高頻電子線路課程設(shè)計--高頻電容三點式正弦波振蕩器

1、<p><b>　　課程設(shè)計任務(wù)書</b></p><p>　　學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 電子 </p><p>　　指導(dǎo)教師： 工作單位： 信息工程學(xué)院</p><p>　　題 目：高頻電容三點式正弦波振蕩器</p><p><b&

2、gt;　　初始條件：</b></p><p>　　具較扎實的電子電路的理論知識及較強的實踐能力；對電路器件的選型及電路形式的選擇有一定的了解；具備高頻電子電路的基本設(shè)計能力及基本調(diào)試能力；能夠正確使用實驗儀器進(jìn)行電路的調(diào)試與檢測。</p><p>　　要求完成的主要任務(wù)：</p><p>　　1．采用晶體三極管或集成電路，場效應(yīng)管構(gòu)成一個正弦波振蕩器；&

3、lt;/p><p>　　2．額定電源電壓5.0V ，電流1～3mA; 輸出中心頻率 6 MHz （具一定的變化范圍）；</p><p>　　3．通過跳線可構(gòu)成發(fā)射極接地、基極接地及集電極接地振蕩器；</p><p>　　4．有緩沖級，在100歐姆負(fù)載下，振蕩器輸出電壓≥ 1 V (D-P);</p><p>　　5．完成課程設(shè)計報告（應(yīng)包含電路圖

4、，清單、調(diào)試及設(shè)計總結(jié)）。</p><p><b>　　時間安排：</b></p><p>　　1．2011年6月3日分班集中，布置課程設(shè)計任務(wù)、選題；講解課設(shè)具體實施計劃與課程設(shè)計報告格式的要求；課設(shè)答疑事項。</p><p>　　2．2011年6月4日 至2011年6月9日完成資料查閱、設(shè)計、制作與調(diào)試；完成課程設(shè)計報告撰寫。</p&

5、gt;<p>　　3. 2011年6月10日提交課程設(shè)計報告，進(jìn)行課程設(shè)計驗收和答辯。</p><p>　　指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日</p><p>　　系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日</p><p><b>　　摘要</b></

6、p><p>　　本文闡述了能夠產(chǎn)生高頻正弦波信號的電容反饋式振蕩器的原理，以及其函數(shù)發(fā)生器的具體實現(xiàn)。高頻正弦波在通信電子線路及信號處理中應(yīng)用十分廣泛：</p><p>　　通信發(fā)射機中的指定頻率的載波信號，接收機中作為混頻所需的本地振蕩信號或作為解調(diào)所需的恢復(fù)的載波信號。與放大器 一樣，振蕩器也是一種能量轉(zhuǎn)換器，但它不需要外部激勵就能自動的將直流電源供給的能量轉(zhuǎn)換為指定頻率和振幅的交流信號輸

7、出，振蕩器一般由晶體管等有源器件和具有某種選頻能力的無源網(wǎng)絡(luò)組成。</p><p>　　關(guān)鍵詞：高頻正弦信號 電容反饋式振蕩器 放大器 選頻網(wǎng)絡(luò)</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In this paper, can produce high frequency signal oscillator

8、, the principle of capacitive feedback, as well as the concrete realization of the function generator. High frequency electronic circuits in the communications and signal processing is widely used:Communication transmitt

9、er in the designated frequency carrier signal, the receiver as a mixing local oscillator signals required for the necessary recovery or as a demodulated carrier signal. And amplifiers, oscillator is a kind of energy conv

10、e</p><p>　　Keywords:High-frequency sinusoidalsignal Capacitive feedback type oscillator Amplifiers Frequency selective network </p><p><b>　　1.方案論證 </b><

11、;/p><p>　　1.1.采用DDS數(shù)字頻率直接合成的方式</p><p>　　DDS數(shù)字頻率直接合成【1】的原理是將所要產(chǎn)生的信號經(jīng)過數(shù)值采樣，然后存放到存儲器內(nèi)，利用控制器通過查表，將取得的幅值輸出到D\A轉(zhuǎn)換器的輸入端，只要輸出的頻率足夠，就能夠產(chǎn)生完全不失真的信號，通過控制查表得頻率就能控制輸出信號的頻率。</p><p>　　1.2.采用高頻振蕩器的方式&l

12、t;/p><p>　　振蕩器【2】是不需要外部信號激勵、自身將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能的裝置。凡是可以完成這一目的的裝置都可以作為振蕩器。一個振蕩器必須包括三部分：放大器、正反饋電路與選頻網(wǎng)絡(luò)。放大器能對振蕩器輸入端所加的輸入信號予以放大使輸出信號保持恒定的數(shù)值。正反饋電路保證想振蕩器輸入端提供的反饋信號是相位相同的，只有這樣才能使振蕩維持下去。選頻網(wǎng)絡(luò)則只允許某個特定頻率f能通過，使振蕩器產(chǎn)生單一頻率的輸出。振蕩器的

13、用途十分廣泛，它是無線電發(fā)射設(shè)備的核心部分，也是超外差接收機的主要部分各種電子測試儀如信號發(fā)生器、數(shù)字頻率計等，其核心部分都離不開正弦波振蕩器。</p><p>　　鑒于本次設(shè)計是對高頻電子線路這門課程學(xué)習(xí)的實踐，并基于此加深對高頻電子線路理論的理解，高頻電路主要利用器件的非線性。所以本次設(shè)計選用高頻振蕩器來實現(xiàn)，具體來說是選用電容反饋式振蕩器（電容三點式振蕩器）。電容三點式振蕩器是自己振蕩器的一種，由串聯(lián)電容與

14、電感回路及正反饋放大器組成。因振蕩回路兩串聯(lián)電容的三個端點與振蕩管三個管腳分別相接而得名。它的優(yōu)點是：反饋電壓取自電容，而電容對晶體管非線性特性產(chǎn)生的高次諧波呈現(xiàn)低阻抗，所有反饋電壓中高次諧波分量很小，因而輸出波形很好。其缺點是：反饋系數(shù)因與回路電容有關(guān)，如果用改變電容的方法來調(diào)整振蕩頻率，必將改變反饋系數(shù)，從而影響振蕩。為了提高穩(wěn)定度，需要對電路作改進(jìn)，以減少晶體管機間電容的影響，可以通過采用減弱晶體管與回路之間耦合的方法，可以運用西

15、勒振蕩器。</p><p>　　2.反饋式振蕩器的設(shè)計</p><p>　　2.1.振蕩器的原理</p><p>　　反饋型振蕩器原理框圖[3]如下所示，反饋型振蕩器是由放大器和正反饋網(wǎng)絡(luò)組成的一個閉合回路，放大器通常是以某種選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載，是以調(diào)諧放大器，反饋網(wǎng)絡(luò)一般是有無源的線性網(wǎng)絡(luò)。為了能夠產(chǎn)生自己振蕩，必須有正反饋，即反饋到輸入端的信號與放大器輸入端的信號

16、相位相同。</p><p><b>　　圖1</b></p><p>　　上圖中，設(shè)放大器的放大倍數(shù)為,反饋網(wǎng)絡(luò)的電壓反饋系數(shù)為,閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為，則</p><p><b>　　(s)</b></p><p>　　其中 稱為系統(tǒng)的環(huán)路增益。用帶入，就得到穩(wěn)態(tài)下的傳輸系數(shù)和環(huán)路增益。若在某一頻率

17、上等于1，將趨于無窮大，這表明即使沒有外加信號，也可以維持振蕩輸出。因此自己振蕩的條件就是環(huán)路增益為1，即</p><p>　　2.2.振蕩器的平衡條件</p><p>　　當(dāng)振蕩器穩(wěn)定輸出時有</p><p><b>　　也可以表示為</b></p><p>　　以上分別稱為振幅平衡條件和相位平衡條件。</p&g

18、t;<p>　　2.3.振蕩器的起振條件</p><p>　　振蕩的最初來源是振蕩器在接通電源時不可避免的存在的點沖擊及各種噪聲等。例如：在加電時晶體管電流由零突然增加，突變的電流包含有很寬的頻譜分量，在它們通過負(fù)載回路時，由諧振回路的性質(zhì)即只有頻率分量可以產(chǎn)生較大的輸出電壓，而其它頻率成分不會產(chǎn)生壓降，因此負(fù)載回路只有頻率為諧振頻率的成分產(chǎn)生壓降，該壓降通過反饋網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生出較大的正反饋電壓，反饋電壓

19、又加到放大器的輸入端，進(jìn)行放大、反饋、不斷地循環(huán)下去，諧振負(fù)載將得到頻率等于回路謝振頻率的輸出信號。要實現(xiàn)起振，必要</p><p>　　稱為自己振蕩的奇珍條件，也可以具體為</p><p>　　當(dāng)放大器進(jìn)行小信號放大時必須工作在晶體管的線性放大區(qū)，即起振時放大器工作在線性區(qū)，此時放大器的輸出信號隨輸入信號的增加而線性增加，放大器逐漸由放大區(qū)進(jìn)入飽和去或截止區(qū)，進(jìn)入非線性狀態(tài)，此時的輸出信

20、號幅度增加有限，即增益隨輸入信號的增加而下降。振蕩器工作到一定階段，環(huán)路增益將下降。當(dāng)，振幅的增長過程將停止，振蕩器到達(dá)平衡狀態(tài)，進(jìn)行等幅振蕩。</p><p>　　2.4 電容三點式參數(shù)</p><p>　　2.4.1.發(fā)射接地的振蕩器</p><p>　　三點式電容振蕩器是自激振蕩器中的射極接地振蕩器。由串聯(lián)電容與電感回路及正反饋放大器組成。因振蕩回路兩串聯(lián)電容

21、的三個端點與振蕩管三個管腳分別相接而得名。反饋電壓取自電容，而電容對晶體管非線性特性產(chǎn)生的高次諧波呈現(xiàn)低阻抗，所有反饋電壓中高次諧波分量很小，因而輸出波形很好；其缺點是：反饋系數(shù)因與回路電容有關(guān)，如果用改變電容的方法來調(diào)整振蕩頻率，必將改變反饋系數(shù)，從而影響起振。</p><p><b>　　圖2</b></p><p>　　由振蕩器諧振頻率計算公式：</p&g

22、t;<p>　　根據(jù)設(shè)計指標(biāo)，分配合適的電容和電感。</p><p>　　LC振蕩器有基本放大器、選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng)絡(luò)三個部分組成。為了維持震蕩，放大器的環(huán)路增益應(yīng)該等于1，即，因為在諧振頻率上振蕩器的反饋系數(shù)為</p><p>　　所以維持振蕩所需的電壓增益應(yīng)該是：</p><p>　　電容三點式振蕩器的諧振頻率為 </p><p

23、>　　由C1=100Pf,C2=400pF的電感的電感系數(shù)大約L=8.75uH,故在仿真時根據(jù)既定的電容值選取電感值在8.75uH附近的電感。</p><p>　　2.4.2.集電極接地的振蕩器</p><p>　　如圖3所示為晶體管集電極接地電容反饋式振蕩器。</p><p><b>　　圖3</b></p><p&

24、gt;　　在交流通路之中，由于電容C3的旁路作用，晶體管的集電極接地，反饋電壓取自電容C2與電感的交接處，由基極輸入，發(fā)射極輸出，滿足正反饋的條件，因此，只要電路中各元件的參數(shù)設(shè)置合適，電路就會滿足起振的條件，從而逐步建立起穩(wěn)定的振蕩并輸出。</p><p>　　2.4.3.基極接地的振蕩器</p><p>　　如圖4所示為基極接地的振蕩器。</p><p><

25、;b>　　圖4</b></p><p>　　電路中，晶體管的基極通過電容C4連接到地端，反饋電壓取自C2的電壓，經(jīng)晶體管的發(fā)射極輸入，而由晶體管的集電極輸出，電路不滿足正反饋條件，故可知，這種電路不能起振。</p><p><b>　　3.電路設(shè)計與組裝</b></p><p>　　將以上電路再與一級放大級電路和一級緩沖電路連

26、接起來，如下圖所示</p><p><b>　　圖5</b></p><p>　　在電路中，第二個晶體管電路為放大級電路，將振蕩器輸出的信號予以一定的放大。第三個晶體管電路為一個射極跟隨器，使電壓增益幾乎為1；輸入阻抗高；輸出阻抗低；失真系數(shù)低。</p><p>　　振蕩器在接通電源的一瞬間，晶體管會產(chǎn)生一個從零到某一數(shù)值的電流階躍，該電流階躍

27、的成分十分豐富，選頻網(wǎng)絡(luò)會選出滿足正反饋的頻率在經(jīng)過正反饋建立信號。</p><p><b>　　4 .調(diào)試與總結(jié)</b></p><p>　　在設(shè)計完成電路后，運用mutisium【4】【5】軟件對振蕩電路進(jìn)行仿真，對其產(chǎn)生的波形進(jìn)行分析。振蕩器波形如下圖</p><p><b>　　圖6</b></p>

28、<p>　　在仿真的過程中，經(jīng)常遇到不能產(chǎn)生波形，或者波形出現(xiàn)失真，說明電路不起振。這需要我們?nèi)シ治?，對電路元件參?shù)進(jìn)行調(diào)整，并最終得到結(jié)果。</p><p>　　在波形出現(xiàn)失真飽和失真，要減小的值，消除飽和失真。最終經(jīng)過調(diào)整各種電路參數(shù)，得到較為理想的波形見下圖：</p><p>　　其中，第一個波形為振蕩器的輸出，其波形較好，第二個波形為放大級的輸出，第三個波形為通過射極跟隨

29、器連接負(fù)載的波形輸出，它有一些失真，這是由于，晶體管的輸入為大信號輸入，故有可能同時產(chǎn)生飽和失真與截止失真。</p><p><b>　　圖7</b></p><p><b>　　5.心得體會</b></p><p>　　在本次課程設(shè)計中，我從各方面的設(shè)計和構(gòu)思中學(xué)到了許多知識，了解到理論和實踐結(jié)合的難度。在本學(xué)期學(xué)習(xí)高頻

30、這門課程時，芯片的使用只是很局限的運用。在課程設(shè)計中我發(fā)現(xiàn)很多芯片，元器件，電路都有很奇妙的作用。它們以前的作用只是一個最基本的運用，更多的運用會出現(xiàn)在各個實際電路中。</p><p>　　對于電路的設(shè)計過程我以為電容三點式振蕩器的設(shè)計很難，設(shè)計比較煩瑣，有靜態(tài)工作點的要求，各電阻、電容值的設(shè)計，還有好多要求，看起來十分復(fù)雜。后來通過查資料，才了解到先要計算好各電阻的值，再根據(jù)各電容的作用，確定電容的值，畫出電路

31、圖，一切都會變得簡單。同樣，在這次課程設(shè)計中也遇到了不少問題，集中體現(xiàn)在word運用極不熟練，尤其是編輯公式時，操作不靈便，編輯好的文檔沒有及時保存，以至于從頭再來，浪費了很多時間。但吃一塹長一智，現(xiàn)在遇到這些問題，及時解決，以后再做這類事情就會多一點經(jīng)驗，就會少出一些類似問題。</p><p>　　經(jīng)過這次課程設(shè)計，讓我對前面的路有了更多的信心，因為在這個過程中，我學(xué)到了不少實用的東西，對于高頻電子電路有了更深

32、層次的掌握，并且提高了獨立解決問題的能力。雖然這次課程設(shè)計中我對電路進(jìn)行了仿真，并且認(rèn)真的對電路的每一部分進(jìn)行了修正，但最后出來的波形還是不很穩(wěn)定。本次課程設(shè)計沒有要求制作電路板并且對其進(jìn)行調(diào)試，但我相信要是調(diào)試的話也一定回去的滿意的效果。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 譚博學(xué).集成電路原理與應(yīng)用.北京.電子工業(yè)出版社.20

33、07</p><p>　　[2] 吳友宇.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).北京.清華大學(xué)出版社.2009</p><p>　　[3] 曾興雯.高頻電路原理與分析.西安.西安電子科技大學(xué).2006</p><p>　　[4] 賈更薪.電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗、設(shè)計與仿真.鄭州.鄭州大學(xué)出版社.2006</p><p>　　[5] 高吉祥.電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗與課程設(shè)計.