北理工基于電路的頻率源設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)論文

1、本科實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱： 基于電路基礎(chǔ)的頻率源設(shè)計(jì) 課程名稱：基于電路基礎(chǔ)的頻率源設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2016.10-2017.1任課教師：孔德昭實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：4-437實(shí)驗(yàn)教師：孔德昭實(shí)驗(yàn)類型： 原理驗(yàn)證 綜合設(shè)計(jì) 自主創(chuàng)新學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)/班級(jí)：組 號(hào)：學(xué) 院：機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院同組搭檔：專 業(yè)：機(jī)械工程成 績(jī)：設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)院（系）：機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院學(xué)號(hào)1120140514姓名曹遠(yuǎn)沖專業(yè)班級(jí)03321404設(shè)計(jì)（論文）題目基于電路基礎(chǔ)的頻率源設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的目的及意義1) 掌握基本三極管的各種參數(shù)意義，大致了解三極管，二極管的各種特性；2) 掌握基本三點(diǎn)式振蕩電路的振蕩原理，可以按照給定的要求設(shè)計(jì)振蕩電路；3

2、) 掌握選擇三極管的方法，可以根據(jù)所給的參數(shù)要求正確選擇三極管；4) 掌握振蕩電路特性的測(cè)量，評(píng)估方法。設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)晶體三極管振蕩電路設(shè)計(jì)要求：輸出頻率在10MHZ-30MHZ之間輸出為正弦振蕩波形，輸出電壓峰峰值P-P>輸出波形的頻穩(wěn)度要求在-之間目錄第一章 摘要- 4 -第二章 方案選擇、確定及系統(tǒng)框圖方案論證- 4 -§2-1：指標(biāo)分析- 4 -§2-2：整體方案選擇及確定- 4 -§2-3：系統(tǒng)框圖- 5 -第三章 電路圖設(shè)計(jì)、計(jì)算及器件清單- 5 -§3-1：各個(gè)部分的電路設(shè)計(jì)- 5 -§3-2：整體電路設(shè)計(jì)- 9 -

3、67;3-3：器件清單- 11 -第四章 電路圖焊接及數(shù)據(jù)分析- 11 -§4-1：電路圖焊接：- 11 -§4-2：調(diào)試：- 13 -§4-3：測(cè)量數(shù)據(jù)- 13 -§4-4：Rb1的電流和VP-P及f的關(guān)系（單位：A，V ，MHZ）：- 15 -小結(jié)- 16 -參考文獻(xiàn)- 16 -第一章 摘要在信息大爆炸的現(xiàn)代生活中，大量信息充斥著我們生活的方方面面，如何快速有效的發(fā)現(xiàn)及盡快的學(xué)習(xí)他們成了我們生活中必須要考慮的一部分。我們已經(jīng)知道，信息在要在空間中傳的夠遠(yuǎn)，這取決于信號(hào)的能量，也就是信號(hào)的頻率，而大部分的信號(hào)是沒(méi)有這么大的頻率的，這就需要我們將要傳播的

4、信號(hào)調(diào)制到一個(gè)頻率高的基頻正弦信號(hào)上面，從而使其傳播過(guò)程中更易于輻射，傳的更遠(yuǎn)。在接受過(guò)程中，需要將信號(hào)解調(diào)，從而得到我們需要的那個(gè)信號(hào)，這同樣也離不開(kāi)基頻信號(hào)?，F(xiàn)在，我們就要從電路的角度，自己設(shè)計(jì)一個(gè)頻率源出來(lái)。第二章 方案選擇、確定及系統(tǒng)框圖方案論證首先，我們需要列出實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能所需要的系統(tǒng)框圖，之后才能一步一步的根據(jù)實(shí)驗(yàn)框圖來(lái)設(shè)計(jì)電路。§2-1：指標(biāo)分析 本設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)的指標(biāo)為：輸出頻率范圍： 1030MHz輸出電壓幅度范圍： >=2V供電電源： 12V 對(duì)于系統(tǒng)整體的頻率分辨率，單邊帶相位噪聲，非諧波雜散，本實(shí)驗(yàn)沒(méi)有做過(guò)多的要求，§2-2：整體方案選擇及確定首

5、先，我采用的是模擬電路，而不是數(shù)字電路。原因有很多，一是模擬電路比較熟悉，數(shù)字電路現(xiàn)在還在學(xué)，而且還沒(méi)怎么學(xué)明白；二是數(shù)字電路雖然變化的比較快，對(duì)電路的延時(shí)較少，但是缺點(diǎn)是諧波太多，出來(lái)的信號(hào)不純；三是數(shù)字電路其實(shí)在電路設(shè)計(jì)上是比較麻煩的，首先，我們需要把模擬信號(hào)取樣、量化變成數(shù)字信號(hào)，對(duì)數(shù)字信號(hào)操作完成后又需要通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器變成模擬信號(hào)輸出。其次，考慮過(guò)晶體振蕩器，但是晶體振蕩器的fg是一定的，也就是說(shuō)，當(dāng)晶體振蕩器一旦選定之后，系統(tǒng)的fg也就確定了。而我想做的是一個(gè)頻率可變的信號(hào)，所以晶體振蕩器也就被我排除了。要做一個(gè)頻率可變的信號(hào)源，我的打算是用變?nèi)荻O管并聯(lián)上一個(gè)電位器來(lái)控制諧振回路

6、的fg，從而達(dá)到頻率可變的要求。§2-3：系統(tǒng)框圖1、系統(tǒng)整體框圖放大網(wǎng)絡(luò)正反饋網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò)放大網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)壓網(wǎng)絡(luò)圖中的穩(wěn)壓網(wǎng)絡(luò)，可以看到，我畫(huà)的是虛線，也就是說(shuō)我并沒(méi)有畫(huà)到整體的框圖里面，這是因?yàn)榉€(wěn)壓網(wǎng)絡(luò)其實(shí)是額外的，這是為了避免直流電源中夾雜的高頻交流信號(hào)避免在整體電路里面影響最后的輸出頻率的。但是在題目給的條件中，就是一個(gè)不含任何雜波的直流源，所以這部分對(duì)電路的主體設(shè)計(jì)沒(méi)有任何影響，所以就把這部分沒(méi)考慮在主體框圖里面。穩(wěn)壓網(wǎng)絡(luò)：上面說(shuō)了，是為了除去所給的直流電流里面的高頻信號(hào)的影響所額外加的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，也就是說(shuō)它的作用就是保證流進(jìn)整個(gè)電路的是一個(gè)完完全全的直流電，沒(méi)有任何頻率分量。放大

7、網(wǎng)絡(luò)、正反饋網(wǎng)絡(luò)需放在一起講。在電壓剛加在電路兩端的時(shí)候，三極管的電流由0突然增大，由于三極管是個(gè)非線性原件，所以這個(gè)過(guò)程中是有無(wú)數(shù)個(gè)正弦信號(hào)產(chǎn)生的，但是幅度很小，而通過(guò)放大器的放大作用，這很多個(gè)疊加的信號(hào)都進(jìn)行了放大，而這里面有我們所需要的頻率，接下來(lái)的步驟就是選出我們需要的頻率。選頻網(wǎng)絡(luò)，一般都是并聯(lián)諧振回路，這個(gè)諧振回路就是為了選出我們需要的網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)的，當(dāng)f=12LC時(shí)，信號(hào)可以無(wú)衰減的通過(guò)，當(dāng)信號(hào)時(shí)其他頻率的時(shí)候，并聯(lián)諧振回路有一定的阻抗存在，信號(hào)通過(guò)回路的時(shí)候會(huì)有一定的衰減，從而達(dá)到選頻的目的。最后的放大網(wǎng)絡(luò)一般是共集組態(tài)，放大倍數(shù)幾乎為1，但是他的輸出阻抗非常大，它的目的就是為了

8、提高電路整體帶負(fù)載的能力。第三章 電路圖設(shè)計(jì)、計(jì)算及器件清單§3-1：各個(gè)部分的電路設(shè)計(jì)1、穩(wěn)壓網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)壓網(wǎng)絡(luò)的主要目的就是去除直流電源里各種頻率分量，所以穩(wěn)壓網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)如下圖： 穩(wěn)壓網(wǎng)絡(luò)要濾掉直流電壓中的高頻，低頻，中頻分量，所以我們用了三個(gè)大小不一的電容來(lái)濾掉這些分量，分別是：100uF、10uF、0.22uF，這些在整體的電路中可以不予考慮，因?yàn)閷?duì)整體電路設(shè)計(jì)沒(méi)影響。2、放大網(wǎng)絡(luò)、正反饋網(wǎng)絡(luò)C2C1ReRcRb2RbwRb1當(dāng)此網(wǎng)絡(luò)與后面網(wǎng)絡(luò)用電容耦合的時(shí)候，此網(wǎng)絡(luò)的靜態(tài)工作點(diǎn)不會(huì)影響后面的靜態(tài)工作點(diǎn)，因此每個(gè)晶體管的工作點(diǎn)可獨(dú)立計(jì)算，互不影響。對(duì)于此網(wǎng)絡(luò)，靜態(tài)工作點(diǎn)為：UBQ1

9、=Rb1Rb1+Rb2+RbwVccUEQ1=UBQ1-UBEUCQ1=Vcc-Rc1UeQ1ReIEQ1=UEQ1Re由于此網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)頻率最大為30MHZ，所以查詢各種三極管的數(shù)據(jù)手冊(cè)之后，決定使用的是高頻三極管SS9013，由圖知=100此三極管的輸出特性曲線是： 為了不失真，我取VCEO=UcQ1-UeQ1=6V根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)ICmax=25mA，因此為了電阻比較好取，我們?nèi)CQ1=2mA，有：Re+Rc=VCC-VCEOICQ1=12-62*10-3=3*103由于數(shù)據(jù)手冊(cè)給的UBCmax=30V遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所給電壓12V，所以B、C兩端絕對(duì)不會(huì)燒壞，因此可以不用考慮UBC的限制，在這種情

10、況下，我取UEQ=2V那么Re=1k,Rc=2k由數(shù)據(jù)手冊(cè)上的IC和UBE的關(guān)系圖：雖然上圖中的VCE=5V，但是對(duì)于IC和UBE的關(guān)系影響不大。從上圖中看到，當(dāng)IC=2mA時(shí)，VBE=0.7V，UBQ1=UEQ1+VBE=RE1*IC+VBE=2.7VRb2Rb1+Rb2+Rbw=UBQ1VCC=940Rb2Rb1+Rbw=931又IB=IC=0.02mA取I1=10IB=0.2mA則I2I1=0.2mARb2=UBQI2=13.5kRb1+Rw=46.5k不妨取Rb2=14k，Rb1=10k，由于各種實(shí)際電路的分布參數(shù)，可以看到我在放大電路部分加了一個(gè)Rw=100k的電位器，用來(lái)調(diào)節(jié)三極管

11、的靜態(tài)工作點(diǎn)。為了去掉直流信號(hào)中頻率很低的交流電對(duì)電路的影響，我們需要在基級(jí)和地之間加一個(gè)大的隔置電容，如上圖，在這里，加了一個(gè)0.22F的大電容。由電容三點(diǎn)式振蕩電路可知，C1C1+C2=1218之間。3、選頻網(wǎng)絡(luò) 圖示的振蕩頻率是f0=12LC，在整體的電路里面，C不是一個(gè)，而是很多個(gè)電容的等效電容，這里我們?cè)诤竺嬲w電路里面去考慮。4、共集組態(tài)網(wǎng)絡(luò) 共集組態(tài)網(wǎng)絡(luò)主要是為了增大電路整體的待負(fù)載能力而設(shè)計(jì)的，共集組態(tài)網(wǎng)絡(luò)具有輸入電阻小，輸出電阻大的特點(diǎn)。前級(jí)的共集組態(tài)有兩個(gè)功能。一是發(fā)射極上的電阻具有調(diào)節(jié)后級(jí)輸出電壓大小的功能，二是發(fā)射極上的電阻上的電壓是前級(jí)晶體管的反饋電壓，同時(shí)又影響自身

12、的靜態(tài)工作點(diǎn)大小，這里我們還是拿到整體中去考慮。§3-2：整體電路設(shè)計(jì)1、 整體網(wǎng)絡(luò)如下圖，圖中的計(jì)算已經(jīng)大部分完成了。下面來(lái)說(shuō)主要計(jì)算：在3-1中已經(jīng)說(shuō)明放大部分的各種參數(shù)的來(lái)歷，下面，后級(jí)參數(shù)的來(lái)歷。由振蕩器的：B=C1C1+C2=1218之間，不妨取B=15；考慮到市面上有的電容的容值，我取了C5為180PF，C4為470PF。 對(duì)于電感，是根據(jù)實(shí)驗(yàn)室里有的10uH的電感取得。§3-3：器件清單器件名稱及規(guī)格數(shù)量電路板1SS9013三極管17812穩(wěn)壓器10.22F電容3100F電容110F電容1470F電容1180F電容110H電感17/25pF可變電容1100k可

13、變電阻114K電阻110k電阻12k電阻11k電阻1第四章 電路圖焊接及數(shù)據(jù)分析§4-1：電路圖焊接： 首先焊接穩(wěn)壓模塊，用萬(wàn)用表測(cè)試穩(wěn)壓模塊輸出，輸出檢查無(wú)誤后按照電路圖焊接后面的主電路； 沒(méi)有對(duì)應(yīng)的元件時(shí)就近取值； 焊接時(shí)，要注意電路的整體布局，不能將電路拉得太遠(yuǎn)，避免高頻時(shí)電路分布參數(shù)的影響；注意防止短接； 電路焊接完成后，認(rèn)真檢查電路是否連接正確，確定無(wú)誤后，在進(jìn)行調(diào)試。§4-2：調(diào)試：（1） 接入12V電壓，注意此時(shí)一定要使Rb1上面的電位器在最大，防止一接電就將三極管燒壞；（2） 測(cè)試電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，觀察是否能變化，以及變化的范圍是否大；（3） 觀察波形；&#

14、167;4-3：測(cè)量數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)§4-4：Rb1的電流和VP-P及f的關(guān)系（單位：A，V ，MHZ）：由excel繪制圖得：由圖知，峰峰值隨Rb1的電流變化成拋物線變化，起振電流為113A，在300A左右峰峰值達(dá)到最大，并在400A左右停振，并且可知電流對(duì)頻率的影響不大，頻率主要受電容及電感值的影響小結(jié)首先，感謝老師對(duì)我實(shí)驗(yàn)習(xí)慣的培養(yǎng)，尤其感謝老師的耐心指導(dǎo)與幫助；感謝同學(xué)們的熱心幫助讓我度過(guò)了愉快的一學(xué)期。記得我是撿漏選上這門(mén)課的，當(dāng)時(shí)老師說(shuō)這門(mén)課有一定的難度，建議大家慎重選擇，以至于有一些人退了課，當(dāng)然我還是硬著頭皮沒(méi)有退畢竟實(shí)驗(yàn)課也不是那么好選上的。經(jīng)過(guò)一個(gè)學(xué)期的課程學(xué)習(xí)，我覺(jué)得我收獲頗豐，不僅學(xué)習(xí)了一定的電學(xué)尤其是信號(hào)方面的知識(shí)，也了解了許多設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)方面的注意事項(xiàng)，更主要的是認(rèn)識(shí)了一群優(yōu)秀的同學(xué)，經(jīng)過(guò)一起設(shè)計(jì)，焊接，調(diào)試，大家也彼此熟悉了。言歸正傳，對(duì)于本次實(shí)驗(yàn)，我認(rèn)為有以下成果和不足：成果：產(chǎn)生了滿足要求的信號(hào)，得到了一些關(guān)于峰峰值及頻率的數(shù)據(jù)，對(duì)振蕩有了一定認(rèn)識(shí)不足：信號(hào)的穩(wěn)定性和波形雖然經(jīng)過(guò)調(diào)試后基本可以，但是距離理想波形還有一定的距離，其次就是輸出的峰峰值最大也就2V多一點(diǎn)，相對(duì)過(guò)小，還有就是在調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在其他測(cè)