高頻電容三點(diǎn)式正弦波振蕩器課程設(shè)計(jì)報(bào)告(共23頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： * 專業(yè)班級： 電子 指導(dǎo)教師： 吳皓瑩 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目：高頻電容三點(diǎn)式正弦波振蕩器初始條件：具較扎實(shí)的電子電路的理論知識及較強(qiáng)的實(shí)踐能力；對電路器件的選型及電路形式的選擇有一定的了解；具備高頻電子電路的基本設(shè)計(jì)能力及基本調(diào)試能力；能夠正確使用實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行電路的調(diào)試與檢測。要求完成的主要任務(wù)：1采用晶體三極管或集成電路，場效應(yīng)管構(gòu)成一個(gè)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）；3通過跳線可構(gòu)成發(fā)射極接地、基極接地及集電極接地振蕩器；4有緩沖級，在100歐姆負(fù)載下，

2、振蕩器輸出電壓 1 V (D-P);5完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告（應(yīng)包含電路圖，清單、調(diào)試及設(shè)計(jì)總結(jié)）。時(shí)間安排：12011年6月3日分班集中，布置課程設(shè)計(jì)任務(wù)、選題；講解課設(shè)具體實(shí)施計(jì)劃與課程設(shè)計(jì)報(bào)告格式的要求；課設(shè)答疑事項(xiàng)。22011年6月4日 至2011年6月9日完成資料查閱、設(shè)計(jì)、制作與調(diào)試；完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告撰寫。3. 2011年6月10日提交課程設(shè)計(jì)報(bào)告，進(jìn)行課程設(shè)計(jì)驗(yàn)收和答辯。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日專心-專注-專業(yè)目 錄摘 要在社會信息化程度越來越高的背景下，通訊工具在我們的生活中扮演了越來越重要的角色。高頻信號發(fā)生器主要用來向各種電子設(shè)備和電路提供

3、高頻能量或高頻標(biāo)準(zhǔn)信號，以便測試各種電子設(shè)備和電路的電氣特性。 高頻信號發(fā)生器主要是產(chǎn)生高頻正弦振蕩波，故電路主要是由高頻振蕩電路構(gòu)成。振蕩器的功能是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的信號源，廣泛應(yīng)用于各類電子設(shè)備中。 所以，振蕩器是電子技術(shù)領(lǐng)域中最基本的電子線路，也是從事電子技術(shù)工作人員必須要熟練掌握的基本電路。本次課設(shè)要求制作高頻電容三點(diǎn)式正選撥振蕩器，采用晶體三極管或集成電路，場效應(yīng)管構(gòu)成正弦波振蕩器，達(dá)到任務(wù)書所要求的目標(biāo)。并介紹了設(shè)計(jì)步驟，比較了各種設(shè)計(jì)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)了不同振蕩器的性能特征。使用實(shí)驗(yàn)要求的電源和頻率計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。關(guān)鍵字：通信 高頻信號 電容 正弦波 振蕩器AbstractD

4、egree in social information service at a background, the communication tools in our life played an increasingly important role.The high frequency signal generator is mainly used to various kinds of electronic equipment and circuits provide high frequency energy or high frequency standard signal, to

5、test various kinds of electronic equipment and electric property of the circuit. The high frequency signal generator is mainly produce high-frequency sine oscillating wave, so circuit is mainly composed of high-frequency oscillating circuit constitutes. Oscillator is produced standard function of so

6、urce, is widely used in all kinds of electronic equipment. So, oscillator is electronic technology areas most basic electronic circuit, is also engaged in electronic technology staff must be skilled in the basic circuit.This lecture made requirements are oscillator frequency capacitor, the transisto

7、r or integrated circuits, most constitute the sinusoidal oscillator, achieve commitment objectives. And introduces design steps, compares the advantages and disadvantages of various design method, summarizes the characteristics of different oscillator. Use the power and requirement of experiment val

8、idate the frequency meter, realized the design goal.Keyword： communication High-frequency signal Capacitance Sine wave oscillator1 緒論在社會信息化程度越來越高的背景下，通訊工具在我們的生活中扮演了越來越重要的角色。振蕩器簡單地說就是一個(gè)頻率源，一般用在鎖相環(huán)中能將轉(zhuǎn)換為具有一定頻率信號輸出的電路或裝置。詳細(xì)說就是一個(gè)不需要外信號激勵(lì)、自身就可以將直流電能轉(zhuǎn)化為交流電能的裝置。一般分為正反饋和負(fù)阻型兩種。所謂“振蕩”，其涵義就暗指交流，振蕩器包含了一個(gè)從不振蕩到振蕩

9、的過程和功能。能夠完成從直流電能到交流電能的轉(zhuǎn)化，這樣的裝置就可以稱為“振蕩器”。 【1】一個(gè)振蕩器必須包括三部分：放大器、正反饋電路和選頻網(wǎng)絡(luò)。放大器能對振蕩器輸入所加的輸入信號予以放大使輸出信號保持恒定的數(shù)值。正反饋電路保證向振蕩器輸入端提供的反饋信號是相位相同的，只有這樣才能使震蕩維持下去。選頻網(wǎng)絡(luò)則只允許某特定頻率能通過，使振蕩器產(chǎn)生單一頻率的輸出。電容三點(diǎn)式振蕩器（也叫考畢茲振蕩器）：自激振蕩器的一種。圖1.1中的L、C1、C2組成諧振回路，作為晶體管放大器的負(fù)載阻抗。反饋信號從電容器C2兩端取得，送回放大器的基極b上，而且也是將LC回路的三個(gè)端點(diǎn)分別與晶體管的三個(gè)電極相連，故將這種

10、電路成為電容三點(diǎn)式振蕩器。由串聯(lián)電容與電感回路及正反饋放大器組成。因振蕩回路兩串聯(lián)電容的三個(gè)端點(diǎn)與振蕩管三個(gè)管腳分別相接而得名?！?】 這種電路的優(yōu)點(diǎn)是輸出波形好、振蕩頻率可達(dá)100兆赫以上。缺點(diǎn)是調(diào)節(jié)頻率時(shí)需同時(shí)調(diào)CC1、CC2不方便。適宜于作固定的振蕩器。 圖1.1 電容三點(diǎn)式振蕩器2 電容三點(diǎn)式振蕩器2.1 反饋振蕩器的原理2.1.1 原理分析反饋振蕩器的原理框圖如圖2.1所示，由圖可見，反饋振蕩器是由放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)組成的一個(gè)閉合環(huán)路，放大器通常是以某種選頻網(wǎng)絡(luò)（如振蕩回路）作為負(fù)載，是一調(diào)諧放大器，反饋網(wǎng)絡(luò)一般是由無源器件組成的線性網(wǎng)絡(luò)。為了能產(chǎn)生自激振蕩，必須有正反饋，即反饋到輸入

11、端的信號和放大器輸入端的信號相位相同。【3】圖2.1 反饋振蕩器原理框圖對于圖2.1，設(shè)放大器的電壓放大倍數(shù)為K(s)，反饋網(wǎng)絡(luò)的電壓反饋系數(shù)為F(s），閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為(s)，則得其中稱為反饋系統(tǒng)的環(huán)路增益。用s=jw代入，就得到穩(wěn)態(tài)下的傳輸系數(shù)和環(huán)路增益。由上式可知，若在某一頻率上T（j）等于1，將趨于無窮大，這表明即使沒有外加信號，也可以維持振蕩輸出。因此自激振蕩的條件就是環(huán)路增益為1。即2.1.2 平衡條件振蕩器的平衡條件可表示為也可以表示為 n=0,1,2，2.1.3 起振條件振蕩的最初來源是振蕩器在接通電源時(shí)不可避免地存在的電沖擊及各種熱噪聲等，其包含有很寬的頻譜分量，在他們通過

12、負(fù)載回路時(shí)，由諧振回路性質(zhì)即只有頻率等于回路諧振頻率的分量才可以產(chǎn)生較大的輸出，其他頻率分量則不會產(chǎn)生壓降，因此負(fù)載回路上只有頻率為回路諧振頻率的成分產(chǎn)生壓降，該壓降通過反饋網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生出較大的正反饋電壓，反饋電壓又加到放大器的輸入端，進(jìn)行放大、反饋，不斷地循環(huán)下去，諧振負(fù)載上將得到頻率等于回路諧振頻率的輸出信號。在振蕩開始時(shí)由于激勵(lì)信號較弱，輸出電壓振幅較小，經(jīng)過不斷放大、反饋循環(huán)，輸出幅度不斷增大，否則輸出信號幅值過小，無任何意義。為了使振蕩過程中輸出幅度不斷增加，應(yīng)使反饋回來的信號比輸入到放大器的信號大，即振蕩開始時(shí)應(yīng)為增幅振蕩，可得稱為自激振蕩的起振條件，也可寫為 n=0,1,2，2.1.

13、4 穩(wěn)定條件振蕩電路中不可避免地要受到電源電壓、環(huán)境溫度、濕度等因數(shù)變化的影響，這將引起振蕩電壓幅度及其相移的起伏波動，從而破壞已維持的平衡條件。因此，振蕩器還必須滿足穩(wěn)定條件，才能保證所處的平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的。振幅穩(wěn)定條件為相位穩(wěn)定條件為2.2 電容三點(diǎn)式振蕩器電容三點(diǎn)式振蕩器（也叫考畢茲振蕩器），自激振蕩器的一種。圖中的L、C1、C2組成諧振回路，作為晶體管放大器的。反饋信號從電容器C2兩端取得，送回放大器的基極b上，而且也是將LC回路的三個(gè)端點(diǎn)分別與晶體管的三個(gè)電極相連，故將這種電路成為電容三點(diǎn)式振蕩器。由串聯(lián)電容與電感回路及正反饋放大器組成。因振蕩回路兩串聯(lián)電容的三個(gè)端點(diǎn)與振蕩管三個(gè)管腳

14、分別相接而得名?！?】 圖2.2 電容三點(diǎn)式振蕩器 圖2.3 電容三點(diǎn)式交流通路電容三點(diǎn)式振蕩器適合產(chǎn)生幾十兆赫以上的信號，常用來作射頻振蕩器。.圖2.3是LC振蕩回路的等效電路圖，從圖上可以看到，電路的振蕩頻率由L、C、C1、C2決定，基極有一個(gè)大電容（10002000pF），起交流接地的作用。由于電感和電容的數(shù)值都比較小，所以有些情況下三極管的極間電容、電感線圈的匝間電容都不能忽略。它們對總電容的貢獻(xiàn)量大約幾個(gè)皮法。設(shè)三極管的極間電容以及電感線圈的匝間電容以及其它分布電容的總等效電容為C0，則在LC諧振回路Q值足夠高的條件下，電路的振蕩頻率為圖2.2所畫出的分析起振條件的小信號等效電路如圖

15、2.4所示圖2.4 分析起振條件的小信號等效電路由圖2.4分析可知，振蕩器的起振條件為：式中為LC振蕩回路的等效諧振電阻電路的反饋系數(shù)為由上式看出，由于晶體管輸入電阻對回路的負(fù)載作用，反饋系數(shù)k并不是越大越容易起振，反饋系數(shù)太大會使增益A降低，且會降低回路的有載 Q 值， 使回路的選擇性變差，振蕩波形產(chǎn)生失真，頻率穩(wěn)定性降低；所以，在晶體管參 數(shù)一定的情況下，可以調(diào)節(jié)負(fù)載和反饋系數(shù)，保證電路起振。K的取值一般在 0.10.5 之間。為了提高振蕩器的頻率穩(wěn)定性，實(shí)際中更多的采用能夠減小晶體管與回路之間耦合的改進(jìn)型電容反饋振蕩器。3 設(shè)計(jì)思路及方案3.1 總體思路本次課程設(shè)計(jì)的電容反饋三點(diǎn)式振蕩器

16、是自激振蕩器的一種，振蕩器是不需要外加信號激勵(lì)，自身將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電的裝置。凡是可以完成這一目的的裝置都可以作為振蕩器。由學(xué)過的知識知道，構(gòu)成一個(gè)振蕩器必須具備下列一些最基本的條件：（1）任何一個(gè)振蕩回路，包含兩個(gè)或兩個(gè)以上儲能元件。在這兩個(gè)儲能元件中，當(dāng)一個(gè)釋放能量時(shí)，另一個(gè)就接收能量。接收和釋放能量可以往返進(jìn)行，其頻率決定于元件的數(shù)值。（2）電路中必須要有一個(gè)能量來源，可以補(bǔ)充由振蕩回路電阻所產(chǎn)生的損耗。在電容三點(diǎn)式振蕩器中，這些能量來源就是直流電源。（3）必須要有一個(gè)控制設(shè)備，可以使電源在對應(yīng)時(shí)刻補(bǔ)充電路的能量損失，以維持等幅震蕩。這是由有源器件（電子管，晶體管或集成管）和正反饋電

17、路完成的。【4】3.2 設(shè)計(jì)原理振蕩器起振條件為AF1，振蕩器平衡條件為:AF=1它說明在平衡狀態(tài)時(shí)其閉環(huán)增益等于1，在起振時(shí)A1/F當(dāng)振幅增大到一定的程度后，由于晶體管工作狀態(tài)有放大區(qū)進(jìn)入飽和區(qū)，放大倍數(shù)A迅速下降，直至 AF=1此時(shí)開始諧振。假設(shè)由于某種因素使AF1,此時(shí)振幅就會自動衰減，使A與1/F逐漸相等。振蕩器的平衡條件包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：振幅穩(wěn)定和相位穩(wěn)定 。在平衡點(diǎn)，若K曲線斜率小于0，則滿足振蕩器的振幅穩(wěn)定條件。過K曲線的斜率為正，則不滿足穩(wěn)定條件。對于相位穩(wěn)定條件來說，它和頻率穩(wěn)定實(shí)質(zhì)上是一回事，因?yàn)檎袷幍慕穷l率就是相位的變化率，所以當(dāng)振蕩器的相位發(fā)生變化時(shí)，頻率也發(fā)生了變化

18、。LC振蕩器由基本放大器、選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng)絡(luò)三個(gè)部分組成。為了維持震蕩，放大器的環(huán)路增益應(yīng)該等于1，即AF=1，因?yàn)樵谥C振頻率上振蕩器的反饋系數(shù)為C1/C2，所以維持振蕩所需的電壓增益應(yīng)該是A=C2/C1電容三點(diǎn)式振蕩器的諧振頻率為 f0=1/2L(C1C2/C1+C2)1/2在實(shí)驗(yàn)中可通過測量周期T來測定諧振頻率，即f0=1/T放大器的電壓增益可通過測量峰值輸出電壓Vop和輸入電壓Vip來確定，即A=Vop/Vip3.3 單元設(shè)計(jì)3.3.1 電容三點(diǎn)式振蕩單元該單元由放大器、反饋網(wǎng)絡(luò)和選頻網(wǎng)絡(luò)組成，放大單元由2N2222A三極管構(gòu)成放大電路，將反饋信號放大，反饋網(wǎng)絡(luò)起正反饋，將信號反饋到放

19、大單元輸入，進(jìn)一步放大，選頻網(wǎng)絡(luò)根據(jù)自身參數(shù)，在復(fù)雜的頻譜中選取與自身諧振頻率相同的頻率將其反饋，所以此信號得以不斷放大最終由輸出端輸出。其單元電路圖如圖3.1所示圖3.1 電容三點(diǎn)式單元電路2N2221A三極管是一種控制元件，主要用來控制電流的大小，以共發(fā)射極接法為例，當(dāng)基極電壓有一個(gè)微小的變化時(shí)，基極電流也隨之有一小的變化，受基極電流的控制，集電極電流會有一個(gè)很大的變化，即基極電流控制集電極電流的變化。但集電極電流的變化比基極電流的變化大得多，這就是三極管的放大作用。IC 的變化量與IB變化量之比叫做三極管的放大倍數(shù)，一般在幾十到幾百倍。對于晶體管靜態(tài)工作點(diǎn)，合理地選取振蕩器的靜態(tài)工作點(diǎn)，

20、對振蕩器的起振，工作的穩(wěn)定性，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 靠近截止區(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 0.8-4mA 之間選取，故本設(shè)計(jì)電路中選取=1mA =2V =100則有為提高電路的穩(wěn)定性值適當(dāng)增大，取則由于則由于則一般取流過的電流為5-10由于 則由于振蕩回路元件的確定回路中的各種電抗元件都可歸結(jié)為總電容 C 和總電感 L 兩部分。確定這些元件參量的方法，是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先選定一種，而后按振蕩器工作頻率再計(jì)算出另一 種電抗元件量。從原理來講，先選定哪種元件都一樣，但從提高回路標(biāo)準(zhǔn)性的觀 點(diǎn)出發(fā)，以保證回路電容遠(yuǎn)大于總的

21、不穩(wěn)定電容原則，先選定為宜。 若從頻率穩(wěn)定性角度出發(fā)，回路電容應(yīng)取大一些，這有利于減小并聯(lián)在回路上的晶體管的極間電容等變化的影響。但C不能過大，C過大，L就小，Q值就會降低，使振蕩幅度減小，為了解決頻穩(wěn)與幅度的矛盾，通常采用部分接入。反饋系數(shù)，不能過大或過小，適宜 1/81/2。 因振蕩器的工作頻率為：當(dāng)LC振蕩時(shí)，在本設(shè)計(jì)中，則回路的諧振頻率主要由、決定，即故取=100pf。對于晶體振蕩，只需和晶體并聯(lián)一可調(diào)電容進(jìn)行微調(diào)即可。為了盡可能地減小負(fù)載對振蕩電路的影響，振蕩信號應(yīng)盡可能從電路的低阻抗端輸出。例如發(fā)射極接地的振蕩電路，輸出宜取自基極；如為基極接地，則應(yīng)從發(fā)射極輸出。3.3.2 輸出緩

22、沖級單元此單元由設(shè)計(jì)跟隨器構(gòu)成，用于帶動的負(fù)載，以滿足設(shè)計(jì)任務(wù)有緩沖級，在100歐姆負(fù)載下，振蕩器輸出電壓 1 V (D-P)的要求。射極跟隨器，是信號從發(fā)射極輸出的放大器。其特點(diǎn)為輸入阻抗高，輸出阻抗低，電壓放大系數(shù)略低于1，負(fù)載能力強(qiáng)，常作阻抗變換和級間隔離用。 將三極管按共集方式連接，動態(tài)電壓放大倍數(shù)小于1并接近1，且輸出電壓與輸入電壓同相但是輸出電阻低，具有放大作用，所以有功率放大作用。它從基極輸入信號，從射極輸出信號。它具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、輸入信號與輸出信號相位相同的特點(diǎn)。【5】其單元電路圖如圖3.2所示圖3.2 緩沖級單元電路4 電路仿真與實(shí)現(xiàn)4.1 基于NI.Multis

23、im.V10.0.1軟件的電路仿真Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。NI Multisim軟件結(jié)合了直觀的捕捉和功能強(qiáng)大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證?！?】此次課程設(shè)計(jì)中，在對電路各參數(shù)計(jì)算之后，得到電路圖，將電路圖中元件在Multisim軟件中放置并連接導(dǎo)線，對其進(jìn)行仿真，其仿真電路圖如圖4.1所示圖4.1 基于Multisim軟件的仿真電路圖在進(jìn)行仿真后，由示波器可以看到輸出端的輸出波形近似正弦波，

24、在調(diào)整振蕩單元三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)等參數(shù)后，正弦波形得到部分改善，但仍不是很標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，有少許失真，其仿真波形如圖4.2所示圖4.1 基于Multisim軟件仿真的波形4.2 硬件調(diào)試仿真結(jié)果正確后，將各分立元件焊接在一起，并進(jìn)行硬件調(diào)試。首先在焊接之前先用萬用表檢查各元件的參數(shù)是否與理論值相符，元件是否有損壞，在檢查好之后對其進(jìn)行焊接。在焊接結(jié)束之后，首先對各個(gè)焊接點(diǎn)進(jìn)行檢查，是否有虛焊、漏焊、元件位置焊錯(cuò)、電解電容極性焊反等情況，在檢查結(jié)束并改正之后才接上電源。通過查閱有關(guān)資料，在通電之后沒有急于測量電氣指標(biāo)，而觀察電路有無異?，F(xiàn)象，例如有無冒煙現(xiàn)象，有無異常氣味，手摸集成電路外封裝，是否

25、發(fā)燙等。經(jīng)過數(shù)分鐘的觀察檢測，沒有發(fā)現(xiàn)異常情況，而后再進(jìn)行相關(guān)測試。在上電之后， 從輸出端接出引線，接入示波器觀察波形。起初沒有出現(xiàn)正弦波形，僅出現(xiàn)微小雜亂的波形，初步分析是電路沒有起振，在把可調(diào)電阻器進(jìn)行調(diào)整后仍沒有出現(xiàn)正弦波形，將換成1nf的小電容后，再次檢測，可在示波器上看到正弦波形，在調(diào)整可調(diào)電阻后能看到較好的正弦波形，頻率約為6.4MHz，輸出幅值為1.7V，基本滿足任務(wù)要求。5 心得體會對于電路的設(shè)計(jì)過程起初以為電容三點(diǎn)式振蕩器的設(shè)計(jì)比較煩瑣，有靜態(tài)工作點(diǎn)的要求，各電阻、電容值的設(shè)計(jì)，看起來較復(fù)雜。后來通過查資料，才了解到先要計(jì)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(shè)計(jì)中也遇到了不少問題，首先電路的設(shè)計(jì)，查閱了不少資料，電容三點(diǎn)式雖然常見，但是要考慮到滿足任務(wù)書的要求，仍費(fèi)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(diào)試，后來發(fā)現(xiàn)焊接過程中有兩處線路焊接錯(cuò)誤，導(dǎo)致結(jié)果沒有出來，而一點(diǎn)一點(diǎn)排查的過程是比較痛苦的。經(jīng)