电容三点式振荡器课设

目 录 TOC \o "1-3" \h \z \u TOC \o "1-3" \h \z \u 1、绪论 2 2、电容三点式振荡器 3 2.1反馈振荡器的原理和分析 3 2.2 实验原理 4 2.3电路元件选用 6 2.4三极管N2221A的 6 3、仿真实验内容和步骤 7 3.1组建仿真电路和调整电路静态工作点 7 3.2测电路的振荡频率和幅度 8 3.3数据分析及仿真结果 10 3.4误差分析 13 4、设计 14 5、心得体会 14 参考文献 14 附录 15 1、绪论 振荡器是不需外信号激励、自身将直流电能转换为交流电能的装置。凡是可以完成这一目的的装置都可以作为振荡器。一个振荡器必须包括三部分：放大器、正反馈电路和选频网络。放大器能对振荡器输入端所加的输入信号予以放大使输出信号保持恒定的数值。正反馈电路保证向振荡器输入端提供的反馈信号是相位相同的，只有这样才能使振荡维持下去。选频网络则只允许某个特定频率 能通过，使振荡器产生单一频率的输出。 振荡器能不能振荡起来并维持稳定的输出是由以下两个条件决定的；一个是反馈电压 和输入电压 要相等，这是振幅平衡条件。二是 和 必须相位相同，这是相位平衡条件，也就是说必须保证是正反馈。一般情况下，振幅平衡条件往往容易做到，所以在判断一个振荡电路能否振荡，主要是看它的相位平衡条件是否成立。 振荡器的用途十分广泛，它是无线电发送设备的心脏部分，也是超外差式接收机的主要部分各种电子测试仪器如信号发生器、数字式频率计等，其核心部分都离不开正弦波振荡器。功率振荡器在工业方面(例如感应加热、介质加热等)的用途也日益广阔。 电容三点式振荡器是自激振荡器的一种，由串联电容与电感回路及正反馈放大器组成。因振荡回路两串联电容的三个端点与振荡管三个管脚分别相接而得名。它的优点是：反馈电压取自电容，而电容对晶体管非线性特性产生的高次谐波呈现低阻抗，所有反馈电压中高次谐波分量很小，因而输出波形很好。其缺点是：反馈系数因与回路电容有关，如果用改变电容的来调整振荡频率，必将改变反馈系数，从而影响起振。为了提高稳定度，需要对电路作改进，以减少晶体管极间电容的影响，可以通过采用减弱晶体管与回路之间耦合的方法，可以运用西勒振荡器。 2、电容三点式振荡器 2.1 反馈振荡器的原理和分析 反馈振荡器原理方框图如图1所示。反馈型振荡器是由放大器和反馈网络组成的一个闭合环路，放大器通常是以某种选频网络（如振荡回路）作负载，是一个调谐放大器。 注明：下图中“+”号表示加号 图1 反馈振荡器方框图 为了能产生自激振荡，必须有正反馈，即反馈到输入端的自你好与放大器输入端的信号相位相同。定义 为开环放大器的电压放大倍数： 为反馈网络的电压反馈系数： 为闭环电压放大倍数： 在振荡开始时，由于激励信号较弱，输出电压的振幅 则比较小，此后经过不断放大与反馈循环，输出幅度 开始逐渐增大，为了维持这一过程使输出振幅不断增加，应使反馈回来的信号比输入到放大器的信号大，即振荡开始时应为增幅振荡，即： 因此起振的振幅条件是： 起振的相位条件是： 要使振荡器起振必须同时满足起振的振幅条件和相位条件。其中起振的相位条件即为正反馈条件。 2.2 实验原理 电容反馈的三点式振荡器主要是通过电容反馈，所以可减弱高次谐波的反馈，使振荡产生的波形得到改善，且频率稳定度高，又适用于较高波段工作，目前已被广泛的应用于本振，调频，VCD压控振荡器等高频电路中。 产生正弦振荡的相位条件是由振荡电路的结构保证的，图2（a）为电路原理图，图2（b）为其交流通路。 图2（a）电路原理图 图2（b）交流通路 由图可知发射极与两个同性质电抗相连，集电极与基极间连接一个异性质电抗，满足了相位平衡条件。 由此可求得电路的振荡频率 为: （2.2.1） 式中， 由于晶体管极间存在寄生电容，它们均与谐振回路并联，会使震荡频率发生偏移，而且晶体管极间电容的大小会随晶体管工作状态变化而变化，这将引起震荡频率的不稳定。为了减小晶体管极间电容的影响，可采用改进型电容三点式震荡电路，即在谐振反馈电感支路中增加一个电容 。其取值比较小， 。则谐振回路的总电容量为： （2.2.2） 式（2.2.2）中， 略去了晶体管极间电容的影响。因此震荡频率 近似等于： 由此可见， 、 对震荡频率的影响显著减小，那么与 、 并接的晶体管极间电容的影响也就很小了， 越小，震荡频率的稳定度就越高。但谐振回路接入 后，使晶体管输出端（ 、 ）与回路的耦合减弱，晶体管的等效负载减小，放大器的放大倍数减小，振荡器输出幅度减小，如果 过小，振荡器因不满足振幅起振条件而会停止震荡。 引起震荡频率不稳定的原因还有谐振回路的参数随时间、温度和电源电压的变化而变化、晶体管参数的不稳定，以及振荡器负载的变化等。为了得到稳定的震荡频率，除选用高质量的电路原件、采用直流稳压电源以及恒温等措施外，还应提高震荡回路的品质因数 值，因为 值越大，相频特性曲线在 附近的斜率也越大，选频特性就越好。 2.3电路元件选用 表1 电路元器件清单 元器件名称 数值 数量（个） 电阻 4.3 1 5.1 1 1 1 1 1 110 1 50 1 电容 100pF 1 120pF 1 680pF 1 10nF 1 10nF 1 10uF 1 10nF 1 电感 39uH 1 470uH 1 电压源 12V 1 三极管 2N2221A 　 1 2.4三极管N2221A的工作原理 2N2221A三极管是一种控制元件，主要用来控制电流的大小，以共发射极接法为例（信号从基极输入，从集电极输出，发射极接地），当基极电压 有一个微小的变化时，基极电流 也会随之有一小的变化，受基极电流 的控制，集电极电流 会有一个很大的变化，基极电流 越大，集电极电流 也越大，反之，基极电流越小，集电极电流也越小，即基极电流控制集电极电流的变化。 但是集电极电流的变化比基极电流的变化大得多，这就是三极管的放大作用。 的变化量与 变化量之比叫做三极管的放大倍数β（β=Δ /Δ , Δ表示变化量。），三极管的放大倍数β一般在几十到几百倍。三极管在放大信号时，首先要进入导通状态，要先建立合适的静态工作点。 3、仿真实验内容和步骤 3.1组建仿真电路和调整电路静态工作点 （1） 在电子平台上组建仿真电路，如图3所示，其中，需双击可变电容 图标，将弹出的对话框中的“Key”栏设置成“B”；“Increment”栏改成1%；双击电位器图标，将弹出的对话框中的“Increment”栏也改成1%。 图3 仿真电路 （2） 暂时断开反馈电容 连线，调出虚拟万用表并联在集电极电阻 两端，如图4所示。开启仿真开关，双击虚拟万用表图标，打开它的放大面板，调整电位器 的百分比，使万用表指示直流电压在2V左右，即电路的静态工作点 左右；测试完毕，恢复反馈电容 连线；并删除虚拟万用表。 图4 调整电路静态工作点 3.2 测电路的振荡频率和幅度 （1） 调出虚拟示波器接到电路的输出端，如图5所示。开启仿真开关，双击虚拟示波器图标，从放大面板的屏幕上将看到电路的振荡波形如图6所示（放大面板各栏参数参照图6设置）；拉出屏幕左右角的两读数指针到图6振荡波形相邻两波形的波峰位置，可以从屏幕下方“Channel_A”列读得振荡波形的幅值为3.8V左右；同时可以从“T2-T1”行数据为241.715ns，即振荡波形的周期约为0.24us左右，根据振荡周期求出振荡频率，将它们填入表2中； 图5 虚拟示波器接到电路的输出端 图6振荡波形 60 4.54 3.0 70 4.76 3.5 80 4.00 3.4 表2 振荡频率和输出电压测试 （2） 并根据公式（2.2.1）计算振荡频率与上述所求振荡频率相比较。按表2数据改变电容 的值，将测得的振荡波形频率和幅度填入表中，并对表2数据进行分析和讨论。 3.3数据分析及仿真结果 根据公式2.2.1 （其中 ），可对振荡频率 进行理论计算。 当 取80pF时， =2.2303 *10^10 =3.8079 MHz 仿真结果如下图： 图6 =80pF时的振荡波形 当 取70pF时， =2.4088*10^10 =4.0060 MHz 仿真结果如下图： 图7 =70pF时振荡波形 当 取60pF时， =2.6469*10^10 =4.1484 MHz 仿真结果如下图： 图8 =60pF时振荡波形 由得到的仿真图可知，当 取80pF时， “T2-T1”行数据为226.415ns, 振荡波形的周期约为0.22μs左右。根据振荡周期求出振荡频率, =1/T =1/0.22μs =4.54MHz 当 取70pF时， “T2-T1”行数据为211.321ns, 振荡波形的周期约为0.21μs左右。根据振荡周期求出振荡频率, = 1/T =1/0.21μs =4.76 MHz 当 取60pF时， “T2-T1”行数据为256.604ns, 振荡波形的周期约为0.25μs左右。根据振荡周期求出振荡频率, = 1/T =1/0.25μs =4.00 MHz 3.4误差分析 由表2与理论值对比发现仿真实验值和理论值间存在一定误差，这可能是 由于计算过程中的计算误差和实验仿真过程中的仿真误差造成的，对此我们可以提高计算和仿真精度，在满足要求上尽量提高精度。 4、设计总结 在这个设计当中，我们学会振荡电路的一些基本内容和基本理论知识。在设计电路元件参数的时候，首先要计算是否符合振荡电路的起振条件和平衡条件。这分别包含振幅条件和相位条件。 负反馈网络是电容反馈三点式振荡网络中比较重要的一个环节。负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，维持振荡电路所消耗的能量。 5、心得体会 在本次课程设计中，我从各方面的设计和构思中学到了许多知识，了解到理论和实践结合的难度。在本学期学习通信电子线路这门课程时，芯片的使用只是很局限的运用。在课程设计中我发现很多芯片，元器件，电路都有很奇妙的作用。它们以前的作用只是一个最基本的运用，更多的运用会出现在各个实际电路中。 经过这次课程设计，让我对前面的路有了更多的信心，因为在这个过程中，我学到了不少实用的东西，对于高频电子电路有了更深层次的掌握，并且提高了独立解决问题的能力。虽然这次课程设计中我对电路进行了仿真，并且认真的对电路的每一部分进行了修正，但最后出来的波形还是不很稳定。本次课程设计没有要求制作电路板并且对其进行调试，但我相信要是调试的话也一定回去的满意的效果。 参考文献 [1] 赵相宾.可编程控制器技术与应用系统设计.机械工业出版社，2002，7 [2] 廖常初.PLC编程及应用.机械工业出版社，2005，3 [3] 胡学林.可编程控制器原理及应用.电子工业出版社，2007,1 附录： 仿真电路 元器件名称 数值 数量（个） 电阻 4.3 1 5.1 1 1 1 1 1 110 1 50 1 电容 100pF 1 120pF 1 680pF 1 10nF 1 10nF 1 10uF 1 10nF 1 电感 39uH 1 470uH 1 电压源 12V 1 三极管 2N2221A 　 1 图8 元件表