為360o相移，滿足正反饋條件。為此，Xce與Xeb必為同名電抗，而Xcb須是Xce與Xeb的異名電抗。電容三點(diǎn)式

6、的原理示意圖如下圖2.2所示：圖2.4 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(guò)程是：振蕩器接通電源后，由于電路中的電流從無(wú)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時(shí)，電路發(fā)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)振蕩幅度不在增大。于是使振蕩器只有在某一頻率

7、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：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(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=0.5mA4mA。電容三點(diǎn)式的優(yōu)點(diǎn)是：1)振蕩波形好；2）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)：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

8、不高。3.1.3方案對(duì)比與選擇改進(jìn)型的電容三點(diǎn)式分為兩種：克拉潑振蕩器、西勒振蕩器。 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3.1所示：圖3.1 克拉潑振蕩器電路電路的特點(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)定度得到提高。因?yàn)镃5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C5。電路的振蕩頻率為：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)：振蕩頻率可改變不會(huì)影響反饋系數(shù)；振蕩幅度比較穩(wěn)定；電路中的C5為可變電容，調(diào)整它即可以在

9、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)1.21.4；為此，克拉潑振蕩器適合與做固定頻率振蕩器。西勒振蕩器：電容三點(diǎn)式改進(jìn)型“西勒振蕩器”如下圖3.2所示：圖3.2 西勒振蕩器電路電路的特點(diǎn)是在克拉潑電路的基礎(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(diǎn)：1 .振蕩幅度比較穩(wěn)定；2 .振蕩頻率可以較高；頻率覆蓋率較大，可達(dá)1.61.8，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： 該電路相位起振條件： 振幅平衡條件：

10、 相位平衡條件： 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(lái)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。3.1.4電路設(shè)計(jì)方案電路選擇：根據(jù)上述對(duì)比可知，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(guò)改變C5完成，C5的改變并不影響接入系數(shù)p，因

11、而波段內(nèi)輸出較平穩(wěn)。而C5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。電路原理圖設(shè)計(jì)：電路原理圖如下圖4.1所示： 圖4.1 改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路原理圖電路結(jié)構(gòu)：圖4.1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)。由于西勒振蕩器的的輸出阻抗比較大，帶負(fù)載的能力不強(qiáng)，所以有必要加一個(gè)緩沖極，來(lái)提高電路的帶負(fù)載能力。緩沖極不具有放大作用，只是原倍數(shù)的將信號(hào)輸出給下一級(jí)。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

12、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大約在0.84mA之間選取，故本實(shí)驗(yàn)電路中：選擇=1.5mA =0.5V ， =40則 為提高電路的穩(wěn)定性值適當(dāng)增大，取=1，則=2又 1.5mA*1K=1.5V 取流過(guò)Rb2的電流為10，則 ，取4可取=5，這樣額定電流是2mA,滿足任務(wù)要求。3.1.5元器件的選擇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(guò)大或者過(guò)小，否則不容易起振，一般適宜1/81/2。振蕩器工作頻率為：當(dāng)LC振蕩時(shí)，=6MHz L=10H本電路中，回路諧振頻率主要由C4和C5決定，

13、即 取C4=30pf,C5為100pf可調(diào)電容，因?yàn)橐裱瑿2,C3>>C4,C5，C2/C3=1/81/2的條件，故取C2=120pf，C3=560pf。3.1.6電路仿真在Multisim軟件中繪制改進(jìn)型電容三點(diǎn)式正弦波振蕩器的電路圖，并更改好各元件數(shù)值連接好虛擬示波器，如下圖4.2所示： 圖4.2圖4.3 三點(diǎn)式振蕩器輸出波形如上圖4-2所示，得到了正弦波，說(shuō)明了電路起振了，并且得到了穩(wěn)定的波形，但是波形有一定的失真，是由于噪聲，溫度等的影響。 在西勒振蕩器接緩沖級(jí)示。圖4.4 加載100負(fù)載后的波形輸出和頻率上圖為通過(guò)緩沖器后加載100負(fù)載的波形輸出，大體保持了原有波形，波

14、形的失真應(yīng)與緩沖器有關(guān)，單一的射極跟隨器無(wú)法完整的保持波形不變。分析可見(jiàn)，緩沖級(jí)為射極跟隨器，該電路輸入阻抗高，可減小放大器從前級(jí)所取的信號(hào)電流；而輸出電阻低，可減小負(fù)載變動(dòng)對(duì)前級(jí)的影響?？捎蓤D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(guò)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。3.1.7元器件清單序號(hào)名稱型號(hào)數(shù)量1電阻1K12電阻2K13電阻3K14電阻4K15電阻10016電位器2K、10K、200K各1個(gè)7瓷片電容33nF18瓷片電容120pF19瓷片電容560pF110瓷片電容30pF111電解電容10uF/16V112可變電容100

15、pF113電感10uH114三極管2N222223.2系統(tǒng)制作和調(diào)試3.2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1放大電路選用共基電路共基放大電路與共射放大電路相比，高頻特性好，所以，本設(shè)計(jì)選用共基電路。高頻放大和振蕩電路選用、系列的高頻小功率三極管，屬硅型。本題中的振蕩三極管選用，其，。2振蕩管靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)計(jì)（1）估算電阻、的方法通常選，則有、，（2）估算電阻、的方法（?。Ｒ?yàn)?，又，且，所以，。因?yàn)椋?，。?）估算電容的方法作基極交流接地，一般應(yīng)滿足，當(dāng)較大時(shí)，取幾幾十歐姆。3主振回路的設(shè)計(jì)（1）電路形式：采用西勒振蕩電路，容易起振、波形好、穩(wěn)定度<,能滿足設(shè)計(jì)要求。（2）估算電容、的方法時(shí)，；時(shí)，。設(shè)

16、，則由，得。（）（3）估算電容、的方法選、（如果取幾十皮法，則、可以取幾百皮法至幾千皮法），且。4緩沖放大電路的設(shè)計(jì)在振蕩管和負(fù)載之間，接入一個(gè)緩沖放大電路，可選擇由固定分壓與自給偏壓相結(jié)合，具有穩(wěn)定工作點(diǎn)偏置電路的射極跟隨器。隔離級(jí)晶體管也選用三極管。 （1）估算偏置電阻、的方法（?。┥錁O跟隨器的電源電壓取值略大于最大輸出電壓與飽和電壓之和，考慮到非常小，所以，足夠了。設(shè)置在（負(fù)載線的中點(diǎn)）處，能取出最大輸出振幅，所以，。所以， ，取流過(guò)的電流為，則有，。（2）估算高頻耦合電容、的方法由高頻耦合電容形成的高通濾波器的截至頻率應(yīng)滿足：。在輸入耦合時(shí)，為源電阻與輸入電阻之和；在輸出耦合時(shí)，為輸出

17、電阻與負(fù)載電阻之和；振蕩回路的下限頻率。若振蕩頻率選為，可選取。5電源退耦電路的設(shè)計(jì)在電源上并聯(lián)小容量的電容和大容量的電容，能在很寬的頻率范圍內(nèi)降低電源對(duì)地的阻抗。小容量的電容要配置在電路的近鄰，減小電容引線長(zhǎng)度，降低引線本身阻抗；而大容量的電容不存在該問(wèn)題。3.2.2系統(tǒng)制作 3.2.3調(diào)試分析 振蕩頻率:10.4772MHz-11.4343MHz輸出電壓：0.6V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，由于改變頻率主要通過(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。四

18、 課后總結(jié)和體會(huì)對(duì)于電路的設(shè)計(jì)過(guò)程起初以為電容三點(diǎn)式振蕩器的設(shè)計(jì)比較煩瑣，有靜態(tài)工作點(diǎn)的要求，各電阻、電容值的設(shè)計(jì)，看起來(lái)較復(fù)雜。后來(lái)通過(guò)查資料，才了解到先要計(jì)算好各電阻的值，再根據(jù)各電容的作用，確定電容的值，畫出電路圖，慢慢變得簡(jiǎn)單。同樣，在這次課程設(shè)計(jì)中也遇到了不少問(wèn)題，首先電路的設(shè)計(jì)，查閱了不少資料，電容三點(diǎn)式雖然常見(jiàn)，但是要考慮到滿足任務(wù)書的要求，仍費(fèi)了一番波折；其次是電路的焊接，在焊完元件后檢查了一遍，便開始調(diào)試，后來(lái)發(fā)現(xiàn)焊接過(guò)程中有兩處線路焊接錯(cuò)誤，導(dǎo)致結(jié)果沒(méi)有出來(lái)，而一點(diǎn)一點(diǎn)排查的過(guò)程是比較痛苦的。經(jīng)過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，讓我對(duì)前面的路有了更多的信心，因?yàn)樵谶@個(gè)過(guò)程中，我學(xué)到了不少實(shí)用的東西，對(duì)于高頻電子電路有了更深層次的掌握，并且提高了獨(dú)立解決問(wèn)題的能力。雖然這次課程設(shè)計(jì)中我對(duì)電路進(jìn)行了仿真，進(jìn)一步熟悉了Multisim軟件的使用，對(duì)建立文件、繪