LC正弦波振蕩器設(shè)計(jì)(新版)(總24頁(yè)

1、 中北大學(xué)課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書學(xué)生姓名： 宋可為 學(xué) 號(hào)： 15 學(xué) 院： 信息商務(wù)學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息工程 題 目： 電子綜合應(yīng)用實(shí)踐： LC正弦波振蕩器的設(shè)計(jì) 韓建寧指導(dǎo)教師： 職稱: 講師 2011 年 1 月 7 日 中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 10/11 學(xué)年第 一 學(xué)期學(xué) 院： 信息商務(wù)學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息工程 學(xué) 生 姓 名： 宋可為 學(xué) 號(hào)： 15 課程設(shè)計(jì)題目： 電子綜合應(yīng)用實(shí)踐： LC正弦波振蕩器的設(shè)計(jì) 起 迄 日 期： 2010年12月27 日2011年1月7日 課程設(shè)計(jì)地點(diǎn)： 201，503，1號(hào)樓教室 指 導(dǎo) 教 師： 韓建寧 系 主 任： 王浩全 下達(dá)任務(wù)

2、書日期: 2010 年12 月 27 日課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書1設(shè)計(jì)目的：掌握LC正弦波振蕩器的基本設(shè)計(jì)方法。通過(guò)該設(shè)計(jì)，可以鞏固所學(xué)的LC振蕩器工作原理等電子技術(shù)知識(shí)，促進(jìn)學(xué)生所掌握的理論知識(shí)向?qū)嵺`應(yīng)用的轉(zhuǎn)變，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生電子綜合應(yīng)用實(shí)踐能力的目的。2設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)、條件、設(shè)計(jì)要求等）：使用電感、電容等器件設(shè)計(jì)一個(gè)LC正弦波振蕩器，包括方案設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證。同組成員合作完成。具體設(shè)計(jì)要求：（1） 振蕩頻率10MHz10KHz；（2） 頻率穩(wěn)定度f(wàn)/fo10-4；（3） 輸出幅度Uo0.3V(峰-峰值)。3設(shè)計(jì)工作任務(wù)及工作量的要求包括課程設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書

3、(論文)、圖紙、實(shí)物樣品等：（1）查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，了解LC正弦波振蕩器的相關(guān)知識(shí)；（2）確定設(shè)計(jì)方案、繪制電路原理圖；（3）仿真驗(yàn)證；（4）撰寫課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書。 課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書4主要參考文獻(xiàn)：1電子線路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，第三版，謝自美 主編，華中科技大學(xué)出版社2高頻電子線路實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)，楊翠娥主編，哈爾濱工程大學(xué)出版社3高頻電路設(shè)計(jì)與制作，何中庸譯，科學(xué)出版社4通信電子線路，第三版，高如云 主編，西安電子科技大學(xué)出版社5模擬電子技術(shù)。胡宴如 主編，高等教育出版社6電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)，第二版，高吉祥，主編，電子工業(yè)出版社 5設(shè)計(jì)成果形式及要求：提供課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書一份；設(shè)計(jì)

4、原理圖。 6工作計(jì)劃及進(jìn)度：2010年12月27日 2010年12月29日：查閱資料；2010年12月30日 2011年1月4日：設(shè)計(jì)方案；2011年 1月 5日 2011年1月6日：完成實(shí)驗(yàn)；撰寫課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書； 2011年1月7日：答辯系主任審查意見(jiàn)： 簽字： 年 月 日 目 錄 第一章 設(shè)計(jì)任務(wù).8 一. 設(shè)計(jì)目的.8 二. 設(shè)計(jì)要求和步驟.8 三.方案設(shè)計(jì)及選擇.8 1.振蕩器的選擇.8 2.信號(hào)輸出波形的仿真選擇.8 第二章 單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算.9 一. LC三點(diǎn)式振蕩組成原理圖.10 二起振條件.12 三頻率穩(wěn)定度.13 四. LC振蕩模塊設(shè)計(jì).14第三章 總原理圖及元器件清單

5、.15 一 總原理圖.15 二. 元件清單.17第四章 調(diào)試步驟.18 一. 按設(shè)計(jì)電路安裝元器件.19 二. 測(cè)試點(diǎn)選擇.20 三. 調(diào)試.20 四. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 .20 五. 頻率穩(wěn)定度.20第五章 供參考選擇的元器件.21第六章 設(shè)計(jì)心得和體會(huì).22第七章 參考文獻(xiàn).23 第一章 設(shè)計(jì)任務(wù)一 設(shè)計(jì)目的 (1). 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(shè)計(jì)方法。(3). 理解LC正弦波振蕩回路并掌握LC振蕩器的設(shè)計(jì)，裝載，調(diào)試，及其主要性能參數(shù)的測(cè)試方法和如何選擇電路的測(cè)試點(diǎn)。 (4). 了解外界因素、元件參數(shù)對(duì)振蕩器工作穩(wěn)定性及頻

6、率穩(wěn)定度的影響情，以便提高振蕩器的性能。二 設(shè)計(jì)要求和步驟 (1). 設(shè)計(jì)一個(gè)LC正弦波頻振蕩器。 (2). 利用三端式振蕩器原理產(chǎn)生正弦波信號(hào)，采用的具體電路不限。要求給出所選電路的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)并通過(guò)測(cè)量值進(jìn)行證明。也可以進(jìn)行不同三端式振蕩器的性能比較。 (3).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(diǎn)。 （4）.電路的基本原理，LC正弦波振蕩器是各種接收機(jī)和發(fā)射機(jī)中一種常見(jiàn)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(diǎn)式”振蕩電路，其電路簡(jiǎn)單、頻率穩(wěn)定度高，它的工作原理是在正反饋的基礎(chǔ)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

7、圖。三 方案設(shè)計(jì)與選擇 1.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(diǎn)式振蕩器，電容反饋三點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)式振蕩器是不容置疑的，而電容反饋三點(diǎn)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(wú)源網(wǎng)絡(luò)及反饋網(wǎng)絡(luò)組成，其框圖如圖1所示.。輸出 放大電路 選頻網(wǎng)絡(luò) 正反饋網(wǎng)絡(luò) 圖1 振蕩器框圖 2.信號(hào)輸出波形的仿真選擇方案一：三種振蕩器輸出信號(hào)波形

8、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(jì)算得出頻率，畫出相應(yīng)的波形。經(jīng)比較用仿真軟件得出的波形比較直觀簡(jiǎn)單而且準(zhǔn)確，即選擇方案一。 第二章 單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算一 LC三點(diǎn)式振蕩組成原理圖其振蕩頻率f=。當(dāng) 和為容性，為感性時(shí)稱為電容反饋振蕩器，其中C=；當(dāng) 和為感性，為容性時(shí)稱為電容反饋振蕩器，其中 L=+ . 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： X3= （X1+X2）根據(jù)起振條件，可以推導(dǎo)出三極管的跨導(dǎo)gm應(yīng)滿足下面的不等式： 上式中： = X2/ X1 反饋系數(shù)g1 為三極

9、管be間的輸入電導(dǎo)g0 為三極管ce間的輸出電導(dǎo)為三極管ce間的負(fù)載電導(dǎo)和回路損耗電導(dǎo)之和。上式表明，起振時(shí)gm與、 g0、g1、等有關(guān)。若管子參數(shù)和負(fù)載確定后，大小應(yīng)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(shí)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(duì)變化程度。若頻率相對(duì)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?yàn)檎袷幓芈吩菦Q定頻率的主要因素，所以要提高頻率穩(wěn)定度，就是要設(shè)法提高振蕩回路的標(biāo)準(zhǔn)性。因此除了采用高穩(wěn)定和高(因?yàn)橹翟酱笙囝l特性曲線在附近的斜率越大，選頻特性就越好)的回路電容

10、及電感外，還可以采用負(fù)溫度系數(shù)元件實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，或采用部分接入，以減小管子極間電容和分布電容對(duì)振蕩回路頻率的影響。由分析和實(shí)驗(yàn)知道，諧振回路的標(biāo)準(zhǔn)性和值都不高，頻率穩(wěn)定度不高于數(shù)量級(jí)，而石英晶體標(biāo)準(zhǔn)性值都很高，接入系數(shù)也很小。頻率穩(wěn)定度可達(dá)數(shù)量級(jí)。 四.LC振蕩模塊設(shè)計(jì)LC振蕩電路采用三點(diǎn)式振蕩，電容反饋三點(diǎn)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 圖2 考畢茲振蕩器 圖3 考畢茲振蕩器輸出信號(hào)波形理論計(jì)算振蕩器的頻率為f7MHz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(cè)試其波形頻率為 f=6.5MHz調(diào)解C1C2改變頻率時(shí)，反饋系數(shù)也改變。

11、方案二：克拉潑振蕩器克拉潑振蕩器其振蕩頻率為f=，式中C=，此電路的頻率穩(wěn)定度較好，但在振蕩范圍較寬時(shí)，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(chǎng)合。電容三點(diǎn)式改進(jìn)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 f= （CC,CC）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(hào)的幅值、頻率等用時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)法測(cè)試，調(diào)整C3觀測(cè)震蕩信號(hào)的波形和頻率變化。觀察到的振蕩波形如圖5所示： 圖5 克拉潑振蕩器輸出信號(hào)波形 方案三：西勒振蕩器 西勒振蕩器其振蕩頻率為f=，式中C=+，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

12、，當(dāng)參數(shù)設(shè)置得當(dāng)時(shí)，其頻率覆蓋系數(shù)較大。電容三點(diǎn)式的改進(jìn)型“西勒振蕩器”如圖6所示。 圖6 西勒振蕩器其振蕩器的頻率為 f= (CC,CC)輸出信號(hào)的幅值、頻率等用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)法測(cè)試，調(diào)整C6、C3觀測(cè)震蕩信號(hào)的波形和頻率變化。 觀察到的振蕩波形如圖7所示：觀 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。 第三章 總原理圖及元器件清單一 總原理圖 圖8 考畢茲振蕩器 圖9 克拉潑振蕩器 圖10 西勒振蕩器1二 元件清單元件序號(hào)型號(hào)主要參數(shù)數(shù)量備注R1(圖8)5.1K1R2（圖8）27 K1R3（圖8）3.0 K1R4（圖8）1.0 K1R5（圖8）5.1 K1C1（圖8

13、）100pF1C2（圖8）100 pF1C3（圖8）1.0nF1C4（圖8）1.0nF1C5（圖8）1.0nF1C6（圖8）10nF1C7（圖8）10nF1L1（圖8）10uH1L2（圖8）300 uH1Q12N2222A1V112V1R1(圖9)24 K1R2（圖9）56 K1R3（圖9）3.0 K1R4（圖9）1.0 K1R5（圖9）5.1 K1C1（圖9）100pF1C2（圖9）100pF1C3（圖9）30 pF1可變C4（圖9）1.0nF1C5（圖9）1.0nF1C6（圖9）10 nF1C7（圖9）10 nF1L1（圖9）10H1L2（圖9）300H1Q1（圖9）2N2222A1V1（

14、圖9）12V1R1(圖10)24 K1R2（圖10）56 K1R3（圖10）3.0 K1R4（圖10）1.0 K1R5（圖10）5.1 K1C1（圖10）100pF1C2（圖10）100pF1C3（圖10）30 pF1C4（圖10）1.0nF1C5（圖10）1.0nF1C6（圖10）30pF1可變C7（圖10）10 nF1C8（圖10）10 nF1L1（圖10）10H1L2（圖10）300H1Q1（圖10）2N2222A1V1（圖10）12V1. 第四章 調(diào)試步驟一 按設(shè)計(jì)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(cè)量?jī)x器對(duì)電路的性能影響均不能忽略。因此，

15、在電路裝調(diào)及測(cè)試時(shí)應(yīng)盡量減小這些分布參數(shù)的影響。安裝時(shí)應(yīng)合理布局，減小分布參數(shù)的影響。電路元件不要排得太松，引線盡量不要平行，否則會(huì)在元件或引線之間產(chǎn)生一點(diǎn)的分布參數(shù)，引起寄生反饋。多級(jí)放大器應(yīng)排成一條直線，盡量減小未級(jí)和前級(jí)之間的耦合。地線應(yīng)盡可能粗，以減小分布電感引起的高頻損耗，制印刷電路板時(shí)，地線的面積應(yīng)盡量大。為減小電源內(nèi)阻形成的寄生反饋，應(yīng)采用濾波電容(C)及濾波電感（L）組成的（）型或（T）型濾波電路，一般（L）為幾十微亨至幾百微亨，（C）為幾百皮法至幾十千皮法。 二 測(cè)試點(diǎn)選擇 正確選擇測(cè)試點(diǎn)，減小儀器對(duì)被測(cè)電路的影響。在高頻情況下，測(cè)量?jī)x器的輸入阻抗（包含電阻和電容）及連接電纜

16、的分布參數(shù)都有可能影響被測(cè)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(yīng)正確選擇測(cè)試點(diǎn)，使儀器的輸入阻抗遠(yuǎn)大于電路測(cè)試點(diǎn)的輸出阻抗。對(duì)于圖2所示電路，高頻電壓表接于C點(diǎn)，示波器接于E點(diǎn)，數(shù)字頻率計(jì)接于A點(diǎn)，（C4）的值要小，以減小數(shù)字頻率計(jì)的輸入阻抗對(duì)諧振回路的影響。所有測(cè)量?jī)x器如高頻電壓表，示波器，掃描儀，數(shù)字頻率計(jì)等的地線及輸入電纜的地線都要與被測(cè)電路的地線連接好，接線盡量短。三 調(diào)試1.一般高頻電路的實(shí)驗(yàn)板應(yīng)為印刷電路板，以保證元器件可靠焊接及連接導(dǎo)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(diǎn)，然后觀測(cè)動(dòng)態(tài)波形并測(cè)量電路的

17、性能參數(shù)。所不同的是按照理論公式計(jì)算的電路參數(shù)與實(shí)際參數(shù)可能相差較大，電路的調(diào)試要復(fù)雜一些。2. 關(guān)于起振問(wèn)題振蕩電路接通電源后，有時(shí)不起振，或者在外界信號(hào)強(qiáng)烈觸發(fā)下才起振（硬激勵(lì)），在波段振蕩器中有時(shí)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(wú)非是沒(méi)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(duì)三端振蕩電路要看是否滿足對(duì)應(yīng)的相位平衡判斷標(biāo)準(zhǔn)。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(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 1.靜態(tài)工作點(diǎn)選的太小，電源電壓過(guò)底，使振蕩管放大倍數(shù)太小。 2.負(fù)載太重，振蕩管與回路間耦合過(guò)緊，回路Q值太低。 3回路特性阻抗

18、或介入系數(shù)pce太小，使回路諧振阻抗RO太低。 4.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(yīng)適當(dāng)選取。 5.有時(shí)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(lái)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(shí)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)太小。 （3）低端已處于起振的臨界邊緣狀態(tài)，在高頻工作時(shí)晶體管輸入電容CBE的作用使反饋減弱，或者是由于CBE的反饋?zhàn)饔蔑@著等。五 頻率穩(wěn)定度 LC諧振回路的標(biāo)準(zhǔn)性和Q值都不高，頻率穩(wěn)定度不高于數(shù)量級(jí)，而石英晶體標(biāo)準(zhǔn)性Q值都很高，接入系

19、數(shù)也很小。頻率穩(wěn)定度可達(dá)數(shù)量級(jí)。 第五章 供參考選擇的元器件 高頻信號(hào)發(fā)生器 QF1055A 1臺(tái) 數(shù)字示波器 TDS210 1臺(tái) 頻率特性測(cè)試儀 BT-3C 1臺(tái) 數(shù)字萬(wàn)用表 M300817 1臺(tái) 直流穩(wěn)壓電源 HY1711-2 1臺(tái) 超高頻毫伏表 DA22A 1臺(tái) 第六章 設(shè)計(jì)心得和體會(huì) 課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實(shí)際問(wèn)題，鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié),是對(duì)學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過(guò)程。此次課程設(shè)計(jì)，使我的動(dòng)手能力得到進(jìn)一步的提高。與模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)數(shù)字電子線路課程設(shè)計(jì)比，高頻電子線路的課程設(shè)計(jì)具有更大的難度和更強(qiáng)的挑戰(zhàn)性。 在設(shè)計(jì)過(guò)程中不僅鍛煉了我們最基本的高頻電子線路的設(shè)計(jì)能力，更重要的是讓我們更深刻的認(rèn)識(shí)了高頻電子線路這門課程在實(shí)際中的應(yīng)用。此次課程設(shè)計(jì)主要針對(duì)各種電容反饋三點(diǎn)式電路提出自己的設(shè)計(jì)方案，并利用仿真軟件Multisim來(lái)實(shí)現(xiàn)自己的設(shè)計(jì)電路圖。設(shè)計(jì)中用到了考畢茲振蕩器，克拉波振蕩器，西勒振蕩器電路等在高頻電子線路課程中學(xué)到的知識(shí)。由于對(duì)所學(xué)電路不熟悉，導(dǎo)致在設(shè)計(jì)的過(guò)程中無(wú)法畫出正確的電路圖，算不出電路中元器件的參數(shù)，使得在設(shè)計(jì)過(guò)程中繞了許多彎路，做了許多的無(wú)用功。