高頻正弦波壓控振蕩器+protues仿真+orcad繪制PCB+實(shí)物課件

1、武漢理工大學(xué)Proteus及Candence實(shí)訓(xùn)課程設(shè)計(jì)說明書課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 助人為樂 專業(yè)班級： 不計(jì)得失 指導(dǎo)教師： 一定過 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目:正弦波壓控振蕩器初始條件：計(jì)算機(jī)、Proteus軟件、Cadence軟件要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）1、課程設(shè)計(jì)工作量：2周2、技術(shù)要求：（1）學(xué)習(xí)Proteus軟件和Cadence軟件。（2）設(shè)計(jì)一個正弦波壓控振蕩器電路。（3）利用Cadence軟件對該電路設(shè)計(jì)原理圖并進(jìn)行PCB制版，用Proteus軟件對該電路進(jìn)行仿真。3、查閱至少5篇參考文獻(xiàn)。按武漢理工大學(xué)課程設(shè)

2、計(jì)工作規(guī)范要求撰寫設(shè)計(jì)報告書。全文用A4紙打印，圖紙應(yīng)符合繪圖規(guī)范。時間安排：2013.11.11做課設(shè)具體實(shí)施安排和課設(shè)報告格式要求說明。2013.11.11-11.16學(xué)習(xí)Proteus軟件和Cadence軟件，查閱相關(guān)資料，復(fù)習(xí)所設(shè)計(jì)內(nèi)容的基本理論知識。2013.11.17-11.21對高頻正弦波壓控振蕩器電路進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真工作，完成課設(shè)報告的撰寫。2013.11.22 提交課程設(shè)計(jì)報告，進(jìn)行答辯。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目錄摘要I1緒論12軟件介紹22.1Proteus軟件介紹22.2Cadence軟件介紹23正弦波壓控震蕩器設(shè)計(jì)33.1正弦波振蕩

3、器33.2西勒電容反饋振蕩器33.3壓控振蕩器原理43.4變?nèi)荻O管43.5壓控振蕩器53.6參數(shù)選擇63.7仿真調(diào)試74繪制PCB電路版75總結(jié)8參考文獻(xiàn)9摘要隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，各種通信設(shè)備層出不窮，涉及信息收發(fā)的各種儀器在調(diào)制和解調(diào)過程中，都必須依靠高精度的振蕩源，人們通常把壓控振蕩器稱為調(diào)頻器，用以產(chǎn)生調(diào)頻信號。在自動頻率控制環(huán)路和鎖相環(huán)環(huán)路中，輸入控制電壓是誤差信號電壓，壓控振蕩器是環(huán)路中的一個受控部件。振蕩器的種類有很多，包括反饋式振蕩器、負(fù)阻式振蕩器等。本次課程設(shè)計(jì)主要完成正弦波壓控振蕩器的設(shè)計(jì)，包含有壓控元件作為頻率控制器件的振蕩器就稱為壓控振蕩器，本次設(shè)計(jì)利用晶體管、變?nèi)?/p>

4、二極管等分立元件完成相關(guān)設(shè)計(jì)。關(guān)鍵字：正弦波 振蕩器 變?nèi)荻O管I1 緒論振蕩器是用來產(chǎn)生重復(fù)電子信號（通常是正弦波或方波）的電子元件，其構(gòu)成的電路叫振蕩電路。能將直流電轉(zhuǎn)換為具有一定頻率交流電信號輸出的電子電路或裝置。種類很多，按振蕩激勵方式可分為自激振蕩器、他激振蕩器；按電路結(jié)構(gòu)可分為阻容振蕩器、電感電感振蕩器、晶體振蕩器、音叉振蕩器等；按輸出波形可分為正弦波、方波、鋸齒波等振蕩器。廣泛用于電子工業(yè)、醫(yī)療、科研等方面。 振蕩器的種類很多，使用范圍也不相同，但是它們的基本原理都是相同的，都要滿足起振、平衡和穩(wěn)定條件。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，振蕩器可

5、分為反饋式振蕩器和負(fù)阻式振蕩器。所謂反饋式振蕩器，就是利用正反饋原理構(gòu)成的振蕩器，是目前用的最廣泛的一類振蕩器。所謂負(fù)阻式振蕩器，就是利用正反饋有負(fù)阻特特性的器件構(gòu)成的振蕩器。在這種電路，負(fù)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。反饋式振蕩器電路，有變壓器反饋式振蕩電路，電感三點(diǎn)式振蕩電路，電容三點(diǎn)式振蕩電路和石英晶體振蕩電路等。本次設(shè)計(jì)我們采用的是電容三點(diǎn)式振蕩電路，由于電容三點(diǎn)式振蕩電路有一些缺陷，通過改進(jìn)，得到了西勒振蕩器電路。2 正弦波壓控震蕩器原理2.1 正弦波振蕩器正弦波振蕩器根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)所采用的器件可以分為LC振蕩器、RC振蕩器、晶體振蕩器， LC最常用的電路是三點(diǎn)

6、式振蕩器，即LC回路的三個端點(diǎn)與晶體管的三個電極分別連接而成的電路，根據(jù)諧振回路的性質(zhì)，諧振時回路應(yīng)該呈現(xiàn)純電阻性。因而，電路中三個電抗元件不能同時為感抗或者容抗，必須有兩種不同性質(zhì)電抗元件組成的，如圖3-1所示圖3-1三端式振蕩器的組成2.2 西勒電容反饋振蕩器三端式振蕩器根據(jù)組成反饋網(wǎng)絡(luò)元件的電抗性質(zhì)，可分為電容反饋式振蕩器和電感反饋式振蕩器。由于電容反饋式振蕩器具有工作頻率高、波形好等優(yōu)點(diǎn)，在許多場合得到了廣泛應(yīng)用，本課程設(shè)計(jì)的壓控振蕩器電路即根據(jù)西勒振蕩器變化而來。圖3-2西勒振蕩器電路2.3 壓控振蕩器原理壓控振蕩器指輸出頻率與輸入控制電壓有對應(yīng)關(guān)系的振蕩電路,其特性用輸出角頻率0與

7、 輸入控制電壓Uc之間的關(guān)系曲線如圖3-1所示。圖3-3壓控振蕩器特性圖4-1中Uc為零時的角頻率稱為自由振蕩角頻率；曲線在此時的斜率K0稱為控制靈敏度。使振蕩器的工作狀態(tài)或振蕩回路的元件參數(shù)受輸入控制電壓的控制，就可構(gòu)成一個壓控振蕩器。3 正弦波壓控震蕩器電路設(shè)計(jì)3.1 壓控振蕩器基本參數(shù)設(shè)置(1) 工作頻率：規(guī)定調(diào)諧電壓范圍內(nèi)的頻率范圍稱作工作頻率，通常單位為“MHz”或“GHz”。(2) 輸出功率：在工作頻段內(nèi)輸出功率標(biāo)稱值，用Po表示。通常單位為“dBmw”。(3) 輸出功率平穩(wěn)度：指在輸出振蕩頻率范圍內(nèi)功率波動最大值，通常單位為“dBmw”。(4) 調(diào)諧靈敏度：定義為調(diào)諧電壓每變化1

8、V時，引起振蕩頻率的變化量，在線性區(qū)內(nèi)，靈敏度最高，在非線性區(qū)靈敏度降低。(5) 諧波抑制：定義在測試頻點(diǎn)，二次諧波抑制=10Log（P基波/P諧波）（dBmw）。(6) 3dB調(diào)制帶寬：是指特定用途的VCO在作調(diào)頻使用時，調(diào)制信號為1Vp-p時，產(chǎn)生的調(diào)頻頻帶寬度，主要有雙端壓控作調(diào)頻時用戶的要求作出設(shè)計(jì)。3.2 變?nèi)荻O管在振蕩器的振蕩回路上并接或串接某一受電壓控制的電抗元件后，即可對振蕩頻率實(shí)行控制，受控電抗元件常用變?nèi)荻O管取代。如下圖所示， 變?nèi)荻O管的電容量Cj取決于外加控制電壓的大小，控制電壓的變化會使變?nèi)莨艿腃j變化，Cj的變化會導(dǎo)致振蕩頻率的改變。變?nèi)荻O管的作用是利用PN結(jié)

9、之間電容可變的原理制成的半導(dǎo)體器件，在高頻調(diào)諧、通信等電路中作可變電容器使用。變?nèi)荻O管屬于反偏壓二極管，改變其PN結(jié)上的反向偏壓，即可改變PN結(jié)電容量。反向偏壓越高，結(jié)電容則越少，反向偏壓與結(jié)電容之間的關(guān)系是非線性的，當(dāng)反向偏壓增加，造成電容減少；然而反向偏壓減少，造成電容增加。電容誤差范圍是一個規(guī)定的變?nèi)荻O管的電容量范圍。數(shù)據(jù)表將顯示最小值、標(biāo)稱值及最大值，這些經(jīng)常繪在圖上。變?nèi)莨苁抢冒雽?dǎo)體PN結(jié)的結(jié)電容受控于外加反向電壓的特性而制成的一種晶體二極管，它屬于電壓控制的可變電抗器件，其壓控特性的典型曲線如圖2-5所示。圖中，反向偏壓從3V增大到30V時，結(jié)電容Cj從18pF減小到3pF，

10、電容變化比約為6倍。對于不同的Cj，所對應(yīng)的振蕩頻率為：（1）通常將fmax和fmin的比值稱為頻率覆蓋系數(shù)，以符號Kf表示，上述振蕩回路的頻率覆蓋系數(shù)如下： （2）通過以上分析可知，本設(shè)計(jì)滿足振蕩器的起振條件和平衡條件，振蕩器的另一個重要指標(biāo)是頻率穩(wěn)定度，因此在本次設(shè)計(jì)中各器件參數(shù)的選擇必須滿足頻率穩(wěn)定度的要求。3.3 壓控振蕩器原理正弦壓控振蕩電路(VCO)的論證本設(shè)計(jì)選用西勒振蕩電路作為VCO。這種電路的特點(diǎn)是：振蕩頻率由C3、C4決定，但反饋系數(shù)由C1、C2決定，解決了基本三點(diǎn)式振蕩設(shè)計(jì)中存在的改變振蕩頻率必改變反饋系數(shù)的矛盾，綜合考慮穩(wěn)幅輸出和調(diào)諧方便，本設(shè)計(jì)選用變?nèi)荻O管實(shí)現(xiàn)壓控振

11、蕩電路，利用它的變?nèi)萏匦詫?shí)現(xiàn)頻率控制。合理選擇振蕩器的靜態(tài)工作點(diǎn)對振蕩器的起振、工作的穩(wěn)定性和波形質(zhì)量的好壞有著密切的關(guān)系。一般小功率振蕩器的靜態(tài)工作點(diǎn)應(yīng)選在遠(yuǎn)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，圖3-4正弦波壓控振蕩電路3.4 參數(shù)選擇如上訴電路圖所示，由于本設(shè)計(jì)采用了西勒振蕩電路作為基本振蕩電路，它的主要特點(diǎn)就是與電感L1并聯(lián)在一起的可變電容Cj（即為變?nèi)荻O管電容）可以用來改變振蕩器的工作波段，而電容C5則起到微調(diào)頻率的作用。假設(shè)振蕩器波形頻率為10MHz，這里取C5為20pf，而變?nèi)荻O管及電容C5決定了振蕩器的輸出頻率，其

12、大小為：f0=12C3+C4LC5Cj與發(fā)射極連接的兩個電抗元件為同性質(zhì)的容抗元件C3和C4；與基極和集電極連接的為異性質(zhì)的電抗元件L1，根據(jù)前面所述的振蕩準(zhǔn)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(dāng)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(dāng)增大到一定程度時，導(dǎo)致晶體管進(jìn)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(dá)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時才能滿足振蕩條件，于是得到

13、單一頻率的振蕩信號輸出。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。根據(jù)公式F=C3C4，因此取C3=120pF，C4=560pF。一個實(shí)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(jìn)入飽和區(qū)，輸出阻抗降低使振蕩波形失真。嚴(yán)重時，甚至使振蕩器停振。所以在實(shí)用中，靜態(tài)電流值一般取ICO=0.5mA4mA。為了使三極管工作在合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，需要設(shè)置合適的偏置電路。我們不妨取偏置電阻R1，R2均為20k，緩沖級電阻R3取1k ，R4取220。如此，可以滿足q點(diǎn)的要求。另外，采用扼流圈可以將高頻信號與直流源

14、隔離開，使得輸出效果更好。4 仿真調(diào)試電路圖畫好后，電氣規(guī)則檢查無誤，即可進(jìn)行仿真，Multisim這個軟件功能很強(qiáng)大，可以模擬出示波器測輸出波形，這是很多繪圖軟件都不具備的功能，對設(shè)計(jì)電路很有幫助。由于元器件不穩(wěn)定及偏置電壓設(shè)置不足夠準(zhǔn)確等原因，波形不大穩(wěn)定，有失真。圖4-5正弦波壓控振蕩電路仿真波形5 總結(jié)高頻電子線路是在科學(xué)與技術(shù)和生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)展起來的，也只有通過實(shí)踐才能得到深入的了解。因此在學(xué)習(xí)高頻時，必須要高度重視實(shí)踐環(huán)節(jié)，堅(jiān)持理論聯(lián)系實(shí)際，在實(shí)踐中積累豐富的經(jīng)驗(yàn)。通過這次高頻課程設(shè)計(jì)，加深了我對高頻電子線路與低頻電子線路區(qū)別的認(rèn)識。低頻電子線路通常工作在線性狀態(tài)，而高頻電子線路通常為非線性電路，要用非線性的電路分析方法來分析。壓控振蕩器的原理仍是三點(diǎn)式振蕩器的原理，電路的設(shè)計(jì)較為簡單，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于電路中元件參數(shù)的計(jì)算，元件的選擇是振蕩器能否正常工作的關(guān)鍵，另外，在電路的設(shè)計(jì)過程中要對所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真測試，由于高頻電路中影響電路性能的因素很多，仿真也只能作為參考。參考文獻(xiàn)1 張?jiān)サ? 電子電路課程設(shè)計(jì)M.河海大學(xué)出版社，2005.