高频改进型电容三点式正弦波振荡器完整版.docx

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高频改进型电容三点式正弦波振荡器完整版

目录

摘要2

1设计方案选择及讨论3

1.1振荡器的定义3

1.2振荡器的用途与分类3

1.3反馈振荡器的电路组成3

1.4反馈型正弦波振荡器的电路构成与工作原理4

1.5三点式LC正弦波振荡器的电路构成与工作原理5

1.6实际常见三点式LC正弦波振荡器的电路分析6

1.6.1电容反馈三端式振荡器（考毕兹电路）6

1.6.2电感反馈三端式振荡器（哈特莱电路）7

1.6.3串联型改进电容三端式振荡器（克拉泼电路）8

1.6.4并联型改进电容三端式振荡器（西勒（Seiler）电路）9

1.7系统框图及逻辑功能10

2各部分设计及原理11

2.1放大器及选频网络的设计及分析11

2.2缓冲级的设计与原理12

3总原理图及其调试13

3.1总原理图13

3.2加缓冲级前仿真13

3.3西勒振荡器接缓冲级后仿真14

4心得体会15

参考文献16

附录I元件清单17

摘要

目前以计算机网络与通信为特征的信息技术正日新月异的快速发展。

高频电子元器件，高频集成电路的工艺技术指标有长足进步，并正在迅速的向多功能,高功率，模块化，可集成和可编程的方向发展，且计算机辅助设计技术，信号处理技术也广泛引入通信电路的设计中。

现代无线电技术，如移动通信卫星通信和宽带无线接入等正以前所未有的速度发展，而这些通信系统都通过无线电收发信号电路来实现。

另外，通信技术广泛应用于雷达，航空航天，导航制导等领域。

集成电路具有体积小、功耗低、可靠性高、性能好以及易于使系统整机实现少调整和不调整等优点，通信电路正迅速向急方向发展。

不仅集总参数电路正在迅速集成化，分布参数电路也在集成化。

随着集成电路设计与工艺技术的进步，现在已有可能将一个电子系统或其子系统集成在一个芯片上，称为系统集成。

它改变了用通用元、器件组装电子系统的传统方法，而直接将系统制作在芯片上，从而大大促进了系统、电路与工艺的结合。

正弦波振荡器的作用是产生频率稳定、幅度不变的正弦波输出。

基于频率稳定度、反馈系数、输出波形、起振等因素的综合考虑，本设计采用的是电容三点式振荡器的两种改进型振荡器之一的西勒振荡器。

其具有输出波形好、工作频率高、改变电容调节频率时不影响反馈系数等优点，适用于宽波段、频率可调的场合。

西勒振荡器由起能量控制作用的放大器、将输出信号送回到输入端的正反馈网络以及决定振荡频率的选频网络组成。

但没有输入激励信号，而是由本身的正反馈信号来代替。

当振荡器接通电源后，即开始有瞬变电流产生，经不断地对它进行放大、选频、反馈、再放大等多次循环，最终形成自激振荡，把输出信号的一部分再回送到输入端做输入信号，从而就会产生一定频率的正弦波信号输出。

西勒振荡器广泛应用于各种电子设备中，特别是在通信系统中起着重要作用。

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；并在自动控制装置和医疗设备等许多技术领域也得到了广泛的应用。

1设计方案选择及讨论

1.1振荡器的定义

所谓振荡器是指：

在没有激励信号的情况下，能自动的将直流电源能量转换为具有一定波形、一定频率和一定幅度的周期性交流信号输出的电子电路。

1.2振荡器的用途与分类

作为信号源广泛应用于：

各类电子设备、高频加热设备、医疗仪器

为此,振荡器是各种高频电路中最基本和常用的单元线路,也是从事电子技术工作人员必须要熟练掌握的基本电路。

按振荡原理分：

反馈振荡器、负阻振荡器

按选频回路元件性能分：

LC振荡器（LC振荡器的振荡频率比较高，一般为几百KHZ以上）

LC振荡器：

互感耦合LC、差分对管LC三点电容（考毕兹）三点电感（哈特莱）

改进三点式（电容串联改进（克拉泼）电容并联改进（西勒））

晶体振荡器（振荡频率稳定度高，振荡频率同上）RC振荡器（振荡频率较低，一般为几HZ—几百KHZ）

晶体振荡器：

串联型并联型（皮尔斯、密勒）

开关电容振荡器

按振荡信号波形分：

正弦波振荡器（具有选频网络）多谐振荡器

1.3反馈振荡器的电路组成

正弦波反馈振荡器主要由三个部分构成

①放大网络

以有源器件为主体，起能量转换作用，将直流电源提供的能量，通过振荡系统转换成固定频率的交流能量，即构成驱动系统。

②选频回路

选择所需的某一频率并满足振荡条件，从而形成单一频率的正弦振荡。

③反馈网络

将输出信号通过正反馈引至放大电路的输入端，以维持振荡系统的正常振荡。

互感反馈振荡器：

由互感（变压器）构成反馈网络

电感反馈振荡器：

由电感构成反馈网络

电容反馈振荡器：

由电容构成反馈网络

1.4反馈型正弦波振荡器的电路构成与工作原理

一、基本含义：

凡是从输出信号中取出一部分反馈到输入端作为输入信号，勿须外部提供激励信号，能产生持续等幅正弦波输出，称为反馈型正弦波振荡器。

二、电路构成框图如图1-4所示

反馈型振荡器一般由三大部分组成。

图1-4反馈振荡器构成框图

三、电路工作原理

电路框图如图1-4-1所示接通电源瞬间，电路产生脉动电流。

含有丰富的谐波

利用LC回路的选频作用，对脉动信号的某次谐波谐振，产生对某单一频率的信号输出。

图1-4-1电路框图

谐振放大器输出的信号电压经反馈网络产生回授电压uf，作为正回授反馈到基极。

且uf>ui。

经放大后再输出，再回授。

振荡器只要满足A*F>1，振荡器则周而复始形成对某单一频率信号放大—回授,且有uin>ui2>ui1.从而形成振荡过程，实现将直流能量转换成交流信号。

1.5三点式LC正弦波振荡器的电路构成与工作原理

1.定义：

用LC串、并联谐振回路作为选频和移相网络的振荡器。

称为三点式LC振荡器。

原理图如图1-5所示

晶体管有三个电极（B、E、C）分别与三个电抗性元件相连接形成三个接点故称为三点式振荡器

图1-5三点式LC振荡器原理图

三点式（又称三端式）振荡器要实现振荡，必须遵循两个原则:

1与晶体管发射极相联结的电抗X1、X2性质2不与晶体管发射极相联结的另一电抗X3的性质必须与其相反。

即与Bc间性质相反

1.6实际常见三点式LC正弦波振荡器的电路分析

实际工程中，常见的三端式振荡器有四种基本电路

1.6.1电容反馈三端式振荡器（考毕兹电路）

实际电路组成如图1-6-1所示：

电阻RB1,RB2、RC、RE构成直流偏置电路

L、C1、C2构成LC振荡回路，反馈电压取自电容C2。

故称三点电容反馈。

图1-6-1考毕兹电路

考毕兹电路的优点：

1）电容反馈三端电路的振荡波形好。

2）电路的频率稳定度较高，适当加大回路的电容量，就可以减小不稳定因素对振荡频率的影响。

3）电容三端电路的工作频率可以做得较高，可直接利用振荡管的输出、输入电容作为回路的振荡电容。

它的工作频率可做到几十MHz到几百MHz的甚高频波段范围。

电路的缺点：

调C1或C2来改变振荡频率时，反馈系数也将改变。

但只要在L两端并上一个可变电容器，并令C1与C2为固定电容，则在调整频率时，基本上不会影响反馈系数。

高频等效电路如图1-6-2所示

图1-6-2高频等效电路

电容反馈三端电路的振荡频率为

1.6.2电感反馈三端式振荡器（哈特莱电路）

电路组成如图1-6-3所示

直流偏置电路Rb1,Rb2决定了起振时电路的工作点

当振荡以后ReCe构成自给偏压电路

L1、L2与C电路构成振荡回路，反馈电压取自电感L2，故称三点电感反馈。

电容Cb与Cc提供交流通路

图1-6-3哈特莱电路

哈特莱电路的优点：

1、L1、L2之间有互感，反馈较强，容易起振；

2、振荡频率调节方便，只要调整电容C的大小即可。

3、而且C的改变基本上不影响电路的反馈系数。

电路的缺点：

1、振荡波形不好，因为反馈电压是在电感上获得，而电感对高次谐波呈高阻抗，因此对高次谐波的反馈较强，使波形失真大；

2、电感反馈三端电路的振荡频率不能做得太高，这是因为频率太高，L太小且分布参数的影响太大。

高频等效电路如图1-6-4所示

图1-6-4高频等效电路

电感反馈三端电路的振荡频率为

1.6.3串联型改进电容三端式振荡器（克拉泼电路）

电路组成如图1-6-5所示：

图1-6-5克拉泼电路

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

1.6.4并联型改进电容三端式振荡器（西勒（Seiler）电路）

电路组成如图1-6-6所示：

1-6-6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：

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

高频等效电路如图1-6-7所示

1-6-7高频等效电路

振荡频率

本次设计我们采用的是西勒振荡器。

1.7系统框图及逻辑功能

设计出能产生频率稳定，幅度不变的正弦波振荡器。

振荡器也是一种能量转换器，它无需外加输入信号，本身就能自动的将直流电能转换成特定频率、波形、幅度的交变电能输出。

本设计属于反馈型振荡器，是在电路中引入正反馈，当正反馈足够强时，放大器就变成了振荡器，通过反馈回路中的选频网络，得到特定频率的正弦波。

这种法案设计出的正弦波振荡器电路简单，在改变C调节频率是不改变接入系数，频率可调。

其系统框图如图2.3所示：

图1-7系统设计框图

2各部分设计及原理

2.1放大器及选频网络的设计及分析

其原理图如图2-1所示

图2-1射极偏置放大与选频电路

该射极偏置电路让三极管有合适的静态工作点。

从稳频的角度出发，应选择

较高的晶体管，这样晶体管内部相移相对较小。

通常选择

。

同时希望电流放大倍数

大些，这既容易震荡，也便于减小晶体管和回路之间的耦合。

虽然不要求振荡器中的晶体管输出多大功率，但考虑到稳频等因素，晶体管的额定功率也应有足够的余量。

晶体管的静态偏置点设置在小电流区，电路应采用自偏压。

对于小功率晶体管，集电极静态电流约为1

4mA。

如上图2-1所示

电路中通过调节C5来调节震荡的频率

C=1/（1/C2+1/C3+1/C4）+C5

2.2缓冲级的设计与原理

缓冲级电路原理图图2-3所示

图2-2缓冲级电路

由于西勒振荡器的的输出阻抗比较大，带负载的能力不强，所以有必要加一个缓冲级，来提高电路的带负载能力。

缓冲级不具有放大作用，只是原倍数的将信号输出给下一级。

原理图如图2-2所示

3总原理图及其调试

3.1总原理图

图3-1高频改进型电容三点式正弦波振荡器电路原理图

总原理图中通过电路Q1放大器和选频网络组成了西勒振荡器，得到的信号经过缓冲级的处理后得到了一个原倍数的正弦波加在负载R15上，通过仿真，可以得知VR15≧1V

满足设计要求。

通过仿真，得到了西勒振荡器加缓冲级前后的仿真图。

3.2加缓冲级前仿真

在西勒振荡器加缓冲级前得仿真结果如图3-2所示

图3-2加缓冲级前得仿真波形

如上图所示，得到了正弦波，说明了电路起振了，并且得到了稳定的波形，但是波形有一定的失真，是由于噪声，温度等的影响，在本实验中可以不加考虑

3.3西勒振荡器接缓冲级后仿真

在西勒振荡器接缓冲级后，在负载处得到的仿真波形如图

图3-3接缓冲级后仿真波形

通过对仿真波形的观察，可以得知，在负载处得到了西勒振荡器的波形，即正弦波，其幅度超过1V。

满足了实验的要求。

4心得体会

对于电路的设计过程起初以为改进型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。

同样，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，电容三点式虽然常见，但是要考虑到满足任务书的要求，仍费了一番波折；其次是电路的焊接，在焊完元件后检查了一遍，便开始调试，后来发现焊接过程中有两处线路焊接错误，导致结果没有出来，而一点一点排查的过程是比较痛苦的。

在这个设计当中，我学会了振荡电路中的一些基础理论知识，在设计电路元件参数的时候首先要考虑电路起振条件和平衡条件，这分别包含振幅条件和相位条件。

正反馈网络是西勒振荡器设计中的一个重要环节，真反馈使输出起到与输入相似的作用是系统偏差不断增大，是系统震荡。

我还明白了普通电容三点式电路与克拉泼振荡器以及西勒振荡器之间的不同和优劣。

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，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。

我们在学习理论知识的同时还要努力培养自己的动手操作能力，对于通信工程的我们更是如此，通过这次课程设计我也看到了自己的差距，今后会努力提高自己的动手操作能力，以求真正领会各种专业知识，为将来的工作打下良好的基础。

参考文献

[1]《电子线路设计•实验•测试》，第三版，谢自美主编，华中科技大学出版社[2]《高频电子线路实验与课程设计》，杨翠娥主编，哈尔滨工程大学出版社[3]《高频电路设计与制作》，何中庸译，科学出版社[4]《通信电子线路》，第三版，高如云主编，西安电子科技大学出版社[5]《模拟电子技术》。

胡宴如主编，高等教育出版社[6]《电子技术基础实验与课程设计指导》，第二版，高吉祥，主编，电子工业出版社

附录I元件清单

名称

序号

型号参数

数量

电阻

R1

15KΩ

1

电阻

R2

5.1KΩ

1

电阻

R4

2KΩ

1

电阻

R5

1KΩ

1

电阻

R6

1.8KΩ

1

电阻

R7

15KΩ

1

电阻

R8

100Ω

1

电容

C1

4.7uf

1

电容

C2

47pf

1

电容

C3

100pf

1

电容

C4

330pf

1

电容

C6

10uf

1

电容

C7

10uf

1

三极管

Q1

2N2222

1

三极管

Q2

2N2219

1

滑动变阻器

R3

100KΩ

1

电感

L1

22mH

1

电感

L2

10uH

1

可调电容

C5

60pF

1