高頻正弦波振蕩器的設(shè)計(jì)

1、福建農(nóng)林大學(xué)東方學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程名稱：數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)題目：高頻正弦波振蕩器設(shè)計(jì)與仿真姓 名：系：計(jì)算機(jī)系專 業(yè)：電子信息工程年 級(jí)：學(xué) 號(hào)：指導(dǎo)教師：職 稱：2015年 12月 30日高頻正弦波振蕩器的設(shè)計(jì)目錄目錄1摘要：2一、設(shè)計(jì)要求3二、總體方案設(shè)計(jì)3三、工作原理說(shuō)明31、振蕩器概念32、靜態(tài)工作點(diǎn)的確定43、振蕩器的起振檢查44、高頻功率放大器55、電路設(shè)計(jì)原理框圖如圖1所示。5四、電路設(shè)計(jì)61、正弦波振蕩器的設(shè)計(jì)62、高頻功率放大器的設(shè)計(jì)9五、性能的測(cè)試111振蕩器振蕩頻率為2MHz112振蕩器振蕩頻率為4MHz113高頻功率放大器電路124輸出功率13六、結(jié)論、性價(jià)

2、比13七、課設(shè)體會(huì)及合理化建議14八、參考文獻(xiàn)14摘要：本次課程設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)課本知識(shí)的運(yùn)用，簡(jiǎn)單介紹了高頻正弦波振蕩器的設(shè)計(jì)方法，主要應(yīng)用LC振蕩電路產(chǎn)生正弦波，再經(jīng)高頻功率放大器進(jìn)行功率放大，并用仿真軟件進(jìn)行仿真，以及對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試，經(jīng)過(guò)反復(fù)的調(diào)試最終得到滿足課題要求的電路。關(guān)鍵詞：正弦波；振蕩器；高頻功率放大器。一、設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)要求：1. 選擇合適的高頻正弦波振蕩器形式；2. 從理論上分析振蕩器的各個(gè)參數(shù)及起振條件；3. 設(shè)計(jì)高頻振蕩器，選取電路各元件參數(shù)，使其滿足起振條件及振幅條件。主要技術(shù)指標(biāo)：電源電壓12V，工作頻率2M-4MHz，輸出電壓1V，頻率穩(wěn)定度較高。二、總體方案設(shè)計(jì) 該課

3、程設(shè)計(jì)主要涉及了振蕩器的相關(guān)內(nèi)容還有高頻功率放大器的內(nèi)容，正弦波振蕩器非常具有實(shí)用價(jià)值，通過(guò)該課題的研究，可以加深對(duì)振蕩器以及丙類高頻功率放大器的了解。三、工作原理說(shuō)明1、振蕩器概念 振蕩器主要分為RC，LC振蕩器和晶體振蕩器。其中電容器和電感器組成的LC回路，通過(guò)電場(chǎng)能和磁場(chǎng)能的相互轉(zhuǎn)換產(chǎn)程自由振蕩。要維持振蕩還要有具有正反饋的放大電路，LC振蕩器又分為變壓器耦合式和三點(diǎn)式振蕩器，現(xiàn)在很多應(yīng)用石英晶體的石英晶體振蕩器 ，還有用集成運(yùn)放組成的LC振蕩器。 振蕩器的作用主要是將直流電變交流電.它有很多用途.在無(wú)線電廣播和通信設(shè)備中產(chǎn)生電磁波.在微機(jī)中產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào).在穩(wěn)壓電路中產(chǎn)生高頻交流電.。

4、題目要求產(chǎn)生高頻正弦波，所以選用電容三點(diǎn)式電路，進(jìn)一步考慮從而選用并聯(lián)改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器（西勒電路），因?yàn)樗哂休敵霾ㄐ尾灰资д?，作為可變振蕩器使用非常方便，而且幅度平穩(wěn)，頻率穩(wěn)定性高，最高振蕩頻率可達(dá)百兆至千兆等特點(diǎn)。2、 靜態(tài)工作點(diǎn)的確定靜態(tài)工作點(diǎn)的確定直接影響著電路的工作狀態(tài)和振蕩波形的好壞。由于振蕩幅度穩(wěn)定下來(lái)后，電路必然工作到非線性區(qū)，也就是說(shuō)，可能進(jìn)入截止區(qū)，也可能進(jìn)入飽和區(qū)，靜態(tài)工作點(diǎn)偏高，易進(jìn)入飽和區(qū)實(shí)踐證明：當(dāng)晶體管進(jìn)入飽和區(qū)后，晶體管的輸出阻抗將急劇下降(由原來(lái)的線性工作區(qū)幾十千歐或幾百千歐下降為幾百歐姆)，使諧振回路Q值大為降低，不僅使振蕩波形嚴(yán)重失真，而且頻率穩(wěn)定度

5、大為降低，甚至停振，為了避免上述情況發(fā)生，一般小功率振蕩器將靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)計(jì)得遠(yuǎn)離飽合區(qū)而靠近截止區(qū)，所以，c取14mA之間(可調(diào)整風(fēng)確定)。3、振蕩器的起振檢查(1)用三用表檢查由于本振蕩電路采用基極自給偏置，起始工作點(diǎn)在晶體管的放大區(qū)，故發(fā)射極應(yīng)有正向偏置，接通電源后，調(diào)節(jié)電位器R ，使振蕩管的靜態(tài)電流lco=(14)nlA(可用測(cè)發(fā)射極電壓Ve來(lái)得知，Ico的大小)若 VbVe<0V可判定電路已起振，工作在丙類狀態(tài)，而且振蕩很強(qiáng)。若VbVe=0.4V，可斷定已起振，工作在甲乙類狀態(tài)，振蕩比較強(qiáng)。若VbVe=0.4-0.8V，工作狀態(tài)可能在甲類，但不能判定是否起振，需進(jìn)一步檢查。(2)

6、用高頻毫伏表檢查用高頻毫伏表接在振蕩器的輸出端，有讀數(shù)即有高頻電壓輸出，則起振，否則未起振。(3)用示波器檢查用示波器接于振蕩器的輸出端，如有高頻振蕩波形顯示，說(shuō)明起振，否則未起振。在實(shí)驗(yàn)室條件下，可應(yīng)用示波器檢查起振，因?yàn)槭静ㄆ鞑坏芘卸ㄊ欠衿鹫瘢€能觀察波形結(jié)構(gòu)，是否有失真及間歇振蕩現(xiàn)象，以致還可判斷是否有寄生振蕩產(chǎn)生。若用上述方法檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)振蕩器未起振，可從兩方面著手解決：(1)檢查 是否過(guò)小，難以滿足起振條件。(2)調(diào)整反饋系數(shù)的大小。4、高頻功率放大器 高頻功率放大器的主要作用是用小功率的高頻輸入信號(hào)去控制高頻功率放大器,將直流電源供給的能量轉(zhuǎn)換為大功率高頻能量輸出, 它主要應(yīng)用于

7、各種無(wú)線電發(fā)射機(jī)中。信號(hào)的放大實(shí)質(zhì)是能量的轉(zhuǎn)換，是將電源提供的直流電能轉(zhuǎn)換為交流信號(hào)電能。大功率的放大器，消耗功率大，所以效率的高低就變得非常重要，這不僅表現(xiàn)在放大器輸出相同功率時(shí)，高頻率工作可以節(jié)約直流電源的電能，還在于采用相同器件的條件下高效率工作可以輸出更大的功率，所以該電路選用丙類高頻放大器。將正弦波經(jīng)過(guò)高頻功率放大器振蕩電路將直流轉(zhuǎn)換為交流正弦波高頻功率放大器輸出采用互感耦合的方式5、電路設(shè)計(jì)原理框圖如圖1所示。 圖1 正弦波振蕩器原理框圖四、電路設(shè)計(jì)1、正弦波振蕩器的設(shè)計(jì) （1）、正弦波振蕩器電路如圖2所示。圖2 正弦波振蕩器電路圖 LC振蕩部分是由晶體管組成的電容三點(diǎn)式振蕩器，所

8、用改進(jìn)型電路既西勒電路，對(duì)交流短路，因此是基極接地（共集）電路。對(duì)于振蕩電路選擇共集組態(tài)主要考慮電容的改變來(lái)調(diào)節(jié)頻率，因?yàn)樽內(nèi)荻O管加反向偏置電壓和調(diào)制電壓，需要有公共接地點(diǎn)，通常選用共基電路在電路連接上比較方便，晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)由決定。即 綜上所述，可以取振蕩器的靜態(tài)工作點(diǎn)=1.4，設(shè)三極管60。得 為了提高電路的穩(wěn)定性，的值可適當(dāng)增大，取=，則。 所以 若取流過(guò)的電流 0.23則 所以 即 振蕩器的靜態(tài)工作電流通常選在（14）mA，偏大可使輸出電壓幅度增加，但波形失真加重。頻率穩(wěn)定度差，過(guò)小會(huì)使較小，起振困難。 諧振頻率的計(jì)算，為總電容，如果選擇遠(yuǎn)大于，遠(yuǎn)大于，則。根據(jù)題目要求振蕩器振蕩

9、頻率變化范圍=24MHz，所以取uH，pF，變化范圍是530pF.。（2）、頻率穩(wěn)定性 頻率穩(wěn)定度a頻率穩(wěn)定度發(fā)信機(jī)的每個(gè)波道都有一個(gè)標(biāo)稱的射頻中心工作頻率，用f0表示。工作頻率的穩(wěn)定度取決于發(fā)信本振源的頻率穩(wěn)定度。設(shè)實(shí)際工作頻率與標(biāo)稱工作頻率的最大偏差值為f，則頻率穩(wěn)定度的定義為 頻率穩(wěn)定度式中為K為頻率穩(wěn)定度。穩(wěn)頻措施為一是減少外界因素的變化。二是合理選擇元器件。例如，選擇fT高且性能穩(wěn)定可靠的振蕩管，不但有利于起振（因在振蕩頻率上較高），而且由于極間電容小，相移小，使振蕩頻率更接近回路的固有諧振頻率，有利于提高頻率穩(wěn)定度；選擇溫度系數(shù)小、Q值高的回路電感L（如在高頻瓷骨架上用燒滲銀法制成

10、的電感）和電容C，一方面使L和C在溫度改變時(shí)變化很小，振蕩頻率的變化也很小，另一方面由于Q值高，其頻率穩(wěn)定度也高；采用貼片元器件，可減小分布參數(shù)的影響，有利于振蕩頻率的穩(wěn)定。電路的相位特性應(yīng)該滿足這樣的條件：由某一頻率變化所引起的相位變化，兩個(gè)變化量的符號(hào)必須相反，才能使頻率趨于穩(wěn)定。用數(shù)學(xué)表示為寫成偏導(dǎo)數(shù)形式，則為（3）、振幅穩(wěn)定性在分析振蕩的產(chǎn)生過(guò)程中了解到：如果電路的環(huán)反饋系數(shù)AB>1，振幅增大，如果AB<1，振幅會(huì)衰減；若AB=1，則振幅維持不變。因此，當(dāng)電路中出現(xiàn)增幅現(xiàn)象時(shí)，必定滿足振幅條件下的AB>1。要使振幅不繼續(xù)增大而趨于穩(wěn)定，必須使電路的AB值隨振幅的增大而

11、減小，自動(dòng)調(diào)整到AB=1。與此相反，當(dāng)電路中出現(xiàn)減幅現(xiàn)象時(shí)，必定滿足在該振幅條件下的AB<1。要使振幅不繼續(xù)減小下去，必須使電路的AB值能隨振幅的減小而增大，自動(dòng)調(diào)整到AB=1。這就是說(shuō)，欲使振蕩器的振幅在發(fā)生某種變化時(shí)能自動(dòng)趨于穩(wěn)定，電路的反饋系數(shù)AB應(yīng)具有下述特性：振幅變化使AB值隨之變化，AB變化再次造成的振幅變化應(yīng)與原振幅變化相反。如果用數(shù)學(xué)式子表示既=負(fù)值寫成偏導(dǎo)數(shù)的形式為2、高頻功率放大器的設(shè)計(jì) 高頻功率放大器電路如圖3所示。圖3 高頻功率放大器電路圖（1）、確定放大器的工作狀態(tài)圖中的作用是得到基極偏壓，是直流供電電源的高頻旁路電容，用來(lái)使有用信號(hào)在供電電源兩端產(chǎn)生的電壓忽略

12、不計(jì)。為了獲得較高的效率和最大的輸出功率，選丙類放大器的工作狀態(tài)為臨界狀態(tài)，所以，。集電極輸出功率；所以諧振電阻；集電極基波電流振幅；集電極電流脈沖最大值；直流分量；直流功率；總效率；計(jì)算線圈砸數(shù)比 所以根據(jù)上面所得數(shù)據(jù)選擇可調(diào)式耦合線圈，把初級(jí)線圈電感設(shè)置為10uH，通過(guò)調(diào)節(jié)初級(jí)回路中的電容值以到達(dá)諧振頻率，并且設(shè)置初級(jí)與次級(jí)線圈匝數(shù)比為1.47:1。五、性能的測(cè)試1振蕩器振蕩頻率為2MHz 正弦波振蕩器的電路圖4所示，振蕩器振蕩頻率為2MHz時(shí)的示波器圖形和頻率計(jì)示數(shù)如圖5所示。圖4 正弦波振蕩器電路圖圖5 示波器和頻率計(jì)示數(shù)因?yàn)閮x器本身原因和計(jì)算的誤差，所以調(diào)節(jié)可變電容不能準(zhǔn)確使諧振頻率

13、達(dá)到4MHz。2振蕩器振蕩頻率為4MHz 同理可得振蕩器振蕩頻率為4MHz時(shí)的示波器圖形和頻率計(jì)示數(shù)。因?yàn)閮x器本身原因和計(jì)算的誤差，所以調(diào)節(jié)可變電容不能準(zhǔn)確使諧振頻率達(dá)到4MHz。3高頻功率放大器電路如圖7所示，當(dāng)高頻功率放大器的輸入信號(hào)是振蕩器輸出4MHz的正弦波時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)的大小，使LC回路達(dá)到諧振狀態(tài)，此時(shí)的電極輸出波形如圖8所示。 圖7 高頻功率放大器電路4輸出功率 測(cè)量高頻功率放大器耦合輸出電壓為182 根據(jù)公式 所以 滿足任務(wù)要求。六、結(jié)論、性價(jià)比經(jīng)過(guò)對(duì)該課題的通過(guò)該實(shí)驗(yàn)電路最后得到振蕩器諧振頻率范圍f0=24MHz并且是可調(diào)的， 高頻功率放大器輸出功率P500mW，效率70%。這

14、次設(shè)計(jì)的電路，主要由正弦波振蕩器和高頻功率放大器兩部分構(gòu)成。用到了許多以前所學(xué)的和本學(xué)期所學(xué)習(xí)的知識(shí)，綜合性比較強(qiáng)。由于實(shí)驗(yàn)儀器等原因，造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定誤差，但通過(guò)對(duì)比課程設(shè)計(jì)的要求，本次課程設(shè)計(jì)基本上達(dá)到了任務(wù)要求。七、課設(shè)體會(huì)及合理化建議通信基本電路是上學(xué)期學(xué)的課程，由于時(shí)隔兩個(gè)多月，期間又沒(méi)有好好復(fù)習(xí)教材，在這次課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中遇到了不少問(wèn)題，首先就是對(duì)教材中提到的相關(guān)元件的概念、作用、以及參數(shù)等記得不是太清楚，在做本次課程設(shè)計(jì)之前，我又重新翻看教材，鞏固了以前所學(xué)的大部分電路基礎(chǔ)和模擬電子線路方面的知識(shí)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，遇到了很多不懂得知識(shí)，通過(guò)請(qǐng)同學(xué)幫忙以及上網(wǎng)搜索，最終完成了本次課程設(shè)計(jì)。由于對(duì)仿真軟件不太了解，缺乏操作技能，在仿真過(guò)程中也遇到了很大的問(wèn)題，比如在開(kāi)始使用仿真軟件時(shí)找不到設(shè)計(jì)相關(guān)元器件等。本次課程設(shè)計(jì)對(duì)我專業(yè)知識(shí)的運(yùn)用進(jìn)行了全方面的考核與檢測(cè)，經(jīng)過(guò)本次課設(shè)認(rèn)識(shí)到了自身的不足，同