1、SHAANXIUNIVERSIIYOFSCIENCE&TECHNOLOGY高頻電子線路課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)題目：振蕩器的設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：院（系）：專業(yè)：電子信息工程指導(dǎo)教師：2015年1月5日目錄1 選題背景32 課程設(shè)計(jì)目的33 課程設(shè)計(jì)題目描述和要求33.1 課程設(shè)計(jì)題目描述33.2 課程設(shè)計(jì)要求44 課程設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容44.1設(shè)計(jì)方案的論證：44.2 元器件參數(shù)的計(jì)算124.3 仿真結(jié)果與分析144.4 仿真注意事項(xiàng)205 結(jié)論21附錄23參考文獻(xiàn)26振蕩器設(shè)計(jì)1 選題背景振蕩器(Oscillator)是一種能量轉(zhuǎn)換裝置。它的能量來(lái)源一般是直流形式(振蕩器電路的直流供電電源)。經(jīng)過(guò)振

2、蕩器轉(zhuǎn)換后，此直流能量轉(zhuǎn)換為一定頻率、一定幅度和一定波形的交流能量輸出。這種電能的“轉(zhuǎn)換"過(guò)程被稱作“振蕩"(Oscillation)。振蕩器的作用是產(chǎn)生特定的輸出信號(hào)，因此也常常被稱為信號(hào)發(fā)生器(signalcreator)。振蕩器的類型繁多，按照振蕩過(guò)程是否依賴于外部激勵(lì)信號(hào)的參與，可以分為他激振蕩器和自激振蕩器；按照波形分類有正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器；按照振蕩器振蕩頻率的高低，可以分為低頻振蕩器、高頻振蕩器、超高頻振蕩器等；按照振蕩器的選頻元件分類，則有RC振蕩器、LC振蕩器、石英晶體振蕩器等。晶體振蕩器作為電子設(shè)備的重要器件，對(duì)電子設(shè)備的總體性能指標(biāo)起著非常重要

3、的作用。本文介紹高頻高精度正弦波振蕩器的研制，高頻高精度振蕩器具有體積小、中心頻率穩(wěn)定、輸出幅度穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定度高、非線性失真小的特點(diǎn)。振蕩器是一種能自動(dòng)的將直流能量轉(zhuǎn)換成有一定波形的振蕩器信號(hào)能量的轉(zhuǎn)換電路。它與放大器的區(qū)別在于無(wú)需外加激勵(lì)信號(hào)就能產(chǎn)生具有一定頻率，一定波形和一定振幅的交流信號(hào)。振蕩器輸出的信號(hào)頻率、波形、幅度完全由電路自身的參數(shù)決定。振蕩器在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。例如，在無(wú)線電通信、廣播、電視設(shè)備中用來(lái)產(chǎn)生所需的載波信號(hào)和本地振蕩信號(hào)；在電子測(cè)量和自動(dòng)控制系統(tǒng)中用來(lái)產(chǎn)生各種頻段的正弦波信號(hào)等。正弦波振蕩器主要有決定振蕩頻率的選頻網(wǎng)路和維持振蕩的正反饋放大器組成，

4、這就是正反饋振蕩器。高頻正弦波振蕩器可分為L(zhǎng)C振蕩器、石英晶體振蕩器等。正弦波振蕩器的主要性能指標(biāo)是振蕩頻率的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度、振蕩幅度的大小其穩(wěn)定性、振蕩波形的非線性失真、振蕩器的輸出功率和效率。2 課程設(shè)計(jì)目的設(shè)計(jì)一個(gè)石英晶體震蕩器和一個(gè)電容式三端震蕩器。設(shè)計(jì)采用正弦波發(fā)生電路,正弦波發(fā)生電路通常稱為正弦波振蕩器。不需要外加任何輸入信號(hào)就能根據(jù)要求而輸出特定頻率的正弦波信號(hào)。3 課程設(shè)計(jì)題目描述和要求3.1課程設(shè)計(jì)題目描述本次設(shè)計(jì)采用正弦波發(fā)生電路,正弦波發(fā)生電路通常稱為正弦波振蕩器。是模擬電子電路的一種重要形式。特點(diǎn)是不需要外加任何輸入信號(hào)就能根據(jù)要求而輸出特定頻率的正弦波信號(hào)。這種特點(diǎn)稱

5、為“自激振蕩”。波形發(fā)生電路是非常典型的正反饋放大電路。與放大器一樣,震蕩器也是一種能量轉(zhuǎn)換器,但不同的是振蕩器無(wú)需外部激勵(lì)就能自動(dòng)地將直流電源提供的功率轉(zhuǎn)換為指定的頻率和振幅的交流信號(hào)功率輸出。振蕩器一般由晶體管等有源器件和具有某種選頻能力的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)組成。143.2課程設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)要求：1）設(shè)計(jì)一個(gè)晶振振蕩器主要技術(shù)指標(biāo)：晶振頻率為20MHz,輸出信號(hào)幅度25V（峰-峰值），可調(diào)2）設(shè)計(jì)一個(gè)電容三點(diǎn)式振蕩器主要技術(shù)指標(biāo)：振蕩頻率為1520MHz,輸出信號(hào)幅度25V（峰-峰值），可調(diào)；頻穩(wěn)度優(yōu)于10-44課程設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容4.1設(shè)計(jì)方案的論證:4.1.1產(chǎn)生自激振蕩的條件圖4-1反饋型振蕩器原理

6、框圖1）平衡條件反饋振蕩器的原理框圖如圖，先通過(guò)輸入一個(gè)正弦波信號(hào)，產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)，此時(shí)，以極快的速度使輸出信號(hào)，通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)送到輸入端，且使反饋信號(hào)與原輸入信號(hào)“一模一樣”，同時(shí)切斷原輸入信號(hào)，由于放大器本身不能識(shí)別此時(shí)的輸入究竟來(lái)自信號(hào)源，還是來(lái)自本身的輸出，既然切換前后的輸入信號(hào)“一模一樣”放大器就一視同仁地給予放大，形成：輸出f反饋f輸入f放大f輸出f反饋;這是一個(gè)循環(huán)往復(fù)的過(guò)程，放大器就構(gòu)成了一個(gè)“自給自足”的自激振蕩器。上述假設(shè)指出：只有反饋到輸入端的信號(hào)與原輸入信號(hào)“一模一樣”才能產(chǎn)生自激振蕩，“一模一樣”就是自激振蕩的條件一一亦稱平衡條件。因?yàn)槭钦也?，而描述正弦波的三要素?/p>

7、：振幅、頻率和相位。振幅相等；相位相同（若相位總相同，則頻率和初相一定都相等）因?yàn)樽约ふ袷幨且粋€(gè)正反饋放大器，故可用反饋的概念來(lái)描述振蕩條件。現(xiàn)以單調(diào)諧諧振放大器為例來(lái)看K（j3）與卩（j3）的意義，若U=U，U=U,則：K(j3)=嗎=仏=中=Y（j3）ZUi幾I。LCib(4-1)式中,Z為放大器的負(fù)載阻抗L(42)Y(jf）為晶體管的正向轉(zhuǎn)移導(dǎo)納。Yf(ja)=片=Yej甲f%f|T(j3)|=KF=1(43)(4-4)此式要成立，貝V必有K（j3）F（j3）=1；T（j3）=K（j3）F（j3）=1、-申T二申f+申l+申F，=2nnn=0,l,2,振幅平衡條件相位平衡條件ZL=-1=

8、RLejIc2)起振條件在自激振蕩器中，起始瞬間的輸入電壓Xii的產(chǎn)生原因有兩種：一是在電路接通電源時(shí)取得。因?yàn)榻油娫磿r(shí)，電路各處都存在瞬變過(guò)程，在輸人端的瞬變電壓即可作為起始輸人電壓；二是放大器中存在各種微小的電擾動(dòng)和噪聲電壓。這兩種原因所取得的起始電壓包含著極為豐富的各種頻率分量)它們中總會(huì)有符合相位條件的某個(gè)頻率成分，最終成為自激信號(hào)的最初來(lái)源。至于振幅條件更容易滿足，由于開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)A是無(wú)窮大，很容易滿足起振條件KF21的要求。為了保證電路在指定的頻率上振蕩起來(lái)，常常為這種自激振蕩器安排一個(gè)諧振在指定頻率上的選頻回路，使電路更容易在指定的頻率上滿足產(chǎn)生自激振蕩的條件。放大器獲得起始瞬

9、時(shí)榆入電壓了Xi詬，接著產(chǎn)生輸出信號(hào)電壓和正反饋電壓，并且經(jīng)過(guò)放大器的選頻后，指定頻率的輸出電壓幅度增大了，反饋電壓的幅度也增大，經(jīng)過(guò)電路的正反饋、放大、再反潰、再放大的循環(huán)過(guò)程，使振蕩電壓由小到大逐漸建立起來(lái)。起振的最初來(lái)源是振蕩器在接通電源不可避免地存在的電沖擊及各種熱噪聲等，例如在加電時(shí)晶體管電流由零突然增加，突變的電流包含有很寬的頻譜分量，在他們通過(guò)負(fù)載電路時(shí)，由諧振回路的性質(zhì)即只有頻率等于回路諧振頻率的分量可以產(chǎn)生較大的輸出電壓而其他頻率成分不會(huì)產(chǎn)生壓降，因此負(fù)載回路上只有頻率為回路諧振頻率的成分產(chǎn)生壓降該壓降通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生較大的正反饋電壓，反饋電壓又加到放大器的輸入，進(jìn)行放大，反

10、饋,不斷地循環(huán)下去，諧振負(fù)載上將得到頻率等于回路諧振頻率的輸出信號(hào)。在振蕩開(kāi)始時(shí)由于激勵(lì)信號(hào)較弱，輸出電壓的振幅U0較小，經(jīng)過(guò)不斷放大，反饋循環(huán)，輸出幅度U0逐漸增大，否則輸出信號(hào)幅度過(guò)小，沒(méi)任何價(jià)值。為了使振蕩過(guò)程中輸出幅度不增加，應(yīng)使反饋回來(lái)的信號(hào)比輸入到放大器的信號(hào)大，即振蕩開(kāi)始時(shí)應(yīng)為增幅振蕩。T(j3)=>1(4-5)稱為自激振蕩的起振條件也可寫(xiě)為|T(j3)|=NRF>1(4-6)申T=竹+申L+申F/=2nnn=0,l,2,(47)上式分別為起振的振幅條件和相位條件，其中起振的相位條件即為正反饋條件。3)穩(wěn)定條件處于平衡狀態(tài)的振蕩器應(yīng)考慮其工作穩(wěn)定性，這是因?yàn)檎袷幤髟诠?/p>

11、作過(guò)程不可避免地要受到外界各種因素的影響，如溫度改變，電源電壓的波動(dòng)等等，這些變化將使放大器放大器啊倍數(shù)和反饋系數(shù)改變，破壞了原來(lái)的平衡狀態(tài)，對(duì)振蕩器的正常工作將會(huì)產(chǎn)生影響。如果通過(guò)放大和反饋的不斷循環(huán)，振蕩器能在原平衡點(diǎn)附近建立起新的平衡狀態(tài)，而且當(dāng)外界因素消失后，振蕩器能自動(dòng)回到原來(lái)平衡狀態(tài)，則原來(lái)平衡點(diǎn)是穩(wěn)定的；否則平衡點(diǎn)為不穩(wěn)定。振蕩器的穩(wěn)定條件分為振幅穩(wěn)定條件和相位穩(wěn)定條件。要使振蕩穩(wěn)定，振蕩器在其平衡點(diǎn)必須具有阻止振幅變化的能力。具體來(lái)說(shuō)既是，在平衡點(diǎn)附近，當(dāng)不穩(wěn)定因素使振幅增大時(shí)，環(huán)路增益的模值T應(yīng)減小，形成減幅振蕩，從而阻止振幅的增大，達(dá)到新的平衡，并保證新平衡點(diǎn)在原平衡點(diǎn)附近

12、，否則，若振幅增大,T也增大,則振幅將持續(xù)增大,遠(yuǎn)離元原平衡點(diǎn),不能形成新的平衡,振蕩器不穩(wěn)定；而當(dāng)不穩(wěn)定因素使振幅減小時(shí)，T應(yīng)增大，形成增幅振蕩，阻止振幅的減小，再遠(yuǎn)平衡點(diǎn)附近建立起新的平衡，否則振蕩器將是不穩(wěn)定的。因此振幅穩(wěn)定條件為dUiuiuiA<04-8)由于反饋網(wǎng)絡(luò)為線性網(wǎng)絡(luò)，即反饋系數(shù)大小F不隨輸入信號(hào)改變，故振蕩器條件又可寫(xiě)為dKdUi<0uiuiA4-9)式中K為放大器增益大小。由于放大器的非線性，只要電路設(shè)計(jì)合理，振幅穩(wěn)定一般很容易滿足。若振蕩器采用自偏壓電路，并工作到截止?fàn)顟B(tài)，其IdK/dUj|大，振蕩穩(wěn)定性好。再解釋振蕩器的相位穩(wěn)定性前，我們必須清楚，一個(gè)正弦

13、信號(hào)的相位申和它的頻率W之間的關(guān)系W血（4-10）dt申Jwdt（4-11）可見(jiàn)，相位的變化必然要引起頻率的變化，頻率的變化也必然要引起相位的變化。設(shè)振蕩器原在w叫時(shí)處于相位平衡狀態(tài)，即有1仇（W）+行+竹，0,現(xiàn)因外界原因使振蕩的反饋電壓圖4-2振蕩器穩(wěn)定工作時(shí)回路的相頻特性U的相位超前原輸入信號(hào)Ub。由于反饋相位提前（既每一周期中的相位均超前"b），振蕩周期要縮短，振蕩頻率要提高，比如提高到吆"。當(dāng)外界因素消失后顯然W2處不滿足相位平衡條件，這時(shí)，竹+0$不變，但由于>"，（pL要下降，即這時(shí)舛相對(duì)于的幅角申3丿+申f+%<0（4-12）這表示ub

14、落后于ub，導(dǎo)致振蕩周期增長(zhǎng)，振蕩頻率降低，即又恢復(fù)到原來(lái)的振蕩頻率bbwi。上述相位穩(wěn)定是靠w增加，仇降低來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即并聯(lián)振蕩回路的相位特性保證了相位穩(wěn)定。因此相位穩(wěn)定條件為dw<0ww14-13)回路Q值越高，|呱|值越大，其相位穩(wěn)定性越好。dw4.1.2電容反饋式三端振蕩器基本電路就是通常所說(shuō)的三端式（又稱三點(diǎn)式）的振蕩器，即LC回路的三個(gè)端點(diǎn)與晶體管的三個(gè)電極分別連接而成的電路,如圖根據(jù)諧振回路的性質(zhì),諧振時(shí)回路應(yīng)呈純電阻性,因而一般情況下，回路Q值很高，因此回路電流遠(yuǎn)大于晶體管的基極電流ib、集電極電流ic以及發(fā)射極電流ie,故由圖有Ub=jXIU=jXIc4-14)F=2因此

15、XI、X2應(yīng)為同性質(zhì)的電抗元件。即構(gòu)成原則為：射同余異4-3三端式振蕩器的組成三端式振蕩器有兩種基本電路，如圖所示。圖(a)中X1和X2為容性,X3為感性，滿足三端式振蕩器的組成原則，反饋網(wǎng)絡(luò)是由電容元件完成的，稱為電容反饋振蕩器，也稱為考必XL3(a)(b)圖4-4兩種基本的三端式振蕩器(a)電容反饋振蕩器；(b)電感反饋振蕩器1) 三端電容反饋振蕩器圖(a)是一電容反饋振蕩器的實(shí)際電路，將R,R,R視為開(kāi)路,則是其交流等效電路如圖(b)。b1b2cC,C視為短路圖,be(a)A。C_C=C2LL(b)茲(Colpitts)振蕩器。圖(b)為電感反饋振蕩器,也稱為哈特雷(Hartley)振蕩

16、器。圖4-5電容反饋振蕩電路振蕩頻率：高Q時(shí)(a)實(shí)際電路；(b)交流等效電路f=f0=(4-15)2冗jLCgC2C2與電感三端震蕩電路想比,電容三端振蕩器的優(yōu)點(diǎn)是輸出波形較好,這是因?yàn)榧姌O和基極電流可通過(guò)對(duì)諧波為低阻抗的電容支路回到發(fā)射極,所以高次諧波的反饋減弱,輸出的諧波分量減少,波形更加接近于正弦波。其次,該電路中的不穩(wěn)定電容(分布電容、器件的結(jié)電容等)都是與該電路并聯(lián)的，因此適當(dāng)?shù)募哟蠡芈冯娙萘?，就可以減弱不穩(wěn)定因素對(duì)振蕩器的影響，從而提高了頻率穩(wěn)定度。最后，當(dāng)工作頻率較高時(shí)，甚至可以只利用器件的輸入和輸出電容作為回路電容。因而本電路適用于較高的工作頻率。這種電路的缺點(diǎn)是:調(diào)或來(lái)改

17、變震蕩頻率時(shí)，反饋系數(shù)也將改變。但只要在L兩端并上一個(gè)可變電容器，并令與為固定電容，則在調(diào)整頻率時(shí)，基本上不會(huì)影響反饋系數(shù)。2) 改進(jìn)型電容三點(diǎn)式(a)(b)圖4-6克拉潑振蕩器電路(a)實(shí)際電路；(b)交流等效電路(1)如圖是克拉潑振蕩器的實(shí)際電路和交流等效電路它的特點(diǎn)是在前述的電容三點(diǎn)式振蕩諧振回路電感支路中增加了一個(gè)電容C3,其取值比較小，要求C3C1,C3C2。先不考慮各極間電容的影響，這時(shí)諧振回路的總電容量C為Cl、C2和C3的串聯(lián)，即丄=丄+丄+-1C3-C1C2-丄(4-16)CSC1C2C3C3F=1-PQ篤(4-17)cc.21Rl=P2R01(C1)2Ro(4-18)f1(

18、4-19)2njLC2njLC3使上式成立的條件是Cl和C2都要選得比較大，由此可見(jiàn)，Cl、C2對(duì)振蕩頻率的影響顯著減小，那么與Cl、C2并接的晶體管極間電容的影響也就很小了，提高了振蕩頻率的穩(wěn)定度。(2)西勒電路是在克拉潑電路的L兩端并聯(lián)上一個(gè)電容得到的，有效的改善了克拉潑電路可調(diào)范圍小的缺點(diǎn)，電路圖如圖所示：(a)(b)圖4-7西勒振蕩器電路(a)實(shí)際電路；(b)交流等效電路C廠C4+斗石叫+。4(4-20)C1C2C3所以振蕩頻率f0-1(421)02njLCg2njL(C3+C4)該電路頻率穩(wěn)定性非常高，振幅穩(wěn)定，頻率調(diào)節(jié)方便，適合做波段振蕩器。通過(guò)對(duì)以上的幾種電路的分析，可以看出：a

19、. 電感反饋式三端振蕩器：容易起振，調(diào)頻方便，但波形失真較大；b. 電容反饋式三端振蕩器：波形好，頻率穩(wěn)定性好，但調(diào)頻不方便；c. 克拉潑振蕩器：調(diào)頻方便但可調(diào)范圍??；d. 西勒振蕩器：頻率穩(wěn)定性高，振幅穩(wěn)定，調(diào)頻方便。所以，在本設(shè)計(jì)中擬采用并聯(lián)改進(jìn)型的西勒電路振蕩器。4.1.3石英晶體振蕩器1)主要成分：SiO2天然的石英晶體有六個(gè)側(cè)面，呈六棱雙角錐形。經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)那懈?，可獲得石英晶體薄片晶片。不同切向得到的晶片特性不同固有諧振頻率不同。2)主要特性：壓電效應(yīng)在晶片上加電場(chǎng)，晶片會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，加交變電場(chǎng)，晶片會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形振動(dòng)機(jī)械振蕩，同時(shí)，它的機(jī)械振蕩又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。換句話說(shuō)，晶片能實(shí)現(xiàn)

20、電能和機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換。這種能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程與LC并聯(lián)諧振回路中：電感的磁場(chǎng)能與電容的電場(chǎng)能相互轉(zhuǎn)換的情況相類似。晶片的這種物理特征稱為“壓電效應(yīng)”。當(dāng)外加交變電壓的頻率等于晶片的固有頻率時(shí)，石英晶體振蕩的振幅會(huì)突然增加，晶體呈現(xiàn)出純電阻性質(zhì)，損耗極小，Q值極高，這種現(xiàn)象稱為“壓電諧振”所以石英晶體實(shí)際上是一種電一一機(jī)械的諧振子。3) 電路符號(hào)及等效電路其等效電路分為靜態(tài)等效電路和動(dòng)態(tài)等效電路。圖4-8石英晶體靜態(tài)時(shí)：石英晶體相當(dāng)于一個(gè)平板電容器，晶片相當(dāng)于介質(zhì)，金屬膜相當(dāng)于兩個(gè)極板,等效電路為：C0:晶體的靜態(tài)電容，皮法數(shù)量級(jí)動(dòng)態(tài)時(shí)：石英晶體相當(dāng)于一個(gè)振蕩電路，其等效電路如圖L：晶體電感，反映

21、晶體的慣性，10210-3HC：晶體電容，反映晶體的彈性，10-110-2PFR：晶體的損耗電阻，幾歐幾百歐。圖4-9石英晶體動(dòng)態(tài)電路圖電路符號(hào)：中間表示石英晶片，晶片表面鍍一層金屬膜，焊上金屬電極。12nVLC|C。=fVi+-C2nVL_eC0_C+C0C0(4-23)圖4-10石英晶體的電抗一一頻率特性曲線分析：由于L很大，C、R很小，所以Q_屮一亠_"os這樣大的Q值是一般0RwcR0的LC回路所做不到的。0從等效電路可以看出。(1) 串聯(lián)諧振狀態(tài)：諧振頻率f=1(4-22)2nVLC(2) 并聯(lián)諧振狀態(tài)：諧振頻率從數(shù)量級(jí)上看，C<C，因此，ffp兩個(gè)頻率非常C<

22、C0sP接近。石英晶體的電抗頻率特性曲線。在ff頻率區(qū)間sp內(nèi)，晶體呈感性；在其余的頻率區(qū)間內(nèi)，晶體呈容性。石英晶體諧振器具有優(yōu)良的特性,具體表現(xiàn)為：a. 石英晶體諧振器具有很咼的標(biāo)準(zhǔn)性。b. 石英晶體諧振器與有源器件的接入系數(shù)p很小,一般為10-3=1O-4。C.石英晶體諧振器具有非常高的Q值。4) 根據(jù)晶體在電路中的作用，可以將晶體振蕩器歸為兩大類:并聯(lián)型晶體振蕩器和串聯(lián)型晶體振蕩器。(1)并聯(lián)型晶體振蕩器圖示出了一種典型的晶體振蕩器電路，當(dāng)振蕩器的振蕩頻率在晶體的串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率之間時(shí)晶體呈感性，該電路滿足三端式振蕩器的組成原則，而且該電路與電容反饋的振蕩器對(duì)應(yīng)，通常稱為皮爾斯

23、(Pierce)振蕩器。3rqCIqiC0)(b)圖4-11皮爾斯振蕩器由于晶體的品質(zhì)因數(shù)Q很高，故其并聯(lián)諧振電阻Ro也很高，雖然接入系數(shù)p較小，但等效到晶體管CE兩端的阻抗Rl仍較高，所以放大器的增益較高，電路很容易滿足振幅起振條件。b-e型并聯(lián)晶體振蕩器的典型電路如圖所示，該電路是一個(gè)雙回路振蕩器，它的固有諧振頻率略高于振蕩器的工作頻率，負(fù)載回路選用的是并聯(lián)諧振回路，可以抑制其他諧波，有利于改善輸出波形，并且電路的輸出信號(hào)較大，但頻率穩(wěn)定度不如b-c型振蕩電路，因?yàn)樵赽-e型電路中，石英晶體則接在輸入阻抗低的b-e之間，降低了石英晶體的標(biāo)準(zhǔn)性。其等效電路如圖(b)所示。和一般LC振蕩器相比

24、，石英晶體振蕩器在外界因素變化而影響到晶體的回路固有頻率時(shí)，它還具有使頻率保持不變的電抗補(bǔ)償能力，原因是石英晶體諧振器的等效電感Le與普通電感不同，當(dāng)頻率由w變w化到時(shí)，等效電感值將由零變到無(wú)窮大，這段曲線十分qo陡峭，而振蕩器又剛好被限定在工作在這段線性范圍內(nèi)，也就是說(shuō)，石英晶體在這個(gè)頻率范圍內(nèi)具有極陡峭的相頻特性曲線，因而它具有很高的電感補(bǔ)償能力。(2)串聯(lián)型晶體振蕩器在串聯(lián)型晶體振蕩器中，晶體接在振蕩器要求低阻抗的兩點(diǎn)之間，通常接在反饋電路中。如圖是一串聯(lián)型晶體振蕩器的實(shí)際線路和等效電路。圖4-12種串聯(lián)型晶體振蕩器(b)在串聯(lián)型晶體振蕩器中，晶體接在振蕩器要求低阻抗的兩點(diǎn)之間，通常接在

25、反饋電路中。由串聯(lián)型振蕩器的實(shí)際路線和等效電路?？梢钥闯觯绻麑⑹⒕w短路，該電路即為電容反饋的振蕩器。電路的實(shí)際工作原理為：當(dāng)回路的諧振頻率等于晶體的串聯(lián)諧振頻率時(shí)，晶體的阻抗最小，近似為一短路線，電路滿足相位條件和振幅條件，故能正常工作；當(dāng)回路的諧振頻率距串聯(lián)諧振頻率較遠(yuǎn)時(shí)，晶體阻抗增大，是反饋減弱，從而使電路不能滿足振幅條件，電路不能正常工作。串聯(lián)型晶體震蕩器的工作頻率等于晶體的串聯(lián)諧振頻率，不需要外加負(fù)載電容cL,通常這種晶體標(biāo)明其負(fù)載電容為無(wú)窮大，在實(shí)際制作中，若qLq有小的誤差，則可以通過(guò)回路調(diào)諧來(lái)微調(diào)。串聯(lián)型晶體振蕩器只能適應(yīng)高次泛音工作，這是由于晶體只起到控制頻率的作用，對(duì)回

26、路沒(méi)有影響，只要電路能正常工作，輸出幅度就不受晶體控制。晶體的精確度極高，所以串聯(lián)晶體振蕩器足以滿足實(shí)際要求，而且串聯(lián)振蕩容易設(shè)計(jì)電路容易搭建所以本次設(shè)計(jì)選串聯(lián)諧振電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。4.2 元器件參數(shù)的計(jì)算4.2.1席勒振蕩器參數(shù)的計(jì)算1）確定三極管靜態(tài)工作點(diǎn)如圖是要設(shè)計(jì)的電路及其交流等效電路合理地選擇振蕩器的靜態(tài)工作點(diǎn)，對(duì)振蕩器的R1R2TEcL（a）CL起振，工作的穩(wěn)定性，波形質(zhì)量的好壞有著密切的關(guān)系。般小功率振蕩器的圖靜態(tài)工作點(diǎn)應(yīng)選在遠(yuǎn)離飽和區(qū)而靠近截止區(qū)的地方。根據(jù)上述原則，由附錄三極管2n3904的參數(shù)的選取I=2mA，V=6V,B=ioo；則有u_ui2圖西勒振蕩器電路Re+Rc=4CE

27、Q（=）實(shí)際電=路（b）交流等效電路ICQcQcEQ為提咼電路的穩(wěn)定性Re值適當(dāng)增大，取Re=1KQ則Rc=2KQ因：UEQ=ICQRe貝y：UEQ=2mAXlK=2V因：IBQ=ICq/B貝9：IBQ=2mA/100=0.02mA一般取流過(guò)Rb?的電流為510IbQ,若取10Ibq因：R27q10IBQ=UEQ+0.7所以：R2.7V2.7V=13.5KQ10*【BQ10*0.0.2mA2215所以取標(biāo)稱電阻為12K。因：R=VCC-UBQR1UBQ貝y：R=12V2.7V12KQ=41.3KQ12.7V2) 交流參數(shù)的確定回路中的各種電抗元件都可歸結(jié)為總電容C和總電感L兩部分。確定這些元件

28、參量的方法，是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先選定一種，而后按振蕩器工作頻率再計(jì)算出另一種電抗元件量。從原理來(lái)講，先選定哪種元件都一樣，但從提高回路標(biāo)準(zhǔn)性的觀點(diǎn)出發(fā)，以保證回路電容C遠(yuǎn)p大于總的不穩(wěn)定電容C原則，先選定C為宜。若從頻率穩(wěn)定性角度出發(fā)，回路電容應(yīng)取大dp一些，這有利于減小并聯(lián)在回路上的晶體管的極間電容等變化的影響。但C不能過(guò)大，C過(guò)大，L就小，Q值就會(huì)降低，使振蕩幅度減小，為了解決頻穩(wěn)與幅度的矛盾，通常采用部分接入。反饋系數(shù)F=C1/C2，不能過(guò)大或過(guò)小，適宜0.10.5。因振蕩器的工作頻率為：當(dāng)LC振蕩時(shí)，按題目要求f=1520MH，本次選20MHO本電路中，則回路的諧振頻率主要由C3、C4、L決定

29、，即341102nJLC2njL(C3+C4)有L*(c3+C4)=1=6.33x1017=63.3x106X1012344*n2*20*106為了計(jì)算簡(jiǎn)便取64X106X1012則取C3+C4=8pF,L=8|1H34取C3=C4=4pF，因要遵循C,C2>>C3，C4，C1/C2=0.10.5的條件，故取C1=40pF則C2=60pF。4.2.2 串聯(lián)石英晶體振蕩器的計(jì)算1)確定三極管靜態(tài)工作點(diǎn)如圖是要設(shè)計(jì)的電路及其交流等效電路正確的靜態(tài)工作點(diǎn)是振蕩器能夠正常工作的關(guān)(a)(b)圖4-12種串聯(lián)型晶體振蕩器鍵因素，靜態(tài)工作點(diǎn)主要影響晶體管的工作狀態(tài)，若靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置不當(dāng)則晶體

30、管無(wú)法進(jìn)行正常的放大，振蕩器在沒(méi)有對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行放大時(shí)是無(wú)法工作的。振蕩器主電路的靜態(tài)工作點(diǎn)主要由R2、R決定，將電感短路，電12e容斷路，得到直流通路。根據(jù)上述原則，由附錄三極管2n3904的參數(shù)的選取ICQ=2mA,VCEQ=6V,B=100；CQCEQ則有R=ceq=3KQCIcq2因：UEQ=ICQRe則:Ueq*3®因：Ibq=Icq/B貝U：IBQ=2mA/100=0.02mABQCQBQ一般取流過(guò)Rb的電流為510IBQ，若取101BQ2BQBQ因：R2=7bq10IBQ=UEQ+0.76767=33.5KQ10*【BQ10*0.0.2mA因：UBQ則：Ri12V6.7

31、V33.5KO26.4KO6.7V322）交流參數(shù)的確定對(duì)于振蕩器，當(dāng)電路接為串聯(lián)型振蕩器時(shí)，晶體起到短路電阻的作用，輸出頻率應(yīng)為20MHZ;主要頻率由石英晶體決定，諧振回路只起微調(diào)的作用。由于沒(méi)有20MHZ的石英晶體所以所以選25MHZ的石英晶體通過(guò)諧振電路來(lái)微調(diào)到20MHZ。本電路中，則回路的諧振頻率主要由q、C2、L微調(diào)，即有L*(qIIC2)14*n2*20*1066.33X1017=63.3X106X1012有為了計(jì)算簡(jiǎn)便取64X106X1012則取c3IC4=8pF,L=8H34本應(yīng)去取C1=C2=8pF,L=8H但為了微調(diào)頻則取C1=8pF,C2=10pF,L=10H4.2.2克

32、拉潑振蕩器的計(jì)算它的特點(diǎn)是在前述的電容三點(diǎn)式振蕩諧振回路電感支路中增加了一個(gè)電容C，其取值7比較小，要求C7C,C7C。先不考慮各極間電容的影響，這時(shí)諧振回路的總電容量C為45工C、C和C的串聯(lián)457震蕩回路的總電容為：所以可以得到振蕩頻率為：1f=02nVLC有LC7-1(2磯)21(2X3.14X20X106)2可取L=10H,取C4C5=100pF,C2=C3=10nF4.3仿真結(jié)果與分析4.3.1軟件簡(jiǎn)介Multisim是一個(gè)專門用于電子線路設(shè)計(jì)與仿真的EDA工具軟件，它是加拿大IIT公司（InteractiveImageTechnologiseLtd.）推出的繼EWB之后的版本。它包

33、含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。NIMultisim軟件結(jié)合了直觀的捕捉和功能強(qiáng)大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。學(xué)生可以很方便地把剛剛學(xué)到的理論知識(shí)用計(jì)算機(jī)仿真真實(shí)的再現(xiàn)出來(lái)，并且可以用虛擬儀器技術(shù)創(chuàng)造出真正屬于自己的儀表。Multisim軟件特點(diǎn)：1）直觀的圖形界面：整個(gè)操作界面就像一個(gè)電子實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)，繪制電路所需的元器件和仿真所需的測(cè)試儀器均可直接拖放到屏幕上，輕點(diǎn)鼠標(biāo)可用導(dǎo)線將它們連接起來(lái)，軟件儀器的控制面板和操作方式都與實(shí)物相似，測(cè)量數(shù)據(jù)、波形和特性曲線如同在真實(shí)儀器上看到的一樣。2）豐富的元器件庫(kù)：Multisim大大

34、擴(kuò)充了EWB的元器件庫(kù)，包括基本元件、半導(dǎo)體器件、運(yùn)算放大器、TTL和CMOS數(shù)字IC、DAC、ADC及其他各種部件，且用戶可通過(guò)元件編輯器自行創(chuàng)建或修改所需元件模型，還可通過(guò)liT公司網(wǎng)站或其代理商獲得元件模型的擴(kuò)充和更新服務(wù)。3）豐富的測(cè)試儀器：除EWB具備的數(shù)字萬(wàn)用表、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、雙通道示波器、掃頻儀、字信號(hào)發(fā)生器、邏輯分析儀和邏輯轉(zhuǎn)換儀外，Multisim新增了瓦特表、失真分析儀、頻譜分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀。尤其與EWB不同的是：所有儀器均可多臺(tái)同時(shí)調(diào)用。4）完備的分析手段：除了EWB提供的直流工作點(diǎn)分析、交流分析、瞬態(tài)分析、傅里葉分析、噪聲分析、失真分析、參數(shù)掃描分析、溫度掃描分析、

35、極點(diǎn)一零點(diǎn)分析、傳輸函數(shù)分析、靈敏度分析、最壞情況分析和蒙特卡羅分析外，Multisim新增了直流掃描分析、批處理分析、用戶定義分析、噪聲圖形分析和射頻分析等，基本上能滿足一般電子電路的分析設(shè)計(jì)要求。5）強(qiáng)大的仿真能力：Multisim既可對(duì)模擬電路或數(shù)字電路分別進(jìn)行仿真，也可進(jìn)行數(shù)?；旌戏抡?，尤其是新增了射頻（RF）電路的仿真功能。仿真失敗時(shí)會(huì)顯示出錯(cuò)信息、提示可能出錯(cuò)的原因，仿真結(jié)果可隨時(shí)儲(chǔ)存和打印。4.3.2西勒振蕩器的仿真以下為Multisim對(duì)西勒振蕩器的仿真：1）仿真結(jié)果圖4-14示波器波形FrequencyCounter-XFC1MeasurementFruqPeriodPuls

36、eRise/FallCoiplingACDCSensitivity識(shí)MS)圖4-15頻率計(jì)讀數(shù)V:9.97V峰蜂）：6.44VW有效值）：7.41VW直流）：7.09VI:-15.5mAl（lW峰）：33.0mAl（有效值17.9mAl（直澆）：-152nA頻率：佃筒MHz圖4-16測(cè)量探針讀數(shù)2）仿真分析仿真結(jié)果達(dá)到了預(yù)期效果（主要技術(shù)指標(biāo)：振蕩頻率15-20MHZ，輸出信號(hào)幅度5（峰一峰值），可調(diào)；頻率穩(wěn)定度優(yōu)于10-4）輸出幅度可以通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)載上的滑動(dòng)變阻器來(lái)改變4.3.3 串聯(lián)石英晶體自激振蕩器的仿真以下為Multisim對(duì)晶體振蕩器的仿真L2C3寧80nF40%VCCXSC1XFC1

37、LC1k80nF閑904X1R2HC-49/U_25MHz3kQC4C5算10nF=A40%R1=B40%y=D55%J-圖4-17晶體振蕩器仿真圖1）仿真結(jié)果圖4-18示波器波形FreeuencyCounter-XFd17972MHzFreqFtrbdPulseRlse?=ailMeasurementCoupling址DC|3mVSensitvity（RMS）TriggerlevelIISlowchange百gnalCumprestijnrate;圖4-19頻率計(jì)讀數(shù)V;-5.3SV-isJvV（Wxfci§）：6.96VW宣溢）：-822uVI：-51.2UAl（ll犀-峰）：1

38、85uAl（育敢值）：66.2uAl（宣流）：-7.S2nA麵率：20.1fVIHx圖4-20測(cè)量探針讀數(shù)2）仿真分析仿真結(jié)果達(dá)到了預(yù)期效果（主要技術(shù)指標(biāo)：晶振頻率為20MHz，輸出信號(hào)幅度5V（峰峰值），可調(diào)）輸出幅度可以通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)載上的滑動(dòng)變阻器來(lái)改變。4.3.4克拉潑振蕩器的仿真以下為Multisim對(duì)克拉潑振蕩器的仿真：±C61UFR65.1kQR7士V1-r12V丄C310nFKQ12N3904C5100pF-L2-C2300pH10nF丄C4100pFK00=D0%tC.5pfR224kQC11nFXFCl123&圖4-21克拉潑振蕩器的仿真圖1）仿真結(jié)果圖4-2

39、2示波器波形Freq11PeriodPulseRis=/i=all圖4-23頻率計(jì)讀數(shù)V:-710mVVp-p):4.23VV(rms):1.S9VV(dc):-305mVI:0A斗2：1pA1,64pAIdc):0AFreq,:18.4MHz圖4-24測(cè)量探針讀數(shù)2)仿真分析隨著C的逐漸增大，7振蕩波逐漸穩(wěn)定。當(dāng)C較小時(shí)，如，震蕩波不太穩(wěn)定，且太小時(shí)7將不再起振。當(dāng)c較大時(shí)，震蕩波比較穩(wěn)定。因此，c不能太小，一般應(yīng)較大些。774.4仿真注意事項(xiàng)4.4.1間歇振蕩防止方法：起振時(shí)KF不要太大外，主要方法是適當(dāng)選取偏壓電路中Cb、Ce的值。4.4.2頻率拖曳現(xiàn)象頻率拖曳是在緊耦合的振蕩器中，當(dāng)變

40、化一個(gè)回路的諧振頻率時(shí)，振蕩頻率具有非單值的變化。防止方法：減小兩回路的耦合。22(a)圖4-22變壓器反饋振蕩器(b)(a)實(shí)際電路；(b)耦合回路的等效電路4.4.3振蕩器的頻率占據(jù)現(xiàn)象在一般LC振蕩器中，若從外部引入一頻率為fs的信號(hào)，當(dāng)fs接近振蕩器原來(lái)的振蕩頻率fj寸，會(huì)發(fā)生占據(jù)現(xiàn)象。4.4.4寄生振蕩在高頻放大器或振蕩器中，由于某種原因，會(huì)產(chǎn)生不需要的振蕩信號(hào)，這種振蕩稱為寄生振蕩。產(chǎn)生寄生振蕩的形式和原因是各種各樣的，有單級(jí)和多級(jí)振蕩，有工作頻率附近的振蕩或者是遠(yuǎn)離工作頻率的低頻或超高頻振蕩。RL圖4-23低頻寄生振蕩的等效電路和波形5結(jié)論這次課程設(shè)計(jì)歷寸兩個(gè)星期左右，通過(guò)學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)了自己的很多不足，自己知識(shí)的很多漏洞，理論知識(shí)還不夠扎實(shí)。這次的課程設(shè)計(jì)也讓我看到了個(gè)人力量的渺小，我認(rèn)為一個(gè)人工作是很艱難的工作，自己犯了錯(cuò)誤是很難發(fā)現(xiàn)的，只有等到做完在同學(xué)們檢查以后才知道還有許多不足之處。我需要團(tuán)隊(duì)，需要合作，需要幫助。剛開(kāi)始的寸候，按照老師給的任務(wù)書(shū)，去找了資料，后來(lái)又積極的查詢了相關(guān)資料，自己就動(dòng)手開(kāi)始一星期的設(shè)計(jì)。在課程設(shè)計(jì)中一個(gè)人知識(shí)的有限性往往是導(dǎo)致最終設(shè)計(jì)的片面，甚至是失敗。而這次設(shè)計(jì)也正好鍛煉我們這一點(diǎn)，這也是非常寶貴的。在這個(gè)過(guò)程中，我也曾經(jīng)因?yàn)闊o(wú)從下手，對(duì)設(shè)計(jì)問(wèn)題的迷茫而失落過(guò)，也曾經(jīng)為成功的畫(huà)了一個(gè)原理圖而熱情高漲過(guò)。生活就是這樣，汗水預(yù)示著結(jié)果