改进型电容三点式正弦波振荡器.doc

摘 要振荡器的种类很多，使用范围也不相同，但是它们的基本原理都是相同的，都要满足起振、平衡和稳定条件。本次课设设计了改进型电容三点式高频振荡器，介绍了设计步骤，比较了克拉泼振荡电路和西勒振荡电路的优缺点，最终选择了西勒振荡电路。同时设计缓冲电路，使得电路能够加载小电阻负载。继而通过Multisim设计电路与仿真，得到了与理论值相近的结果。最后焊接电路实物，并用规定的电源、示波器和频率计进行测试与调整，最终完成的设计要求。关键词：电容三点式 西勒振荡器 Multisim 仿真1绪 论高频信号发生器主要用来向各种电子设备和电路提供高频能量或者高频标准信号，以便测试各种电子设备和电路的电气特性。它是指产生信号频率为 100千赫30兆赫的高频、30300兆赫的甚高频信号发生器。一般采用 LC调谐式振荡器，频率可由调谐电容器的度盘刻度读出。高频信号发生器主要是产生高频正弦振荡波，故电路主要是由高频振荡电路构成。振荡器的功能是产生标准的信号源，广泛应用于各类电子设备中。为此，振荡器是电子技术领域中最基本的电子线路，也是从事电子技术工作人员必须要熟练掌握的基本电路。振荡器主要分为晶体振荡器和LC振荡器，本次课设采用LC振荡器。LC振荡器中的基本电路就是通常所说的三端式振荡器，即LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而成的电路。其中三端式又分为两种基本电路。根据反馈网络由电容还是电感完成的分为电容反馈振荡器和电感反馈振荡器。同时为了提高振荡器的稳定度，通过对电容三端式振荡器的改进可以得到克拉泼振荡器和西勒振荡器两种改进型的电容反馈振荡器。本次课设的目的就是构成西勒振荡器，并完成相关的技术指标。2基本原理介绍2.1振荡器的概述不需外加输入信号，便能自行产生输出信号的电路称为振荡器。按照产生的波形，振荡器可以分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器。按照产生振荡的工作原理，振荡器分为反馈式振荡器和负阻式振荡器。所谓反馈式振荡器，就是利用正反馈原理构成的振荡器，是目前用的最广泛的一类振荡器。所谓负阻式振荡器， 就是利用正反馈有负阻特性的器件构成的振荡器，在这种电路中，负阻所起的作用，是将振荡器回路的正阻抵消以维持等幅振荡。反馈式振荡电路，有变压器反馈式振荡电路，电感三点式振荡电路，电容三点式振荡电路和石英晶体振荡电路等。 电感三点式振荡器的电感线圈对高次谐波呈现高阻抗所以反馈带中高次谐波分量较多输出波形较差。本次设计要求我们采用的是电容三点式振荡电路，由于电容三点式振荡电路有一些缺陷，通过改进，得到了西勒振荡器。2.2振荡器的原理振荡器LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接构成的电路即为三端式振荡器，其示意图如下图2.1所示：图2.1 一般形式的三点式振荡器三点式LC正弦波振荡器的组成法则是：与晶体管发射极相连的两个电抗元件应为同性质的电抗，而与晶体管集电极基极相连的电抗元件应与前者性质相反。也就是说上图中、与的性质必须相反振荡器才能起振。设：、为纯电抗元件负号表示产生180o相移，与Vbe和Vce间的180o相移合成为360o相移，满足正反馈条件。为此，Xce与Xeb必为同名电抗，而Xcb须是Xce与Xeb的异名电抗。2.3电容三点式振荡器电容三点式的原理示意图如下图2.2所示：图2.2 电容三点式振荡器 由图可见：与发射极连接的两个电抗元件为同性质的容抗元件C1和C2；与基极和集电极连接的为异性质的电抗元件L，根据前面所述的班别准则为，该电路满足相位条件。其工作过程是：振荡器接通电源后，由于电路中的电流从无到有变化 ，将产生脉动信号。振荡器电路中有一个LC谐振回路，具有选频作用，当LC谐振回路的固有频率与某一谐振频率相等时，电路发生谐振。虽然脉动的信号很微小，通过电路放大及正反馈使振荡幅度不断增大。当增大到一定程度时，导致晶体管进入非线性区域，产生自给偏压，使放大器倍数减小，最后达到平衡，此时振荡幅度不在增大。于是使振荡器只有在某一频率时才能满足振荡条件，于是得到单一频率的振荡信号输出。该振荡器的振荡频率为：反馈系数F为： 若要它产生正弦波，满足F=1/21/8,太小或者太大均不容易起振。一个实际的振荡电路，在F确定后，其振幅增加的主要是靠提高振荡管的静态电流值。但是如果静态电流值取得太大，振荡管工作范围容易进入饱和区，输出阻抗降低使振荡波形失真。严重时，甚至使振荡器停振。所以在实用中，静态电流值一般取=0.5mA4mA。电容三点式的优点是：1)振荡波形好；2）电路的频率稳定度高，工作频率可以做得较高，达到几十赫兹到几百赫兹的甚高波段范围。电路缺点：若调用C1或C2改变振荡回路的工作频率，反馈系数也将改变使振荡器的频率稳定度不高。3方案对比改进型的电容三点式分为两种：克拉泼振荡器、西勒振荡器。3.1 克拉泼振荡器电容三点式改进型“克拉泼振荡器”如下图3.1所示：图3.1 克拉泼振荡器电路电路的特点是在共基电容三点式振荡器的基础上，用一电容C5，串联于电感L的支路上。其作用是增加回路总电容和减小管子与回路间的耦合来提高振荡回路的标准性。使振荡频率的稳定度得到提高。因为C5为可调电容远小于C1或C2，所以电容串联后的等效电容约为C5。电路的振荡频率为：与基本电容三点式振荡电路相比，在电感L支路上串联一个电容后有以下特点：1. 振荡频率可改变不会影响反馈系数；2. 振荡幅度比较稳定；3. 电路中的C5为可变电容，调整它即可以在一定范围内调整振荡频率。但是C5不能太小否则会导致停振，所以克拉破振荡器频率覆盖率较小，仅达1.21.4；为此，克拉泼振荡器适合与做固定频率振荡器。3.2西勒振荡器电容三点式改进型“西勒振荡器”如下图3.2所示：图3.2 西勒振荡器电路电路的特点是在克拉泼电路的基础上，用一电容C4，并联于电感L两端。作用是保持了晶体管与振荡回路弱耦合，振荡频率的稳定度高，调整范围大。电路的振荡频率为：西勒振荡电路有以下特点：1 .振荡幅度比较稳定；2 .振荡频率可以较高；频率覆盖率较大，可达1.61.8，因而在一些短波超、短波通信机，电视接收机中用的较多。该电路振幅起振条件： 该电路相位起振条件： 振幅平衡条件： 相位平衡条件： 放大器电路由晶体三极管2N222、滤波电容、高频旁置电容、集电极旁置电阻R1、基极旁置电阻R2、R3、射极旁置电阻R5组成。放大器可选用如电子管、晶体管等，本设计采用晶体三极管2N222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C2、C3、C4、L、C5组成，要求C2，C3C4，C5。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，C3和晶体管构成正反馈。4系统设计方案4.1改进型电路选择根据上述对比可知，西勒振荡器的接入系数与克拉泼振荡器相同。西勒振荡器的频率改变主要通过改变C5完成，C5的改变并不影响接入系数p，因而波段内输出较平稳。而C5改变，频率变化较明显，使得西勒振荡器的频率覆盖系数较大。本次课设选择西勒振荡电路作为正弦波发生电路。4.2电路原理图设计电路原理图如下图4.1所示： 图4.1 改进型电容三点式振荡电路原理图 4.2.1电路结构图4.1中的电路主要由3部分构成：1.起能量放大作用的三极管放大器；2.三点式回路组成的正反馈网络；3.射极跟随器构成的缓冲级。由于西勒振荡器的的输出阻抗比较大，带负载的能力不强，所以有必要加一个缓冲极，来提高电路的带负载能力。缓冲极不具有放大作用，只是原倍数的将信号输出给下一级。4.2.2静态工作点设置合理选择振荡器的静态工作点对振荡器的起振、工作的稳定性和波形质量的好坏有着密切的关系。一般小功率振荡器的静态工作点应选在远离饱和区而靠近截至区的地方。根据上述原则，一般小功率振荡器集电极电流大约在0.84mA之间选取，故本实验电路中：选择=1.5mA =0.5V ， =40则 为提高电路的稳定性值适当增大，取=1，则=2又 1.5mA*1K=1.5V 取流过Rb2的电流为10，则 ，取4可取=5，这样额定电流是2mA,满足任务要求。4.2.3振荡回路元件确定回路中的电抗元件分为电容C和电感L两部分。通常满足接入系数C2/C3不能过大或者过小，否则不容易起振，一般适宜1/81/2。振荡器工作频率为：当LC振荡时，=6MHz L=10H本电路中，回路谐振频率主要由C4和C5决定，即 取C4=30pf,C5为100pf可调电容，因为要遵循C2,C3C4,C5，C2/C3=1/81/2的条件，故取C2=120pf，C3=560pf。4.3 电路仿真在Multisim软件中绘制改进型电容三点式正弦波振荡器的电路图，并更改好各元件数值连接好虚拟示波器，如下图4.2所示：图4.2 电路仿真连接图 其中起振电路示波器XSC2显示波形如图4.3所示：图4.3 三点式振荡器输出波形如上图4-2所示，得到了正弦波，说明了电路起振了，并且得到了稳定的波形，但是波形有一定的失真，是由于噪声，温度等的影响。 在西勒振荡器接缓冲级后，在负载处得到的波形如图4.4所示。图4.4 加载100负载后的波形输出和频率上图为通过缓冲器后加载100负载的波形输出，大体保持了原有波形，波形的失真应与缓冲器有关，单一的射极跟随器无法完整的保持波形不变。分析可见，缓冲级为射极跟随器，该电路输入阻抗高，可减小放大器从前级所取的信号电流；而输出电阻低，可减小负载变动对前级的影响。可由图可知加载100负载后输出电压大于1V，满足任务需求。且通过调节C5可以改变输出频率，使其输出范围在6MHz左右变化，满足了设计任务的需求。5小结与体会高频电子线路的课程设计看似简单，实际深究起来却相当复杂。本次选题的三点式看似十分简单，然而缓冲级的设计却有很大的拓展空间。对于波形的失真，要求我们自己想办法解决。在这方面，参考资料显得十分重要。课本上只是简单的介绍西勒振荡器的基本原理，而更多的任务要求实现需要我们去查阅资料和联系各个知识点。经过这次课程设计，让我对前面的路有了更多的信心，因为在这个过程中，我学到了不少实用的东西，对于高频电子电路有了更深层次的掌握，并且提高了独立解决问题的能力。这次课程设计中我对电路进行了仿真，进一步熟悉了Multisim软件的使用，对建立文件、绘制电路图、对其进行仿真等一系列过程都更加熟练，从而更明白了西勒振荡器和克拉泼振荡器的区别，为以后自己的道路奠定了基础。总之，通过这次课设我学习到了如何解决高频线路中的相关困难，更进一步地熟悉了晶体管的应用和具体使用方法，增强了对实验的思考能力，培养了我细心的科学态度和不厌其烦的耐心。同时本次课设也暴露了我的很多不足，在今后的学习中，我将进一步发扬优点，克服缺点。参考文献1 曾兴雯、刘乃安、陈建高频电路原理与分析西安：电子科技大学出版社，2007.7 2 刘泉通信电子线路北京：高等教育出版社，2005.53 高吉祥高频电子线路北京：电子工业出版社，2005.74 刘骋高频电子技术北京：人民邮电出版社，2006.55 张肃文高频电子线路北京：高等教育出版社，2004.86 吴友宇. 模拟电子技术基础. 北京:清华大学出版社，2009附录元件清单序号名称型号数量1电阻1K12电阻2K13电阻3K14电阻4K15电阻10016电位器2K、10K、200K各1个7 瓷片电容33nF18瓷片电容120pF19瓷片电容560pF110瓷片电容30pF111电解电容10uF/16V112可变电容100pF113电感10uH114三极管2N22222