高頻課程設(shè)計(jì)本地振蕩器

1、 高頻電子電路課程設(shè)計(jì) 本地振蕩器班級(jí)：姓名： 學(xué)號(hào)：成績：一、概述本地振蕩器，又稱“本機(jī)振蕩器”。一般應(yīng)用于混頻器中。在混頻器中，為了與接收信號(hào)在混頻元件中產(chǎn)生差拍輸出信號(hào)，需要混頻器內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)等幅振蕩信號(hào)，產(chǎn)生該信號(hào)的振蕩器就稱為本地振蕩器。對(duì)本地振蕩器的要求是：振蕩頻率穩(wěn)定且可進(jìn)行電調(diào)、噪聲小。它產(chǎn)生的高頻電磁波與所接收的高頻信號(hào)混合而產(chǎn)生一個(gè)差頻, 這個(gè)差頻就是中頻. 如要接收的信號(hào)是900KHZ. 本振頻率是1365KHZ. 兩頻率混合后就可以產(chǎn)生一個(gè)465KHZ 或者2200KHZ 的差頻. 接收機(jī)中用LC 電路選擇465KHZ 作為中頻信號(hào). 因?yàn)楸菊耦l率比外來信號(hào)高465KH

2、Z 所以叫超外差接收機(jī)，主要有以下特點(diǎn)：對(duì)振蕩頻率的選取有要求：要求振蕩器的振蕩頻率和幅度精度高, 穩(wěn)定性好; 本振頻率中有鎖相環(huán), 數(shù)字分頻、數(shù)字鑒相器等電路，保證極高的穩(wěn)定度, 否則會(huì)產(chǎn)生本振頻率漂移; 都有鎖相環(huán)電路來保證本振頻率的穩(wěn)定度; 一般采用穩(wěn)定性好的晶體振蕩器; 振蕩頻率高, 易起振, 振頻穩(wěn), 振幅高, 振蕩特性好; 本振電路多采用體積小、可靠性高的單片大規(guī)模集成數(shù)字頻率合成器; 每一級(jí)電源都應(yīng)有0.1 F 或0.01 F 的旁路電容接地。本次課程設(shè)計(jì)，我們采用Multisim 軟件進(jìn)行仿真 系統(tǒng)總體框圖： 二、主要部分電路圖及原理分析1. 本地振蕩電路 本地振蕩器是本設(shè)計(jì)電

3、路的重要部分，同時(shí)也是超外差式接收機(jī)的主要部分。其主要作用是將直流信號(hào)變?yōu)楦哳l正弦信號(hào)，將產(chǎn)生的正弦高頻信號(hào)與輸入的高頻調(diào)幅信號(hào)相乘得到f 0+f 1、f 0-f 1的信號(hào)，其中f 0為正弦信號(hào)頻率，f 1為調(diào)幅信號(hào)頻率，通過中頻濾波器得到中頻信號(hào)f 0-f 1。即本地振蕩器主要是產(chǎn)生一個(gè)和調(diào)幅信號(hào)相乘的高頻信號(hào)，通過信號(hào)相乘以得到新的頻率，若振蕩器不能夠穩(wěn)定工作，就會(huì)使產(chǎn)生的中頻信號(hào)不穩(wěn)，為此我們必須保證振蕩器的穩(wěn)定性，故這里采用高穩(wěn)定度的石英晶體振蕩器。1.1振蕩器起振條件正弦波振蕩器按工作原理可分為反饋式振蕩器與負(fù)阻式振蕩器兩大類。反饋式振蕩器是在放大器電路中加入正反饋，當(dāng)正反饋?zhàn)銐虼髸r(shí)

4、，放大器產(chǎn)生振蕩，變成振蕩器。所謂振蕩器是指這時(shí)放大器不需要外加激勵(lì)信號(hào)，而是由本身的正反饋信號(hào)來代替外加激勵(lì)信號(hào)的作用。負(fù)阻式振蕩器則是將一個(gè)呈現(xiàn)負(fù)阻性的有源器件直接與諧振電路相接，產(chǎn)生振蕩。本設(shè)計(jì)中用的是反饋式振蕩器，圖1.1所示即為LC 三點(diǎn)式反饋式振蕩器的原理圖。通過我們對(duì)高頻電路的學(xué)習(xí)知道，三點(diǎn)式振蕩器的構(gòu)成法則是：X 1與X 2的符號(hào)相同，與X 3的符號(hào)則相反。凡是違反這一準(zhǔn)則的電路不能產(chǎn)生振蕩。圖1 本振電路原理圖1.2石英晶振工作原理我們知道由LC 構(gòu)成的振蕩器，它們的日頻率穩(wěn)定度大約為10-210-3的數(shù)量級(jí)。即使采用了一系列穩(wěn)頻措施，一般也難以獲得比10-4更高的頻率穩(wěn)定度

5、。但是，實(shí)際情況往往需要更高的頻率穩(wěn)定度。例如本文的本振電路由于它的穩(wěn)定性直接決定了輸出中頻信號(hào)的穩(wěn)定度，因此其頻率穩(wěn)定度就要求10-810-9。顯然，普通的LC 振蕩器是不可能滿足上述要求的。為此本設(shè)計(jì)電路采用了石英晶體振蕩器。石英晶體的物理化學(xué)性能都十分穩(wěn)定，因此它的等效諧振回路有很高的標(biāo)準(zhǔn)性。其等效電路如圖1.2所示，晶體的參數(shù)L q 很大、C 很q小、r q 也不大。因此，晶體的Q 値可高達(dá)數(shù)百萬數(shù)量級(jí)。又由于C o C 所以石英晶體工作時(shí)，在串并聯(lián)諧振頻率之間很狹窄的工作頻帶q內(nèi)，具有極陡峭的電抗特性曲線，因而對(duì)頻率變化具有極靈敏的補(bǔ)償能力。LC 圖2 石英晶體等效電路1.3 本地振

6、蕩器 圖3 本地振蕩器產(chǎn)生的波形如下： 圖4 本地振蕩器產(chǎn)生的波形頻率為14.726MHz ，如下所示：5圖5 振蕩器的頻率1.4晶體振蕩器振蕩電路圖6是本次課設(shè)所使用的石英晶體振蕩電路，由圖中可以看出是石英晶體串聯(lián)型振蕩電路，在電路中石英晶振顯感性，其交流等效電路如圖1.5所示，由圖可知，晶體管發(fā)射極和電容C3、C4相連其阻抗性質(zhì)相同，同為容性；集電極和C3、晶振相連，而晶振又顯感性所以阻抗性質(zhì)相反；基極和C4、晶振相連同理其阻抗性質(zhì)也是相反的，故此振蕩器滿足振蕩條件，其類似于考畢茲振蕩電路。 圖6 晶體振蕩器振蕩電路圖振蕩頻率公式為： 6C tf=C 3C 4C 3+C 418. 4uH2

7、C t L查閱石英晶體資料得11MHZ 振蕩時(shí)其等效電感L 為50pF 時(shí)其振蕩頻率為： f =，當(dāng)電容選取=10.98M H Z電路中其它主要器件的參數(shù)如下R 1=15K , R 2=1.8K 為基極偏置=100電阻，用來給給三極管確定一個(gè)合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，C 1=1uF為基極耦合電容，L1=10mH為扼流圈，防止突變對(duì)三極管造成損害，R 3容。由于石英晶體是本電路的核心部件，因此在選用晶振時(shí)要注意以下幾點(diǎn)： 石英晶體的激勵(lì)電平應(yīng)在規(guī)定范圍內(nèi)。過高的激勵(lì)功率會(huì)使石英晶體內(nèi)部溫度升高，損壞石英。在并聯(lián)晶體振蕩器中，石英晶體起等效電感作用，若作為容抗，則在石英晶片失效時(shí)，石英振蕩器的支架電容還存

8、在，線路仍有可能滿足振蕩條件而振蕩，石英晶體振蕩器就失了作用。用來限制射極電流，C 2=1uF為旁路電容C 5=1uF為電源和地的去耦電2、調(diào)頻電路2.1混頻原理 7圖8 混頻原理圖上圖即為混頻電路原理圖，下面對(duì)其進(jìn)行一個(gè)簡要的分析：設(shè)u s為輸入高頻調(diào)幅波信號(hào)，u 亦為本地振蕩器產(chǎn)生的高頻振蕩信號(hào)且l時(shí)變偏置電壓E b (t =E b +u 2=E b +u l ，由此可得集電極電流i C u l u s ，為i C I co (t +g m (t u si C=I c 0(t +(g mo +g m 1cos l t +g m 2cos 2l t + u s經(jīng)集電極諧振回路濾波后，得到中頻

9、電流i oi o =12g m 1U s cos(l -c t =12g m 1U s cos o t式中g(shù) c =12g m 1稱為變頻跨導(dǎo)。=g c U s cos o t =I o cos o t從以上分析結(jié)果可以看出：只有時(shí)變跨導(dǎo)的基波分量才能產(chǎn)生中頻分量，而其它分量會(huì)產(chǎn)生本振諧波與信號(hào)的組合頻率。變頻跨導(dǎo)g c 是變頻器的重要參數(shù)，它不僅直接決定著變頻增益，還影響到變頻器的噪聲系數(shù)。變頻跨導(dǎo)g c =12直流工作點(diǎn)及g m 1，g m 1只與晶體管特性、本振電壓U l 有關(guān)，與U s 無關(guān)，故變頻跨導(dǎo)亦有上述性質(zhì)。變頻電路是混頻器的核心部件。變頻電路本質(zhì)上說是實(shí)現(xiàn)頻譜搬移的電路，是一

10、個(gè)六端網(wǎng)絡(luò)。它有兩個(gè)輸入電壓，輸入信號(hào)u s 和本地振蕩信號(hào)u ，其工作頻率分別為f 和f ；輸出信號(hào)為u ，稱為中頻信號(hào)，lclo其頻率是f ，f =oof l ±f c。由此可見，變頻器在頻域上起著（加）減法器的作用。變頻電路有多種形式，如二級(jí)管式、模擬乘法器式和三極管式。本電路采用的是應(yīng)用最廣泛的晶體三極管式變頻電路。8圖7 調(diào)頻電路2.2電路參數(shù)選擇及性能分析由以上分析知在設(shè)計(jì)電路時(shí)須注意變頻跨導(dǎo)與本振電壓和偏置電壓的關(guān)系線。只有把握好這一關(guān)系，設(shè)計(jì)出來的電路才能滿足我們的設(shè)計(jì)要求。本文混頻電路所采用的晶體三極管是2N3904，根據(jù)其圖中V2為11MHZ 的本振信號(hào)，V1為1

11、0.535MHZ 的調(diào)幅輸入信號(hào)現(xiàn)對(duì)其參數(shù)做一簡單推導(dǎo)， 設(shè)Ul變頻跨導(dǎo)與本振電壓和偏置電壓的關(guān)系曲線設(shè)計(jì)電路如圖2.2所示。=0.325cos(2210t V66Us=50m V 1+0.8cos(200t cos(21.0710t 則二式相乘得U o =8.12m V 1+0.8cos(200t cos(0.9310t +cos(43.0710t 66經(jīng)過中頻濾波后為U o =8.12m V 1+0.8cos(200t cos(0.9310t 6此信號(hào)的載波頻率為f =2=0.9310296=0.456M HZ，即我們所需要的中頻信號(hào)，其實(shí)際輸出波形的頻率為 465470MHZ 的信號(hào)，振

12、幅為 0.835V 左右，與理論值 8.12mV 不符，這主要是因?yàn)橹蓄l濾波網(wǎng)絡(luò)的 放大以及變壓器的升壓作用的結(jié)果。 電路中其它一些重要的參數(shù)如下：電路圖中 AM 用來代表接收到 的調(diào)幅波，V2 代表前面本振電路產(chǎn)生的振蕩信號(hào)，C8=10pF,C9=2.2pF 為輸入信號(hào)耦合電容， R6 = 10 K 、 R7 = 2.7 K 為基極偏置電阻， R1 = 360 K 為射極限流電阻，C5=1500pF 為旁路電容。 另外在實(shí)際應(yīng)用中變頻器是存在干擾的， 如果沒有采取有效地措 施來抑制干擾， 它會(huì)給從電路帶來大量諧波信號(hào)嚴(yán)重時(shí)會(huì)使整個(gè)電路 無法工作，因此應(yīng)注意以下幾個(gè)問題： 正確選擇中頻數(shù)值。當(dāng)

13、輸出頻率確定后，在一個(gè)頻段內(nèi) 的干擾點(diǎn)就確定了，合理的選擇中頻頻率，可大大減少 組合頻率干擾的點(diǎn)數(shù)，并將階數(shù)較低的干擾排除掉。 正確選擇變頻器的工作狀態(tài)，減少組合頻率分量。應(yīng)使 g m (t 的諧波分量盡可能的減少，使電路接近乘法器。 采用合理的電路形式。如平衡電路、環(huán)形電路、乘法器 等，從電路上抵消一些組合分量。 四、心得體會(huì)： 課程設(shè)計(jì)很快就過去了， 開始的時(shí)候， 由于所學(xué)基礎(chǔ)不是很扎實(shí)， 所學(xué)知識(shí)有些不太理解，所以思路不是很清晰，不知道該如何開始設(shè) 計(jì)。隨后通過閱讀教材，上網(wǎng)搜索，到圖書館查閱資料，終于有了一 些清晰的想法。確定下了基本的設(shè)計(jì)方案。但是在設(shè)計(jì)的時(shí)候又出現(xiàn) 10 了很多問題。問題的出現(xiàn)都是由于課本的基礎(chǔ)知識(shí)掌握的不夠牢固， 理解的不夠深刻， 對(duì)于實(shí)際應(yīng)用中的電路和理論上研究的電路之間的 差異缺乏認(rèn)識(shí)。而到仿真的時(shí)候，對(duì)于仿真軟件的應(yīng)用有成了問題。 最后，通過請(qǐng)教同學(xué)，以及自己認(rèn)真的閱讀和思考教材和參考資料， 問題得到了解決。 通過這次課程設(shè)計(jì)，我學(xué)到了很多。首先，對(duì)于以往所學(xué)的知識(shí) 是一個(gè)檢驗(yàn)。通過設(shè)計(jì)電路，既復(fù)習(xí)了以前所學(xué)過的知識(shí)，又學(xué)習(xí)了 許多新的東西。理論上的東西不經(jīng)過實(shí)際的檢驗(yàn)是沒有什么說服力 的。而設(shè)計(jì)正是理論與實(shí)踐的結(jié)合，通過設(shè)計(jì)，提高了我的動(dòng)手能力 和解決實(shí)際問題的能力，