課程設(shè)計---改進(jìn)型電容三點(diǎn)式正弦波振蕩器

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　振蕩器的種類很多，使用范圍也不相同，但是它們的基本原理都是相同的，都要滿足起振、平衡和穩(wěn)定條件。</p><p>　　本次課設(shè)設(shè)計了改進(jìn)型電容三點(diǎn)式高頻振蕩器，介紹了設(shè)計步驟，比較了克拉潑振蕩電路和西勒振蕩電路的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇了西勒振蕩電路。同時設(shè)計緩沖電路，使得電路能夠加載小電阻負(fù)載。繼而通過Mu

2、ltisim設(shè)計電路與仿真，得到了與理論值相近的結(jié)果。最后焊接電路實(shí)物，并用規(guī)定的電源、示波器和頻率計進(jìn)行測試與調(diào)整，最終完成的設(shè)計要求。</p><p>　　關(guān)鍵詞：電容三點(diǎn)式 西勒振蕩器 Multisim 仿真</p><p><b>　　1緒 論</b></p><p>　　高頻信號發(fā)生器主要用來向各種電子設(shè)備和電路提供高頻能量或者

3、高頻標(biāo)準(zhǔn)信號，以便測試各種電子設(shè)備和電路的電氣特性。它是指產(chǎn)生信號頻率為 100千赫～30兆赫的高頻、30～300兆赫的甚高頻信號發(fā)生器。一般采用 LC調(diào)諧式振蕩器，頻率可由調(diào)諧電容器的度盤刻度讀出。</p><p>　　高頻信號發(fā)生器主要是產(chǎn)生高頻正弦振蕩波，故電路主要是由高頻振蕩電路構(gòu)成。振蕩器的功能是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的信號源，廣泛應(yīng)用于各類電子設(shè)備中。為此，振蕩器是電子技術(shù)領(lǐng)域中最基本的電子線路，也是從事電子技術(shù)工

4、作人員必須要熟練掌握的基本電路。</p><p>　　振蕩器主要分為晶體振蕩器和LC振蕩器，本次課設(shè)采用LC振蕩器。LC振蕩器中的基本電路就是通常所說的三端式振蕩器，即LC回路的三個端點(diǎn)與晶體管的三個電極分別連接而成的電路。其中三端式又分為兩種基本電路。根據(jù)反饋網(wǎng)絡(luò)由電容還是電感完成的分為電容反饋振蕩器和電感反饋振蕩器。同時為了提高振蕩器的穩(wěn)定度，通過對電容三端式振蕩器的改進(jìn)可以得到克拉潑振蕩器和西勒振蕩器兩種改

5、進(jìn)型的電容反饋振蕩器。本次課設(shè)的目的就是構(gòu)成西勒振蕩器，并完成相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)。</p><p><b>　　2基本原理介紹</b></p><p><b>　　2.1振蕩器的概述</b></p><p>　　不需外加輸入信號，便能自行產(chǎn)生輸出信號的電路稱為振蕩器。按照產(chǎn)生的波形，振蕩器可以分為正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器。

6、按照產(chǎn)生振蕩的工作原理，振蕩器分為反饋式振蕩器和負(fù)阻式振蕩器。所謂反饋式振蕩器，就是利用正反饋原理構(gòu)成的振蕩器，是目前用的最廣泛的一類振蕩器。所謂負(fù)阻式振蕩器， 就是利用正反饋有負(fù)阻特性的器件構(gòu)成的振蕩器，在這種電路中，負(fù)阻所起的作用，是將振蕩器回路的正阻抵消以維持等幅振蕩。反饋式振蕩電路，有變壓器反饋式振蕩電路，電感三點(diǎn)式振蕩電路，電容三點(diǎn)式振蕩電路和石英晶體振蕩電路等。 電感三點(diǎn)式振蕩器的電感線圈對高次諧波呈現(xiàn)高阻抗所以反饋帶中高次

7、諧波分量較多輸出波形較差。本次設(shè)計要求我們采用的是電容三點(diǎn)式振蕩電路，由于電容三點(diǎn)式振蕩電路有一些缺陷，通過改進(jìn)，得到了西勒振蕩器。</p><p><b>　　2.2振蕩器的原理</b></p><p>　　振蕩器LC回路的三個端點(diǎn)與晶體管的三個電極分別連接構(gòu)成的電路即為三端式振蕩器，其示意圖如下圖2.1所示：</p><p>　　圖2.1

8、一般形式的三點(diǎn)式振蕩器</p><p>　　三點(diǎn)式LC正弦波振蕩器的組成法則是：與晶體管發(fā)射極相連的兩個電抗元件應(yīng)為同性質(zhì)的電抗，而與晶體管集電極—基極相連的電抗元件應(yīng)與前者性質(zhì)相反。也就是說上圖中、與的性質(zhì)必須相反振蕩器才能起振。</p><p>　　設(shè)：、、為純電抗元件</p><p>　　負(fù)號表示產(chǎn)生180o相移，與Vbe和Vce間的180o相移合成為360o

9、相移，滿足正反饋條件。</p><p>　　為此，Xce與Xeb必為同名電抗，而Xcb須是Xce與Xeb的異名電抗。</p><p>　　2.3電容三點(diǎn)式振蕩器</p><p>　　電容三點(diǎn)式的原理示意圖如下圖2.2所示：</p><p>　　圖2.2 電容三點(diǎn)式振蕩器</p><p>　　由圖可見：與發(fā)射極連接的兩個

10、電抗元件為同性質(zhì)的容抗元件C1和C2；與基極和集電極連接的為異性質(zhì)的電抗元件L，根據(jù)前面所述的班別準(zhǔn)則為，該電路滿足相位條件。</p><p>　　其工作過程是：振蕩器接通電源后，由于電路中的電流從無到有變化 ，將產(chǎn)生脈動信號。振蕩器電路中有一個LC諧振回路，具有選頻作用，當(dāng)LC諧振回路的固有頻率與某一諧振頻率相等時，電路發(fā)生諧振。雖然脈動的信號很微小，通過電路放大及正反饋使振蕩幅度不斷增大。當(dāng)增大到一定程度時，

11、導(dǎo)致晶體管進(jìn)入非線性區(qū)域，產(chǎn)生自給偏壓，使放大器倍數(shù)減小，最后達(dá)到平衡，此時振蕩幅度不在增大。于是使振蕩器只有在某一頻率時才能滿足振蕩條件，于是得到單一頻率的振蕩信號輸出。該振蕩器的振蕩頻率為：</p><p><b>　　反饋系數(shù)F為：</b></p><p>　　若要它產(chǎn)生正弦波，滿足F=1/2—1/8,太小或者太大均不容易起振。一個實(shí)際的振蕩電路，在F確定后，其

12、振幅增加的主要是靠提高振蕩管的靜態(tài)電流值。但是如果靜態(tài)電流值取得太大，振蕩管工作范圍容易進(jìn)入飽和區(qū)，輸出阻抗降低使振蕩波形失真。嚴(yán)重時，甚至使振蕩器停振。所以在實(shí)用中，靜態(tài)電流值一般取=0.5mA—4mA。</p><p>　　電容三點(diǎn)式的優(yōu)點(diǎn)是：1)振蕩波形好；2）電路的頻率穩(wěn)定度高，工作頻率可以做得較高，達(dá)到幾十赫茲到幾百赫茲的甚高波段范圍。</p><p>　　電路缺點(diǎn)：若調(diào)用C1或

13、C2改變振蕩回路的工作頻率，反饋系數(shù)也將改變使振蕩器的頻率穩(wěn)定度不高。</p><p><b>　　3方案對比</b></p><p>　　改進(jìn)型的電容三點(diǎn)式分為兩種：克拉潑振蕩器、西勒振蕩器。</p><p>　　3.1 克拉潑振蕩器</p><p>　　電容三點(diǎn)式改進(jìn)型“克拉潑振蕩器”如下圖3.1所示：</p&

14、gt;<p>　　圖3.1 克拉潑振蕩器電路</p><p>　　電路的特點(diǎn)是在共基電容三點(diǎn)式振蕩器的基礎(chǔ)上，用一電容C5，串聯(lián)于電感L的支路上。其作用是增加回路總電容和減小管子與回路間的耦合來提高振蕩回路的標(biāo)準(zhǔn)性。使振蕩頻率的穩(wěn)定度得到提高。</p><p>　　因?yàn)镃5為可調(diào)電容遠(yuǎn)小于C1或C2，所以電容串聯(lián)后的等效電容約為C5。電路的振蕩頻率為：</p>

15、<p>　　與基本電容三點(diǎn)式振蕩電路相比，在電感L支路上串聯(lián)一個電容后有以下特點(diǎn)：</p><p>　　振蕩頻率可改變不會影響反饋系數(shù)；</p><p><b>　　振蕩幅度比較穩(wěn)定；</b></p><p>　　電路中的C5為可變電容，調(diào)整它即可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整振蕩頻率。</p><p>　　但是C5不能太

16、小否則會導(dǎo)致停振，所以克拉破振蕩器頻率覆蓋率較小，僅達(dá)1.2—1.4；為此，克拉潑振蕩器適合與做固定頻率振蕩器。</p><p><b>　　3.2西勒振蕩器</b></p><p>　　電容三點(diǎn)式改進(jìn)型“西勒振蕩器”如下圖3.2所示：</p><p>　　圖3.2 西勒振蕩器電路</p><p>　　電路的特點(diǎn)是在克拉

17、潑電路的基礎(chǔ)上，用一電容C4，并聯(lián)于電感L兩端。作用是保持了晶體管與振蕩回路弱耦合，振蕩頻率的穩(wěn)定度高，調(diào)整范圍大。電路的振蕩頻率為：</p><p>　　西勒振蕩電路有以下特點(diǎn)：</p><p>　　1 .振蕩幅度比較穩(wěn)定；</p><p>　　2 .振蕩頻率可以較高；頻率覆蓋率較大，可達(dá)1.6—1.8，因而在一些短波超、短波通信機(jī)，電視接收機(jī)中用的較多。<

18、/p><p>　　該電路振幅起振條件：</p><p>　　該電路相位起振條件：</p><p><b>　　振幅平衡條件： </b></p><p><b>　　相位平衡條件：</b></p><p>　　放大器電路由晶體三極管2N222、濾波電容、高頻旁置電容、集電極旁置電阻

19、R1、基極旁置電阻R2、R3、射極旁置電阻R5組成。放大器可選用如電子管、晶體管等，本設(shè)計采用晶體三極管2N222作為能量控制的放大器。</p><p>　　選頻網(wǎng)絡(luò)用來決定振蕩頻率，本設(shè)計采用LC并聯(lián)諧振回路，由C2、C3、C4、L、C5組成，要求C2，C3>>C4，C5。</p><p>　　反饋網(wǎng)絡(luò)是將輸出信號送回到輸入端的電容分壓式正反饋網(wǎng)絡(luò)，C3和晶體管構(gòu)成正反饋。&

20、lt;/p><p><b>　　4系統(tǒng)設(shè)計方案</b></p><p>　　4.1改進(jìn)型電路選擇</p><p>　　根據(jù)上述對比可知，西勒振蕩器的接入系數(shù)與克拉潑振蕩器相同。西勒振蕩器的頻率改變主要通過改變C5完成，C5的改變并不影響接入系數(shù)p，因而波段內(nèi)輸出較平穩(wěn)。而C5改變，頻率變化較明顯，使得西勒振蕩器的頻率覆蓋系數(shù)較大。本次課設(shè)選擇西勒振

21、蕩電路作為正弦波發(fā)生電路。</p><p>　　4.2電路原理圖設(shè)計</p><p>　　電路原理圖如下圖4.1所示：</p><p>　　圖4.1 改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路原理圖</p><p><b>　　4.2.1電路結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　圖4.1中的電路主要由3部分構(gòu)成：<

22、;/p><p>　　1.起能量放大作用的三極管放大器；</p><p>　　2.三點(diǎn)式回路組成的正反饋網(wǎng)絡(luò)；</p><p>　　3.射極跟隨器構(gòu)成的緩沖級。</p><p>　　由于西勒振蕩器的的輸出阻抗比較大，帶負(fù)載的能力不強(qiáng)，所以有必要加一個緩沖極，來提高電路的帶負(fù)載能力。緩沖極不具有放大作用，只是原倍數(shù)的將信號輸出給下一級。</p&

23、gt;<p>　　4.2.2靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置</p><p>　　合理選擇振蕩器的靜態(tài)工作點(diǎn)對振蕩器的起振、工作的穩(wěn)定性和波形質(zhì)量的好壞有著密切的關(guān)系。一般小功率振蕩器的靜態(tài)工作點(diǎn)應(yīng)選在遠(yuǎn)離飽和區(qū)而靠近截至區(qū)的地方。根據(jù)上述原則，一般小功率振蕩器集電極電流大約在0.8—4mA之間選取，故本實(shí)驗(yàn)電路中：</p><p>　　選擇=1.5mA =0.5V ，

24、 =40</p><p>　　則 </p><p>　　為提高電路的穩(wěn)定性值適當(dāng)增大，取=1，則=2</p><p>　　又 1.5mA*1K=1.5V</p><p>　　取流過Rb2的電流為10，則</p><p><b>　　，取4</b&g

25、t;</p><p>　　可取=5，這樣額定電流是2mA,滿足任務(wù)要求。</p><p>　　4.2.3振蕩回路元件確定</p><p>　　回路中的電抗元件分為電容C和電感L兩部分。通常滿足接入系數(shù)C2/C3不能過大或者過小，否則不容易起振，一般適宜1/8—1/2。</p><p><b>　　振蕩器工作頻率為：</b>

26、;</p><p>　　當(dāng)LC振蕩時，=6MHz L=10H</p><p>　　本電路中，回路諧振頻率主要由C4和C5決定，即</p><p>　　取C4=30pf,C5為100pf可調(diào)電容，因?yàn)橐裱瑿2,C3>>C4,C5，</p><p>　　C2/C3=1/8—1/2的條件，故取C2=120pf，C3=560pf

27、。</p><p><b>　　4.3 電路仿真</b></p><p>　　在Multisim軟件中繪制改進(jìn)型電容三點(diǎn)式正弦波振蕩器的電路圖，并更改好各元件數(shù)值連接好虛擬示波器，如下圖4.2所示：</p><p>　　圖4.2 電路仿真連接圖</p><p>　　其中起振電路示波器XSC2顯示波形如圖4.3所示：<

28、;/p><p>　　圖4.3 三點(diǎn)式振蕩器輸出波形</p><p>　　如上圖4-2所示，得到了正弦波，說明了電路起振了，并且得到了穩(wěn)定的波形，但是波形有一定的失真，是由于噪聲，溫度等的影響。</p><p>　　在西勒振蕩器接緩沖級后，在負(fù)載處得到的波形如圖4.4所示。</p><p>　　圖4.4 加載100負(fù)載后的波形輸出和頻率</p

29、><p>　　上圖為通過緩沖器后加載100負(fù)載的波形輸出，大體保持了原有波形，波形的失真應(yīng)與緩沖器有關(guān)，單一的射極跟隨器無法完整的保持波形不變。</p><p>　　分析可見，緩沖級為射極跟隨器，該電路輸入阻抗高，可減小放大器從前級所取的信號電流；而輸出電阻低，可減小負(fù)載變動對前級的影響。</p><p>　　可由圖可知加載100負(fù)載后輸出電壓大于1V，滿足任務(wù)需求。且

30、通過調(diào)節(jié)C5可以改變輸出頻率，使其輸出范圍在6MHz左右變化，滿足了設(shè)計任務(wù)的需求。</p><p><b>　　5小結(jié)與體會</b></p><p>　　高頻電子線路的課程設(shè)計看似簡單，實(shí)際深究起來卻相當(dāng)復(fù)雜。本次選題的三點(diǎn)式看似十分簡單，然而緩沖級的設(shè)計卻有很大的拓展空間。對于波形的失真，要求我們自己想辦法解決。在這方面，參考資料顯得十分重要。課本上只是簡單的介紹

31、西勒振蕩器的基本原理，而更多的任務(wù)要求實(shí)現(xiàn)需要我們?nèi)ゲ殚嗁Y料和聯(lián)系各個知識點(diǎn)。</p><p>　　經(jīng)過這次課程設(shè)計，讓我對前面的路有了更多的信心，因?yàn)樵谶@個過程中，我學(xué)到了不少實(shí)用的東西，對于高頻電子電路有了更深層次的掌握，并且提高了獨(dú)立解決問題的能力。這次課程設(shè)計中我對電路進(jìn)行了仿真，進(jìn)一步熟悉了Multisim軟件的使用，對建立文件、繪制電路圖、對其進(jìn)行仿真等一系列過程都更加熟練，從而更明白了西勒振蕩器和克

32、拉潑振蕩器的區(qū)別，為以后自己的道路奠定了基礎(chǔ)。</p><p>　　總之，通過這次課設(shè)我學(xué)習(xí)到了如何解決高頻線路中的相關(guān)困難，更進(jìn)一步地熟悉了晶體管的應(yīng)用和具體使用方法，增強(qiáng)了對實(shí)驗(yàn)的思考能力，培養(yǎng)了我細(xì)心的科學(xué)態(tài)度和不厭其煩的耐心。同時本次課設(shè)也暴露了我的很多不足，在今后的學(xué)習(xí)中，我將進(jìn)一步發(fā)揚(yáng)優(yōu)點(diǎn)，克服缺點(diǎn)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></

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