LC正弦波振蕩器設計匯編

中北大學課程設計說明書學生姓名： 學號：學 院： 信息商務學院專 業(yè)： 電子信息工程題 目： 電子綜合應用實踐 ：LC正弦波振蕩器的設計指導教師： 職稱: 講師2013年1 月18 日1中北大學課程設計任務書12/13 學年第 一 學期學院：信息商務學院專業(yè)：電子信息工程學生姓名：學號：課程設計題目：電子綜合應用實踐：LC正弦波振蕩器的設計起迄日期：2013年1月7日～2013年1月18日課程設計地點：201，503，1號樓教室指導教師：系主任：下達任務書日期 : 2013 年1月7日2課程設計任務書1．設計目的：掌握LC正弦波振蕩器的基本設計方法。通過該設計，可以鞏固所學的 LC振蕩器工作原理等電子技術(shù)知識，促進學生所掌握的理論知識向?qū)嵺`應用的轉(zhuǎn)變，從而達到培養(yǎng)學生電子綜合應用實踐能力的目的。2．設計內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)、條件、設計要求等） ：使用電感、電容等器件設計一個 LC正弦波振蕩器，包括方案設計、電路設計和仿真驗證。同組成員合作完成。具體設計要求：（1）振蕩頻率fo 10MHz±10KHz；（2）頻率穩(wěn)定度 f/f o≤10-4；（3）輸出幅度Uo≥0.3V(峰-峰值)。3．設計工作任務及工作量的要求〔包括課程設計計算說明書(論文)、圖紙、實物樣品等〕：（1）查閱相關(guān)文獻資料，了解 LC正弦波振蕩器的相關(guān)知識；（2）確定設計方案、繪制電路原理圖；（3）仿真驗證；（4）撰寫課程設計說明書。3課程設計任務書4．主要參考文獻：《電子線路設計·實驗·測試》，第三版，謝自美主編，華中科技大學出版社《高頻電子線路實驗與課程設計》，楊翠娥主編，哈爾濱工程大學出版社《高頻電路設計與制作》，何中庸譯，科學出版社《通信電子線路》，第三版，高如云主編，西安電子科技大學出版社《模擬電子技術(shù)》。胡宴如主編，高等教育出版社《電子技術(shù)基礎實驗與課程設計指導》，第二版，高吉祥，主編，電子工業(yè)出版社5．設計成果形式及要求：提供課程設計說明書一份；設計原理圖。6．工作計劃及進度：2013年1月7日~1月9日：查資料；1月10日~1月13日：方案設計；1月14日~1月17日：仿真實驗；撰寫課程設計說明書；1月18日：答辯系主任審查意見：簽字：年 月 日4目 錄第一章 設計任務 6一. 設計目的 6二. 設計要求和步驟 6三.方案設計及選擇 61. 振蕩器的選擇 62. 信號輸出波形的仿真選擇 7第二章 單元電路設計與參數(shù)計算 7一.LC三點式振蕩組成原理圖 7二．起振條件 7三．頻率穩(wěn)定度 8四.LC振蕩模塊設計 8第三章 總原理圖 13一． 總原理圖 13第四章 調(diào)試步驟 14一. 按設計電路安裝元器件 14二. 測試點選擇 14三. 調(diào)試 15四. 實驗結(jié)果與分析 15五. 頻率穩(wěn)定度 15第五章 設計心得和體會 15參考文獻 165第一章 設計任務一設計目的熟悉LC正弦波振蕩器的工作原理，以及示波器的原理及用法。（2）掌握LC正弦波振蕩器的基本設計方法。理解LC正弦波振蕩回路并掌握LC振蕩器的設計，裝載，調(diào)試，及其主要性能參數(shù)的測試方法和如何選擇電路的測試點。了解外界因素、元件參數(shù)對振蕩器工作穩(wěn)定性及頻率穩(wěn)定度的影響情，以便提高振蕩器的性能。二設計要求和步驟設計一個LC正弦波頻振蕩器。利用三點式振蕩器原理產(chǎn)生正弦波信號，采用的具體電路不限。要求給出所選電路的優(yōu)點和缺點并通過測量值進行證明。也可以進行不同三點式振蕩器的性能比較。了解電路分布參數(shù)的影響及如何正確選擇電路的靜態(tài)工作點。4）電路的基本原理，LC正弦波振蕩器是各種接收機和發(fā)射機中一種常見的電路，常用作載波振蕩、本振混頻振蕩等。其典型形式為“三點式”振蕩電路，其電路簡單、頻率穩(wěn)定度高，它的工作原理是在正反饋的基礎上，將直流電源提供的能量變成正弦交流輸出。5）選擇所需的方案，畫出有關(guān)的電路原理圖。方案設計與選擇振蕩器的選擇LC振蕩器的電路種類比較多，根據(jù)不同的反饋方式，又可分為互感反饋振蕩器，電感反饋三點式振蕩器，電容反饋三點式振蕩器，其中互感反饋易于起振，但穩(wěn)定性差，適用于低頻，而電容反饋三點式振蕩器穩(wěn)定性好，輸出波形理想，振蕩頻率可以做得較高。所以選擇電容反饋三點式振蕩器是不容置疑的，而電容反饋三點式振蕩器又分為考畢茲振蕩器，克拉波振蕩器，西勒振蕩器。LC振蕩器是一種能量轉(zhuǎn)換器，由晶體管等有源器件和具有選頻作用的無源網(wǎng)絡6及反饋網(wǎng)絡組成，其框圖如圖 1所示.。放大電路 選頻網(wǎng)絡輸出正反饋網(wǎng)絡圖1振蕩器框圖2.信號輸出波形的仿真選擇方案一：三種振蕩器輸出信號波形全部用 Multisim 仿真軟件得出；方案二：考畢茲振蕩器的輸出波形由仿真軟件得出， 其余兩種振蕩器由計算得出頻率，畫出相應的波形。經(jīng)比較用仿真軟件得出的波形比較直觀簡單而且準確，即選擇方案一。第二章 單元電路設計與參數(shù)計算一LC三點式振蕩組成原理圖其振蕩頻率f=1。當X1和X2為容性，X3為感性LC2時稱為電容反饋振蕩器，其中C=C1C2；當X1和X2為感C1C2性，X3為容性時稱為電感反饋振蕩器，其中 L=L1+L2.二．起振條件X1，X2必須是同性質(zhì)的電抗，X3必須是異性質(zhì)電抗，并且必須滿足下面的關(guān)系：X 3= —（X1+X2）根據(jù)起振條件，可以推導出三極管的跨導 gm應滿足下面的不等式：7gm>kfu*gi+(g0+g'1)/kfu上式中：kfu =X2/X1 ——反饋系數(shù)g1——為三極管 b—e間的輸入電導g0——為三極管 c—e間的輸出電導g1——為三極管 c—e間的負載電導和回路損耗電導之和。上式表明，起振時gm與kfu、g0、g1、g1等有關(guān)。若管子參數(shù)和負載確定后， kfu大小應合適，否則不易滿足起振條件。另外，還必須考慮到頻率穩(wěn)定度和振蕩幅度等要求。三．頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度是表示在一定時間范圍內(nèi)或一定的溫度、電壓等變化范圍內(nèi)振蕩頻率的相對變化程度。若頻率相對變化越小，就表明振蕩頻率穩(wěn)定度越高，否則穩(wěn)定度就差。由上述討論知道，因為振蕩回路元件是決定頻率的主要因素，所以要提高頻率穩(wěn)定度，就是要設法提高振蕩回路的標準性。 因此除了采用高穩(wěn)定和高 Q(因為Q值越大相頻特性曲線在 f0附近的斜率越大，選頻特性就越好 )的回路電容及電感外，還可以采用負溫度系數(shù)元件實現(xiàn)溫度補償，或采用部分接入，以減小管子極間電容和分布電容對振蕩回路頻率的影響。由分析和實驗知道，LC諧振回路的標準性和Q值都不高，頻率穩(wěn)定度不高于104數(shù)量級，而石英晶體標準性Q值都很高，接入系數(shù)也很小。頻率穩(wěn)定度可達106數(shù)量級。四.LC振蕩模塊設計LC振蕩電路采用三點式振蕩，電容反饋三點式振蕩器又分為考畢茲振蕩器， 克拉波振蕩器，西勒振蕩器。方案一：考畢茲振蕩器8圖2 考畢茲振蕩器圖3考畢茲振蕩器輸出信號波形理論計算振蕩器的頻率為1f 7MHzL2(C1C2)2C1 C29觀察到的振蕩波形如圖 3所示，從波形看出其震蕩極不穩(wěn)定，測試其波形頻率為1f155109=6.5MHz調(diào)解C1C2改變頻率時，反饋系數(shù)也改變。方案二：克拉潑振蕩器克拉潑振蕩器其振蕩頻率為f=1，式中C=1，此電路的頻率穩(wěn)定12LC11C1C2C3度較好，但在振蕩范圍較寬時，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波段范圍較窄的場合。電容三點式改進型“克拉潑振蕩器”如圖4所示。圖4克拉潑振蕩器克拉潑振蕩器的頻率為1C3）f=（C1C3,C22L2C3電路中C3為可變電容，調(diào)整它即可在一定范圍內(nèi)調(diào)整期振蕩頻率。輸出信號的幅值、頻率等用時時監(jiān)測法測試，調(diào)整C3觀測震蕩信號的波形和頻率變化。觀察到的振蕩波形如圖 5所示：10圖5克拉潑振蕩器輸出信號波形方案三：西勒振蕩器西勒振蕩器其振蕩頻率為f=1，式中C=1+C4，這種振蕩器2LC111C1C2C3較易起振，振蕩頻率也較為穩(wěn)定，波形失真較小，當參數(shù)設置得當時，其頻率覆蓋系數(shù)較大。電容三點式的改進型“西勒振蕩器”如圖 6所示。11圖6西勒振蕩器其振蕩器的頻率為f=1,C2C6)(C1C62L2(C6C3)輸出信號的幅值、頻率等用實時監(jiān)測法測試，調(diào)整C6、C3觀測震蕩信號的波形和頻率變化。觀察到的振蕩波形如圖7所示：圖7西勒振蕩器輸出波形基于以上分析，西勒振蕩器輸出波形較好故選用方案三。12第三章 總原理圖一．總原理圖6L27300mHC6C7V1R312V10nF10nF3kR2027k1C3C438Q21nFC10.1uF4100pFL1R5C52N2222A5.1k10uH1nFR125.1kR4C21k100pF0圖8考畢茲振蕩器4L25R3300uHC6C73kV210nF10nF12V30R2C456kQ11nFC371C1100pF30pF-VAR2N2222AKey=C50%C5R16R51nF24k25.1kR4C2L11k100pF10uH0圖9克拉潑振蕩器13L264300uHR3C6C73kV210nF10nF12V0R2C456k73Q11nFC3C11100pF30pF-VAR50%2N2222AKey=AC5R125R51nF24kC85.1kR4C2L130pF-VAR1k100pF10uH50%Key=C0圖10西勒振蕩器[1]. 第四章 調(diào)試步驟一 按設計電路安裝元器件由于調(diào)頻振蕩器的工作頻率較高，晶體管的結(jié)電容、引線電感、分布電容及測量儀器對電路的性能影響均不能忽略。因此，在電路裝調(diào)及測試時應盡量減小這些分布參數(shù)的影響。二 測試點選擇正確選擇測試點，減小儀器對被測電路的影響。在高頻情況下，測量儀器的輸入阻抗（包含電阻和電容）及連接電纜的分布參數(shù)都有可能影響被測電路的諧振頻率及諧振回路的 Q值，為盡量減小這種影響，應正確選擇測試點，使儀器的輸入阻抗遠大于電路測試點的輸出阻抗。對于圖 2所示電路，高頻電壓表接于 C點，示波器接于E點，數(shù)字頻率計接于 A點，（C4）的值要小，以減小數(shù)字頻率計的輸入阻抗對諧振回路的影響。所有測量儀器如高頻電壓表，示波器，掃描儀，數(shù)字頻率計等的地線及輸入電纜的地線都要與被測電路的地線連接好，接線盡量短。三 調(diào)試一般高頻電路的實驗板應為印刷電路板，以保證元器件可靠焊接及連接導線固定，使電路的分布參數(shù)基本固定。高頻電路的調(diào)試方法與低頻電路的調(diào)試方法基本相同，也是先調(diào)整靜態(tài)工作點，然后觀測動態(tài)波形并測量電路的性能參數(shù)。所不14同的是按照理論公式計算的電路參數(shù)與實際參數(shù)可能相差較大，電路的調(diào)試要復雜一些。關(guān)于起振問題振蕩電路接通電源后，有時不起振，或者在外界信號強烈觸發(fā)下才起振 （硬激勵），在波段振蕩器中有時只在某一頻段振蕩，而在另一頻段不振蕩等。所有這些現(xiàn)象無非是沒有滿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足。對三端振蕩電路要看是否滿足對應的相位平衡判斷標準。此外，還要在振幅平衡條件所包含的各種因素中找原因。四實驗結(jié)果與分析靜態(tài)工作點選的太小，電源電壓過底，使振蕩管放大倍數(shù)太小。負載太重，振蕩管與回路間耦合過緊，回路Q值太低。回路特性阻抗ρ或介入系數(shù)pce太小，使回路諧振阻抗RO太低。反饋系數(shù)kf太小，不易滿足振幅平衡條件。但kf并非越大越好，應適當選取。有時在某一頻段內(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，致使寫真阻抗降低所起。反之，有時低端振高端不振，原因可能有：（1）選用晶體管fT不夠高。（2）管的電流放大倍數(shù)β太小。（3）低端已處于起振的臨界邊緣狀態(tài)，在高頻工作時晶體管輸入電容CBE的作用使反饋減弱，或者是由于 CB’E的反饋作用顯著等。五頻率穩(wěn)定度f/f05103/小時LC諧振回路的標準性和Q值都不高，頻率穩(wěn)定度不高于104數(shù)量級，而石英晶體標準性Q值都很高，接入系數(shù)也很小。頻率穩(wěn)定度可達106數(shù)量級。第五章 設計心得和體會此次課程設計主要針對各種電容反饋三點式電路提出自己的設計方案，并利用仿真軟件Multisim 來實現(xiàn)自己的設計電路圖。設計中用到了考畢茲振蕩器，克拉波15振蕩器，西勒振蕩器電路等在高頻電子線路課程中學到的知識。通過對上述不同振蕩器的設計與仿真，了解了各種正弦波振蕩器在結(jié)構(gòu)上的利與弊，是我們在選擇正弦波振蕩器時更加明確那種振蕩器更適合。總