高頻課設報告-通信電子線路課程設計——電容三點式正弦波振蕩器

1、目錄一 課程設計目的2二 課程設計題目2三 課程設計內容23.1 仿真設計部分23.1.1設計方案的選擇23.1.2振蕩器的原理概述33.1.3方案對比與選擇53.1.4電路設計方案73.1.5元器件的選擇93.1.6電路仿真93.1.7元器件清單123.2系統(tǒng)制作和調試133.2.1系統(tǒng)結構133.2.2系統(tǒng)制作153.2.3調試分析16四 課后總結和體會17參考文獻17一 課程設計目的 高頻電子線路課程是電子信息專業(yè)繼電路理論、電子線路(線性部分)之后必修的主要技術基礎課，同時也是一門工程性和實踐性都很強的課程。課程設計是在課程內容學習結束，學生基本掌握了該課程的基本理論和方法后，通過完成

2、特定電子電路的設計、安裝和調試，培養(yǎng)學生靈活運用所學理論知識分析、解決實際問題的能力，具有一定的獨立進行資料查閱、電路方案設計及組織實驗的能力。通過設計，進一步培養(yǎng)學生的動手能力。二 課程設計題目1、模塊電路設計（采用Multisim軟件仿真設計電路）1）采用晶體三極管或集成電路，場效應管構成一個正弦波振蕩器；2）額定電源電壓5.0V ，電流13mA; 輸出中心頻率 6 MHz （具一定的變化范圍）；2、高頻電路制作、調試 LC高頻振蕩器的制作和調試三 課程設計內容3.1 仿真設計部分3.1.1設計方案的選擇電容反饋式振蕩電路的基本電路就是通常所說的三端式（又稱三點式）的振蕩器，即LC回路的三

3、個端點與晶體管的三個電極分別連接而成的電路，如圖2-0所示。由圖可見，除晶體管外還有三個電抗元件X1、X2、X3，它們構成了決定振蕩器頻率的并聯(lián)諧振回路，同時構成了正反饋所需的網(wǎng)絡，為此根據(jù)振蕩器組成原則，三端式振蕩器有兩種基本電路，如圖2-0所示。圖2-0中X1和X2為容性，X3為感性，滿足三端式振蕩器的組成原則，反饋網(wǎng)絡是由電容元件完成的，稱電容反饋振蕩器 圖2-1 三端式振蕩器基本電路電容反饋式振蕩電路的設計及原理分析 電路由放大電路、選頻網(wǎng)絡、正反饋網(wǎng)絡組成。總體設計方案框圖如下：ViV0選頻網(wǎng)絡放大電路正反饋網(wǎng)絡Vf 圖2-2 電容反饋式振蕩電路設計框圖3.1.2振蕩器的原理概述不需

4、外加輸入信號，便能自行產(chǎn)生輸出信號的電路稱為振蕩器。按照產(chǎn)生的波形，振蕩器可以分為正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器。按照產(chǎn)生振蕩的工作原理，振蕩器分為反饋式振蕩器和負阻式振蕩器。所謂反饋式振蕩器，就是利用正反饋原理構成的振蕩器，是目前用的最廣泛的一類振蕩器。所謂負阻式振蕩器， 就是利用正反饋有負阻特性的器件構成的振蕩器，在這種電路中，負阻所起的作用，是將振蕩器回路的正阻抵消以維持等幅振蕩。反饋式振蕩電路，有變壓器反饋式振蕩電路，電感三點式振蕩電路，電容三點式振蕩電路和石英晶體振蕩電路等。 電感三點式振蕩器的電感線圈對高次諧波呈現(xiàn)高阻抗所以反饋帶中高次諧波分量較多輸出波形較差。本次設計要求我們采用的

5、是電容三點式振蕩電路，由于電容三點式振蕩電路有一些缺陷，通過改進，得到了西勒振蕩器。振蕩器LC回路的三個端點與晶體管的三個電極分別連接構成的電路即為三端式振蕩器，其示意圖如下圖2.1所示：圖2.3 一般形式的三點式振蕩器三點式LC正弦波振蕩器的組成法則是：與晶體管發(fā)射極相連的兩個電抗元件應為同性質的電抗，而與晶體管集電極基極相連的電抗元件應與前者性質相反。也就是說上圖中、與的性質必須相反振蕩器才能起振。設：、為純電抗元件負號表示產(chǎn)生180o相移，與Vbe和Vce間的180o相移合成為360o相移，滿足正反饋條件。為此，Xce與Xeb必為同名電抗，而Xcb須是Xce與Xeb的異名電抗。電容三點式

6、的原理示意圖如下圖2.2所示：圖2.4 電容三點式振蕩器 由圖可見：與發(fā)射極連接的兩個電抗元件為同性質的容抗元件C1和C2；與基極和集電極連接的為異性質的電抗元件L，根據(jù)前面所述的班別準則為，該電路滿足相位條件。其工作過程是：振蕩器接通電源后，由于電路中的電流從無到有變化 ，將產(chǎn)生脈動信號。振蕩器電路中有一個LC諧振回路，具有選頻作用，當LC諧振回路的固有頻率與某一諧振頻率相等時，電路發(fā)生諧振。雖然脈動的信號很微小，通過電路放大及正反饋使振蕩幅度不斷增大。當增大到一定程度時，導致晶體管進入非線性區(qū)域，產(chǎn)生自給偏壓，使放大器倍數(shù)減小，最后達到平衡，此時振蕩幅度不在增大。于是使振蕩器只有在某一頻率

7、時才能滿足振蕩條件，于是得到單一頻率的振蕩信號輸出。該振蕩器的振蕩頻率為：反饋系數(shù)F為： 若要它產(chǎn)生正弦波，滿足F=1/21/8,太小或者太大均不容易起振。一個實際的振蕩電路，在F確定后，其振幅增加的主要是靠提高振蕩管的靜態(tài)電流值。但是如果靜態(tài)電流值取得太大，振蕩管工作范圍容易進入飽和區(qū)，輸出阻抗降低使振蕩波形失真。嚴重時，甚至使振蕩器停振。所以在實用中，靜態(tài)電流值一般取=0.5mA4mA。電容三點式的優(yōu)點是：1)振蕩波形好；2）電路的頻率穩(wěn)定度高，工作頻率可以做得較高，達到幾十赫茲到幾百赫茲的甚高波段范圍。電路缺點：若調用C1或C2改變振蕩回路的工作頻率，反饋系數(shù)也將改變使振蕩器的頻率穩(wěn)定度

8、不高。3.1.3方案對比與選擇改進型的電容三點式分為兩種：克拉潑振蕩器、西勒振蕩器。 克拉潑振蕩器：電容三點式改進型“克拉潑振蕩器”如下圖3.1所示：圖3.1 克拉潑振蕩器電路電路的特點是在共基電容三點式振蕩器的基礎上，用一電容C5，串聯(lián)于電感L的支路上。其作用是增加回路總電容和減小管子與回路間的耦合來提高振蕩回路的標準性。使振蕩頻率的穩(wěn)定度得到提高。因為C5為可調電容遠小于C1或C2，所以電容串聯(lián)后的等效電容約為C5。電路的振蕩頻率為：與基本電容三點式振蕩電路相比，在電感L支路上串聯(lián)一個電容后有以下特點：振蕩頻率可改變不會影響反饋系數(shù)；振蕩幅度比較穩(wěn)定；電路中的C5為可變電容，調整它即可以在

9、一定范圍內調整振蕩頻率。但是C5不能太小否則會導致停振，所以克拉破振蕩器頻率覆蓋率較小，僅達1.21.4；為此，克拉潑振蕩器適合與做固定頻率振蕩器。西勒振蕩器：電容三點式改進型“西勒振蕩器”如下圖3.2所示：圖3.2 西勒振蕩器電路電路的特點是在克拉潑電路的基礎上，用一電容C4，并聯(lián)于電感L兩端。作用是保持了晶體管與振蕩回路弱耦合，振蕩頻率的穩(wěn)定度高，調整范圍大。電路的振蕩頻率為：西勒振蕩電路有以下特點：1 .振蕩幅度比較穩(wěn)定；2 .振蕩頻率可以較高；頻率覆蓋率較大，可達1.61.8，因而在一些短波超、短波通信機，電視接收機中用的較多。該電路振幅起振條件： 該電路相位起振條件： 振幅平衡條件：

10、 相位平衡條件： 放大器電路由晶體三極管2N222、濾波電容、高頻旁置電容、集電極旁置電阻R1、基極旁置電阻R2、R3、射極旁置電阻R5組成。放大器可選用如電子管、晶體管等，本設計采用晶體三極管2N222作為能量控制的放大器。選頻網(wǎng)絡用來決定振蕩頻率，本設計采用LC并聯(lián)諧振回路，由C2、C3、C4、L、C5組成，要求C2，C3>>C4，C5。反饋網(wǎng)絡是將輸出信號送回到輸入端的電容分壓式正反饋網(wǎng)絡，C3和晶體管構成正反饋。3.1.4電路設計方案電路選擇：根據(jù)上述對比可知，西勒振蕩器的接入系數(shù)與克拉潑振蕩器相同。西勒振蕩器的頻率改變主要通過改變C5完成，C5的改變并不影響接入系數(shù)p，因

11、而波段內輸出較平穩(wěn)。而C5改變，頻率變化較明顯，使得西勒振蕩器的頻率覆蓋系數(shù)較大。本次課設選擇西勒振蕩電路作為正弦波發(fā)生電路。電路原理圖設計：電路原理圖如下圖4.1所示： 圖4.1 改進型電容三點式振蕩電路原理圖電路結構：圖4.1中的電路主要由3部分構成：1.起能量放大作用的三極管放大器；2.三點式回路組成的正反饋網(wǎng)絡；3.射極跟隨器構成的緩沖級。由于西勒振蕩器的的輸出阻抗比較大，帶負載的能力不強，所以有必要加一個緩沖極，來提高電路的帶負載能力。緩沖極不具有放大作用，只是原倍數(shù)的將信號輸出給下一級。靜態(tài)工作點設置：合理選擇振蕩器的靜態(tài)工作點對振蕩器的起振、工作的穩(wěn)定性和波形質量的好壞有著密切的

12、關系。一般小功率振蕩器的靜態(tài)工作點應選在遠離飽和區(qū)而靠近截至區(qū)的地方。根據(jù)上述原則，一般小功率振蕩器集電極電流大約在0.84mA之間選取，故本實驗電路中：選擇=1.5mA =0.5V ， =40則 為提高電路的穩(wěn)定性值適當增大，取=1，則=2又 1.5mA*1K=1.5V 取流過Rb2的電流為10，則 ，取4可取=5，這樣額定電流是2mA,滿足任務要求。3.1.5元器件的選擇回路中的電抗元件分為電容C和電感L兩部分。通常滿足接入系數(shù)C2/C3不能過大或者過小，否則不容易起振，一般適宜1/81/2。振蕩器工作頻率為：當LC振蕩時，=6MHz L=10H本電路中，回路諧振頻率主要由C4和C5決定，

13、即 取C4=30pf,C5為100pf可調電容，因為要遵循C2,C3>>C4,C5，C2/C3=1/81/2的條件，故取C2=120pf，C3=560pf。3.1.6電路仿真在Multisim軟件中繪制改進型電容三點式正弦波振蕩器的電路圖，并更改好各元件數(shù)值連接好虛擬示波器，如下圖4.2所示： 圖4.2圖4.3 三點式振蕩器輸出波形如上圖4-2所示，得到了正弦波，說明了電路起振了，并且得到了穩(wěn)定的波形，但是波形有一定的失真，是由于噪聲，溫度等的影響。 在西勒振蕩器接緩沖級示。圖4.4 加載100負載后的波形輸出和頻率上圖為通過緩沖器后加載100負載的波形輸出，大體保持了原有波形，波

14、形的失真應與緩沖器有關，單一的射極跟隨器無法完整的保持波形不變。分析可見，緩沖級為射極跟隨器，該電路輸入阻抗高，可減小放大器從前級所取的信號電流；而輸出電阻低，可減小負載變動對前級的影響?？捎蓤D可知加載100負載后輸出電壓大于1V，滿足任務需求。且通過調節(jié)C5可以改變輸出頻率，使其輸出范圍在6MHz左右變化，滿足了設計任務的需求。3.1.7元器件清單序號名稱型號數(shù)量1電阻1K12電阻2K13電阻3K14電阻4K15電阻10016電位器2K、10K、200K各1個7瓷片電容33nF18瓷片電容120pF19瓷片電容560pF110瓷片電容30pF111電解電容10uF/16V112可變電容100

15、pF113電感10uH114三極管2N222223.2系統(tǒng)制作和調試3.2.1系統(tǒng)結構1放大電路選用共基電路共基放大電路與共射放大電路相比，高頻特性好，所以，本設計選用共基電路。高頻放大和振蕩電路選用、系列的高頻小功率三極管，屬硅型。本題中的振蕩三極管選用，其，。2振蕩管靜態(tài)工作點的設計（1）估算電阻、的方法通常選，則有、，（2）估算電阻、的方法（?。Ｒ驗?，又，且，所以，。因為，所以，。（3）估算電容的方法作基極交流接地，一般應滿足，當較大時，取幾幾十歐姆。3主振回路的設計（1）電路形式：采用西勒振蕩電路，容易起振、波形好、穩(wěn)定度<,能滿足設計要求。（2）估算電容、的方法時，；時，。設

16、，則由，得。（）（3）估算電容、的方法選、（如果取幾十皮法，則、可以取幾百皮法至幾千皮法），且。4緩沖放大電路的設計在振蕩管和負載之間，接入一個緩沖放大電路，可選擇由固定分壓與自給偏壓相結合，具有穩(wěn)定工作點偏置電路的射極跟隨器。隔離級晶體管也選用三極管。 （1）估算偏置電阻、的方法（?。┥錁O跟隨器的電源電壓取值略大于最大輸出電壓與飽和電壓之和，考慮到非常小，所以，足夠了。設置在（負載線的中點）處，能取出最大輸出振幅，所以，。所以， ，取流過的電流為，則有，。（2）估算高頻耦合電容、的方法由高頻耦合電容形成的高通濾波器的截至頻率應滿足：。在輸入耦合時，為源電阻與輸入電阻之和；在輸出耦合時，為輸出

17、電阻與負載電阻之和；振蕩回路的下限頻率。若振蕩頻率選為，可選取。5電源退耦電路的設計在電源上并聯(lián)小容量的電容和大容量的電容，能在很寬的頻率范圍內降低電源對地的阻抗。小容量的電容要配置在電路的近鄰，減小電容引線長度，降低引線本身阻抗；而大容量的電容不存在該問題。3.2.2系統(tǒng)制作 3.2.3調試分析 振蕩頻率:10.4772MHz-11.4343MHz輸出電壓：0.6V采用西勒振蕩電路，因為西勒振蕩器的接入系數(shù)與克拉潑振蕩器的相同，由于改變頻率主要通過C4完成的，C4的改變并不影響接入系數(shù)p，所以波段內輸出較平穩(wěn)。而且C4改變，頻率變化較明顯，故西勒振蕩器的頻率覆蓋系數(shù)較大，可達1.61.8。四

18、 課后總結和體會對于電路的設計過程起初以為電容三點式振蕩器的設計比較煩瑣，有靜態(tài)工作點的要求，各電阻、電容值的設計，看起來較復雜。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，畫出電路圖，慢慢變得簡單。同樣，在這次課程設計中也遇到了不少問題，首先電路的設計，查閱了不少資料，電容三點式雖然常見，但是要考慮到滿足任務書的要求，仍費了一番波折；其次是電路的焊接，在焊完元件后檢查了一遍，便開始調試，后來發(fā)現(xiàn)焊接過程中有兩處線路焊接錯誤，導致結果沒有出來，而一點一點排查的過程是比較痛苦的。經(jīng)過這次課程設計，讓我對前面的路有了更多的信心，因為在這個過程中，我學到了不少實用的東西，對于高頻電子電路有了更深層次的掌握，并且提高了獨立解決問題的能力。雖然這次課程設計中我對電路進行了仿真，進一步熟悉了Multisim軟件的使用，對建立文件、繪