改进型电容三点式振荡器要点

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1、课程设计报告题 目： 改进型电容三点式振荡器*电气信息工程学院 通信工程2014 届学生姓名： 学生学号： 系 别： 专 业： 届 别： 指导教师：电气信息工程学院制2013年3月改进型电容三点式振荡器学生：* 指导教师：* 电气信息工程学院 通信工程专业 前言高频信号发生器主要用来向各种电子设备和电路提供高频能量或者高频标准信 号，以便测试各种电子设备和电路的电气特性。高频信号发生器主要是产生高频正弦 振荡波，振荡器的功能是产生标准的信号源，广泛应用于各类电子设备中。为此，振 荡器是电子技术领域中最基本的电子线路，也是从事电子技术工作人员必须要熟练掌 握的基本电路。振荡器主要分为晶体振荡器和

2、LC振荡器，LC振荡器中的基本电路 就是通常所说的三端式振荡器，根据反馈网络由电容还是电感完成的分为电容反馈振 荡器和电感反馈振荡器。同时为了提高振荡器的稳定度，通过对电容三端式振荡器的 改进可以得到克拉泼振荡器和西勒振荡器两种改进型的电容反馈振荡器。高频电子元器件，高频集成电路的工艺技术指标有长足进步，并正在迅速的向多 功能,高功率，模块化，可集成和可编程的方向发展，且计算机辅助设计技术，信号 处理技术也广泛引入通信电路的设计中。集成电路具有体积小、功耗低、可靠性高、 性能好以及易于使系统整机实现少调整和不调整等优点，通信电路正迅速向急方向发 展。系统集成它改变了用通用元、器件组装电子系统的

3、传统方法，而直接将系统制作 在芯片上，从而大大促进了系统、电路与工艺的结合。正弦波振荡器的作用是产生频 率稳定、幅度不变的正弦波输出。基于频率稳定度、反馈系数、输出波形、起振等因 素的综合考虑，此次采用的是电容三点式振荡器的两种改进型振荡器之一的西勒振荡 器，其具有输出波形好、工作频率高、改变电容调节频率时不影响反馈系数等优点， 适用于宽波段、频率可调的场合。西勒振荡器由起能量控制作用的放大器、将输出信 号送回到输入端的正反馈网络以及决定振荡频率的选频网络组成。但没有输入激励信 号，而是由本身的正反馈信号来代替。当振荡器接通电源后，即开始有瞬变电流产生， 经不断地对它进行放大、选频、反馈、再放

4、大等多次循环，最终形成自激振荡，把输 出信号的一部分再回送到输入端做输入信号，从而就会产生一定频率的正弦波信号输 出。1振荡器的基本原理及其电路11振荡器的介绍在电子线路中，除了要有对各种电信号进行放大的电子线路外，还需要有在没有 激励信号的情况下产生周期性振荡信号的电子线路，这种电子线路就是振荡器。振 荡器是一种能量转换器，它不需要外部激励就能自动地将直流电源共给的功率转换为 制定频率和振幅的交流信号功率输出。振荡器一般由晶体管等有源器件和某种具有选 频能力的无源网络组成。振荡器的种类很多，根据工作原理可分为反馈型振荡器和 负阻型振荡器，根据所产生的波形可分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器；根

5、据选频 网络可分为LC振荡器、晶体振荡器、RC振荡器等。1.2振荡器的基本原理振荡器LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接构成的电路即为三端式 振荡器，其示意图如下图所示Neb图1般的三点式振荡器三点式LC正弦波振荡器的组成法则是：与晶体管发射极相连的两个电抗元件应 为同性质的电抗，而与晶体管集电极一基极相连的电抗元件应与前者性质相反。也就是说上图中Zbe、Zce与Zbc的性质必须相反振荡器才能起振。设：Z be、Z ce、Z bc为纯电抗元件V 二 V 二-VfbeebFVXF = be =eb-vVXcece负号表示产生180o相移与Vbe和E间的180o相移合成.为360。相移，满

6、足正反馈条件。为此，xce、xeb必为同名电抗，而xcb须是xce与xeb的异名电抗。1.3电容三点式振荡器电容三点式的原理示意图如下图所示图2电容三点式振荡器由图可见：与发射极连接的两个电抗元件为同性质的容抗元件C1和C2；与基极 和集电极连接的为异性质的电抗元件L,根据前面所述的班别准则为，该电路满足相 位条件。其工作过程是：振荡器接通电源后，由于电路中的电流从无到有变化，将 产生脉动信号。振荡器电路中有一个LC谐振回路，具有选频作用，当LC谐振回路 的固有频率与某一谐振频率相等是，电路产生谐振。虽然脉动的信号很微小，通过电 路放大及正反馈使振荡幅度不断增大。当增大到一定程度时，导致晶体管

7、进入非线性 区域，产生自给偏压，使放大器倍数减小，最后达到平衡，此时振荡幅度不再增大。 于是使振荡器只有在某一频率时才能满足振荡条件，于是得到单一频率的振荡信号输 出。该振荡器的振荡频率为：f = Ci+ C2，反馈系数F为：F沁C / C，若要 o 2兀 V LCCi 21 1 2它产生正弦波，满足F=1/21/8,太小或者太大均不容易起振。一个实际的振荡电路， 在F确定后，其振幅增加的主要是靠提高振荡管的静态电流值。但是如果静态电流值 取得太大，振荡管工作范围容易进入饱和区，输出阻抗降低使振荡波形失真。严重时， 甚至使振荡器停振。所以在实用中，静态电流值一般取Ico=0.5mA4mA。电容

8、三点 式的优点是振荡波形好；电路的频率稳定度高，工作频率可以做得较高，达到几十赫 兹到几百赫兹的甚高波段范围。电路缺点是若调用C1或C2改变振荡回路的工作频 率，反馈系数也将改变使振荡器的频率稳定度不高。2改进型电容三点式振荡电路设计改进型的电容三点式分为两种：克拉泼振荡器、西勒振荡器。2.1克拉泼振荡器电容三点式改进型克拉泼振荡器如下图所示电路的特点是在共基电容三点式振荡器的基础上，用一电容C5,串联于电感L的 支路上。其作用是增加回路总电容和减小管子与回路间的耦合来提高振荡回路的标准 性。使振荡频率的稳定度得到提高。因为C5为可调电容远小于C1或C2，所以电 容串联后的等效电容约为C3。电

9、路的振荡频率为：fo - 1/ 2兀JLC5与基本电 容三点式振荡电路相比，在电感L支路上串联一个电容后有以下特点：1. 振荡频率可改变不会影响反馈系数；2. 振荡幅度比较稳定；3. 电路中的C5为可变电容，调整它即可以在一定范围内调整振荡频率。但是C5不能太小否则会导致停振，所以克拉破振荡器频率覆盖率较小，仅达 1.21.4 ；为此，克拉泼振荡器适合与做固定频率振荡器。2.2西勒振荡器电容三点式改进型西勒振荡器如下图所示:- I M k 1-1-R5- :rsC4II:3OpFLZ22G2-10C73QlF Key=AL150%-图4西勒振荡器电路图电路的特点是字克拉泼电路的基础上，用一电容

10、C4,并联于电感L两端。作用是保持了晶体管与振荡回路弱耦合，振荡频率的稳定度咼，调整范围大。电路的振荡频率为f=右西勒振荡电路有以下特点：振荡幅度比较稳定；振荡频率可以较高；频率覆盖率较大，可达1.61.8，因而在一些短波超、短波 通信机，电视接收机中用的较多。该电路振幅起振条件：AF 1该电路相位起振条件：申A +码二2n兀振幅平衡条件：AF二1相位平衡条件：申A + F = 2n兀放大器电路由晶体三极管2N222、滤波电容、高频旁置电容、集电极旁置电阻R1、基极旁置电阻R2、R3、射极旁置电阻R5组成。放大器可选用如电子管、晶体 管等，本设计采用晶体三极管2N222作为能量控制的放大器。选

11、频网络用来决定振荡频率，本设计采用LC并联谐振回路，由C2、C3、C4、 L、C5 组成，要求 C2，C3C4, C5。反馈网络是将输出信号送回到输入端的电容分压式正反馈网络，C3和晶体管构 成正反馈。3改进型电容三点式电路设计3.1改进型电路选择不需外加输入信号,便能自行产生输出信号的电路称为振荡器。按照产生的波形, 振荡器可以分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器。按照产生振荡的工作原理，振荡器 分为反馈式振荡器和负阻式振荡器。所谓反馈式振荡器，就是利用正反馈原理构成的 振荡器，是目前用的最广泛的一类振荡器。所谓负阻式振荡器，就是利用正反馈有 负阻特性的器件构成的振荡器，在这种电路中，负阻所起的

12、作用，是将振荡器回路 的正阻抵消以维持等幅振荡。反馈式振荡电路，有变压器反馈式振荡电路，电感三 点式振荡电路，电容三点式振荡电路和石英晶体振荡电路等。本次设计我们采用的 是电容三点式振荡电路，有与电容三点式振荡电路有一些缺陷，通过改进，得到了西 勒振荡器西勒振荡器的接入系数与克拉泼振荡器相同。西勒振荡器的频率改变主要通过改 变C4完成，C4的改变并不影响接入系数p,因而波段内输出较平稳。而C4改变， 频率变化较明显，使得西勒振荡器的频率覆盖系数较大。本次课设选择西勒振荡电路 作为正弦波发生电路。4.2电路原理图设计电路原理图如下图所示1C7i10uFC5Rfi那1.n_.亠一图5改进型电容三点

13、式振荡器原理图3.2 电路结构上图中的电路主要由 3 部分构成：1. 起能量放大作用的三极管放大器2. 三点式回路组成的正反馈网络；3. 射极跟随器构成的缓冲级。3.3 静态工作点设置合理选择振荡器的静态工作点对振荡器的起振、工作的稳定性和波形质量的好坏有着密切的关系。一般小功率振荡器的静态工作点应选在远离饱和区而靠近截至区的 地方。根据上述原则，一般小功率振荡器集电极电流 ICQ 大约在 0.8mA4mA 之间选 取，故本实验电路中：选择 ICQ=1.5mA ,Vcq=0.5V , 0 =40V - VR + R 二一ccceq = 3K0c e IcQ为提高电路的稳定性R值适当增大，取R

14、=1 KG,则R =2 KGe e cV = V R = 1.5mA *1K 二 1.5VEQ cQ E=0.05mABQ取流过Rb2的电流为10mA，则Rb2V + 0.7EQ=4.4KQ,取 4 K0BQ可取R =5 KQ，这样额定电流是2mA,满足任务要求。b14.3.振荡回路元件确定回路中的电抗元件分为电容C和电感L两部分。通常满足接入系数C2/C3不能过大或者过小，否则不容易起振，一般适宜 1/81/2。振荡器工作频率为：0当 f0=6MHz , L=10uH二 70 pf本电路中，回路谐振频率f0主要C4和C5决定，即C + C二045取C4=30pf,C5为lOOpf可调电容，因

15、为要遵循C2,C3C4,C5,C2/C3=l/81/2的条件，故取 C2=120pf, c3=56Opf。4 MutisimlO系统仿真和调试4.1仿真软件介绍Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具, 适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路 硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。工程师们可以使用Multisim交 互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了 SPICE仿真的复杂内 容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新 的设计，这也使其更适合电子学

16、教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工 程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试 这样一个完整的综合设计流程。42系统仿真实现在Multisim软件中绘制改进型电容三点式振荡器的电路图，并更改好各元件数值连接好虚拟示波器和频率计，如下图所示： R 2 L州牡22 - （：4 -aopFC2 120pFC7CJ .560pFQ21H !?图6 MultisimIO绘制的系统电路图其中起振电路示波器XSC2显示波形如图所示:图7三点式振荡器的输出波形由图可见振荡器输出波形比较理想，输出频率接近6MHz。为满足任务要求加上100Q的负载，在振荡器后接上

17、射极跟随器以达到放大输出信号和减小输出内阻的目的，使其能够驱动100Q的负载。加上100Q的负载后输出波形如下图所示:Uhann=l_LReverseE:-. I nggc=rSaveL：hanril_AD.DDD VLI.LILILI VLI.ULILI VChannel A.Scale| 工口口 r.s.i-Di-u-Scale=口 n-iwni-Scale J3Edge王 in- & iiX posttlan |aV pQfttlan |aV pnsttlon1Laval2I、| Yrr Aid | B/A | atb |AC |0|DC| DE -1 LTypo益 IIHEJ NN.

18、U.HMrri=LI . s.LI.ULILI SLI.ULILI s图8加载100负载后的波形输出5 总结5.1设计小结由加载100Q负载的仿真结果，可以看出波形输出器的波形输出大体保持了原有 波形，波形基本上为正弦波，基本上无失真，所以波形的失真应与缓冲器有关，可见 单一的射极跟随器无法完整的保持波形不变。由图可知加载100Q负载后输出电压大 于IV,满足任务需求。且通过调节C5可以改变输出频率，使其输出范围在6MHz 左右变化，满足了设计任务的需求。5.2设计体会高频电子线路的课程设计看似简单，实际深究起来却相当复杂。本次选题的三 点式看似十分简单，然而缓冲级的设计却有很大的拓展空间。在

19、这方面，参考资料显 得十分重要。课本上只是简单的介绍西勒振荡器的基本原理，而跟多的任务要求实现 需要我们去查阅资料和联系各个知识点。 通过这次设计我对各种元件的识别和测试 有了更深的了解，对以前很少接触的电感元件的色环识别也有了一定的认识。对课本 中寥寥页的三点式正弦波振荡器工作原理和相关参数的关系也有了进一步的了解。在 此次课设过程中，我深刻地感受到了自己理论知识的有限和自身的不足，并且学会了 对资料的取舍和分析。在整个课设过程中，同学之间相互经验的借鉴也十分重要，往 往也是成功的突破口。总之，通过这次课设我学习到了如何解决高频线路中的相关困 难，更进一步地熟悉了晶体管的应用和具体使用方法，

20、增强了对实验的思考能力，培 养了我细心的科学态度和不厌其烦的耐心。同时本次课设也暴露了我的很多不足，在 今后的学习中，我将进一步发扬优点，克服缺点。我们在学习理论知识的同时还要努力培养自己的动手操作能力，对于通信工程 的我们更是如此，通过这次课程设计我也看到了自己的差距，今后会努力提高自己的 动手操作能力，以求真正领会各种专业知识，为将来的工作打下良好的基础。参考文献1 吴友宇.模拟电子技术基础.清华大学出版社，20092 谢家奎电子线路非线性部分高等教育出版社，20103 熊伟.Mutisim7电路设计及仿真应用清华大学出版社，20054 黄志伟.基于Multisim 2001电子电路计算机仿真设计与分析.电子工业出版社，20045 康华光.电子技术基础模拟部分.高等教育出版社 ,2005附录 器件清单兀器件参数数量电容30pF1电容120pF1瓷片电容10uF2电感10uH1三极管2N22221三极管2N222A.1电阻1k0.7电阻30k01电阻10001电阻2k0.1电阻4 k01电阻5 k01电容120pF1电容560pF1