西勒（正弦波)振荡器的设计毕业设计（论文）

高频电子线路课程设计报告高频电子线路课程设计报告西勒（正弦波西勒（正弦波) )振荡器的设计振荡器的设计姓 名： 朱金环 学 号： 310608030303 专业班级： 电信 06-3 班 指导老师： 胡松华 所在学院：电气工程与自动化学院2009 年 6 月 16 日河南理工大学本科课程设计报告2目录目录摘要摘要.3 31 1 选题意义选题意义 .4 42 2 系统总体方案系统总体方案 .5 52.1 三点式振荡器构成法则 .52.2 电路组成及器件选择 .52.3 系统框图及逻辑功能 .73 3 各部分设计及原理分析各部分设计及原理分析 .8 83.1 放大器电路 .83.2 选频网络 .93.3 反馈网络 .104 4 参数选择参数选择 .10105 5 试验仿真结果试验仿真结果 .11115.1 实验仿真结果 .116 6 结论结论 .1414参考文献参考文献.1515河南理工大学本科课程设计报告3摘摘要要正弦波振荡器的作用是产生频率稳定、幅度不变的正弦波输出。基于频率稳定度、反馈系数、输出波形、起振等因素的综合考虑，本设计采用的是电容三点式振荡器的两种改进型振荡器之一的西勒振荡器。其具有输出波形好、工作频率高、改变 C 调节频率时不影响反馈系数等优点，适用于宽波段、频率可调的场合。西勒振荡器由起能量控制作用的放大器、将输出信号送回到输入端的正反馈网络以及决定振荡频率的选频网络组成。但没有输入激励信号，而是由本身的正反馈信号来代替。当振荡器接通电源后，即开始有瞬变电流产生，经不断地对它进行放大、选频、反馈、再放大等多次循环，最终形成自激振荡，把输出信号的一部分再回送到输入端做输入信号，从而就会产生一定频率的正弦波信号输出。河南理工大学本科课程设计报告41 1 选题意义选题意义1.1 正弦振荡器的广泛应用正弦波振荡器的作用是产生频率稳定、幅度不变的正弦波输出。广泛应用于各种电子设备中，特别是在通信系统中起着重要作用。它是无线电发送设备的心脏部分，也是超外差式接收机的主要部分；各种电子测试仪器如信号发生器、数字式频率计等，其核心部分都离不开正弦波振荡器；并在自动控制装置和医疗设备等许多技术领域也得到了广泛的应用。1.2 西勒振荡器的优点西勒振荡器电路简单，易起振。与电感三点式振荡器比较，它具有频率稳定度高、振荡频率高、输出波形好、改变 C 调节频率时不影响反馈系数等优点，因而西勒振荡器比电感三点式振荡器更广泛的应用在宽波段、频率可调的场合。综上所述，本设计在现实生产和生活中具有非常重要的实际意义。河南理工大学本科课程设计报告5X1X2X32 2 系统总体方案系统总体方案2.1 三点式振荡器构成法则三点式振荡器名称的由来是选频网络由 3 个电抗元件组成，回路的 3 个点分别与晶体管的 3 个极相连。如图 2-1 所示。三点式振荡器的构成法则是：X1 与 X2 的符号相同，X3 的符号则相反。凡是违反这一准则的电路都不能产生振荡。 图 2-1 三点式电抗图2.2 电路组成及器件选择该西勒振荡器电路由放大器电路、选频网络、反馈网络三部分组成，如附1：系统原理总图。其等效电路如图 2-2 所示。该电路振幅起振条件： （2-1）相位起振条件为： （2-2） 1)()(00FAFAn2)()(00河南理工大学本科课程设计报告6VC2C1C3C4L振幅平衡条件： AF = 1 （2-3）相位平衡条件： （2-4） 图 2-2 西勒振荡器交流等效电路图放大器电路由晶体三极管 V、高频扼流圈 ZL、高频旁置电容 Ce、集电极偏置电阻 R1、基极偏置电阻 R2、射极偏置电阻 R3 组成。放大器可选用有源器件如电子管、晶体管等，本设计采用晶体三极管 V 作为能量控制的放大器。选频网络用来决定振荡频率，本设计采用 LC 并联谐振回路，由C1、C2、C3、L、C4 组成，要求 C1C3; C2C4。反馈网络是将输出信号送回到输入端的电容分压式正反馈网络，C2 和 Cb构成正反馈。2.3 系统框图及逻辑功能 设计出能产生频率稳定、幅度不变的正弦波振荡器。振荡器也是一种能量转换器，它无需外加输入信号，本身就能自动地将直流电能转换为特定频率、FAn2)()(00河南理工大学本科课程设计报告7波形、幅度的交变电能输出。本设计属于反馈型振荡器，是在放大器中引入正反馈，当正反馈足够强时，放大器就变成了振荡器，通过反馈振荡电路中的选频网络，就可以得到一定频率的正弦波信号输出。这种方案设计出的正弦波振荡器电路简单，在改变 C 调节频率时不影响反馈系数，频率可调。其系统框图如图 2-3 所示。 放大器选频网络反馈网络 图 2-3 系统框图河南理工大学本科课程设计报告83 3 各部分设计及原理分析各部分设计及原理分析3.1 放大器电路放大器电路由晶体三极管 V、高频扼流圈 ZL、高频旁置电容 Ce、集电极偏置电阻 R1、基极偏置电阻 R2、射极偏置电阻 R3 组成，如图 3-1 所示。放大器能对振荡器输入端所加的输入信号予以放大，使输出信号保持一定的数值。在图 2-2 中，由于放大器的倒相作用它的输出电压 Vo 与 Vi 相差 180，又由于集电极与基极是接于回路的相对两端，因此两者对发射极电位的变化相差 180，亦即 Vo 与反馈电压 Vf 相差 180。因此可以得出 Vo 与 Vi 同相，满足了振荡所需的相位条件： （3-1） 图 3-1 放大器电路FAn2)()(00河南理工大学本科课程设计报告93.2 选频网络选频网络由 C1、C2、C3、可变电容 C4 以及电感 L 组成。如图 3-2 所示选频网络其实质是一 LC 并联谐振电路，因为 C1C3， C2C4，所以振荡频率为： （3-2） （3-3）振荡器在接通电源的一瞬间，晶体管会产生一个从零到某一数值的电流阶跃，该电流阶跃的成分十分丰富，选频网络会选出满足正反馈的频率再经过正反馈建立信号。 图 3-2 选频网络3.3 反馈网络反馈网络由分压电容 C2 和电容 Cb 组成。由其等效电路图 2-2 可知，反馈网络是通过分压电容 C2 将一部分输出电压回送到信号输入端即晶体三极管的基)(11430CCLLC43420131111CCCCCCCCCi河南理工大学本科课程设计报告10极，成为输入信号，完成一次循环。由于输入电压与输出电压同相，所以也成为正反馈。4 4 参数选择参数选择通过以上分析可知，本设计满足振荡器的起振条件和平衡条件，振荡器的另外一个重要指标则是频率稳定度，因此在本次设计中各器件参数的选择必须满足频率稳定度的要求。（1）振荡回路参数 L 与 C。L 和 C 如有变化，必然引起振荡频率的变化，为了维持 L 和 C 的数值不变化，首先应该选取标准性高，不易发生机械形变的原件；其次，应尽量维持振荡器的环境恒定。为了满足谐振要求，各器件实际值为：C1=1000pF,C2=0.033uF,C3=47pF,C4=470pF,L=1mH.满足 C1C3 和C2C3，振荡角频率 W=500rad/s,振荡频率 f=25Khz.(2)回路电阻 r。r 是由振荡器的负载决定的，负载重时，r 大；负载轻时，r 小。当负载变化时，振荡频率也将随之变化。为了减小 r 的影响，要求振荡器的负载必须轻且稳定不变。（3）有源器件的参数。采用晶体管作为有源器件时，其极间电容将影响频率稳定度，在设计电路时应尽可能减小晶体管和回路之间的耦合。另外应选择f(310)fmax,fmax 为振荡器最高频率。晶体管应工作在放大区，工作电流 Ic过大过小，对振荡器的性能都会有影响。实践证明，三极管振荡器工作电流 Ic应控制在 15mA 比较合适。（4）其它参数。高频扼流圈 ZL=22mH, 高频旁置电容 Ce=0.68uF,集电极偏置电阻 R1=15kohm,基极偏置电阻 R2=5.1kohm,射极偏置电阻 R3=2kohm.河南理工大学本科课程设计报告115 5 试验仿真结果试验仿真结果5.1 实验仿真结果根据附 1：系统原理总图，在仿真软件 Multisim10.0 中绘制电路图并进行仿真试验。其仿真结果如图 4-1 所示。 图 4-1 仿真结果输出由仿真结果输出可知，此电路输出为一正弦波，但波形有一定的失真，对其进行交流和噪声分析。首先对输入示波器的电压进行交流分析，在 Multisim10.0 的Simulate（仿真）菜单中的 Analysis 菜单进行交流分析，其幅频特性和相频特性曲线如图 4-2 和图 4-3 所示。河南理工大学本科课程设计报告12 图 4-2 幅频特性曲线 图 4-3 相频特性曲线河南理工大学本科课程设计报告13由于波形有失真，因此分析晶体三极管噪声对电路的影响，如题 4-4 所示。 图 4-4 晶体三极管噪声分析河南理工大学本科课程设计报告146 6 结论结论由实验仿真结果可知，西勒振荡器最终输出结果为一正弦波，由于存在元器件噪声的影响，输出波形发生了失真。振荡器的频率稳定度是一个极其重要的性能指标，例如通信系统中频率不稳定，会影响通信的可靠性。通常元器件的内部噪声会影响振荡器的瞬间稳定度，因此会造成一定程度的失真，就如试验结果所示。因此在器件选择上，要选取参数稳定的元器件，以提高振荡器的频率稳定性。河南理工大学本科课程设计报告15参考文献参考文献【1】张肃文. 高频电子线路. 北京：高等教育出版社（第四版） ， 2006【2】【2】黄扬帆. 高频电路实验. 重庆：重庆大学出版社， 2007.10【3】张 澄. 高频电子电路学习指导. 北京：人民邮电出版社， 2008【4】李银华. 电子线路设计指导. 北京：北京航空航天大学出版社， 2005河南理工大学本科课程设计报告16C11nFC233nFC347pFC4470pFKey=A50%C5680nFCb680nFCe680nFR115kR25.1kR32kR42kR550kKey=A50%ZL22mHL1mHV2N2219Vcc12 V 143XSC1ABExt Trig+_+_000768902附录附录 1 系统总电路图系统总电路图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河南理工大学本科课程设计报告17