1、PAGE PAGE 14湖南工學院?高頻電子線路?課程設計說明書課題名稱 LC正弦波振蕩器 專業(yè)名稱電子信息工程 學生班級學生姓名學生學號指導老師時 間課程設計論文課題任務書系：電氣與信息工程系 專業(yè)：電子信息工程指導教師學生姓名課題名稱LC正弦波振蕩器內容及任務1、了解LC正弦波振蕩器的工作原理。2、掌握電容三點式正弦波振蕩器的設計與主要性能參數(shù)測試方法。 3、掌握LC正弦波振蕩器的裝調技術擬到達的要求或技術指標1、技術指標三種正弦波振蕩器的技術指標均為：振蕩頻率： ；頻率穩(wěn)定度：；輸出幅度：。2、設計要求(1) 設計的寬帶高頻功率放大器滿足技術指標；(2) 擬定測試方案和設計步驟；(3)

2、根據(jù)性能指標，計算元件參數(shù)，選好元件，設計電路并畫出電路圖；(4) 對電路進行仿真，輸出仿真波形；(5) 測量各指標數(shù)據(jù)；(6) 寫出設計報告。進度安排起止日期工作內容備注2023.12.72023.12.723了解課題設計內容，設計要求，初步定性。進行組內討論，分工合作。查找課程設計書籍并集合有用資料。組內討論，確定設計方案。畫電路原理圖，并進行電路仿真。仿真無誤，開始實物準備。開始課程報告的分析與設計。做電路板并調試。打印設計報告。主要參考資料1 康華光.電子技術根底模擬局部.北京：高等教育出版社，20062 羅先覺、邱關源.電路分析.北京：高等教育出版社，20063 曹才開.電路實驗.北

3、京：清華大學出版社，20054 謝自美.電子線路設計.武漢：華中科技大學出版社，20065 高如云.通信電子線路.西安：西安電子科技大學出版社，2023 摘要振蕩器是一種能自動地將直流電源能量轉換為一定波形的交變振蕩信號能量的轉換電路。它與放大器的區(qū)別在于，無需外加鼓勵信號，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。正弦波振蕩器在各種電子設備中有著廣泛的應用。例如，無線發(fā)射機中的載波信號源，接收設備中的本地振蕩信號源，各種測量儀器如信號發(fā)生器、頻率計、fT測試儀中的核心局部以及自動控制環(huán)節(jié)，都離不開正弦波振蕩器。根據(jù)所產(chǎn)生的波形不同，可將振蕩器分成正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器兩大類。

4、前者能產(chǎn)生正弦波，后者能產(chǎn)生矩形波、三角波、鋸齒波等。本設計僅介紹LC正弦波振蕩器。常用正弦波振蕩器主要由決定振蕩頻率的選頻網(wǎng)絡和維持振蕩的正反應放大器組成， 這就是反應振蕩器。按照選頻網(wǎng)絡所采用元件的不同， 正弦波振蕩器可分為LC振蕩器、RC振蕩器和晶體振蕩器等類型。正反應放大器既可以由晶體管、場效應管等分立器件組成，也可以由集成電路組成，但前者的性能可以比后者做得好些，且工作頻率也可以做得更高。其中LC振蕩器和晶體振蕩器用于產(chǎn)生高頻正弦波。本設計主要介紹LC正弦波振蕩器的工作原理，電容三點式正弦波振蕩器、電感三點式正弦波振蕩器和席勒正弦波振蕩器的設計與主要性能參數(shù)測試方法。本次設計所要完成

5、的就是LC正弦波振蕩器的設計。以下就正弦波振蕩器的電路原理、參數(shù)計算和軟件仿真等問題來進行具體分析討論。目 錄第一章 方案設計與論證 51.1 方案設計與論證 51.2 方案選擇 5第二章 LC正弦波振蕩器工作原理62.1振蕩產(chǎn)生原理62.2 振蕩產(chǎn)生條件7 2.3 電容三點式工作原理8 2.4 振蕩器工作狀態(tài)對振蕩器性能的影響10第三章 電容三點式振蕩器的Multisim設計143.1 電容三點式振蕩電路143.2 元器件及參數(shù)確實定153.3 電容三點式振蕩器的Multisim設計15第四章 電容三點式振蕩器的Protel圖184.1 Protel電容三點式振蕩器原理圖184.2 Prot

6、el電容三點式振蕩器PCB圖18第五章 設計總結195.1三點式振蕩器總結195.2心得體會19附錄1、參考文獻202、電容三點式正弦波振蕩器電路圖203、電容三點式振蕩器PCB圖214、元器件清單21第一章 方案設計與論證1.1 方案設計與論證LC正弦波振蕩器的電路種類比擬多，根據(jù)不同的反應方式，又可分為互感反應振蕩器，電感反應三點式振蕩器，電容反應三點式振蕩器，其中互感反應易于起振，但穩(wěn)定性差，適用于低頻，而三點式振蕩器穩(wěn)定性好，輸出波形理想，振蕩頻率可以做得較高。選擇電容反應三點式振蕩器，而電容反應三點式振蕩器又分為考畢茲振蕩器，克拉波振蕩器，西勒振蕩器。而本次課程設計要求設計：電容三點

7、式振蕩器。振蕩器是一種能量轉換器，由晶體管等有源器件和具有選頻作用的無源網(wǎng)絡及反應網(wǎng)絡組成，其框圖如圖2-1所示.。輸出 放大電路輸出 放大電路 選頻網(wǎng)絡 正反應網(wǎng)絡圖2-1振蕩器框圖1.2 方案選擇方案一：電感反應三點式振蕩器的輸出波形由仿真軟件得出。方案二：考畢茲振蕩器的輸出波形由仿真軟件得出。經(jīng)比擬用考畢茲電路可以做到波形比擬穩(wěn)定，并且頻率可以做到很高，即選擇方案二。第二章 LC正弦波振蕩器工作原理2.1振蕩產(chǎn)生原理反應型振蕩器是通過正反應聯(lián)接方式實現(xiàn)等幅正弦振蕩的電路。這種電路由兩局部組成，一是放大電路，二是反應網(wǎng)絡，圖2-1所示為反應振蕩器構成方框圖及相應電路。由圖可知，當開關S在1

8、的位置，放大器的輸入端外加一定頻率和幅度的正弦波信號，這一信號經(jīng)放大器放大后，在輸出端產(chǎn)生輸出信號，假設經(jīng)反應網(wǎng)絡并在反應網(wǎng)絡輸出端得到的反應信號與不僅大小相等，而且相位也相同，即實現(xiàn)了正反應。假設此時除去外加信號，將開關由1端轉接到2端，使放大器和反應網(wǎng)絡構成一個閉環(huán)系統(tǒng)，那么，在沒有外加信號的情況下，輸出端仍可維持一定幅度的電壓輸出，從而實現(xiàn)了自激振蕩的目的。放大器反應網(wǎng)絡放大器反應網(wǎng)絡RLfoi圖2-1反應振蕩器的組成方框圖為了使振蕩器的輸出為一個固定頻率的正弦波，圖1-2所示的閉合環(huán)路內必須含有選頻網(wǎng)絡，使得只有選頻網(wǎng)絡中心頻率的信號滿足與 相同的條件而產(chǎn)生自激振蕩，對其它頻率的信號不

9、滿足與相同的條件而不產(chǎn)生振蕩。選頻網(wǎng)絡可與放大器相結合構成選頻放大器，也可與選頻網(wǎng)絡相結合構成選頻反應網(wǎng)絡。如上所述，反應振蕩器是把反應電壓作為輸入電壓，以維持一定的輸出電壓的。那么，振蕩的產(chǎn)生是否就需要在開始的一瞬間外加一個輸入信號，等到產(chǎn)生了輸出信號，又反應一局部回來，再把輸入信號拿走呢？實際上，在電源接通振蕩器時，電路內必然會存在微弱的電擾動，如晶體管電流的突增、電路中的熱噪聲等等，這些電擾就構成原始的輸入信號。又由于這些電擾動信號頻率范圍很寬，經(jīng)過振蕩電路中的選頻網(wǎng)絡，只將其中某一頻率的信號反應到放大器的輸入端，而其它頻率的信號將抑制掉。被放大后的某一頻率分量經(jīng)反應加到輸入端，幅度得到

10、增大。這一“反應放大的過程是一個循環(huán)的過程某一頻率分量的信號將不斷增長，振蕩由小到大而建立起來。2.2振蕩產(chǎn)生條件振蕩器是一種在沒有外來信號的作用下，能自動地將直流電源的能量轉換為一定波形的交變振蕩能量的裝置。根據(jù)振蕩器的特性，可將振蕩器分為反應式振蕩器和負阻式振蕩器兩大類，LC振蕩器屬于反應式振蕩器。工作時它應滿足兩個條件：相位條件：反應信號必須與輸入信號同相，以保證電路是正反應電路，即電路的總相移=k+F=n3600。振幅條件：反應信號的振幅應大于或等于輸入信號的振幅，即F1，式中為放大倍數(shù)，F(xiàn) 為反應系數(shù)。當振蕩器接通電源后，電路中存在著各種電的擾動如熱噪聲、晶體管電流的突變等，它們就是

11、振蕩器起振的初始鼓勵。經(jīng)過電路放大和正反應的作用，它們的幅度會得到不斷的加強。同時，由于電路中LC諧振回路的選頻作用，只有等于其諧振頻率的電壓分量滿足振蕩條件，最終形成了單一頻率的振蕩信號。正弦波振蕩器是指振蕩波形接近理想正弦波的振蕩器，這是應用非常廣泛的一類電路，產(chǎn)生正弦信號的振蕩電路形式很多，但歸納起來，不外是RC、LC和晶體振蕩器三種形式。在本實驗中，我們研究的主要是LC三點式振蕩器振蕩器。LC三點式振蕩器的根本電路如圖2-2所示：根據(jù)相位平衡條件，圖中構成振蕩電路的三個電抗中間，X1、X2必須為同性質的電抗，X3必須為異性質的電抗，且它們之間應滿足以下關系式：2-1這就是LC三點式振蕩

12、器相位平衡條件的判斷準那么。假設X1和X2均為容抗，X3為感抗，那么為電容三點式振蕩電路；假設X1和X2均為感抗，X3為容抗，那么為電感三點式振蕩器。圖2-2 三點式振蕩器的交流等效電路2.3 電容三點式工作原理電容三點式振蕩器共基電容三點式振蕩器的根本電路如圖2-3-3所示。圖中C3為耦合電容。由圖可見：與發(fā)射極連接的兩個電抗元件為同性質的容抗元件C1和C2；與基極連接的為兩個異性質的電抗元件C2和L，根據(jù)前面所述的判別準那么，該電路滿足相位條件。假設要它產(chǎn)生正弦波，還須滿足振幅，起振條件，即： (2-2)式中AO為電路剛起振時，振蕩管工作狀態(tài)為小信號時的電壓增益；F是反應系數(shù)，只要求出AO

13、和F值，便可知道電路有關參數(shù)與它的關系。為此，我們畫出圖2-3的簡化，y參數(shù)等效電路如圖2-4所示，其中設yrb0 yob0，圖中GO為振蕩回路的損耗電導，GL為負載電導。圖2-3 共基組態(tài)的“考華茲振蕩器圖2-4 簡化Y參數(shù)等效電路由圖可求出小信號電壓增益AO和反應系數(shù)F分別為2-3 2-4式中： 2-5經(jīng)運算整理得2-6式中： 當忽略yfb的相移時，根據(jù)自激條件應有N=0及2-7由N=0，可求出起振時的振蕩頻率，即2-8那么 2-9將X1X2X3的表示式代入上式，解出：2-10當晶體管參數(shù)的影響可以忽略時，可得到振蕩頻率近似為2-11式中： 是振蕩回路的總電容。由式(2-5)求M，當時2-

14、12那么反應系數(shù)可近似表示為：2-13那么2-14由式2-13可得到滿足起振振幅條件的電路參數(shù)為：2-15此式給出了滿足起振條件所需要的晶體管最小正向傳輸導納值。式2-14也可以改寫為2-16不等式左端的是共基電壓增益，顯然F增大時，固然可以使增加，但F過大時，由于的影響將使增益降低，反而使減小，導致振蕩器不易起振，假設F取得較小，要保證1，那么要求很大，可見，反應系數(shù)的取值有一適宜的范圍，一般取F=1/81/2。2.4振蕩管工作狀態(tài)對振蕩器性能的影響對于一個振蕩器，當其負載阻抗及反應系數(shù)F已經(jīng)確定的情況，靜態(tài)工作點的位置對振蕩器的起振以及穩(wěn)定平衡狀態(tài)振幅大小，波形好壞有著直接的影響，如圖2-

15、5中a和b所示。(a)工作點偏高(b)工作點偏低圖2-5 振蕩管工作態(tài)對性能的影響圖2-5a工作點偏高，振蕩管工作范圍易進入飽和區(qū)，輸出阻抗的降低將會使振蕩波形嚴重失真，嚴重時，甚至使振蕩器停振。圖2-5b中工作點偏低，防止了晶體管工作范圍進入飽和區(qū)，對于小功率振蕩器，一般都取在靠近截止區(qū)，但是不能取得太低，否那么不易起振。一個實際的振蕩電路，在F確定之后，其振幅的增加主要是靠提高振蕩管的靜態(tài)電流值。在實際中，我們將會看到輸出幅度隨著靜態(tài)電流值的增加而增大。但是如靜態(tài)電流取得太大，不僅會出現(xiàn)圖2-5a所示的現(xiàn)象，而且由于晶體管的輸入電阻變小同樣會使振蕩幅度變小。所以在實用中，靜態(tài)電流值一般取I

16、CO= 0.5mA5mA。為了使小功率振蕩器的效率高，振幅穩(wěn)定性好，一般都采用自給偏壓電路，我們以圖2-6所示的電容三點式振蕩器電路為例，簡述自偏壓的產(chǎn)生。圖中，固定偏壓VB由R1和可調電阻R2所組成的偏置電路來決定，在忽略IB對偏置電壓影響的情況下，可以認為振蕩管的偏置電壓UBE是固定電壓VB和Re上的直流電壓降共同決定的，即2-17由于Re上的直流壓降是由發(fā)射極電流IE建立的，而且隨IE的變化而變化，故稱自偏壓。在振蕩器起振之前，直流自偏壓取決于靜態(tài)電流IEO和Re的乘積，即 2-18一般振蕩器工作點都選得很低，故起始自偏壓也較小，這時起始偏壓VBEQ為正偏置，因而易于起振，如圖2-6a所

17、示，圖中Cb上的電壓是在電源接通的瞬間VB對電容Cb充電在上建立的電壓；Rb是R1與R2的并聯(lián)值。根據(jù)自激振蕩原理，在起振之初，振幅迅速增大，當反應電壓Uf對基極為正半周時，基極上的瞬時偏壓變得更正， ic增大，于是電流通過振蕩管向Ce充電，如圖2-6b所示。電流向Ce充電的時間常數(shù)=RDCe，(b)圖2-6 自給偏壓形成RD是振蕩管BE結導通時的電阻，一般較小幾十到幾百歐，所以充較小，Ce上的電壓接近Uf的峰值。當Uf負半周，偏置電壓減小，甚至成為截止偏壓，這時，Ce上的電荷將通過Re放電，放電的時間常數(shù)為放=ReCe，顯然放充，在Vf的一周期內，積累電荷比釋放的多，所以隨著起振過程的不斷增

18、強，即在Re上建立起緊跟振幅強度變化的自偏壓，經(jīng)假設干周期后到達動態(tài)平衡，在Ce上建立了一個穩(wěn)定的平均電壓IEORe，這時振蕩管BE之間的電壓：2-19因為，所以有，可見振蕩管BE間的偏壓減小，振蕩管的工作點向截止方向移動。這種自偏壓的建立過程如圖2-7所示。由圖看出，起振之初，0t1之間，振幅較小，振蕩管工作在甲類狀態(tài)，自偏壓變化不大，隨著正反應作用，振幅迅速增大，進入非線性工作狀態(tài)，自偏壓急劇增大，使變?yōu)榻刂蛊珘?。振蕩管的非線性工作狀態(tài)，反過來又限制了振幅的增大。可見，這種自偏壓電路起振時，存在著振幅與偏壓之間相互制約、互為因果的關系。在一般情況下，假設ReCe的數(shù)值選得適當，自偏壓就能適

19、時地緊跟振幅的大小而變化。正是由于這兩種作用相互依存、又相互制約的結果。如圖2-7所示，在某一時刻到達平衡。這種平衡狀態(tài)，對于自偏壓來說，意味著在反應電壓的作用下，Ce在一周期內其充電與放電的電量相等。因此，b、e兩端的偏壓保持不變，穩(wěn)定在。對于振幅來說，也意味著在此偏壓的作用下，振幅平衡條件正好滿足輸出振幅為的等幅正弦波。圖2-7 起振時直流偏壓的建立過程第三章 電容三點式振蕩器的Multisim設計3.1 電容三點式振蕩器電路常見的一種電容三點式振蕩器又稱考畢茲振蕩器電路如圖3-1所示，其交流等效電路如圖3-2所示。圖3-1 常見的電容三點式振蕩器電路圖圖3-2常見的電容三點式振蕩器交流等

20、效電路圖上圖中C1、C2是回路電容, 是回路電感,C3、C4分別是高頻旁路電容和耦合電容。一般來說, 旁路電容和耦合電容的電容值至少要比回路電容值大一個數(shù)量級以上。 有些電路里還接有高頻扼流圈, 其作用是為直流提供通路而又不影響諧振回路工作特性。對于高頻振蕩信號, 旁路電容和耦合電容可近似為短路, 高頻扼流圈可近似為開路。由于電容三點式電路已滿足反應振蕩器的相位條件, 只要再滿足振幅起振條件就可以正常工作。因為晶體管放大器的增益隨輸入信號振幅變化的特性與振蕩的三個振幅條件一致, 所以只要能起振, 必定滿足平衡和穩(wěn)定條件。由圖分析我們可知振蕩頻率 3-13-2在仿真中可通過測量周期T來測定諧振頻

21、率，即=1/T 3-3 3.2 元器件及參數(shù)確實定根據(jù)設計要求查閱資料和通過計算來確定電容三點式振蕩器的個元器件參數(shù)如下：旁路電容C1,C2和耦合電容C3都取100nF，而電阻R1和可變電阻R2分別取10K和10K。振蕩電路的C4和C5均取30PF，電感取18uH。三極管那么取型號2N2222A。其中2N2221A三極管是一種控制元件，主要用來控制電流的大小，以共發(fā)射極接法為例信號從基極輸入，從集電極輸出，發(fā)射極接地，當基極電壓UB有一個微小的變化時，基極電流IB也會隨之有一小的變化，受基極電流IB的控制，集電極電流IC會有一個很大的變化，基極電流IB越大，集電極電流IC也越大，反之，基極電流

22、越小，集電極電流也越小，即基極電流控制集電極電流的變化。但是集電極電流的變化比基極電流的變化大得多，這就是三極管的放大作用。IC 的變化量與IB變化量之比叫做三極管的放大倍數(shù)=IC/IB, 表示變化量。，三極管的放大倍數(shù)一般在幾十到幾百倍。三極管在放大信號時，首先要進入導通狀態(tài)，即要先建立適宜的靜態(tài)工作點，也叫建立偏置，否那么會放大失真。3.3電容三點式振蕩器的Multisim設計1、Multisim是Interactive Image Technologies 公司推出的以Windows為根底的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸

23、入方式，具有豐富的仿真分析能力。2、根據(jù)所確定的元器件參數(shù)在Multisim畫出電容三點式正弦波振蕩器又稱考畢茲振蕩器電路圖3、按照畫好的電路圖進行仿真，仿真得到的波形圖如圖3-3所示圖3-3 電容三點式正弦波振蕩器仿真波形圖3-4電容三點式正弦波振蕩器仿真波形的穩(wěn)定度測量4、分析仿真結果。1、根據(jù)所設計的電路圖首先算出理論的值的大小。3-42、由圖3-3我們可知仿真出來的波形的周期T為2.1*50ns 。而又因我們可知 3-5仿真所得略小于理論計算的的值。通過觀察圖3-4我們可以知道=0.797V 0.3V 滿足設計要求。觀察圖3-4我們還可以知道U= 0.01V 幅度要求滿足設計要求。通過

24、觀察圖3-3我們可以知道波形有些失真，未到達預想的結果。5、結論通過分析仿真結果，我們可以得出通過Multisim設計的電容三點式振蕩器電路根本滿足設計要求，可以實現(xiàn)設計的技術指標要求！第四章 電容三點式振蕩器的Protel圖4.1 Protel電容三點式震蕩器的原理圖1、在Protel中對照Multisim設計好的原理圖，選擇相應的元器件畫好原理圖。 電路原理圖如圖4-1所示圖4-1 電容三點式振蕩器Protel原理圖4.2 Protel電容三點式震蕩器的PCB圖1、選擇相應的元器件封裝，將原理圖導入PCB圖中進行PCB圖的繪制。由于元器件較少，這里只采用單面布線，電源線和地線都采用1.5mm線寬，信號線用1.2mm。信號線寬一點有利于減少分布電容。第五章 設計總結5.1三點式振蕩器總結通過這次高頻電子線路課程設計LC正弦波振蕩器的完成，我對三點式振蕩器有了深一步的了解。下面對電容三點式振蕩器和電感三點式振蕩器作一比擬。1、 電容三點式振蕩器的反應電壓取自反應電容C5，二電容對晶體管非線性特性產(chǎn)生的高次諧波呈現(xiàn)低阻抗，所以反應電壓中高次諧波分量很小，因而振蕩波形更接近于正弦波。另外，晶體管的輸入、輸出電容同回路電容并聯(lián)，為了減小它們對振蕩頻率的影響，可適當增加回路電容的值，以提高頻率穩(wěn)定度。在振蕩頻率較高時，有時可不用回路電容，直接利用晶體管的輸入、輸出電容構成振蕩電容