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1、1 通信基本电路课程设计报告 设计题目:LC 正弦波振荡器设计 专业班级电信 10-03 学号 311008001022 学生姓名王勇 指导教师高娜 教师评分 2012 年 12 月 4 日 2 目录 第一章设计任务 与要 求 3 1.1. 设计任务 . 3 1.2. 设计要求 . 3 第二章总体方案. 3 2.1 振荡器的选择 .3 2.2 信号输出波形的仿真选择.4 第三章电路工作原理 4 3.1 LC 三点式振荡组成原理图 4 3.2 起振条件 5 3.3 频率稳定度 5 3.4 总原理图 6 3.5 LC 振荡模块设计 7 第四章电路制作和调试. 12 4.1 元器清单 12 4.2
2、按设计电路安装元器件. 14 4.3 测试点选择 . 14 4.4 调试 14 4.5 实验结果与分析 . 15 4.6 频率稳定度 16 第五章总结. 16 第六章参考文献. 17 3 第一章设计任务与要求 1.1 设计任务 (1). 熟悉 LC正弦波振荡器的工作原理,以及示波器的原理及用法。 (2). 掌握 LC正弦波振荡器的基本设计方法。 (3). 理解 LC正弦波振荡回路并掌握LC振荡器的设计,装载,调试,及其主要性能 参数的测试方法和如何选择电路的测试点。 (4). 了解外界因素、元件参数对振荡器工作稳定性及频率稳定度的影响情,以便提 高振荡器的性能。 1.2 设计要求 (1). 设
3、计一个 LC正弦波频振荡器。 (2). 利用三端式振荡器原理产生正弦波信号,采用的具体电路不限。要求给出所选 电路的优点和缺点并通过测量值进行证明。也可以进行不同三端式振荡器的性能比 较。 (3). 了解电路分布参数的影响及如何正确选择电路的静态工作点。 (4). 电路的基本原理, LC正弦波振荡器是各种接收机和发射机中一种常见的电路, 常用作载波振荡、本振混频振荡等。其典型形式为“三点式”振荡电路,其电路简 单、频率稳定度高,它的工作原理是在正反馈的基础上,将直流电源提供的能量变 成正弦交流输出。 (5). 选择所需的方案,画出有关的电路原理图。 第二章总体方案 2.1 振荡器的选择 LC振
4、荡器的电路种类比较多, 根据不同的反馈方式, 又可分为互感反馈振荡器, 电感反馈三点式振荡器,电容反馈三点式振荡器,其中互感反馈易于起振,但稳定 4 性差,适用于低频,而电容反馈三点式振荡器稳定性好,输出波形理想,振荡频率 可以做得较高。所以选择电容反馈三点式振荡器是不容置疑的,而电容反馈三点式 振荡器又分为考毕兹振荡器,克拉波振荡器,西勒振荡器。LC振荡器是一种能量转 换器,由晶体管等有源器件和具有选频作用的无源网络及反馈网络组成,其框图如 图 1 所示。 图 1 振荡器框图 2.2 信号输出波形的仿真选择 方案一:三种振荡器输出信号波形全部用Multisim仿真软件得出。 方案二:考毕兹振
5、荡器的输出波形由仿真软件得出,其余两种振荡器由计算得 出频率,画出相应的波形。 经比较用仿真软件得出的波形比较直观简单而且准确,即选择方案一。 第三章电路工作原理 3.1 LC 三点式振荡组成原理图 放大电路选频网络 正反馈网络 输出 5 其振荡频率f= LC2 1 。当 1 X 和 2 X 为容性, 3 X 为感性时称为电容反馈振荡器, 其中 C= 21 21 CC CC ;当 1 X 和 2 X 为感性, 3 X 为容性时称为电容反馈振荡器,其中 L= 1 L + 2 L . 3.2 起振条件 X1, X2必须是同性质的电抗, X3必须是异性质电抗, 并且必须满足下面的关系: X3= (X
6、1+X2 ) 根据起振条件,可以推导出三极管的跨导gm应满足下面的不等式: fu10ugifm k/ggkg 上式中: fu k = X2/ X1 反馈系数 g1 为三极管 be 间的输入电导 g0 为三极管 ce 间的输出电导 1 g 为三极管 ce 间的负载电导和回路损耗电导之和。 上式表明,起振时 gm与 fu k 、 g0 、g1、 1 g 等有关。若管子参数和负载确定后, fu k 大小应合适, 否则不易满足起振条件。 另外,还必须考虑到频率稳定度和振荡幅 度等要求。 3.3 频率稳定度 频率稳定度是表示在一定时间范围内或一定的温度、电压等变化范围内振荡频 率的相对变化程度。若频率相
7、对变化越小,就表明振荡频率稳定度越高,否则稳定 度就差。 由上述讨论知道,因为振荡回路元件是决定频率的主要因素,所以要提高频率 稳定度,就是要设法提高振荡回路的标准性。因此除了采用高稳定和高 Q (因为 Q 值 6 越大相频特性曲线在 0 f 附近的斜率越大,选频特性就越好)的回路电容及电感外, 还可以采用负温度系数元件实现温度补偿,或采用部分接入,以减小管子极间电容 和分布电容对振荡回路频率的影响。 由分析和实验知道, LC 谐振回路的标准性和 Q 值都不高,频率稳定度不高于 4 10 数量级,而石英晶体标准性 Q 值都很高,接入系数也很小。 频率稳定度可达 6 10 数量级。 3.4 总原
8、理图 R1 5.1k R2 27k R3 3k R4 1k R5 5.1k L1 10uH C1 100pF C2 100pF C3 1nF C4 0.1uF C5 1nF C6 10nF C7 10nF L2 300mH V1 12 V 7 0 3 0 6 8 Q2 2N2222A 2 1 4 图 2 考毕兹振荡器 7 R1 24k R2 56k R3 3k R4 1k R5 5.1k C1 100pF L1 10uH L2 300uH C4 1nF C5 1nF C6 10nF C7 10nF C2 100pF 4 0 C3 30pF-VAR Key = C 50% 6 Q1 2N2222
9、A 1 3 2 V2 12 V 5 0 7 图 3 克拉泼振荡器 R1 24k R2 56k R3 3k R4 1k R5 5.1k C1 100pF L1 10uH L2 300uH C4 1nF C5 1nF C6 10nF C7 10nF C2 100pF C3 30pF-VAR Key = A 50% Q1 2N2222A V2 12 V 0 6 2 3 1 4 C8 30pF-VAR Key = C 50% 5 0 7 图 4 西勒振荡器 1 3.5 LC 振荡模块设计 LC振荡电路采用三点式振荡, 电容反馈三点式振荡器又分为考毕兹振荡器,克 拉波振荡器,西勒振荡器。 8 方案一:考
10、毕兹振荡器 R1 5.1k R2 27k R3 3k R4 1k R5 5.1k L1 10uH C1 100pF C2 100pF C3 1nF C4 0.1uF C5 1nF C6 10nF C7 10nF L2 300mH V1 12 V 7 0 3 0 6 8 Q2 2N2222A 2 1 4 图 4 考毕兹振荡器 图 3 考毕兹振荡器输出信号波形 9 理论计算振荡器的频率为 f 21 212 )( 2 1 CC CCL 7MHz 观察到的振荡波形如图3 所示,从波形看出其震荡极不稳定,测试其波形频率为 f 9 10155 1 =6.5MHz 调解 C1C2改变频率时,反馈系数也改变。
11、 方案二:克拉泼振荡器 克拉泼振荡器其振荡频率为f= LC2 1 ,式中 C= 321 111 1 CCC ,此电路的频率 稳定度较好,但在振荡范围较宽时,输出幅度不均匀,且频率升高后不易起振,其 主要用于固定频率或波段范围较窄的场合。电容三点式改进型“克拉泼振荡器”如 图 4 所示。 R1 24k R2 56k R3 3k R4 1k R5 5.1k C1 100pF L1 10uH L2 300uH C4 1nF C5 1nF C6 10nF C7 10nF C2 100pF 4 0 C3 30pF-VAR Key = C 50% 6 Q1 2N2222A 1 3 2 V2 12 V 5
12、0 7 图 4 克拉泼振荡器 10 克拉泼振荡器的频率为 f= 32 2 1 CL (C1C3,C2C3) 电路中 C3为可变电容,调整它即可在一定范围内调整期振荡频率。 输出信号的幅值、 频率等用时时监测法测试, 调整 C3观测震荡信号的波形和频率变 化。观察到的振荡波形如图5 所示: 图 5 克拉泼振荡器输出信号波形 方案三:西勒振荡器 西勒振荡器其振荡频率为f= LC2 1 ,式中 C= 321 111 1 CCC + 4 C ,这种振荡器较易 起振,振荡频率也较为稳定,波形失真较小,当参数设置得当时,其频率覆盖系数 11 较大。电容三点式的改进型“西勒振荡器”如图6 所示。 R1 24
13、k R2 56k R3 3k R4 1k R5 5.1k C1 100pF L1 10uH L2 300uH C4 1nF C5 1nF C6 10nF C7 10nF C2 100pF C3 30pF-VAR Key = A 50% Q1 2N2222A V2 12 V 0 6 2 3 1 4 C8 30pF-VAR Key = C 50% 5 0 7 图 6 西勒振荡器 其振荡器的频率为 f= )(2 1 362 CCL (C 1 C6,C 2 C6) 输出信号的幅值、 频率等用实时监测法测试, 调整 C6 、C3观测震荡信号的波形和频 率变化。 12 图 7 西勒振荡器输出波形 基于以上
14、分析,西勒振荡器输出波形较好故选用方案三。 第四章电路制作和调试 4.1 元件清单 元件序号型号主要参数数量备注 R1 ( 图 2) 5.1K1 R2 (图 2)27 K1 R3 (图 2)3.0 K 1 R4 (图 2)1.0 K 1 R5 (图 2)5.1 K 1 C1 (图 2)100pF 1 C2 (图 2)100 pF 1 13 C3 (图 2)1.0nF 1 C4 (图 2)1.0nF 1 C5 (图 2)1.0nF 1 C6 (图 2)10nF 1 C7 (图 2)10nF 1 L1(图 2)10uH 1 L2(图 2)300 uH 1 Q1 (图 2) 2N2222A 1 V1
15、(图 2)12V 1 R1 ( 图 3) 24 K1 R2 (图 3)56 K1 R3 (图 3)3.0 K 1 R4 (图 3)1.0 K 1 R5 (图 3)5.1 K 1 C1 (图 3)100pF 1 C2 (图 3)100pF 1 C3 (图 3)30 pF 1 可变 C4 (图 3)1.0nF 1 C5 (图 3)1.0nF 1 C6 (图 3)10 nF 1 C7 (图 3)10 nF 1 L1(图 3)10H 1 L2(图 3)300H 1 Q1 (图 3) 2N2222A 1 V1(图 3)12V 1 R1(图 4) 24 K1 R2 (图 4)56 K1 R3 (图 4)3
16、.0 K 1 14 R4 (图 4)1.0 K 1 R5 (图 4)5.1 K 1 C1 (图 4)100pF 1 C2 (图 4)100pF 1 C3 (图 4)30 pF 1 C4 (图 4)1.0nF 1 C5 (图 4)1.0nF 1 C6 (图 4)30pF 1 可变 C7 (图 4)10 nF 1 C8 (图 4)10 nF 1 L1(图 4)10H 1 L2(图 4)300H 1 Q1 (图 4) 2N2222A 1 V1(图 4)12V 1 高频信号发生器 QF1055A 1台 数字示波器 TDS210 1台 频率特性测试仪 BT-3C 1台 数字万用表 M300817 1台
17、直流稳压电源 HY1711-2 1台 超高频毫伏表 DA22A 4.2 按设计电路安装元器件 由于调频振荡器的工作频率较高,晶体管的结电容、引线电感、分布电容及测量仪 器对电路的性能影响均不能忽略。因此,在电路装调及测试时应尽量减小这分布参 数的影响。 安装时应合理布局,减小分布参数的影响。电路元件不要排得太松,引线尽量 不要平行,否则会在元件或引线之间产生一点的分布参数,引起寄生反馈。多级放 大器应排成一条直线,尽量减小未级和前级之间的耦合。地线应尽可能粗,以减小 分布电感引起的高频损耗,制印刷电路板时,地线的面积应尽量大。为减小电源内 15 阻形成的寄生反馈,应采用滤波电容(C) 及滤波电
18、感( L)组成的()型或( T)型 滤波电路,一般( L)为几十微亨至几百微亨,(C )为几百皮法至几十千皮法。 4.3 测试点选择 正确选择测试点,减小仪器对被测电路的影响。在高频情况下,测量仪器的输 入阻抗(包含电阻和电容)及连接电缆的分布参数都有可能影响被测电路的谐振频 率及谐振回路的 Q值,为尽量减小这种影响,应正确选择测试点,使仪器的输入阻 抗远大于电路测试点的输出阻抗。对于图2 所示电路,高频电压表接于C点,示波 器接于 E点,数字频率计接于A点,( C4 )的值要小,以减小数字频率计的输入阻 抗对谐振回路的影响。所有测量仪器如高频电压表,示波器,扫描仪,数字频率计 等的地线及输入
19、电缆的地线都要与被测电路的地线连接好,接线尽量短。 4.4 调试 一般高频电路的实验板应为印刷电路板,以保证元器件可靠焊接及连接导线固 定,使电路的分布参数基本固定。高频电路的调试方法与低频电路的调试方法基本 相同,也是先调整静态工作点,然后观测动态波形并测量电路的性能参数。所不同 的是按照理论公式计算的电路参数与实际参数可能相差较大,电路的调试要复杂一 些。 振荡电路接通电源后,有时不起振,或者在外界信号强烈触发下才起振(硬激 励),在波段振荡器中有时只在某一频段振荡,而在另一频段不振荡等。所有这些 现象无非是没有满足相位平衡条件或振幅平衡条件。如果在全波段内不振荡,首先 要看相位平衡条件是
20、否满足。对三端振荡电路要看是否满足对应的相位平衡判断标 准。此外,还要在振幅平衡条件所包含的各种因素中找原因。 4.5 实验结果与分析 1. 静态工作点选的太小,电源电压过底,使振荡管放大倍数太小。 2. 负载太重,振荡管与回路间耦合过紧,回路Q值太低。 3. 回路特性阻抗 或介入系数 pce 太小,使回路谐振阻抗RO太低。 16 4. 反馈系数 kf 太小,不易满足振幅平衡条件。但kf 并非越大越好,应适当选 取。 5. 有时在某一频段内高频端起振,而低频端不起振,这多半是在用调整回路电 容来改变振荡频率的电路中, 低端由于 C增大而 L/C 下降,致使写真阻抗降低所起。 反之,有时低端振高
21、端不振,原因可能有: (1)选用晶体管 fT 不够高。 (2)管的电流放大倍数 太小。 (3) 低端已处于起振的临界边缘状态,在高频工作时晶体管输入电容CBE的作 用使反馈减弱,或者是由于CB E的反馈作用显著等。 4.6 频率稳定度 小时/105/ 3 0 ff LC谐振回路的标准性和Q值都不高,频率稳定度不高于 4 10 数量级,而石英晶 体标准性 Q值都很高,接入系数也很小。频率稳定度可达 6 10 。 第五章总结 此次课程设计主要针对各种电容反馈三点式电路提出自己的设计方案,并利用 仿真软件 Multisim来实现自己的设计电路图。 设计中用到了考毕兹振荡器, 克拉波 振荡器,西勒振荡器电路等在高频电子线路课程中学到的知识。由于对所学电路不 熟悉,导致在设计的过程中无法画出正确的电路图,算不出电路中元器件的参数, 使得在设计过程中绕了许多弯路,做了许多的无用功。但在室友们的帮助下,再加 上自己不断的查找相关资料,利用图书馆和网络,最终克服了所有困难。同时也巩 固了以前所学过的知识,而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。 17 第六章参考文献 参考文献 1 张肃文 . 高频电子线路 . 西安交通大学出版社 .2008.
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