正弦波振荡器 高频课设报告.docx
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正弦波振荡器高频课设报告
目录
摘要1
1设计要求2
2原理说明2
2.1三点式振荡器2
2.1.1克拉勃振荡电路3
2.1.2西勒振荡电路4
2.2晶体振荡器5
3设计过程7
3.1克拉泼和西勒振荡部分7
3.2晶体振荡部分8
3.3缓冲级部分9
3.4总体电路10
4电路仿真11
5设计结果及调试13
6心得体会15
参考文献16
本科生课程设计成绩测定表17
摘要
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,能将直流信号转换为具有一定频率的交流电信号输出。
振荡器的种类;按电路结构可分为阻容振荡器、电感电容振荡器、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。
本次设计需要设计一个能在克拉泼和西勒以及晶体振荡器之间相互切换的正弦波振荡器。
关键词:
振荡器;三点式;晶体;缓冲级
1设计要求
本次设计主要设计一个可在多种类型之间相互转换的正弦波振荡器。
具体参数要求如下:
1、采用晶体三极管构成一个多功能正弦波振荡器;
2、额定电源电压5.0V,电流1~3mA;
输出频率6MHz(频率具较大的变化范围);
3、通过跳线可构成克拉勃和西勒的串并联晶体振荡器振荡器;
4、有缓冲级,在100欧姆负载下,振荡器输出电压≥1V(D-P);
2原理说明
振荡器是一种能自动地将直流电源能量转换为一定波形的交变振荡信号能量的转换电路,根据其结构特点主要分为RC,LC振荡器和晶体振荡器。
其中采用RC网络作为选频移相网络的振荡器统称为RC正弦振荡器,属音频振荡器;而采用LC振荡回路作为移相和选频网络的正反馈振荡器称为LC振荡器。
至于晶体振荡器,则是使用石英晶体作为主要谐振器件的振荡器。
在本次设计实验中,我们主要研究的是LC三点式振荡器及晶体振荡器。
LC振荡器可以分为如下几类:
变压器耦合式:
单管LC正弦振荡器;差分对管LC正弦振荡器;
三点式:
电容三点式(考毕兹)振荡器;电感三点式(哈特莱)振荡器;
改进三点式:
克拉泼振荡器;西勒振荡器。
本次设计需要用到最后两种以及晶体振荡器。
2.1三点式振荡器
三点式振荡器是指LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而组成的一种振荡器。
三点式振荡器电路用电容耦合或自耦变压器耦合代替互感耦合,可以克服互感耦合振荡器振荡频率低的缺点,是一种广泛应用的振荡电路,其工作频率可达到几百兆赫。
根据具体元件选择与接法的不同又可以分为电容三点式振荡器(考毕兹振荡器)与电感三点式(哈特莱振荡器)两种,其主要特点如下:
电容三点式:
反馈电压中高次谐波分量很小,因而输出波形好,接近正弦波。
反馈系数因与回路电容有关,如果用该变回路的方法来调整振荡频率,必将改变反馈系数,从而影响起振。
电感三点式:
便于用改变电容的方法来调整振荡频率,而不会影响反馈系数,但是反馈电压中高次谐波分量比较多,输出波形差。
本次设计采用的是电容三点式振荡电路。
2.1.1克拉勃振荡电路
图2-1克拉勃振荡电路
其特点是在考毕兹电路的基础上,用一电容C3与原电路中的电感L相串。
功用主要是以增加回路总电容和减小管子与回路间的耦合来提高振荡回路的标准性。
使振荡频率的稳定度得以提高。
因为C3远远小于C1或C2,所以三电容串联后的等效电容约为C3。
故克拉泼电路的振荡频率几乎与C1、C2无关,主要由C3决定。
与考毕兹电路相比,在电感L上串联一个电容。
它有以下特点:
1、振荡频率改变可不影响反馈系数。
2。
振荡幅度比较稳定;
但C3不能太小,否则导致停振,所以克拉泼振荡器频率覆盖率较小,仅达1.2-1.4。
所以,克拉泼振荡器适合与作固定频率的振荡器。
2.1.2西勒振荡电路
图2-2西勒振荡电路
该电路振幅起振条件:
>1
该电路相位起振条件:
振幅平衡条件:
AF=1
相位平衡条件:
振荡频率:
特点是在克拉泼电路的基础上,用一电容C4与原电路中的L相并联。
功用是保持了晶体管与振荡回路弱藕合,振荡频率的稳定度高,调整范围大。
与克拉泼振荡电路相比,在电感L上并联一个电容。
它有以下特点:
1、振荡幅度比较稳定;
2、振荡频率可以比较高,如可达千兆赫;频率覆盖率比较大,可达1.6-1.8;
所以在一些短波、超短波通信机,电视接收机中用的比较多。
2.2晶体振荡器
晶体的基本特性是它具有压电效应。
依靠这种效应,可以将机械能转变为电能;反之,也可以将电能转变为机械能。
所谓压电效应就是在石英晶体打两个电极上加直流电场,晶体就会产生机械形变。
反之,若在晶体的两侧施加一机械压力,则会在晶体相应的方向上产生电场,这种现象称为压电效应。
若是晶体懒得两级上叫交变激励电压,晶体就会产生机械振动,同样晶片的机械振动又会产生交变电场。
且当外加交变电压的频率为某一特定值时,振幅明显加大,比其他频率激励下的振幅大得多,这种现象称为压电谐振。
图3-1是石英晶体谐振器的等效电路。
图中Co是静电电容,代表石英晶体支架静电容量,一般为几至几百皮法;Lq是动态电感,相当于机械振动的惯性,一般以几十毫亨至几百亨;Cq是动态电容,相当于晶体的等效弹性模数,很小,一般以百分之几皮法计;Rq是动态电阻。
相当于晶体的的摩擦损耗,一般以几至几百欧计。
易知:
石英晶体的品质因数很高。
图2-3晶体等效电路
石英晶体谐振器有两个谐振频率,当L、C、R支路串联谐振时,等效电路的阻抗最小,串联谐振频率为 fs=1/2π
,当等效电路并联谐振时,谐振频率为fp=fs
,显然,fs 通过石英晶体的等效电路,我们可以得到它的电抗-频率特性曲线如图3-2所示,当f<fs或f>f p时,晶体谐振器显容性;当f在fs和fp之间,晶体谐振器等效为一电感,f=fs时,是串联谐振点,等效阻抗最小;当f=fp时,是并联谐振点,等效阻抗最大。 图2-4晶体的电抗特性曲线 晶振的优缺点: 优点: 使用石英晶体作为震荡回路元件,能够使振荡器的频率稳定度大大提高,原因有三: 石英晶体的物理特性和化学特性都十分稳定,因此,它的等效谐振回路有很高的标准性。 它具有正、反压电效应,而且在谐振频率附近,晶体的等效参数L很大、C很小、R也不高,因此,晶体的Q值可高达数百万数量级。 在串、并联谐振频率之间很狭窄的工作频率内,具有极陡峭的电抗特性曲线,因而对频率变化具有极灵敏的补偿能力。 缺点: 石英晶体谐振器的主要缺点时它的单频性,即每块晶体只能提供一个稳定的振荡频率,因而不能直接用于波段振荡器。 3设计过程 正确的静态工作点是振荡器能够正常工作的关键因素,静态工作点主要影响晶体管的工作状态,若静态工作点的设置不当则晶体管无法进行正常的放大,振荡器在没有对反馈信号进行放大时是无法工作的。 振荡器主电路的静态工作点主要由R1、R2、R3、R4决定,将电感短路,电容断路,得到直流通路如图4-9所示。 图3-1直流等效电路 如图所示,其中V1=5V,要使三极管满足起振条件,则静态时它应工作在放大区,故R3两端电压应大于0.7V,一般情况下发射极电流为mA级,基极电流uA级。 不妨取R1=R3=5.1KΩ,R2=400Ω,β=45则Vb=2.5V,Ie=4.5mA,Ib=100uA,符合射级要求。 为了 调节方便,在R1处在串联一电位器,最大阻值为10K。 3.1克拉泼和西勒振荡部分 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,但从提高回路标准性的观点出发,以保证回路电容Cp远大于总的不稳定电容Cd原则,先选定Cp为宜。 若从频率稳定性角度出发,回路电容应取大一些,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,通常采用部分接入。 反馈系数F=C1/C2,不能过大或过小,适宜1/8—1/2。 因振荡器的工作频率为: 当LC振荡时,f0=6MHz,L=10μH 本电路中,则回路的谐振频率fo主要由C3、C4决定,即 取C3=120pf,C4=51pf(用33Pf与5-20Pf的可调电容并联),因要遵循C1,C2>>C3,C4,C1/C2=1/8—1/2的条件,故取C1=200pf,则C2=510pf。 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;如为基级接地,则应从发射极输出。 3.2晶体振荡部分 并联型晶体振荡电路: 这类晶体振荡器的振荡原理和一般反馈式LC振荡器相同,只是把晶体置于反馈网络的振荡回路之中,作为一个感性元件,并与其他回路元件一起按照三端电路的基本准则组成三端振荡器。 图3-2并联型晶体振荡电路 串联型晶体振荡电路: 在串联型晶体振荡器中,晶体接在振荡器要求低阻抗的两点之间,通常接在反馈电路中。 可以看出,如果将石英晶体短路,该电路即为电容三点式振荡器。 电路的实际工作原理为: 当回路的谐振频率等于晶体的串联谐振频率时,晶体的阻抗最小,近似为一短路线,电路满足相位条件和振幅条件振荡器的工作频率等于晶体的串联谐振频率,故能正常工作;当回路的谐振频率距串联谐振频率较远时,晶体阻抗增大,是反馈减弱,从而使电路不能满足振幅条件,电路不能正常工作。 图3-2串联型晶体振荡电路 3.3缓冲级部分 常用的输出缓冲级是在电路的输出端加一射极跟随器,从而提高回路的带负载能力。 射极跟随器的特点是输入阻抗高,输出阻抗低,电压放大倍数略低于1,带负载能力强,具有较高的电流放大能力,它可以起到阻抗变换和极间隔离的作用,因而可以减小负载对于振荡回路的影响,射极跟随器的典型电路如图3-4所示。 图3-4缓冲级部分电路 3.4总体电路 根据以上对各个电路单元的讨论,将以上各个单元构成一个满足设计要求的正弦波振荡器。 图3-5总体电路图 从图中可以看到: R1、R2: 为三极管Q1提供偏置电压。 R8: 改变阻值的大小可以改变Q1的静态工作点。 C1: 用于在振荡器起振时将R2短路从而可以是振荡器可以正常的振荡。 C2、C3: 组成反馈分压,用于为振荡器提供反馈信号。 ZL1、ZL2: 为高频扼流圈,目的是防止高频信号流经电源。 C6、C7、C8、C9为高频旁路电容,滤除高频部分。 Q2连接成射极跟随器,用于提高系统的带负载能力。 J1上端打开时,J2断开时振荡器为串联型晶体振荡器,此时晶体相当于选频短路线;当J1下端打开,J2接通时振荡器为并联型晶体振荡器,此时晶体相当于一等效电感。 4电路仿真 根据设计好的静态工作点的电路图,在Multisim软件中分别在晶体管Q1、Q2的b、e、c三端接入示波器,观察静态时各极上的电压。 测量结果如表4-1所示。 表4-1静态工作时各极电压 参数 Vb Ve Vc Vbe Q1 1.817V 1.161V 5.00V 0.656V Q2 4.925V 4.228V 5.00V 0.697V 根据表4-1中的数据可以看出,Q1、Q2均工作在放大状态,满足起振条件,该电路的静态工作点符合要求。 在Multisim软件环境下进行仿真,此时开关J1上端接通,下断开,J2全部断开,形成串联型振荡器,为了便于观察振荡器工作时各部分电路的工作情况,分别在振荡器输出端和缓冲级输出端接入示波器观察波形,记录示波器上显示的输出振幅和输出频率,仿真波形如图4-1所示。 图4-1串联型晶体振荡电路仿真波形 从图中可以看出,输出波形为正弦波,幅值为Vo=1.34V,输出频率f=6.38MHZ,波形有较小的失真,这是由于元件参数的精度较低导致的,该振荡器的设计符合设计要求。 在Multisim软件环境下进行仿真,此时开关J1上端断开,下端接通,J2接通,形成并联联型振荡器,为了便于观察振荡器工作时各部分电路的工作情况,分别在振荡器输出端和缓冲级输出端接入示波器观察波形,记录示波器上显示的输出振幅和输出频率,仿真波形如图5-2所示。 从图5-2中可以看出,输出波形为正弦波,幅值为Vo=1.46V,f=6.69MH,他的输出波形有较小的失真,这是由于元件参数的精度较低导致的,该振荡器的设计符合设计要求。 图4-2并联型晶振仿真波形 5设计结果及调试 安装好电路后,在实验室进行了调试,发现电路可以达到6M的频率,但是负载的输出幅度没有达到1V,只达到了将近100mV左右,经过分析可知第一个晶体管的工作状态是完好的,但是第二个晶体管的工作状态不是在放大区,原因是R5和R4的电阻的比例不是很好。 将该电阻换成其他组合在进行调试,发现输出波形幅度确实有所提高,只是还未满足实验设计要求。 图5-1实物及调试图 图5-2串联晶振波形图 图5-3并联晶振波形图 6心得体会 这次课程设计历时一个星期多左右,通过这一个星期的学习,发现了自己的很多不足,自己知识的很多漏洞,理论知识还不够扎实。 刚开始的时候,按照老师给的任务书,去找了资料,后来又积极的查询了相关资料,自己就动手开始一星期的设计。 在课程设计中一个人知识的有限性往往是导致最终设计的片面,甚至是失败。 而这次设计也正好锻炼我们这一点,这也是非常宝贵的。 在这个过程中,我也曾经因为无从下手,对设计问题的迷茫而失落过,也曾经为成功的画了一个原理图而热情高涨过。 生活就是这样,汗水预示着结果也见证着收获。 劳动是人类生存生活永恒不变的话题。 虽然这只是一次的极简单的课程设计,可是平心而论,也耗费了我不少的心血,这就让我不得不佩服技术编书方面前辈,让我意识到老一辈对我们社会的付出是艰辛的。 通过这次课程设计,我想说: 为完成这次课程设计我们确实很辛苦,但苦中仍有乐,和自己的这一星期一起面对,和同学们一起忙碌的日子,让我们相互帮助,多少人间欢乐在这里洒下。 对我而言,知识上的收获重要,精神上的丰收更加可喜。 让我知道了学无止境的道理。 我们每一个人永远不能满足于现有的成就,人生就像在爬山,一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。 挫折是一份财富,经历是一份拥有。 这次课程设计将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆! 最后,我要感谢我的高频老师,谢谢老师这一学期来对我的教导。 参考文献 [1]刘骋.高频电子技术.北京: 人民邮电出版社,2006.5. [2]刘泉.通信电子线路.北京: 高等教育出版社,2005.5. [3]康华光《电子技术基础(模拟部分)》高等教育出版社2005.12. [4]高吉祥.高频电子线路.北京: 电子工业出版社,2005.7. [5]张肃文.高频电子线路.北京: 高等教育出版社,2004.8. 本科生课程设计成绩测定表 姓名 性别 专业、班级 题目: 答辩或质疑记录: 成绩评定依据: 最终评定成绩(以优、良、中、及格、不及格评定) 指导教师签字: 年月日
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