高频信号发生器设计报告.doc

合肥学院电子设计竞赛暑期培训设计报告作品名称： 高频信号发生器 学校全称： 合 肥 学 院系别班级： 电子系10级电气（5）班 队员姓名： 王鹏飞 熊王来 王志立 指导老师： 段惠敏 查长军 目录摘要2关键词2一、引言21.1设计任务31.2设计要求3二方案论证32.1电容三点式振荡器32.2 电感三点式振荡器52.3 对电容三点式振荡器进行改变的克波拉振荡器62.4西勒振荡器作为高频信号发生器62.5方案选择7三.方案实现83.1 关于三极管2N2222静态工作点的计算83.2振荡电路电容电感的选择9四系统调试94.1 电容C4 , L1调试104.2电容C3，C2调试104.3测试结果104.4调试中出现的问题11五测试工具11六参考文献11摘要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高频标准信号，以便测试各种电子设备和电路的电气特性。 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。 所以，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。本题基于改进的电容三点式振荡器西勒振荡器，设计的高频信号发生器。采用晶体三极管构成正弦波振荡器，达到设计任务所要求的目标。并介绍了设计步骤，比较了各种设计方法的优缺点，简单总结了不同振荡器的性能特征。有助于以后设计不同频率的信号发生器。关键词西勒振荡器 静态工作点 频率稳定度一、引言在电子线路中，除了要有对各种电信号进行放大的电子线路外，还需要有能在没有激励信号的情况下产生周期信号的电子电路，这种在无需外加激励信号的情况下，能将直流电能转换成具有一定波形、一定频率和一定幅度的交变能量的电子电路称为高频信号发生器。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高频标准信号，以便测试各种电子设备和电路的电气特性。例如，测试各类高频接收机的工作特性，便是高频信号发生器一个重要的用途。在电路结构上，高频信号发生器和高频发射机很相似。高频信号发生器主要是产生高频正弦震荡波，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。本次课题设计了不同种类型的高频振荡器，介绍了设计步骤，比较了各种设计方法的优缺点，总结了不同振荡器的性能特征。并通过Multisim仿真验证比较。在multisim环境下进行了仿真与调试，实现了设计目标。1.1设计任务设计并制作一台高频函数信号发生器。1.2设计要求1基本要求（1）制作完成一路正弦波信号输出，频率范围6MHz7MHz；（2）输出信号频率稳定度优于10-4，用示波器观察时无明显失真；（3）输出电压幅度：电压峰-峰值Vopp1V；2发挥部分（1）将正弦波输出信号电压增加到Vopp10V，波形无明显失真，（2）再完成一输出信号频率大于30MHz的模块。（3）其它。二方案论证对于正弦波的产生方法有很多，可以利用单片机直接产生，然后通过锁相环放大，其次可以采用RC振荡电路，三点式LC振荡电路，石英晶体振荡电路，也可以利用DDS集成模块等多种手段。基于本题的要求，产生6MHz7MHz的高频正弦波，由于利用单片机和RC振荡电路所产生的正弦波频率较低（不超过1MHz），以及DDS等集成芯片的高成本，所以这些方案都不予采用。以下对LC振荡电路（分为电感三点式和电容三点式）和石英晶体振荡电路进行分析比较。2.1电容三点式振荡器电容三点式振荡器的基本电路如图1所示图1电容三点式振荡器由图1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，根据前面所述的判别准则，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，因任一脉冲信号包含有许多不同频率的谐波，因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波频率相等时，电路产生谐振。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，使放大器的放大倍数减小，最后达到平衡，即AF=1，振荡幅度就不再增大了。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： F=C1C2 若要它产生正弦波，必须满足F= 1/21/8，太小不容易起振，太大也不容易起振。一个实际的振荡电路，在F确定之后，其振幅的增加主要是靠提高振荡管的静态电流值。但是如静态电流取得太大，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ICO=0.5Ma4mA。电容三点式振荡器的优点是：振荡波形好；电路的频率稳定度较高；工作频率可以做得较高，可达到几十MHz到几百MHz的甚高频波段范围。 电路的缺点：振荡回路工作频率的改变，若用调C1或C2实现时，反馈系数也将改变。反馈系数一般取12之间，使振荡器的频率稳定度不高。2.2 电感三点式振荡器电感三点式振荡器电路如图2所示图2 电感三点式振荡电路图2是电感三点式振荡电路的原理图。由图可见，这种电路的LC并联谐振电路中的电感有首端、中间抽头和尾端三个端点，其交流通路分别与放大电路的集电极、发射极(地)和基极相连，反馈信号取自电感L2上的电压，因此，习惯上将图2所示电路称为电感三点式LC振荡电路，或电感反馈式振荡电路。电感三点式振荡电路分析方法与电容三点式振荡器类似。相位平衡条件：根据射同基反的原则，也可以判别三点式振荡电路的相位平衡条件，方法是先画出交流等效电路如图2所示,显然该电路符合射同基反的原则，因此满足相位平衡条件。可求得电感三点式振荡器的振幅起振条件和振荡频率。振荡频率为：其中L=L1+L2+2M，M为互感系数。电感三点式振荡电路的特点：（1）工作频率范围为几百kHz几MHz；（2）反馈信号取自于L2，其对f0的高次谐波的阻抗较大，因而引起振荡回路的谐波分量增大，使输出波形不理想。.2.3 对电容三点式振荡器进行改变的克波拉振荡器 图 3克波拉振荡器由于克波拉振荡器频率不容易改变，R3改变，负载电阻RL将随之改变，放大器的增益也将变化，容易引起环路增益不足而停振。且振荡器的输出幅度也将随之变化。频率的覆盖系数一般只有1.21.3。克拉泼是用电感L和电容C3的串联电路代替原来电容反馈振荡器中的电感构成的，且C3C1，C2。回路的总电容为：1/C=1/C1+1/C2+1/C31/C3 （2.3.1）由此可见回路的总电容C将主要由C3决定，而极间电容与C1，C2并联，所以极间电容的影响很小；晶体管以部分接入的方式与会路连接，减小了晶体管与回路之间的耦合。接入系数p为p=C/C1C3/C1 （2.3.2）C1，C2的取值越大，接入系数p越小，耦合越弱。因此，克拉波振荡器的频率稳定度得到了提高。但C1，C2不能过大假设电感两端的电阻为R，可知晶体管两端的负载电阻Rl=(C3/C1)*(C3/C1)R。因此C1过大，负载电阻很小，放大器增益就低2.4西勒振荡器作为高频信号发生器图4西勒振荡器图4是西勒振荡器的实际电路。它的主要特点，就是与电感L并联一可变电容C4.与克拉泼振荡器一样，图中C3IBQ的条件下有：VBQ R1R1+R2+R5Vcc2.91V (3.1.1)集电极电流：ICQIEQ=VBQ-VBEQR4 =VBQR4 =2.91mA (3.1.2)基极电流：IBQ=ICQ/b=0.064mA(根据2N2222的资料可知，b取45) （3.1.3）集电极-射极电压：VCEQ=VCC-ICQ(RC+Re)=2.397V （3.1.4）由管子的输出特性曲线可知，该三极管工作再放大区。3.2振荡电路电容电感的选择由图所示C3，C2 为反馈电容，由于反馈系数一般取值为0.10.5之间，C4 , L1 构成振荡电路，C6为微调电容，通常选为30pF，C1为隔直电容。图8由于题目要求输出频率为6MHz,所以通过计算可得LC=6.5*10-16，考虑我们自己现有的电容和电感，我们C4选择33pF，L1选择10uH，由于C4C3、C2所以用过调试C2选择330pF,有反馈系数决定C3选择152pF。四系统调试系统最后的测试结果与理论的计算结果有误差，通过两步调试：4.1 电容C4 , L1调试 由于系统的频率主要由C4 , L1决定，所以我们通过调节C4 , L1的大小来改变频率，一开始我们C4 采用的是48pF的电容，结果输出的频率偏小，通过改变C4 的大小，结果将改为33pF，输出频率稍偏高，由于电感我们买的时候买的电感的种类过少，只能取10uH，我们也试着通过串联电感来减小频率，但结果不明显，通过接近两天的调试，最后确定最好的电容，电感取值是C4 =33pF, L1=10uF。4.2电容C3，C2调试由于电容C的大小取决于C3，C2 ，C4的大小，C=1/(1/C4+1/C2+1/C3),但由于C41Vf（MHz）Uo（v）6.510311.406.702861.427.003271.447.2001521.447.4908711.46注：表中关于频率稳定度的测量方法为：选取5个测试点，分别为6.5MHz，6.7MHz，7.0MHz，7.2MHz，7.5MHz。对于每个测试点取10个样本数据，然后对这些样本取平均值，球的平均值与测试点之间的差值占测试点的百分比即可。例如对于6.7MHz的测试点稳定度的计算如下：通过示波器测得测试点瞬时10个变化的数据，记录下来，为：6.70644，6.71783,6.69532,6.70074,6.70337,6.70024,6.70448,6.70495,6.70553,6.70580。算得其平均值为6.70447MHz，稳定度为：（6.70447-6.7）/6.7*100%=6.67*10-44.4调试中出现的问题在经过两天的调试中我们对出现的问题进行了简单的总结：1. 关于三极管的静态工作点问题，在仿真中，可能电路能正常工作，但实际中往往不是这样，所以对于没有波形的情况，首先要用万用表对三极管的三极电压进行测量，通过理论计算，判断三极管是否工作正常，这将直接影响电路是否起振。2. 对于实际电路中元件参数是否匹配问题，如果参数不匹配，会影响起振条件，也有可能影响波形。例如图5中的电容C4，在仿真中，可以让它小到15pF,以实现更高频的输出，但实际中，通过测试，若C4过小，小于10pF后，就不会有波形输出。所以，仿真和实际电路还是有很大差距，应该正确对待。3. 对于多个可变的参数，应该在确保其他参数都不变的情况下，再调其中的一个，这样才能确保改变某一个参数对电路的影响，便于分析总结。五测试工具序号名称、型号、规格数量备注出厂编号1GWINSTEK示波器 GDS-20621EH120231071000073数字万用表 UT58E1UNI-T3050030633六参考文献1高频电路原理与分析第四版，曾兴雯 主编，西安电子科技大学出版社2电子技术基础（模拟部分），康光华主编，高等教育出版社3高频电子线路，阳昌汉主编，高等教育出版社