高頻課程設(shè)計_(LC正弦波振蕩器)

1、高頻電子線路課程設(shè)計報告設(shè)計題目：LC正弦波振蕩器專業(yè)班級學(xué) 號學(xué)生姓名指導(dǎo)教師教師評分目錄一、設(shè)計任務(wù)與要求.1二、總體方案.1三、設(shè)計內(nèi)容.43.1 LC振蕩電路工作原理.43.1.1構(gòu)成振蕩器的條件.43.1.2 由正反饋的觀點來決定振蕩的條件.43.1.3 振蕩器平衡和穩(wěn)定條件.53.1.4 LC三端式振蕩器相位平衡條件的判斷準(zhǔn).63.1.5 西勒電路工作原理.73.2仿真結(jié)果與分析.7 3.2.1各種條件下仿真波形圖.7 3.2.2 參數(shù)計算10四、電路制作和調(diào)試.11 4.1 元器件清單及參數(shù).11五、總結(jié).12六、主要參考文13LC正弦波振蕩器的設(shè)計一、 設(shè)計任務(wù)與要求：通過LC

2、正弦波振蕩器的設(shè)計進(jìn)一步鞏固高頻電子線路的相關(guān)知識，并在設(shè)計制作的過程中運(yùn)用并熟悉multisim10電子仿真軟件，在實踐的過程中培養(yǎng)我們發(fā)現(xiàn)問題，并利用所學(xué)知識或利用一切可以利用的資源解決問題的能力，掌握振蕩器的工作原理知識，設(shè)計一個LC正弦波振蕩器，要求該電路輸出穩(wěn)定的正弦波信號，輸出頻率可調(diào)范圍為10M20MHZ。二、 總體設(shè)計方案：三、LC振蕩電路采用三端式振蕩，其中包括電感反饋式哈特萊振蕩器、電容反饋式克拉潑振蕩器、改進(jìn)型電容反饋式西勒振蕩器。方案一：電感反饋式三端振蕩器哈特萊振蕩器Rb1ReLVTCbCeCL1L2VTL1L2CVCCRb2(a) 原理電路(b) 交流等效電路哈特萊

3、振蕩器其振蕩頻率為f=,式中L=+2M。優(yōu)點：由于L1與L2之間有互感存在，所以比較容易起振。其次是改變回路電容來調(diào)整頻率時，基本上不影響電路的反饋系數(shù)，比較方便。主要缺點：與電容反饋振蕩電路相比，其振蕩波形不夠好。這是因為反饋支路為感性支路，對高次諧波成高阻抗，故對于LC回路中高次諧波反饋較強(qiáng)，波形失真較大。其次是當(dāng)工作頻率較高時，由于L1和L2上的分布電容和晶體管的極間電容均并聯(lián)于L1與L2兩端，這樣反饋系數(shù)F隨頻率變化而改變。工作頻率越高，分布參數(shù)的影響越嚴(yán)重，甚至可能使F減小到滿足不了起振條件。方案二：電容反饋式三端振蕩器考畢茲振蕩器LLcL（a）原理電路（b）交流等效電路bce其中：

4、反饋系數(shù)F的表達(dá)式不考慮各極間電容的影響，這時諧振回路的總電容量C為C1、C2的串聯(lián)，即振蕩頻率的近似為優(yōu)點：輸出波形好，這是因為集電極和基極電流可通過對諧波為低阻抗的電容支路回到發(fā)射極，所以高次諧波的反饋減弱，輸出的諧波分量減小，波形更加接近于正弦波。其次，該電路中的不穩(wěn)定電容都是與該電路并聯(lián)的，因此適當(dāng)加大回路電容量，就可以減弱不穩(wěn)定因素對振蕩頻率的影響，從而提高了頻率穩(wěn)定度缺點：調(diào)節(jié)C1、C2改變頻率時，反饋系數(shù)也改變。由于極間電容對反饋振蕩器的回路電抗均有影響，所以對振蕩器頻率也會有影響?？死瓭娬袷幤鲌D(a) 為克拉潑振蕩器原理電路，(b)為其交流等效電路。它的特點是在前述的電容三點式

5、振蕩諧振回路電感支路中增加了一個電容C3，其取值比較小，要求C3<< C1，C3<< C2。(a) 原理電路(b) 交流等效電路VTC1C2LC3ReRb2CbRb1RcVCCLC3C1C2CieCoeVTCcb其中：先不考慮各極間電容的影響，這時諧振回路的總電容量C為C1、C2 和C3的串聯(lián)振蕩頻率為使式成立的條件是C1和C2都要選得比較大，優(yōu)點：C1和C2都要選得比較大，則C1、C2對振蕩頻率的影響顯著減小，那么與C1、C2并接的晶體管極間電容的影響也就很小了，提高了振蕩頻率的穩(wěn)定度。缺點：在振蕩范圍較寬時，輸出幅度不均勻，且頻率升高后不易起振，其主要用于固定頻率或

6、波段范圍較窄的場合。方案三：電容反饋式三端振蕩器西勒振蕩器VTLReCbRb1RcVCCLC3C1C2CbeCceVTC4(a) 原理電路(b) 交流等效電路C4C3C1C2Rb2西勒振蕩器圖是另一種改進(jìn)型的電容三點式振蕩器，稱為西勒振蕩器。它可以認(rèn)為是克拉潑電路的改進(jìn)電路。其主要特點就是在回路電感L兩端并聯(lián)了一個可變電容C4，而C3為固定值的電容器，且滿足C1、C2遠(yuǎn)大于C3，C1、C2遠(yuǎn)大于C4。回路的總等效電容為振蕩頻率優(yōu)點：這種振蕩器較易起振，振蕩頻率也較為穩(wěn)定，波形失真較小，當(dāng)參數(shù)設(shè)置得當(dāng)時，其頻率覆蓋系數(shù)較大?；谝陨戏治觯覀儧Q定選用方案三。三 、設(shè)計內(nèi)容3.1 LC振蕩器的基本

7、工作原理3.1.1 構(gòu)成一個振蕩器必須具備下列三個條件：1. 任何一個振蕩回路，包含兩個或兩個以上儲能元件。在這兩個儲能元件中，當(dāng)一個釋放能量時，另一個就接收能量。接收和釋放能量可以往返進(jìn)行，其頻率決定于元件的數(shù)值。2. 電路中必須要有一個能量來源，可以補(bǔ)充由振蕩回路電阻所產(chǎn)生的損耗。在電容三點式振蕩器中，這些能量來源就是直流電源。3. 必須要有一個控制設(shè)備，可以使電源在對應(yīng)時刻補(bǔ)充電路的能量損失，以維持等幅振蕩。這是由有源器件（電子管，晶體管或集成管）和正反饋電路完成的。3.1.2由正反饋的觀點來決定振蕩的條件利用正反饋方法來獲得等幅的正弦振蕩, 這就是反饋振蕩器的基本原理。反饋振蕩器是由主

8、網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)組成的一個閉合環(huán)路。其主網(wǎng)絡(luò)一般由放大器和選頻網(wǎng)絡(luò)組成, 反饋網(wǎng)絡(luò)一般由無源器件組成。當(dāng)振蕩器接通電源后，即開始有瞬變電流產(chǎn)生。這瞬變電流所包含的頻帶極寬，但由于諧振回路的選擇性，它只選出了本身諧振頻率的信號。由于正反饋作用，諧振信號越來越強(qiáng)，但它不可能無限制的增長，而是達(dá)到一定的數(shù)值后，便自動穩(wěn)定下來，即形成穩(wěn)定的振蕩。振蕩器的平衡條件當(dāng)反饋信號等于放大器的輸入信號時，振蕩電路的輸出電壓不再發(fā)生變化，電路達(dá)到平衡狀態(tài)。振蕩的平衡條件包括振幅平衡條件和相位平衡條件初始信號中，滿足相位平衡條件的某一頻率w0的信號應(yīng)該被保留，成為等幅振蕩輸出信號。然而，一般初始信號很微弱，很容易被干

9、擾信號淹沒，不能形成一定幅度的輸出信號。因此，起振階段要求起振條件3.1.3 振蕩器平衡狀態(tài)和穩(wěn)定條件上面所討論的振蕩平衡條件只能說明振蕩可能在在某一狀態(tài)平衡，但不能說明振蕩的平衡狀態(tài)是否穩(wěn)定。已建立的振蕩能否維持，還必須看平衡狀態(tài)是否穩(wěn)定振蕩器穩(wěn)定平衡的概念：振蕩器的穩(wěn)定平衡是指在外因作用下，振蕩器在平衡點附近可重新建立新的平衡狀態(tài)，一旦外因消失，它即能自動恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)。穩(wěn)定條件：振幅穩(wěn)定、相位穩(wěn)定要保證外界因素變化時振幅相對穩(wěn)定，就是要：當(dāng)振幅變化時，AF的大小朝反方向變化振幅平衡的穩(wěn)定條件相位平衡的穩(wěn)定條件3.1.4 LC三端式振蕩器相位平衡條件的判斷準(zhǔn)則在三點式電路中, 回路中

10、與發(fā)射極相連接的兩個電抗元件必須為同性質(zhì), 另外一個電抗元件必須為異性質(zhì)。這就是三點式電路組成的相位判據(jù), 或稱為三點式電路的組成法則。3.1.5 西勒電路工作原理VTLReCbRb1RcVCCLC3C1C2CbeCceVTC4(a) 原理電路(b) 交流等效電路C4C3C1C2Rb2接通電源后，電路中就產(chǎn)生了噪聲，噪聲中包含了豐富的頻率分量。輸入端的各噪聲分量經(jīng)過晶體管放大后，到達(dá)輸出負(fù)載回路。由于LC振蕩回路的Q值很高，帶寬很窄，因而只有振蕩頻率與LC回路固有頻率相同或接近的噪聲分量，才能在回路兩端產(chǎn)生較大的正弦波電壓V0,，其余的噪聲分量都被濾除。V0通過反饋網(wǎng)絡(luò)將其中一部分輸出反饋到晶

11、體管基極回路，這就是其實的激勵信號Vi。盡管這個起始信號比較微弱，但是由于不端對它放大選頻反饋再放大，循環(huán)往復(fù)，一個與LC回路固有頻率相同的自激振蕩信號，便由小到大產(chǎn)生。又由于晶體管的非線性，隨著振蕩幅度的增大，放大器會由最初的甲類工作狀態(tài)轉(zhuǎn)向甲乙類甚至乙類、丙類工作狀態(tài)，放大電路的增益逐漸下降，最終達(dá)到穩(wěn)定振蕩。3.2 電路仿真3.2.1各種條件下仿真波形圖西勒振蕩器仿真原理圖靜態(tài)工作點適當(dāng)時靜態(tài)工作點過高時靜態(tài)工作點過低時3.2.2 參數(shù)計算對于一般小功率自動穩(wěn)幅LC振蕩器，靜態(tài)工作點要遠(yuǎn)離飽和區(qū)，靠近截止區(qū)，以得到較大的輸出阻抗。一般根據(jù)具體電路和電源電壓大小集電極電流一般取14mA,在

12、實際偏置參數(shù)選定時，在可能條件下發(fā)射極偏置電阻盡可能取大一好。此處特取ICQ 2mA，UCEQ6V故 Rc+Re=(Vcc-UCEQ)/ICQ=(12-6)/2=3K取 Re=1K，Rc=2K參數(shù)選擇主要是根據(jù)滿足振蕩頻率，滿足起振條件并有足夠的振蕩幅度和規(guī)定的頻率穩(wěn)定性等因素加以考慮。若以頻穩(wěn)性角度出發(fā)回路電容應(yīng)取大一些，有利于減少并聯(lián)在回路上的管子極間電容等變化的影響。但C不能過大，C過大，L會變小，Q值會變低，振蕩幅度也會變小。為了解決頻穩(wěn)和振幅的矛盾，通常用部分接入。前已討論反饋系數(shù)F=C1/C2不能過大或過小，適宜1/81/2.由于因UEQ2×1=2V 所以 UBQ2.7V

13、所以 Rb1/(Rb2+Rb1)2.7，有Rb20.3Rb1若Rb2=R2取5K，Rb1則取15K,有先令L=1uH ,又有且f的取值范圍為10M20MHZ，計算得(C3+C4)min=63.4PF, (C3+C4)max=254PF,取C3=50PF，則C4min=13.4PF,C4max=204PF,則取C4=240PF的可變電容。因要滿足C1,C2>>C3,C4 ;C1/C2=1/81/2取C1=200PF,C2=510PFCb的確定：Cb提供交流等效通路，即Cb交流等效分析短路，故Cb取0.01F。四、電路制作與調(diào)試4.1 元器件清單及參數(shù)數(shù)量描述參考標(biāo)識封裝類型1RESI

14、STOR, 15kRb1Carbon Film1RESISTOR, 5kRb2Carbon Film1CAPACITOR, 10nFCb1RESISTOR, 1kReCarbon Film1RESISTOR, 3kRcCarbon Film1POWER_SOURCES, VCCVCCGeneric1CAPACITOR, 200pFC11CAPACITOR, 510pFC21POWER_SOURCES, GROUND0Generic1CAPACITOR, 50pFC31INDUCTOR, 1uHL11VARIABLE_CAPACITOR, 240pFC41BJTNPNQ1GenericTO-92

15、儀表：頻率計、示波器、探針五、總結(jié)本次設(shè)計要求是設(shè)計一個LC正弦波振蕩器，根據(jù)現(xiàn)在所掌握的相關(guān)知識，有兩大類可以選擇：一是采用電感反饋式三端振蕩器（哈特萊振蕩器）；二是采用電容反饋三段式振蕩器（考畢茲振蕩器）。但是由于電感反饋式三端振蕩器輸出波形失真比較大，所以傾向于選擇電容反饋式三端振蕩器，并在考慮考畢茲振蕩器缺點的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行了改進(jìn)，即為：克拉潑振蕩器。而后又對克拉潑振蕩器的優(yōu)缺點進(jìn)行了分析，并在分析的基礎(chǔ)上，又加以改進(jìn)，得出了最終方案：西勒振蕩器。根據(jù)西勒振蕩器的原理圖，我在mutisim10仿真軟件上畫出了其原理圖，并根據(jù)設(shè)計要求，適當(dāng)選擇了元器件，然后計算出各元器件的參數(shù)，隨后進(jìn)行仿真調(diào)試，得出最終波形數(shù)據(jù)。經(jīng)檢測，符合設(shè)計要求。建議另外需要注意的是：西勒電路中C3的大小對電路的性能有很大的影響，因為頻率調(diào)節(jié)是靠改變C4實現(xiàn)的，所以C3不能選擇太大，否則頻率就主要由C3和L決定，因而限制了頻率的可調(diào)范圍。同時，C3過大也不利于消除C0和Ci對頻率穩(wěn)定的影響。反之，C3選擇過小，介入系數(shù)P就會降低，振蕩幅度就會比較小。因此在設(shè)計時應(yīng)特別注意C3的取值.六、主要參考文獻(xiàn)【1】張肅文.高頻電子線路第五版北京：高等教育出版社2009.5【2】王連英.基