高频课程设计-高频电感三点式正弦波振荡器.doc

武汉理工大学课程设计说明书目录摘要11 设计目的及任务要求21.1 设计目的21.2 任务要求21.3 软件简介22 理论基础32.1 振荡器32.2 三点式振荡器32.3 电感三点式（哈特莱）振荡器42.4 振荡器工作原理53 电路设计63.1 设计概述63.2 电感振荡部分73.3 输出缓冲级部分83.4 整体电路94 仿真结果105 结果分析13心得体会14参考文献15摘要振荡器（英文：oscillator）是用来产生重复电子讯号（通常是正弦波或方波）的电子元件。其构成的电路叫振荡电路，能将直流信号转换为具有一定频率的交流电信号输出。振荡器的种类很多，按振荡激励方式可分为自激振荡器、他激振荡器；按电路结构可分为阻容振荡器、电感电容振荡器、晶体振荡器、音叉振荡器等；按输出波形可分为正弦波、方波、锯齿波等振荡器。广泛用于电子工业、医疗、科学研究等方面。三点式振荡器是指LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而组成的一种振荡器。 三点式振荡器电路用电容耦合或自耦变压器耦合代替互感耦合, 可以克服互感耦合振荡器振荡频率低的缺点, 是一种广泛应用的振荡电路, 其工作频率可达到几百兆赫。本文将围绕高频电感三点式正弦波振荡器进行具有具体功能的振荡器的理论分析与设计。关键词：高频 电感三点式 正弦波 振荡器 缓冲级1 设计目的及任务要求1.1 设计目的培养较为扎实的电子电路的理论知识及较强的实践能力；加深对电路器件的选型及电路形式的选择的了解；提高高频电子电路的基本设计能力及基本调试能力；强化使用实验仪器进行电路的调试检测能力。1.2 任务要求1、采用晶体三极管或集成电路、场效应管构成高频电感三点式正弦波振荡器；2、额定电源电压5.0V ，电流13mA；输出频率 8 MHz （频率具较大的变化范围）；3、通过跳线可构成发射极接地、基极接地及集电极接地振荡器；4、有缓冲级，在100欧姆负载下，振荡器输出电压 1 V (D-P)；1.3 软件简介本次设计将主要使用Multisim10软件进行仿真。Multisim10是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借Multisim，可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。2 理论基础2.1 振荡器振荡器是一种能自动地将直流电源能量转换为一定波形的交变振荡信号能量的转换电路，根据其结构特点主要分为RC，LC振荡器和晶体振荡器。其中采用RC网络作为选频移相网络的振荡器统称为RC正弦振荡器,属音频振荡器；而采用LC振荡回路作为移相和选频网络的正反馈振荡器称为LC振荡器。至于晶体振荡器，则是使用石英晶体作为主要谐振器件的振荡器。在本次设计实验中，我们主要研究的是LC三点式振荡器。LC振荡器可以分为如下几类：变压器耦合式：单管LC正弦振荡器；差分对管LC正弦振荡器；三点式：电容三点式(考毕兹)振荡器；电感三点式(哈特莱)振荡器 ；改进三点式：克拉泼振荡器；西勒振荡器；2.2 三点式振荡器三点式振荡器是指LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而组成的一种振荡器。 三点式振荡器电路用电容耦合或自耦变压器耦合代替互感耦合, 可以克服互感耦合振荡器振荡频率低的缺点, 是一种广泛应用的振荡电路, 其工作频率可达到几百兆赫。根据具体元件选择与接法的不同又可以分为电容三点式振荡器（考毕兹振荡器）与电感三点式（哈特莱振荡器）两种，其主要特点如下：电容三点式：反馈电压中高次谐波分量很小，因而输出波形好，接近正弦波。反馈系数因与回路电容有关，如果用该变回路的方法来调整振荡频率，必将改变反馈系数，从而影响起振。电感三点式：便于用改变电容的方法来调整振荡频率，而不会影响反馈系数，但是反馈电压中高次谐波分量比较多，输出波形差。2.3 电感三点式（哈特莱）振荡器电感三点式振荡电路是指原边线圈的3个段分别接在晶体管的3个极。又称为电感反馈式振荡电路或哈特莱振荡电路。其典型电路图与交流等效电路图如下图所示：图2.3.1-电感三点式（哈特莱）振荡电路图2.3.2-电感三点式振荡器交流等效电路该电路具有如下特点：1.易起振；2.调节频率方便。3.输出波形较差。2.4 振荡器工作原理电感三点式振荡器的原理电路如图2.3.1所示，图2.3.2是其交流等效电路。图2.3.2中， Rb1、Rb2和Re为分压式偏置电阻；Cb和Ce分别为隔直流电容和旁路电容；L1、L2和C组成并联谐振回路，作为集电极交流负载。谐振回路的三个端点分别与晶体管的三个电极相连，符合三点式振荡器的组成原则。由于反馈信号由电感线圈L2取得，故称为电感反馈三点式振荡器。采用与电容三点式振荡电路相似的方法可求得起振条件的公式为 (1)式中，各符号的含义仍与考毕兹振荡器相同，只是反馈系数F的表达式有所不同，此处F定义如下： (2)其中M为L1、L2 的互感系数当线圈绕在封闭瓷芯的瓷环上时，线圈两部分的耦合系数接近于1，反馈系数F近似等于两线圈的匝数比，即F=N2/N1。振荡频率的近似为 (3)若考虑goe、gie的影响时，满足相位平衡条件的振荡频率值为 (4)式中，L=L1+L2+2M。由式 (4) 可见，电感三点式振荡器的振荡频率要比式 (3) 所示的频率值稍低一些，goe、gie越大，耦合越松，偏低得越明显。 以上是对电感三点式振荡电路的基本分析，由于此次设计要根据要求加入跳线开关及缓冲级，使频率具较大的变化范围并在在100欧姆负载下，振荡器输出电压 1 V (D-P)，因此还需要有一些辅助电路。3 电路设计3.1 设计概述本次设计的电路主要由电感振荡电路部分与输出缓冲级部分构成。电感振荡电路部分振荡器有基本放大器、选频网络和正反馈网络三个部分组成；输出缓冲级是在电路的输出端加一射极跟随器。基本放大器和射极跟随器都是由晶体三极管2N2222构成，典型电路模型如下图：图3.1.1-电感振荡电路部分图3.1.2-缓冲级部分3.2 电感振荡部分图3.2.1-电感振荡电路模块电感振荡电路部分振荡器有基本放大器、选频网络和正反馈网络三个部分组成。 为了维持震荡，放大器的环路增益应该等于1，即AF=1，因为在谐振频率上振荡器的反馈系数为C1/C2，所以维持振荡所需的电压增益应该是A=C2/C1电容三点式振荡器的谐振频率为 f0=1/2L(C1C2/(C1+C2) )/2在实验中可通过测量周期T来测定谐振频率，即f0=1/T放大器的电压增益可通过测量峰值输出电压Vop和输入电压Vip来确定，即A=Vop/Vip 滤波网络:滤除电源中的交流成分是外加电源中只含有直流成分，因为振荡器所要求的加在电路上的电能是直流电能，而实际电源很难达到纯粹的直流，所以需要加这样一个电路将其中可能的交流成分滤除。 放大网络：放大网络就是通过加在基极的直流电压来控制集电极的电压输出。放大网络对于靠近谐振频率的信号，有较大的增益，对于远离谐振频率的信号，增益迅速下降。 选频网络：由电感及电容组成的选频网络分为两类，一类是串联谐振回路，另一类是并联谐振回路，回路谐振时，电感线圈中的磁能与电能中的磁能周期性的转换着。电抗元件不消耗外交电动势能量。外加电动势只提供回路电阻所消耗的能量，以维持回路中的等幅振荡。所以在串联谐振时，回路中电流达到最大值，并联谐振中，负载电压达到最大值。正反馈网络：反馈，指将系统的输出返回到输入端并以某种方式改变输入，进而影响系统功能的过程，即将输出量通过恰当的检测装置返回到输入端并与输入量进行比较的过程。正反馈使输出起到与输入相似的作用，使统偏差不断增大，使系统振荡，可以放大控制作用。正反馈网络是电感反馈三点式振荡网络中比较重要的一个环节。3.3 输出缓冲级部分图3.3.1-输出缓冲级电路模块输出缓冲级是在电路的输出端加一射极跟随器，从而提高回路的带负载能力。以满足设计要求的100欧姆负载。 射极跟随器输入阻抗高，输出阻抗低，电压放大倍数略低于1，带负载能力强，具有较高的电流放大能力，它可以起到阻抗变换和极间隔离的作用，因而可以减小负载对于振荡回路的影响。输出缓冲级完成对所产生的振荡信号进行输出，不管是并联谐振正弦波晶体电路还是串联谐振晶体电路，它们的带负载都不是很强，负载值改变时可能造成振荡器的输出频率变化，也可能影响振荡器的输出幅度，输出缓冲级的作用就是提高整个振荡器的带负载能力，也就是使振荡器的输出特性不受负载影响，或影响较小。因此要使在100欧姆负载下，振荡器输出电压 1 V (D-P)，加入输出缓冲级才能满足设计要求。3.4 整体电路整体电路原理图如下：图3.4.1-整体电路4 仿真结果根据有无缓冲级，仿真结果呈现两种状态：图4.1-仿真图形1此为未加入输出缓冲级时的仿真结果，可以看到输出波形有一定程度的失真（顶部与底部有微小削平迹象），且输出电压峰峰值超过10V。图4.2-仿真图形2此为加入缓冲级之后的仿真结果，可以看出正弦波明显变得平滑，失真度变小，且输出电压峰峰值接近2V，但频率未变，基本满足实验要求。图4.3-仿真图形3增大电容C1由100nF至200nF后，观察仿真结果可发现输出波形振荡频率降低，但是波形仍然平滑，接近标准正弦波，无明显失真；减小电容C1由100nF至51nF后，观察仿真结果可发现输出波形振荡频率升高，但是波形仍然平滑，接近标准正弦波，同样无明显失真。这证明了电感三点式正弦波振荡器可以用改变电容的方法来调整振荡频率，而不会影响反馈系数。 图4.4-仿真图形4但当电容C很小（如当减少到1nF或更小）时，输出波形产生了越来越明显的失真，如上图所示。这说明电感三点式正弦波振荡器在很高振荡频率状态下的反馈电压中高次谐波分量较多，导致输出波形差。另一方面，当电容C增大至一定程度（如当增加到1uF或更大）时，则会发现振荡器起振很缓慢，但最终能稳定在一个固定的振幅；但是当电容C增大至1mF时，则发现振荡器可以很快起振，但是振荡幅度非常非常小（只有nV级）。5 结果分析 原电路在无缓冲级时，即作为传统哈特莱振荡电路时也可以产生比较不错的正弦振荡波，但是有微小失真，且电压较高，不符合最终要求。当增加缓冲级即在输出端加上射极跟随器之后，振荡波形振幅降低且失真被稍微修复，证明射极跟随器输入阻抗高，输出阻抗低，电压放大倍数低于1，带负载能力强，具有较高的电流放大能力，可以起到阻抗变换和极间隔离的作用，从而减小负载对于振荡回路的影响。之后，改变电容C1的值，由100nF增加至200nF，即电容增大为原来的2倍，发现振荡频率略微降低，大概变为原来的1/。而51nF时的振荡频率大概为200nF时的2倍，满足公式。此外，电容C增大与减小过程中出现的各种情况也与理论情况接近，故可以认为本次仿真在误差允许的范围内是准确的。心得体会本次课程设计的题目是高频电感三点式正弦波振荡器的设计，主要应用了高频电子线路三点式振荡器电路内容。因为高频的知识本来就不容易懂，所以查找资料和查阅基础知识，花了很长的时间。这些都应归咎于自己基础知识的匮乏。通过查找资料，结合书本中所学的知识，我最终完成了课程设计的内容。把书中所学的理论知识和具体的实践相结合，有利于我们对课本中所学知识的理解，并加强了我们的动手能力。这次设计让我更好地掌握了常用元件的识别和测试，更加深刻地理解了课本知识。在此次做课程设计的过程中，我深深地感受到了自己所学到知识的有限和自身的不足，并且学会了对所找内容的取舍及分析。总之，从中我学习到了如何解决遇到的困难，而且进一步熟悉了晶体管的应用并掌握了其工作原理和具体的使用方法，增强了对实验的思考能力。感谢指导教师的悉心教导！参考文献【1】 李银花电子线路设计指导，航空航天大学出版社，2005.6【2】 朱力恒电子技术仿真实验教程，电子工业出版社，2003.7【3】 康华光电子技术基础，高等教育出版社，2000.6【4】 王志纲现代电子线路，清华大学出版社，2003.4【5】 张肃文高频电子线路，高等教育出版社，1993.4【6】 杨翠娥高频电子线路实验与课程设计，哈尔滨工程大学出版社，1996.8【7】 高如云通信电子线路，西安电子科技大学出版社，2005.715