电容三点式正弦波振荡器

电容三点式正弦波振荡器 课题名称 _____电容三点式正弦波振荡器__ 学 院 电子信息学院 专 业 通信工程 班 级 学 号 姓 名 好人 指导教师 陈布雨 绪论 振荡器是用来产生重复电子信号(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。能将直流电转换为具有一定频率交流电信号输出的电子电路或装置。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、电感电感振荡器、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、科研等方面。 振荡器的种类很多，使用范围也不相同，但是它们的基本原理都是相同的，都要满足起振、平衡和稳定条件。振荡器可以分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器。按照产生振荡的工作原理，振荡器可分为反馈式振荡器和负阻式振荡器。所谓反馈式振荡器，就是利用正反馈原理构成的振荡器，是目前用的最广泛的一类振荡器。所谓负阻式振荡器，就是利用正反馈有负阻特特性的器件构成的振荡器。在这种电路，负阻所起的作用，是将振荡器回路的正阻抵消以维持等幅振荡。反馈式振荡器电路，有变压器反馈式振荡电路，电感三点式振荡电路，电容三点式振荡电路和石英晶体振荡电路等。 本次课设了电容三点式正弦波振荡器。 一 设计原理说明 .............................................................. 4 1.1 反馈振荡器的原理 ..................................................... 4 1.1.1 原理 ....................................................... 4 1.1.2 平衡条件 ....................................................... 5 1.1.3 起振条件 ....................................................... 5 1.1.4 稳定条件 ....................................................... 6 1.2 电容三点式振荡器 ..................................................... 6 1.3 设计原理 ............................................................. 7 二 电路设计与仿真 ............................................................ 8 2.1 参数设置 ............................................................. 8 2.2仿真电路图形 ........................................................ 10 三 仿真结果................................................................. 11 四 课设小结................................................................. 12 参考文献.................................................................... 13 3 一 设计原理说明 1.1 反馈振荡器的原理 1.1.1 原理分析 反馈振荡器的原理框图如图2.1所示。由图可见，反馈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)作为负载，是一调谐放大器，反馈网络一般是由无源器件组成的线性网络。为了能产生自激振荡，必须有正反馈，即反馈到输入端的信号和放大器输入端的信号相位相同。 放大电路 + A(S) 反馈电路 F(S) 图2.1 反馈振荡器原理框图 对于图2.1，设放大器的电压放大倍数为K(s)，反馈网络的电压反馈系数为F(s)，闭环电压放大倍数为(s)，则 Ku U(s)OK(s), UU(s)S U(s)OK(s), U(s)I ‘U(s)IF(s), U(s)O 'U(s),U(s)，U(s) IiS 得 K(s)K(s)K(s),, U1,K(s)F(s)1,T(s) 4 其中 'U(s)I T(s),K(s)F(s),U(s)I 称为反馈系统的环路增益。用s=jw代入，就得到稳态下的传输系数和环路增益。 上T(j)等于1，将趋于无穷大，由上式可知，若在某一频率K(j,),,,,U11 这表明即使没有外加信号，也可以维持振荡输出。因此自激振荡的条件就是环路增益为1。即 T(j,),K(j,)F(j,),1 1.1.2 平衡条件 振荡器的平衡条件可表示为 T(,j),K(j,)F(j,),1 也可以表示为 |T(j,)|,KF,1 n=0,1,2，…… ,,,，,,2n,TKF 1.1.3 起振条件 振荡的最初来源是振荡器在接通电源时不可避免地存在的电冲击及各种热噪声等，其包含有很宽的频谱分量，在他们通过负载回路时，由谐振回路性质即只有频率等于回路谐振频率的分量才可以产生较大的输出，其他频率分量则不会产生压降，因此负载回路上只有频率为回路谐振频率的成分产生压降，该压降通过反馈网络产生出较大的正反馈电压，反馈电压又加到放大器的输入端，进行放大、反馈，不断地循环下去，谐振负载上将得到频率等于回路谐振频率的输出信号。 在振荡开始时由于激励信号较弱，输出电压振幅较小，经过不断放大、反馈循环，输出幅度不断增大，否则输出信号幅值过小，无任何意义。为了使振荡过程中输出幅度不断增加，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，可得 T(j,),1 5 称为自激振荡的起振条件，也可写为 T(j,),YRF,1fL n=0,1,2，…… ,,,，,，,,2n,'TfLF 1.1.4 稳定条件 振荡电路中不可避免地要受到电源电压、环境温度、湿度等因数变化的影响，这将引起振荡电压幅度及其相移的起伏波动，从而破坏已维持的平衡条件。因此，振荡器还必须满足稳定条件，才能保证所处的平衡状态是稳定的。 振幅稳定条件为 ,,T(j),0 ,UiU,UiiA 相位稳定条件为 ,,,()T ,0,,,,,0 1.2 电容三点式振荡器 电容三点式振荡器(也叫考毕兹振荡器)，自激振荡器的一种。图中的L、C1、C2组成谐振回路，作为晶体管放大器的负载阻抗。反馈信号从电容器C2两端取得，送回放大器的基极b上，而且也是将LC回路的三个端点分别与晶体管的三个电极相连，故将这种电路成为电容三点式振荡器。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。 6 图1.2 电容三点式振荡器 电容三点式振荡器适合产生几十兆赫以上的信号，常用来作射频振荡器。 1.3 设计原理 振荡器起振条件为AF>1，振荡器平衡条件为: AF=1 它说明在平衡状态时其闭环增益等于1，在起振时 A>1/F 当振幅增大到一定的程度后，由于晶体管工作状态有放大区进入饱和区，放大倍数A迅速下降，直至 AF=1 此时开始谐振。假设由于某种因素使AF<1,此时振幅就会自动衰减，使A与1/F逐渐相等。 振荡器的平衡条件包括两个方面的内容:振幅稳定和相位稳定 。在平衡点，若K曲线斜率小于0，则满足振荡器的振幅稳定条件。过K曲线的斜率为正，则不满足稳定条件。对于相位稳定条件来说，它和频率稳定实质上是一回事，因为振荡的角频率就是相位的变化率，所以当振荡器的相位发生变化时，频率也发生了变化。 LC振荡器由基本放大器、选频网络和正反馈网络三个部分组成。为了维持 7 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= C/C21 电容三点式振荡器的谐振频率为 1=[L(/)]1/2 fCCC，C02,1212 在实验中可通过测量周期T来测定谐振频率，即 =1/T f0 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 二 电路设计与仿真 该单元由放大器、反馈网络和选频网络组成，放大单元由2N2219三极管构成放大电路，将反馈信号放大，反馈网络起正反馈，将信号反馈到放大单元输入，进一步放大，选频网络根据自身参数，在复杂的频谱中选取与自身谐振频率相同的频率将其反馈，所以此信号得以不断放大最终由输出端输出。 2.1 参数设置 2N2219三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，当基极电压有一个微小的变化时，基极电流也随之有一小的变化，受基极电流的控制，集电极电流会有一个很大的变化，即基极电流控制集电极电流的变化。 但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。IC 的变化量与IB变化量之比叫做三极管的放大倍数β，β一般在几十到几百倍。 对于晶体管静态工作点，合理地选取振荡器的静态工作点，对振荡器的起振，工作的稳定性，波形质量的好坏有着密切的关系。一般小功率振荡器的静态工作点应选在远离饱和区而 靠近截止区的地方。根据上述原则，一般小功率振荡器 I集电极电流 大约在 0.8-4mA 之间选取，故本设计电路中选取 CQ IV=1mA =2V =100 ,CQCEQ 则有 8 U,U5,2CCCEQ R，R,,,3K,ecI1CQ 为提高电路的稳定性值适当增大，取则 RR,1K,R,2K,eec由于 U,I，REQCQE则 U,2mA，1K,2VEQ 由于 ICQ I,BQ,则 2mA I,,0.02mACQ100 I一般取流过的电流为5-10 RBQb2 由于 VBQR, V,V，0.7 b2BQEQIBQ 则 2.7V R,,13.5K,b20.2 由于 VV,CCBQ RR,b2b2VBQ 12V,2.7V R,12K,,41.3K,b12.7V 振荡回路元件的确定回路中的各种电抗元件都可归结为总电容 C 和总电 感 L 两部分。确定这些元件参量的方法，是根据经验先选定一种，而后按振荡 器工作频率再计算出另一 种电抗元件量。从原理来讲，先选定哪种元件都一样， C但从提高回路标准性的观 点出发，以保证回路电容远大于总的不稳定电容p C原则，先选定为宜。 若从频率稳定性角度出发，回路电容应取大一些，Cpd 9 这有利于减小并联在回路上的晶体管的极间电容等变化的影响。但C不能过大，C过大，L就小，Q值就会降低，使振荡幅度减小，为了解决频稳与幅度的矛盾， C1通常采用部分接入。反馈系数，不能过大或过小，适宜 1/8—1/2。 F,C2 因振荡器的工作频率为: 1,f 02,LC 当LC振荡时，在本设计中，则回路的谐振频率主要由、ff,6MHzCL,10,H001 决定，即 C2 11f,, 2,LC2,L(C，C)34 故取==100pf。 CC12 对于晶体振荡，只需和晶体并联一可调电容进行微调即可。 为了尽可能地减小负载对振荡电路的影响，振荡信号应尽可能从电路的低阻抗端输出。例如发射极接地的振荡电路，输出宜取自基极;如为基极接地，则应从发射极输出。 2.2仿真电路图形 图2.1 仿真图形 如图所示，元器件参数为2.1中计算所得的参数。 10 三 仿真结果 在设计完成电路后，运用mutisium软件对振荡电路进行仿真，对其产生的波形进行分析。振荡器波形图如图3.1所示。 图3.1 基于Multisim软件仿真的波形 在上图中，可以看出输出波形存在一定的失真情况，这是因为谐振回路对振荡频率必须是失谐的。换句话说，振荡器的频率不是简单地等于回路的谐振频率，而是稍有偏移。 在仿真的过程中，经常遇到不能产生波形，或者波形出现失真，说明电路不起振。这需要我们去分析，对电路元件参数进行调整，并最终得到结果。 在波形出现失真饱和失真，要调整R的值，消除饱和失真。 c 11 四 课设小结 在这次课程设计中也遇到了不少问题，首先电路的设计，查阅了不少资料， 周折。 其次，电容三点式虽然常见，但是要考虑到满足任务书的要求，费了一番就是对教材中提到的相关元件的概念、作用、以及参数等不是很熟悉。在做本次课程设计之前我又重新翻看了一遍教材，巩固了以前一些模棱两可的知识点，也有了许多新的发现与感受，对于电路的设计过程起初以为电容三点式振荡器的设计比较烦琐，有静态工作点的要求，各电阻、电容值的设计，看起来较复杂。后来通过查资料，才了解到先要计算好各电阻的值，再根据各电容的作用，确定电容的值，画出电路图，慢慢变得简单。 经过这次课程设计，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。这次课程设计中我对电路进行了仿真，进一步熟悉了Multisim软件的使用，对建立文件、绘制电路图、对其进行仿真等一系列过程都更加熟练，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。今后会努力提高自己的专业课知识，争取能够真正领会各种专业知识为将来自己的发展打下坚实基础。 12 参考文献 1.《高频电子电路》 王卫东 电子工业出版社 2009.3 2.《基于Multsim2001的电子电路计算机仿真设计与分析》 黄智伟 电子工业出版社 2004.7 3.《Multsim9在电工电子技术中的应用》 董玉冰 清华大学出版社 2008.11 4.《实用电子系统设计基础》 姜威 北京理工大学出版社 2008.1 5.《高频电路原理与分析》 曾兴雯，刘乃安 西安电子科技大学出版社 2006.8 13 14